Nobelpreis: Die Wissenschaft vom molekularen Spielzeug

Der Nobelpreis für Chemie wurde diesmal für die Entwicklung molekularen Maschinen vergeben. Wir zeigen, woraus sie bestehen, warum sie immer noch Spielzeug sind und warum sie trotzdem gebraucht werden.

6. Oktober 2016 um 16:01 Uhr / Von Frank Wunderlich-Pfeiffer

Ein molekulares Auto, das von den Nobelpreisträgern konstruiert wurde. Bild: Nobelpreiskomitee

Richard Feynman hielt 1959 seinen berühmten Vortrag there is plenty of room at the bottom . Darin beschrieb er, dass es noch viele ungenutzte Möglichkeiten gibt, Maschinen kleiner zu bauen, als sie damals existierten. Auch so klein, dass sie nicht einmal mehr im Mikroskop zu sehen sein würden. Er hatte dafür einen guten Grund. Die Natur macht es vor. Selbst im Inneren der kleinsten Bakterien muss es Mechanismen geben, die Dinge gezielt bewegen können. Also muss es möglich sein, Mechanismen dieser Größe zu konstruieren.

Der Nobelpreis in Chemie ehrt in diesem Jahr drei Chemiker, die große Fortschritte in der Entwicklung der dafür nötigen Bauteile gemacht haben. Die offizielle Begründung "für Entwurf und Synthese molekularer Maschinen" geht allerdings recht großzügig mit dem Begriff Maschine um. Die Grundlagen für die aktuelle Forschung wurden schon in den 1950er Jahren gelegt. Sie begannen als chemische Kuriosität.

Moleküle bestehen in der Chemie im Allgemeinen aus Atomen, die durch chemische Verbindungen direkt aneinandergekoppelt sind. In der organischen Chemie konnten so schon in den 50er Jahren gezielt unterschiedliche geometrische Formen von Molekülen synthetisiert werden. Dabei kam die Idee auf, dass es möglich sein sollte, zwei ringförmige Moleküle nicht nur durch chemische Verbindungen aneinanderzukoppeln, sondern auch zwei Ringe wie zwei Kettenglieder zu verbinden und ineinander zu verschachteln. Es besteht dann keine chemische Verbindung zwischen den beiden Ringen, sie sind nur rein topologisch nicht in der Lage, sich voneinander zu trennen.

Zur Erzeugung der Ringe sollten dabei Molekülketten dienen, mit Enden, die sich dann zu einem Ring verbinden lassen. Dabei sollte die Kette so gestaltet sein, dass sie eher hydrophob ist und sich deshalb vorzugsweise in das Innere eines schon gebildeten Rings begibt, bevor sich die beiden Enden der Kette verbinden. In den 1950er Jahren scheiterten die Chemiker aber noch daran, diese Reaktion tatsächlich stattfinden zu lassen. Erst in den 1960er Jahren konnten die ersten derartigen Moleküle hergestellt werden, auch wenn der Prozess wenig ergiebig war. Nur wenige Ringe wurden tatsächlich wie gewünscht ineinander verschachtelt.

Gezielte Konstruktionen wurden möglich

1983 gelang es schließlich Jean Pierre Sauvage, einem der drei ausgezeichneten Chemiker, einen zuverlässigeren Prozess zu finden. Dabei werden sichelförmige Moleküle als Ausgangsstoffe benutzt, die sich leichter zu einem Ring schließen lassen als die geraden Ketten. Zusätzlich werden sie mit Hilfe von Kupferionen stabilisiert, bis sie sich miteinader verknüpfen. Später gelangen auch schwierigere Konstruktionen aus drei Ringen.

Einer Forschergruppe um Sir James Fraser Stoddart, dem zweiten ausgezeichneten Chemiker, gelang es in den frühen 1990er Jahren gerade, langkettige Moleküle in ein ringförmiges Molekül, sogenanntes Rotaxan, zu stecken und dabei an beiden Enden mit Stoppern zu versehen. Das Besondere an dieser Konstruktion war, dass der ringförmige Teil dazu gebracht werden konnte, sich zwischen den beiden Stoppern hin und her zu bewegen. Der Forschergruppe um Sauvage gelang es außerdem, einen solchen Ring gezielt um das gerade kettenförmige Molekül rotieren zu lassen, wie ein Rad um eine Achse.

Aber erst Bernard Feringa, dem dritten Preisträger, gelang auch eine gezielte Rotation in eine bestimmte Richtung, mit UV-Licht als Energiequelle. Mit diesen Techniken konnte auch das molekulare Auto gebaut werden. Dazu kamen noch weitere Molekülkonstruktionen, die wie Muskeln ausgedehnt und zusammengezogen werden können. Aber bei keiner dieser Konstruktionen handelt es sich um echte Maschinen. Es sind Spielzeuge, die keinen anderen Zweck als den Selbstzweck erfüllen.

Keine Maschine ohne Spielzeug

Das ist nicht schlimm. Es ist das Recht der Forscher und ein notwendiger Teil jeder Forschungsarbeit, genau solche Spielzeuge zu erschaffen. Problematisch ist nur die Erwartung einer nützlichen Maschine. Zur Zeit befindet sich die Forschung an molekularen Maschinen noch auf dem Niveau des Heronsball , der sich dampfbetrieben um sich selbst drehte und vor etwa 2000 Jahren erstmals im ägyptischen Alexandria gebaut wurde. Heute wird dessen Funktionsprinzip als Reaktionsturbine bezeichnet und manchmal auch als erste Dampfmaschine der Welt.

Manchmal kommt es zu dem versteckten Vorwurf an die Menschen jener Zeit, nicht einfach das Prinzip der Dampfmaschine erkannt und weiterentwickelt zu haben und die industrielle Revolution knapp 2000 Jahre eher stattfinden zu lassen. Aber das übersieht die enormen technischen Probleme, die bis dahin im Umfeld überwunden werden mussten. Von der Metallurgie, die in der Antike noch primitiv war, bis zur präzisen Fertigung von Metall durch Bohrer, Fräsen, Drehmaschinen und andere Werkzeuge, fehlte selbst für eine leidlich effizient funktionierende Dampfmaschine noch jede Grundlage.

Genauso ist es mit den molekularen Maschinen. Die ersten einfachen Mechanismen wurden entwickelt, aber sie können noch kaum mehr, als sich selbst bewegen. In einzelnen Fällen ist schon das viel wert. 2006 konnte eine Forschergruppe mit dem Prinzip des Rotaxan-Moleküls auf einer Achse einen 160 Kilobit großen Speicher bauen. Mit dem kleinen Nachteil, dass die meisten Bits schon nach sechs Schaltvorgängen zerstört waren und keines mehr als zehn überstand. Aber bis zur Konstruktion komplexer Maschinen, die einen definierten Nutzen haben, wird es noch lange Zeit brauchen.

Die Biologie zeigt, was geht

Was eines Tages möglich sein wird, sehen wir in der Biologie. Jede Zelle hat eigene Energiespeicher, die auch wieder aufgefüllt werden können. Sie müssen also nicht jederzeit von außen mit Energie versorgt werden. Sie können autonom auf ihre Umwelt reagieren. Vor allem haben sie aber Mechanismen zur gezielten Konstruktion von großen Molekülen, Proteinen, die wortwörtlich alle möglichen Funktionen innerhalb der Zelle übernehmen. Immerhin ist die Zelle in der Lage, sich selbst und alles in ihr zu replizieren.

Die Baupläne der Proteine werden von der DNA abgelesen, wofür eine Maschine den DNA-Strang aufspaltet und Stück für Stück einen zweiten Strang, diesmal RNA, mit der gewünschten Information konstruiert. Der RNA-Strang gelangt zu einer zweiten Maschine, einem Ribosom, das mit der Information der RNA anfängt, Aminosäuren aneinanderzuketten. Die Struktur der Ribosommaschine und diverse Helfermoleküle sorgen dafür, dass sich diese Kette von Aminosäuren genau in die richtige Form zusammenfaltet, um seine künftige Funktion wahrnehmen zu können.

Es ist fraglos möglich, solche und ähnliche Maschinen auch künstlich herzustellen. Die Methoden dafür müssen aber noch entwickelt werden. Zur Zeit würde es als großer Erfolg gelten, beispielsweise eine molekulare Maschine zu bauen, die allein in der Lage ist, sich entlang eines DNA-Strangs zu bewegen. Vom sauberen Auftrennen und Ablesen des DNA-Strangs - oder irgendeiner gezielten Manipulation irgendeines kettenförmigen Moleküls - ist dabei noch nicht die Rede.

Wie lange die Entwicklung noch dauern wird, ist nicht abzusehen. Fest steht nur, dass bis zum Bau der ersten nützlichen molekularen Maschinen noch viele Nobelpreise vergeben werden müssen.