Kontrolle über metallorganische Gerüste

Molekulare Maschinen steuern eine Vielzahl grundlegender Prozesse in der Natur. Eingebettet in eine zelluläre Umgebung, spielen sie eine zentrale Rolle beim intra- und inter­zellulären Transport von Molekülen sowie bei der Muskel­kontraktion von Menschen und Tieren. Für die Funktion des gesamten Organismus ist meist eine wohl­definierte Orien­tierung und Anordnung der molekularen Maschinen essenziell. Zum Beispiel ermöglicht die spezifische Einbettung von Motor­proteinen, welche eine Klasse von biomole­kularen Maschinen bilden, ein dynamisches Zusammenspiel der unzähligen Proteine. Dadurch wird die Bewegung auf molekularer Ebene verstärkt und über verschiedene Größen­ordnungen hinweg bis zur makro­skopischen Ebene übertragen.

Inspiriert von diesen biologischen Systemen, ist die Entwicklung von zell­artigen Materialien, basierend auf künstlichen mole­kularen Maschinen ein aktuelles Forschungs­feld. Um die molekulare Kooperativität dieser Maschinen für die Anwendung in der Material­wissenschaft oder der Medizin zu nutzen, ist ein detailliertes Verständnis sowohl der molekularen Einbettung in eine Matrix als auch der inter­molekularen Wechsel­wirkungen entscheidend. Elena Kolodzeiski und Saeed Amirjalayer vom Physikalischen Institut der West­fälischen Wilhelms-Universität Münster ist es erstmals gelungen, das dynamische Zusammenspiel einer Klasse von künstlichen molekularen Maschinen – den molekularen Shuttles – mithilfe von molekular-dynamischen Simu­lationen aufzudecken.

Molekulare Shuttles sind aus hantelförmigen und ringförmigen Molekülen aufgebaut, die durch mechanische Bindungen miteinander verknüpft sind. „Diese mechanische Verknüpfung auf mole­kularer Ebene führt dazu, dass sich der Ring entlang der Achse von einer Seite auf die andere bewegen kann. Diese gezielte Pendelbewegung wurde bereits genutzt, um mole­kulare Maschinen zu entwickeln“, erklärt Saeed Amirjalayer. Basierend hierauf arbeiten Wissen­schaftler weltweit an einer gezielten Nutzung dieser mole­kularen Maschinen in Funktions­materialien. Metall­organische Gerüst­verbindungen, welche modular aus organischen und anor­ganischen Bausteinen aufgebaut sind, erweisen sich als eine vielver­sprechende Matrix, um diese mechanisch verzahnten Moleküle in zell­artigen Strukturen einzubetten. Obwohl in den vergangenen Jahren eine Reihe dieser Systeme synthetisiert wurde, fehlt meist ein grund­legendes Verständnis der dynamischen Prozesse in diesen Materialien.

„Unsere Studie liefert einen detaillierten Einblick darin, wie die einge­betteten Maschinen funktionieren und zusammen­spielen. Gleich­zeitig konnten wir Parameter ableiten, die es ermöglichen, die Bewegungsart der molekularen Shuttles innerhalb der metallorganischen Gerüst­verbindungen zu variieren“, sagt Elena Kolodzeiski. Die gezielte Steuerung der Dynamik biete vielver­sprechende Möglichkeiten, um die Transport­eigenschaften von Molekülen in Membranen zu beeinflussen oder kata­lytische Prozesse abzustimmen. Die Forscher hoffen, dass ihre Simulationen die Grundlage für neuartige Materialien in der kata­lytischen und medi­zinischen Anwendung bilden.

U. Münster / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  E. Kolodzeiski & S. Amirjalayer: Dynamic network of intermolecular interactions in metal-organic frameworks functionalized by molecular machines, Sci. Adv. 8, abn4426 (2022); DOI: 10.1126/sciadv.abn4426
• Stimuli-Responsive Nanomaterials Group, Institut für Festkörpertheorie, WWU Münster