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Selbstorganisation: große Ringe, niedrige Symmetrie

20.11.2020

Synthese und Selbstorganisation biologischer Makromoleküle: LMU-Chemiker berichten von der spontanen Entstehung komplexer, ringförmiger Strukturen.

Aus gleichen oder unterschiedlichen Einzelbausteinen, den Monomeren, entstehen Makromoleküle oder Polymere. Beispiele gibt es viele in der Natur, darunter Proteine und Nukleinsäuren, ohne die kein Leben möglich wäre.

Proteine bilden nicht nur die Grundlage von Strukturelementen aller Zellen. Aus ihnen sind auch Enzyme aufgebaut, die chemischen Reaktionen im Körper ermöglichen. Im Gegensatz dazu dienen Nukleinsäuren wie DNA und RNA als Informationsspeicher. In der DNA befinden sich genetische Information einer Zelle, die in RNA-Moleküle überführt werden. Anhand dieser Vorlage entstehen Proteine. Und lange Ketten aus Zuckereinheiten liefern Energiereserven in Form von Glykogen, das in der Leber und in den Muskeln gespeichert wird. Diese unterschiedlichen biologischen Polymere haben eine Gemeinsamkeit: Sie falten sich spontan in charakteristische räumliche Strukturen wie die berühmte DNA-Doppelhelix.

Professor Ivan Huc vom Department Pharmazie der LMU untersucht Aspekte der Selbstorganisation, die es Makromolekülen ermöglicht, sich in einer genau definierten Form zu falten. Natürliche Strukturen liefern ihm Vorbilder, deren Eigenschaften er im Labor mit synthetischen Molekülen, die weder Proteine, Nukleinsäuren noch Zucker sind, nachzubilden versucht. Genauer gesagt benutzt er Werkzeuge der synthetischen Chemie, um Prinzipien der Selbstorganisation aufzuklären. Ausgehend von Monomeren, die Hucs Gruppe entwickelt hat, stellt er so genannte „Foldamere“ her. Das sind gefaltete Makromoleküle mit einer definierten Geometrie.

Strukturen mit geringen Symmetriegraden

Ein Blick auf die Natur: „Der normale Weg, komplexe Proteinstrukturen zu erhalten, ist die Verwendung verschiedener Arten von Monomeren, nämlich Aminosäuren“, sagt Huc. „Und die normale Methode, diverse Aminosäuren in der richtigen Reihenfolge zu verbinden, ist, sie einzeln zu verknüpfen.“ Die Sequenz der Aminosäuren enthält Informationen zur Faltung, so dass Proteine mit unterschiedlichen Raumstrukturen entstehen.

„Aber wir haben etwas Unerwartetes und Spektakuläres entdeckt“, berichtet der LMU-Chemiker. Zusammen mit Forschern aus München, Groningen, Bordeaux und Berlin stellte Huc organische, schwefelhaltige Monomere her. Diese Einzelbausteine bildeten spontan zyklische Makromoleküle mit einer komplexen Form und mit niedriger Symmetrie. Eine bestimmte Reihenfolge – wie bei Aminosäuren – war nicht erforderlich. Die Makromoleküle bildeten sich von selbst. „Wir geben nur ein bestimmtes Monomer in einen Kolben und warten ab“, so Huc. „Das ist typisch für eine Polymerisationsreaktion, aber Polymere aus einem einzigen Monomer nehmen in der Regel keine komplexen Formen an und hören bei einer bestimmten Kettenlänge nicht auf, zu wachsen.“

Um die Reaktion weiter zu kontrollieren, verwendeten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entweder ein kleines Gastmolekül oder ein Metallion. Solche Regulatoren führen dazu, dass sich Monomere in bestimmten Strukturen um ein wachsendes Makromolekül anordnen. Durch die Wahl eines Regulators mit passenden Eigenschaften gelang es, Strukturen mit einer vorgegebenen Anzahl von Untereinheiten erzeugen. Einige bestanden entweder aus 13, 17 oder 23 Untereinheiten, also Primzahlen. Die entsprechenden gefalteten Formen weisen geringe Symmetriegrade auf.

Ein Modell für biologische und industrielle Prozesse

Das Interesse, solche Mechanismen aufzuklären, geht weit über die Grundlagenforschung hinaus. Die Wissenschaftler hoffen, dass ihr Ansatz zur Herstellung von Designer-Kunststoffen führen wird. Herkömmliche Polymere bestehen in der Regel aus einer Mischung von Polymeren mit unterschiedlicher Länge. Bei ihnen variiert die Zahl an Monomeren. Diese Heterogenität wirkt sich auf ihre physikalischen Eigenschaften aus. Man erwartet jedoch, dass Ketten mit gleicher Länge oder mit bestimmter Geometrie zu Materialien mit interessanten Eigenschaften führen könnte.

Darüber hinaus zeigen Foldamere, wie sie jetzt synthetisiert worden sind, enge strukturelle Ähnlichkeiten zu Biopolymeren. Sie sind als Modell ideal, um die Eigenschaften von Proteinen zu untersuchen. Hucs Ziel ist, komplexe biologische Mechanismen mit strukturell definierten, synthetischen Vorläufern nachzuahmen. Er will verstehen, wie sich beispielsweise Enzyme nach ihrer Synthese in Zellen in die richtige, biologisch aktive Raumstruktur falten. Moleküle, deren Eigenschaften im Labor genau kontrolliert werden können, bieten ideale Modelle, um Antworten zu finden, die vielleicht über Enzyme hinausgehen.
Nature Chemistry 2020