28.02.2020 • Biophysik

Physik des Lebens: Die Logistik des Molekül-Puzzles

Der Zufall als Störfaktor bei der Selbstmontage von Biomolekülen

Der effiziente und genaue Zusammenbau makro­moleku­larer Strukturen – etwa von Organellen wie den Ribosomen oder Flagellen – ist für alle Lebewesen essenziell. Dabei werden einzelne Bausteine mithilfe moleku­larer Wechsel­wirkungen autonom zusammen­gefügt. Ein besseres Verständnis der Prinzipien und Mechanismen dieser Selbst­montage und Selbst­organi­sation ist wichtig für die Entwicklung neuer Anwendungen, beispiels­weise in der Nano­techno­logie oder der Medizin. Ein Forscher­team der Uni München um Erwin Frey hat jetzt gezeigt, dass zufällige Effekte dabei eine wichtige Rolle spielen.

Abb.: Stochastische Ertragskatastrophe: In einem heterogenen System können...
Abb.: Stochastische Ertragskatastrophe: In einem heterogenen System können zufällige Effekte dazu führen, dass sich keine korrekten und vollständigen Strukturen bilden, obwohl chemische Berechnungen eine perfekte Ausbeute erwarten lassen. (Bild: LMU)

Die Wissenschaftler modellierten ein System, in dem eine begrenzte, biologisch relevante Anzahl von Bausteinen durch Selbst­montage zu bestimmten Ziel­strukturen zusammen­gebaut werden. Mithilfe mathe­ma­tischer Simula­tionen konnten sie zeigen, dass in einem hetero­genen System, bei dem sich die Ziel­struktur aus unter­schied­lichen Teilen zusammen­setzt, zufällige Effekte dazu führen können, dass sich über­haupt keine korrekten und voll­ständigen Strukturen bilden, obwohl chemische Berechnungen eine perfekte Ausbeute erwarten lassen. Die Wissen­schaftler bezeichnen dieses Phänomen als „stochas­tische Ertrags­kata­strophe“.

„Das ist fast so, als wolle man ein Puzzle aus magnetischen Teilchen allein durch Schütteln der Schachtel zusammen­setzen“, sagt Florian Gartner aus Freys Team. Auch wenn jedes Puzzle­teil vom richtigen Nachbarn ange­zogen wird, ist es sehr schwierig, das Puzzle in endlicher Zeit fertig­zu­stellen. Das Problem wird noch größer, wenn mehrere Exemplare desselben Puzzles in einer Schachtel gleich­zeitig zusammen­gebaut werden sollen, da sie sich dann gegenseitig Teile stehlen können, sodass kein einziges fertig wird. „Da wir keine Kontrolle über einzelne Teile haben, ist diese Ertrags­kata­strophe ein Effekt des Zufalls“, so Gartner. Keine Rolle spielt das Phänomen nur bei homogenen Ziel­strukturen, die nur aus einem einzigen Baustein­typ bestehen, oder wenn alle Ressourcen im Über­fluss vorhanden sind. Die Optimie­rung der Selbst­montage ist daher eine wichtige Heraus­forderung, um bei der Herstel­lung von Designer-Molekülen nicht teure Komponenten zu verschwenden.

„Prinzipiell geht man davon aus, dass der Ertrag besser ist, wenn die Strukturen nicht gleich­zeitig, sondern nach­ein­ander gebaut werden. Das heißt, die Initi­ierung neuer Strukturen muss viel langsamer als deren Wachstum erfolgen“, sagt Gartner. Die Wissen­schaftler haben jedoch fest­ge­stellt, dass insbesondere bei kleinen Systemen Schwankungen in der Verfüg­bar­keit der verschie­denen Teile die Initi­ierung neuer Strukturen begünstigen, sodass der Selbst­montage­prozess uner­wünschter Weise mit vielen unvoll­ständigen Strukturen endet.

„Unsere Studie legt nahe, dass die Konzen­tra­tion der verschiedenen Bausteine streng kontrolliert werden muss, damit effizient funktio­nelle Wirk­stoffe herge­stellt werden können“, sagt Frey. „Ein wichtiges Ziel zukünftiger Forschungen ist deshalb die Entwick­lung von Strategien, die Schwankungen in der Verfüg­bar­keit der Bausteine redu­zieren und zu effi­zienten Montage­proto­kollen führen.“

LMU / RK

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