» Kontrollierte Immobilisierung von Proteinen an Oberflächen für Anwendungen in der Katalyse und der gezielten Wirkstofffreisetzung Die gezielte, spezifische Immobilisierung von Enzymen und Proteinwirkstoffen stellt eine große Herausforderung dar, da häufig die Aktivität verloren geht oder reduziert wird. Wir konnten neulich zeigen, dass durch gezielte Selbstorganisation auf Oberflächen und Immobilisierung durch Proteinthioester über bifunktionelle Peptide die Aktivität des Enzyms Aldoketo-reduktase erhalten bleibt und zudem ein Ausbluten aus dem System über Wochen verhindert werden konnte. Im Rahmen des Projektes soll dieses Konzept nun auf weitere Enzyme und Proteinwirkstoffe angewandt werden. Hierfür ist geplant:

1. Immobilisierung von Sortase A: Diese Transpeptidase erlaubt die chemische Modi- fizierung von Proteinen durch den Transfer von Peptidbindungen. Somit ist eine gezielte chemische Modifizierung von großen Proteinen durch kleine, markierte Peptide möglich. Eine Immobilisierung weist große Vorteile auf, da das Enzym regeneriert werden kann, für mehrere Cyclen eingesetzt wird und im Batch-Verfahren verwendet werden kann. Weiterhin entfällt die mühsame Abtrennung von Substrat und Enzym.

2. Immobilisierung von Proteinwirkstoffen, wie z.B. Cytokinen und gezielte Freisetzung durch Proteasen. In diesem Projekt sollen Cytokine, wie SDF-1 alpha (stromal derived factor) über Peptide, die eine Protease-Schnittstelle enthalten, an Biomaterialien gekoppelt werden. Bei Entzündungsreaktionen spaltet die Protease gezielt das Peptid, ein Gradient des Cytokins entwickelt sich und lockt geeignete Zellen zur Reparatur an den Ort der Entzündung. Im Fall von Implantatbeschichtungen handelt es sich dabei um Knochenvorläuferzellen, im Fall von Hautdefekten um Fibroblasenvorläuferzellen. Dieser Ansatz ermöglicht eine rasche Annahme des Fremdstoffs durch die gezielte Freisetzung des Wirkstoffes von der Oberfläche.

» Bakterienzellen als Carrier funktioneller biogener und synthetischer
Nanopartikel Die physikalischen Gesetzmäßigkeiten der Interaktion zwischen Nanopartikeln und potenziellen bakteriellen Trägerzellen sind bisher nicht systematisch untersucht worden. Funktionelle Einheiten aus beiden Komponenten haben vielversprechende Eigenschaften z.B. im Hinblick auf die gezielte Verbringung katalytischer Nanopartikel oder virengetragene genetische Information durch chemotaktische Bakterien. Andererseits beeinflussen Bakterien-Nanopartikel Interaktionen die Wahrscheinlichkeit mit der Nanopartikel über trophische Interaktionen in für den Menschen bedeutsame Nahrungsnetze gelangen können. Des Weiteren lassen sich fluoreszenzmarkierte, nanoskalige Bacteriophagen als extrem selektive Marker für Bakterien in komplexen Umweltsystemen verwenden. In diesem Arbeitspaket sollen Interaktionen zwischen ausgewählten Bakterien und Nanopartikeln katalytischer Funktion einerseits sowie Viren und Bacteriophagen anderseits mittels physikochemischer Messungen und Modellierung und zytometrischer Analysen untersucht werden.

» Photokatalytisch aktive Moleküle, Nanopartikel und dreidimensionale
Netzwerke Mehr als 80% aller chemischen Produkte werden mit Hilfe katalytischer Prozesse hergestellt, weshalb Katalyse in der Chemischen Industrie von erheblicher volkswirtschaftlicher Bedeutung ist. Der z.T. hohe Energieaufwand könnte durch Nutzung alternativer Energieformen, wie der Sonnenenergie, erheblich reduziert werden. Als Beispiel hierfür sei die Photosynthese der Pflanzen genannt, bei der die vom Sonnenlicht aufgenommene photonische Energie für die katalytische Reaktion von Kohlendioxid und Wasser zu Kohlenhydraten und Sauerstoff genutzt wird. Photokatalyse ist also eine ausgezeichnete Möglichkeit zur Nutzung von Sonnenenergie für chemische Reaktionen. Beispiele sind der photokatalytische Abbau von Schadstoffen in Luft und Wasser im Bereich Umweltschutz oder die an Festkörperoberflächen photokatalytisch ablaufende Wasserspaltung unter Bildung von Wasserstoff im Bereich der Energiespeicherung.

Im Arbeitskreis Hey-Hawkins werden verschiedene Farbstoffe dargestellt, die sich durch eine ausgezeichnete thermische und chemische Stabilität auszeichnen. Durch weitere Modifikationen sollen nun Absorptionen in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen erreicht und so der gesamte sichtbare Spektralbereich für eine Absorption nutzbar gemacht werden. Diese carboxyl-substituierten Farbstoffe sollen dann für den Aufbau photokatalytisch aktiver metall-organischer Gerüste (MOFs) genutzt werden. Die Verwendung von Carbonsäurederivaten soll hier zudem ein rationales Strukturdesign (Porengröße, Hohlraumform, etc.) und dadurch entsprechende Selektivitäten für Substrate und Produkte bei der Photokatalyse ermöglichen.

Die Abscheidung von katalytisch aktiven Nanopartikeln (Pd, Fe, TiO₂ u.a.) in den dargestellten photokatalytisch aktiven MOFs wird aus entsprechenden thermisch labilen metallorganischen Vorläufern bei höheren Temperaturen (<200 °C) erfolgen. Des Weiteren ist eine Anbindung dieser Farbstoffe an katalytisch aktive Nanopartikel wie TiO₂, Fe oder Pd geplant, wodurch sowohl die Stabilität als auch die Selektivität und photokatalytische Aktivität der Katalysatoren erhöht werden sollen.

» Selektive makrozyklische heterobimetallische (schaltbare) Katalysatoren Steuerliganden (insbesondere phosphorhaltige) lassen sich durch Variation der Substituenten leicht in ihren sterischen und elektronischen Eigenschaften modifizieren, so dass regio-, chemo- und stereoselektive katalytische Prozesse steuerbar werden. Entsprechende Ligandensysteme werden in diesem Projekt entwickelt und mit den Vorteilen eines "molekularen Becherglases", in dem die katalytische Reaktion ablaufen soll, kombiniert. Ausgehend von 1,1'-Bisphosphan-substituierten Ferrocenderivaten (planar-chirale, P-chirale Verbindungen), die als Metallabisphosphan-Liganden für katalytisch aktive Metalle (Pd, Ir, Ru, Au, usw.) dienen, sollen durch die Variation der Spacer (Länge, konjugierte Gerüste, flexibel oder starr, zusätzliche Donoratome als Lewis-Basen oder Lewis-Säuren (z.B. Borderivate, Ammoniumgruppen) im Spacer, usw.) zwischen Ferrocengerüst und Phosphordonoratom nano-dimensionierte Makrozyklen aufgebaut werden, die durch zusätzliche Wechselwirkung der Substrate mit den "Wänden" des Makrozyklus maßgeschneiderte katalytische Reaktionen ermöglichen sollen.
Einsatzbereiche entsprechender Katalysatoren sind insbesondere C-C-Bindungs- knüpfungsreaktionen, aber auch enantioselektive Hydrierung und Hydroformylierung mit chiralen heterobimetallischen Makrozyklen als Katalysatoren. Durch Fixierung des Katalysators auf einer entsprechenden Festkörperoberfläche sollen (elektrisch) schaltbare Katalysatoren (Fe²⁺/Fe³⁺) entwickelt werden. Der Einsatz derartiger in-situ modifizierbarer Katalysatoren in Tandem-Reaktionen soll untersucht werden.

» Modellierung und Computersimulation von selbstorganisierten komplexen
Aggregaten Eines der Ziele ist die Erforschung der grundlegenden Mechanismen von Polymeradsorption und -aggregation und ihr Zusammenhang mit Proteinadsorption und -aggregation bzw. Amyloidbildung sowie das Verhalten von (Bio)Polymeren in ungeordneten, räumlich begrenzten Materialien ("crowded cell" Problem). Langfristiges Ziel des vorliegenden Projekts ist die Entwicklung von Mehrskalenmethoden zur Modellierung und Simulation von selbstorganisierten komplexen Aggregaten, die später auch auf viele andere Fragestellungen von praktischer Bedeutung angepasst werden können. Als konkretes Anwendungsproblem soll zunächst die Erforschung der grundlegenden Mechanismen von Polymeradsorption und -aggregation und ihr Zusammenhang mit Proteinadsorption und Amyloidbildung im Vordergrund stehen. Dabei spielen Mustererkennung an Substraten unterschiedlicher Geometrie (planar, Kugel, Zylinder,...) und variierender Struktur (Streifen, Schachbrett, zufällig verteilt,...) für die Selbstorganisationsprozesse und die dadurch entstehenden Funktionen (emergente Eigenschaften) eine wesentliche Rolle. Als ein weiterer wichtiger Kontrollparameter soll die Steifigkeit der betrachteten Makromoleküle systematisch variiert werden (z.B. im "Wormlike Chain" Modell). Methodisch sollen hierfür modernste numerische Monte-Carlo-Simulationsalgorithmen in verallgemeinerten Ensembles (multikanonisch, Wang-Landau, "Parallel" und "Simulated Tempering",...) zum Einsatz kommen und auf die durch gezielte Experimente motivierten komplexen Fragestellungen maßgeschneidert angepasst und weiterentwickelt werden.

» Selbstorganisierte Kapselmoleküle für die Bindung und Aktivierung von
Carboxylat-Funktionen In der Literatur wird eine Vielzahl von offenen oder vollständig geschlossenen Kapselmolekülen mit bemerkenswerten Gasteinschlusseigenschaften und Reaktivitäten im Innenraum beschrieben. Darunter sind etwa kovalent aufgebaute molekulare Kapseln wie die Carceranden, die ihre Gäste irreversibel einschließen, oder die Calixaren- und Resorcinarene, die über Öffnungen nach außen einen gewissen Gastaustausch zulassen. Auch über nicht-kovalent aufgebaute Kapselkomplexe oder Koordinationskäfige, die durch spontane Aggregation hochsymmetrischer Strukturbausteine über H-Brücken oder koordinative Metall-Ligand-Bindungen entstehen, wird zunehmend berichtet. Die emergente Eigenschaft der Verbindungen ist die Schaffung eines molekularen Hohlraums und die damit verbundenen Eigenschaften. Im dem hier vorgelegten Teilprojekt sollen Kapselmoleküle mit zwei inneren Lewis-aciden Zentren für die Bindung, Aktivierung und Umsetzung von Carboxylat-liganden aufgebaut und charakterisiert werden. Die Verbindungen sollen die Enantiomerisierung (bzw. Konfigurationsumkehr) von chiralen Carbonsäuren (z.B. Aminosäuren und Peptide) katalysieren. Die Verbindungen entstehen durch Metallionen vermittelte Selbstorganisation makrozyklischer Liganden. Durch die Anzahl, Art, Länge und Orientierung der funktionellen Gruppen lassen sich die Größe und Form des Hohlraums und der Porenöffnungen um das Reaktionszentrum gezielt einstellen, was hinsichtlich der Aktivität und Selektivität des Katalysators eine ausgeprägte Wirkung haben kann.

» Selbstorganisierte Kapselmoleküle als Anionensensoren Eine emergente Grundeigenschaft selbstorganisierter Kapselmoleküle ist die molekulare Erkennung. Diese Funktion erlaubt die Entwicklung und Synthese von künstlichen Rezeptormolekülen, die speziell nur ein Molekül oder Anion binden, und somit als hochselektive Komplexierungsreagentien in der analytischen Chemie, als molekulare Schalter in der molekularen Elektronik, oder auch als Anionentransporter in der Phasentransferkatalyse potientielle Anwendung besitzen. Wir konnten vor kurzem zeigen, dass durch Selbstorganisation sterisch überfrachteter Makrozyklen bifunktionelle Rezeptormoleküle entstehen, die selektiv nur kleine sphärische Anionen (d.h. F^-,
Cl^-, und OH^-) binden. Wir konnten außerdem die Ankopplung dieser Rezeptormoleküle an Gold-Oberflächen nachweisen. In diesem Projekt sollen nun Rezeptoren für die selektive Bindung umweltbedenklicher Anionen (z.B. NO₃^-, AsO₄^3-, PO₄^3-, etc.) entwickelt werden und auf Festkörperoberflächen immobilisiert werden. Eine Anwendung im Umweltsektor ist geplant. Die so derivatisierten Oberflächen sollen darüber hinaus in elektronische Bauelemente (z.B. Anionen-selektive Mikroelektroden) integriert werden, die Anwendung in der medizinischen Analytik oder Diagnostik finden können.

» Neuartige nano-Fenton-Katalysatoren durch Wasserstoff-Spillover Die Fenton-Reaktion erzeugt OH-Radikale aus Wasserstoffperoxid gemäß der Grundreaktion Fe²⁺ + H₂O₂ → Fe³⁺ + HO^• + OH^-. Die gebildeten OH-Radikale sind extrem starke, universelle Oxidationsmittel. Das Fenton-Reagenz (Wasserstoffperoxid + Eisensalze) wird für die Reinigung von kontaminierten Wässern im technischen Maßstab genutzt. Es ist jedoch mit einer Reihe von Nachteilen behaftet (z.B. Notwendigkeit eines stark sauren Milieus, Anfall von Eisenschlämmen beim Neutralisieren), die seine Anwendung in der Praxis stark einschränken.
Die Heterogenisierung von Eisenkatalysatoren ist ein Weg, diese Nachteile zu beheben. Um möglichst hohe Reaktionsgeschwindigkeiten zu erreichen und Stofftransportlimitationen zu vermeiden, sind nanopartikuläre Katalysatoren eine interessante Option. Untersucht wurden z.B. Eisenmischoxide (Magnetit), Perowskite und Fe-dotierte Zeolithe. Alle diese Katalysatoren sind bisher nur bedingt brauchbar, weil die mit ihnen erreichbaren Reaktionsraten deutlich unterhalb derer des homogenen Fenton-Reagenz liegen. Der langsamste und damit für die Gesamtreaktion geschwindigkeitsbestimmende Schritt im Katalysezyklus ist die Reduktion der Fe³⁺-Spezies zurück zu Fe²⁺. Dies ist plausibel, wenn man bedenkt, dass ein Reduktionsschritt in einem stark oxidierenden Reaktionsmilieu a priori benachteiligt ist.
Der von uns hier vorgeschlagene, neuartiger Lösungsansatz für dieses Problem geht nun davon aus, in unmittelbarer Nähe zu den Fe-Zentren ein starkes Reduktionsmittel in situ zu erzeugen, das in der Lage ist, Fe³⁺ zu Fe²⁺ zu reduzieren. Dieses Reduktionsmittel könnte aktivierter Wasserstoff (H*) sein, der von einem Edelmetallcluster (Pt oder Pd) über die Katalysatoroberfläche zu einem benachbarten Fe-Zentrum diffundiert gemäß: Pt/Pd + H₂ → H* + Fe³⁺ → Fe²⁺.
Dieses Phänomen ist aus der Gas-Feststoff-Katalyse als Spillover bekannt, in wässriger Suspension bisher noch nicht beschrieben. Die Herausforderung besteht zunächst darin, dieses Phänomen für wässrige Systeme zweifelsfrei nachzuweisen und im Erfolgsfall solche bimetallischen Nanokatalysatoren so zu optimieren, dass die Reduktionsmittel (H2 und H*) nur einen möglichst geringen Anteil der erzeugten OH-Radikale (und anderer oxidierender Spezies) verbrauchen. Dabei kommt der gezielten Gestaltung der Oberfläche der neuartigen Nanokatalysatoren eine Schlüsselfunktion zu, insbesondere dem Design von Eisen- und Edelmetallzentren. Im ungünstigen Fall führt die einfache Nachbarschaft beider Zentren lediglich zum Quenchen (gegenseitigen Auslöschen) der an ihnen erzeugten reaktiven Spezies (z.B. H* + HO^• → H₂O). Neben molekularem Wasserstoff sind auch andere Wasserstoffdonatoren von Interesse, z.B. Ameisensäure, die an Pd-Clustern katalytisch zersetzt werden kann und in Gegenwart von Sauerstoff in situ Wasserstoffperoxid erzeugen kann, gemäß:
HCOOH + Pd → CO₂ + H₂ mit O₂ → H₂O₂.
Dieses Wasserstoffperoxid steht dann ebenfalls für die ablaufende Fenton-Chemie als Oxidationsmittel zur Verfügung. Um die Zersetzung von Ameisensäure an Pd zu steuern, sind Multimetallkatalysatoren oder starke Metall-Träger-Wechselwirkungen vorteilhaft. Auch dieses Konzept stellt hohe Anforderungen an ein gezieltes bottom-up Design der katalytisch aktiven Nanopartikel und ihre Charakterisierung. Am Ende der Arbeit soll die experimentelle Verifizierung eines neuen Konzeptes zur Verbesserung von heterogenen Fenton-Katalysatoren für die Reinigung organisch oder hygienisch hoch belasteter Wässer, wie z.B. Krankenhausabwässer stehen.

» Koordinationspolymere zur Speicherung und kontrollierten Freisetzung von
Wirkstoffmolekülen In der Koordinationschemie führt die Reaktion von Metallionen mit einfachen Liganden recht gut vorhersehbar zu Komplexen, deren Strukturen von der Natur der beteiligten Liganden und der Wechselwirkung mit den Zentralionen bestimmt sind. Werden jedoch Liganden mit zwei oder mehr Donorgruppen eingesetzt, so können diese als Brückenliganden mehrere Metallionen miteinander verknüpfen. Dadurch ist es möglich, zwei- oder dreidimensionale Koordinationsnetzwerke aufzubauen. Eine gezielte Synthese bzw. eine genaue Strukturvorhersage solcher Koordinationspolymere ist bisher i.A. nicht möglich; allerdings gelingt es durch geschickte Wahl dieser Brückenligand-Metallionen-Kombination und der Synthesebedingungen, das Prinzip der Selbstorganisation so zu nutzen, dass Reaktionsprodukte mit interessanten Materialeigenschaften gebildet werden. So lassen sich Strukturen erhalten, die einen erheblichen Porenanteil aufweisen.
Dieser Porenanteil ermöglicht - in Abhängigkeit von der Größe der Poren und der Art der Netzwerkkomponenten - vielfältige Funktionalitäten: Die Poren und die damit verbundene große innere Oberfläche können zur adsorptiven Speicherung von Gas- und Lösungsmittelmolekülen und aufgrund unterschiedlicher Porengröße und/oder unterschiedlicher Stärke der Adsorptionswechselwirkung zur Stofftrennung oder -anreicherung genutzt werden. Bei größeren Poren ist die Speicherung von Wirkstoffmolekülen möglich, die dann über einen längeren Zeitraum aus den Netzwerken wieder abgegeben oder, bei gesundheitlich unbedenklichen Bestandteilen, durch langsame Zersetzung der Wirtsverbindung freigesetzt werden können. Durch die Einlagerung von Gastmolekülen in die Poren verändern sich häufig optische/spektroskopische Eigenschaften (Absorption, Lumineszenz), so dass dadurch empfindliche Sensoren konstruiert werden können. Schließlich können durch in die porösen Netzwerke integrierte katalytische Zentren die Vorteile der homogenen Katalyse mit denen der heterogenen Katalyse kombiniert werden.
Ziel dieses Teilprojektes ist die Darstellung von Koordinationspolymeren, die Wirkstoffmoleküle als "Gast" in die poröse "Wirtstruktur" aufnehmen und diese wieder kontrolliert freisetzen können. Dabei sollen insbesondere toxikologisch unbedenkliche Metallsalze und Liganden, u.a. Aminosäure-Derivate, für die Synthesen der Koordinationspolymere eingesetzt werden. Zur Strukturaufklärung sollen Einkristalle der Verbindungen gezüchtet werden, für die beabsichtigte Anwendung sollen die MOFs in Form von Nanopartikeln synthetisiert werden.

» Cluster und emergente kollektive Moden in Schwärmen heißer und
auto-thermophoretischer Nanoteilchen Die Analyse und Kontrolle der individuellen und kollektiven Dynamik automobiler Nanoteilchen ist ein explosiv wachsendes modernes Forschungsgebiet mit einzigartigem Anwendungspotential in verschiedensten Bereichen der Nanotechnologie. Der Schwerpunkt der Leipziger Expertise liegt vor allem auf dem Gebiet der Nichtgleichgewichts-Brownschen Dynamik von heißen Metall-Nanoteilchen und sogenannten auto-thermophoretischen Janusteilchen, chemischen Hybriden aus zwei optisch und thermisch gegensätzlichen Hälften, deren auto-thermophoretische Bewegung durch Laserlicht geschaltet und betrieben wird. Das Arbeitspaket zielt auf die mathematisch-theoretische Charakterisierung der Wechselwirkung, des Schwarmverhaltens und der Clusterbildung heißer und auto-thermophoretischer Nanoteilchen in Lösungen ab.
Insbesondere soll die spontane und kontrollierte Ausbildung kollektiver Muster und Partikelcluster in hocheffizient parallelisierten Computersimulationen auf Grafikkarten (GPUs) analysiert und mit quantitativen Methoden aus der Theorie der Stochastischen Vielteilchendynamik (insbesondere dissipative Boltzmann-Gleichungen, Vielteilchen-Fokker-Planck und -Langevin Gleichungen) beschrieben werden. Zentrale Voraussetzung für ein fundamentales Verständnis dieser neuartigen faszinierenden Prozesse ist die sogenannte heiße Brownsche Bewegung ("hot Brownian motion"), eine spezielle Form von Brownscher Dynamik fernab des thermischen Gleichgewichts, für die uns für den Fall eines einzelnen geheizten Partikels in Lösung kürzlich die explizite Konstruktion einer analytischen Beschreibung im Rahmen einer effektiven Gleichgewichtstheorie gelungen ist.
Das Feld der potenziellen Anwendungen ist weit und reicht von innovativen photothermischen Mikroskopietechniken (z.B. der in Leipzig entwickelten Technik der Photothermischen Korrelationsspektroskopie) über die computergesteuerte Kontrolle des Schwarmverhaltens und der Aggregation heißer Nano- und Janusteilchen mittels so genanntem Photon Nudging bis zur Wärmebehandlung von Tumoren.