Kohlenhydrate sind die vorherrschenden Biopolymere auf der Erde. So sind Polysaccharide wie Cellulose die Baumaterialien für Pflanzen oder schützen als Chitin in Schalen Tiere. Obwohl die Natur jedes Jahr Hunderte Millionen Tonnen Cellulose und Chitin produziert, hat sich der Zugang zu vollständig definierten Polysacchariden als äußerst schwierig erwiesen.

Synthesechemiker haben in den letzten Jahren versucht, lange Polysaccharide aus einzelnen Bausteinen herzustellen. Die Gruppe von Prof. Xin-Shan Ye (Peking-Universität) stellte 2017 einen neuen Rekord auf, als eine enorme Gruppenarbeit einen verzweigten 92-mer hervorbrachte.

Lineares 100-mer Polysaccharid in 188 Stunden

Nun verwendeten zwei Chemiker, der Postdoktorand Abragam Joseph und der Doktorand Alonso Pardo-Vargas im Team um Peter H. Seeberger, Direktor am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam, ein Syntheseinstrument, um innerhalb von 188 Stunden aus einem Baustein ein lineares 100-mer-Polysaccharid herzustellen.

Das Team zeigte, dass Polysaccharidketten, die durch das automatisierte Verfahren hergestellt wurden, wie 30-mere und 31-mere, wiederum kombiniert werden können, um Polysaccharide von beispielloser Größe und Komplexität zu bilden. So wurde durch eine 31 + 30 + 30 + 30 + 30-Kupplung ein mehrfach verzweigtes 151-mer Polysaccharid hergestellt.

Definierte Polysaccharide als wichtige Werkzeuge

Der Zugang zu komplexen Polysacchariden ist die Grundlage für Untersuchungen zu grundlegenden Strukturprozessen wie der Kohlenhydratfaltung, die bis heute nicht richtig verstanden sind. Die Fähigkeit, solche definierten Moleküle schnell und zuverlässig herzustellen, gibt Wissenschaftlern die Möglichkeit, alle Aspekte von Kohlenhydraten zu untersuchen, die bisher aufgrund des Mangels an reinen Kohlenhydraten unmöglich waren.

„Noch vor zwei Jahren hätte ich es nicht gewagt zu träumen, dass es möglich sein würde, 100- und sogar 150-mer-Polysaccharide herzustellen. Systematische Verbesserungen unserer chemischen Methoden in Kombination mit besseren automatisierten Kopplungsprotokollen bieten uns jetzt äußerst interessante Werkzeuge, um Kohlenhydrate besser zu verstehen “, sagt Peter H. Seeberger, der die Studie initiiert und überwacht hat.”

https://www.mpikg.mpg.de/6300084/news_publication_14763858_transferred?c=44858

Hydraulische Systeme nutzen Druckunterschiede zur Signal-, Kraft- und Energieübertragung. Etliche Maschinen funktionieren auf Basis dieses Prinzips – aber auch in der Natur findet sich dafür ein prominentes Beispiel: die Wasseraufnahme von Pflanzen. Die Saugkraft der Wurzeln beruht dabei auf dem Unterdruck in den pflanzlichen Versorgungskanälen, der durch die Wasserverdunstung an den Zellwänden der Blätter entsteht.

Das pflanzliche Hydrauliksystem nennen Experten „Xylem“ – ein Zellgewebe durchzogen von winzigen Leitungsbahnen, in denen Wasser und Mineralstoffe durch die Pflanze fließen. Der Unterdruck liegt in diesem Netzwerk typischerweise irgendwo zwischen minus 5 und minus 50 bar. Die stärksten Unterdrücke von etwa minus 80 bar erreichen Wüstenpflanzen. Weshalb aber die Grenze von etwa minus 100 bar in der Regel nicht unterschritten wird, darauf gab es bisher keine schlüssige Antwort. Denn: Physikalische Gründe schienen grundsätzlich nicht gegen stärkere Unterdrücke zu sprechen. Und für die Pflanze wäre eine höhere Saugkraft von Vorteil, könnte sie doch effektiver Wasser aus trockenen Böden ziehen.

Ein interdisziplinäres Forscherteam aus Botanikern und Physikern des Jožef-Stefan Instituts in Ljubljana, des Max-Planck-Instituts für Kolloid und Grenzflächenforschung in Potsdam, der Freien Universität Berlin, der Universität Ulm, der Technischen Universität Darmstadt und der California State University Fullerton, USA, hat nun eine Erklärung geliefert: Mit Hilfe von Simulationen auf atomarer Ebene konnten die Wissenschaftler zeigen, dass offenbar wasserunlösliche Naturstoffe, sogenannte Lipide, in den Pflanzenflüssigkeiten für das Phänomen verantwortlich sind. Bei Unterdruck sorgen sie für die Bildung schnell expandierender Hohlräume – Fachleute sprechen von Kavitäten. Werden sie zu groß, reißt die Wassersäule ab. Die Stärke der maximal tolerierbaren Unterdrücke wird dadurch dramatisch reduziert, von mehr als minus 1000 bar in reinem Wasser auf weniger als minus 100 bar in den Pflanzensäften. Der Wert, den die Modelle vorhersagen, stimmt mit den stärksten in der Botanik gemessenen Unterdrücken hervorragend überein, berichten die Forscher.

Lipide dienen in lebenden Organismen hauptsächlich als Strukturkomponenten in Zellmembranen, als Energiespeicher oder als Signalmoleküle. Aus jüngeren biochemischen Untersuchungen weiß man, dass solche Lipide auch im pflanzlichen Gefäßsystem vorkommen – besonders solche, die in einer wässrigen Lösung Doppelschichten bilden. Aus chemischer Sicht beruht dieses Verhalten auf den zwei vollkommen unterschiedlichen Enden der Lipide: Das eine stößt Wassermoleküle ab, das andere zieht sie an. Experten sprechen von hydrophil (wasseranziehend) und hydrophob (wasserabstoßend). Die hydrophile Kopfgruppe wendet sich also nach außen zum Wasser hin, während der hydrophobe Schwanz sich mit einem gleichartigen Ende eines anderen Lipids zusammenlagert. Solche Lipidpaare ordnen sich dann gewissermaßen in Reih und Glied an und bilden eine sogenannte Lipiddoppelschicht nach Art der Zellmembranen.

In ihrer Arbeit kombinierten die Forscher umfangreiche atomistische Computersimulationen der Molekulardynamik mit Modellrechnungen zur Entstehungsrate von Kavitäten. Damit konnten sie aus mikroskopischen Vorgängen Aussagen zum Verhalten auf biologisch relevanten Längen- und Zeitskalen treffen. „Durch die temperaturbedingten zufälligen Bewegungen von Wassermolekülen bilden sich in der Flüssigkeit regelmäßig winzige Hohlräume“, erklärt Philip Loche, Doktorand am Fachbereich Physik der Freien Universität Berlin. Die Kohäsionskräfte des Wassers sorgen aber in der Regel dafür, dass sich diese rasch wieder schließen. „Die Moleküle in Flüssigkeiten kleben gewissermaßen zusammen – anders als in einem Gas“, veranschaulicht Loche. Aus diesem Grund widerstehen Wassersäulen vergleichsweise hohen Zugkräften, ohne sich abzutrennen. Die Anwesenheit der Lipiddoppelschichten bewirkt nun allerdings, dass deutlich einfacher Hohlräume entstehen können, die rasch anwachsen, statt sich wieder aufzulösen. „Vereinfacht ausgedrückt ist es viel leichter zwei Lipidschichten auseinanderzureißen als eine Gruppe von Wassermolekülen“, erklärt Emanuel Schneck, Professor an der Technischen Universität Darmstadt und bis vor kurzem noch Forscher am Max-Planck-Instituts für Kolloid und Grenzflächenforschung in Potsdam.

Die Simulationen offenbarten, dass sich auf Grund der Lipidaggregate bei Unterdrücken von mehr als minus 100 bar sehr häufig Kavitäten formen. Bei den in Pflanzen typischerweise vorherrschenden Unterdrücken von minus 5 bis minus 50 bar passiert das hingegen so gut wie nie. Die Forscher stellten außerdem fest, dass kleine, wasserlösliche Bestandteile des Pflanzensaftes kaum die Bildung von Kavitäten begünstigen. Offenbar beruht also das in der Pflanzenwelt beobachtete Drucklimit tatsächlich auf den zusammengelagerten Lipiden. „Unsere Ergebnisse liefern zum ersten Mal eine plausible Erklärung dafür, weshalb Unterdrücke von mehr als minus 100 bar von Pflanzen nicht lange aufrechterhalten werden können“, so Schneck. Da Pflanzen also nicht beliebig stark Wasser aus dem Boden saugen können, schränkt dies die Fähigkeit der Pflanzen ein, Wasser aus dem trocknenden Boden aufzunehmen und letztendlich, wo Pflanzen überleben und wachsen können.

Matej Kanduč, Physiker am Jožef Stefan Institute in Ljubljana, Slowenien und Erstautor der Studie, merkt an, dass die Ergebnisse auch im Zusammenhang mit dem Klimawandel von Interesse seien. „Die größten negativen Drücke in Pflanzen findet man in Gegenden, wo Wasserknappheit herrscht“, berichtet er. Und bedingt durch den Klimawandel trocknen in immer mehr Regionen der Erde die Böden aus. „Wasser muss dort gegen den größten Widerstand aus dem Boden gezogen werden“, so Kanduč.

“Unser OCHEAMA- Projekt ist reiner Steam Punk”, berichtet Antonietti. “Wir benutzen “vergessene Werkzeuge” und die Chemie des 19. Jahrhunderts und wenden die Methoden auf aktuelle Fragestellungen der Materialwissenschaft an, mit zum Teil schon jetzt hervorragenden Ergebnissen, die eher orthogonal zu den jetzigen wissenschaftlichen Glaubensbekenntnissen sind”.

Das European Research Council, ERC, von der Europäischen Union in 2007 gegründet, ist die erstrangige Europäische Institution für Forschungsförderung. In jedem Jahr werden von ihr die besten und kreativsten Forscher jeder Nationalität und jeden Alters gefördert, im in Europa Projekte zu betreiben. Der ERC Advanced Grant ist für fortgeschrittene, etablierte Forscher und mit 2.5 Millionen Euro für visionäre Forschung ausgestattet.

https://www.mpg.de/14601738/radial-synthese-automat-ferngesteuert

Chemische Produktion ist Maßarbeit. Egal ob es um medizinische Wirkstoffe geht oder andere chemische Erzeugnisse, die Herstellungsprozesse müssen Chemiker immer individuell gestalten. Und auch die entsprechenden Anlagen konzipieren sie jeweils speziell für ein Produkt. Das könnte mit dem Automaten für die radiale Synthese deutlich einfacher werden – zumindest wenn ein Stoff nicht in riesigen Mengen gebraucht wird. „Mit der radialen Synthese schaffen wir einen Paradigmenwechsel in der Chemie“, sagt Peter Seeberger. Ein Team aus der Abteilung des Direktors am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung hat den neuen Ansatz in der chemischen Synthese entwickelt.

Der Syntheseautomat ermöglicht es zum einen, Menschen an schwer zu erreichenden Orten oder in Gegenden ohne chemische Industrie je nach Bedarf mit medizinischen Wirkstoffen oder anderen Substanzen zu versorgen, wenn diese dort nicht gelagert oder einfach dorthin transportiert werden können. Das könnte bei unverhofften Engpässen an medizinischen Wirkstoffen nützlich sein und Menschen in Entwicklungsländern generell einen flexiblen Zugang zu Substanzen ermöglichen, gerade wenn der Bedarf an einem Stoff nicht vorhersehbar ist. „Dort könnte es höchstens bei der Verfügbarkeit der Grundchemikalien einen Engpass geben“, sagt Peter Seeberger. „Mit den Ausgangsmaterialien zur Hand ist das aber eine riesige Chance.“

Zum anderen eröffnet der flexible Syntheseautomat völlig neue Perspektiven für die chemische Forschung. Denn gerade medizinische Wirkstoffe sind oft kompliziert gebaut, und kleine Unterschiede können große Effekte haben. Auf der Suche nach der besten Substanz, synthetisieren Chemiker daher meist viele verschiedene Moleküle mit kleinen Variationen. Bislang müssen sie ihre Apparaturen dabei oft wechseln oder zumindest umbauen – in mühsamer und zeitraubender Handarbeit. Das gilt auch für die Entwicklung der optimalen Reaktionswege, sobald das wirksamste Molekül mal gefunden ist.

Chemie nach dem Vorbild von Internetdiensten

„Die Handarbeit können wir mit der radialen Synthese weitgehend aus der Chemie nehmen“, sagt Peter Seeberger. Wenn es nach ihm geht, wird Chemie künftig wie der Service von Internetdiensten betrieben: „Sie sitzen zwar im Büro vor Ihrem Rechner, der Server, auf dem eine Anwendung läuft, steht aber irgendwo anders auf der Welt“, sagt Peter Seeberger. Ähnlich könnten auch Chemiker ihre Versuche künftig aus der Ferne ansteuern. „So lassen sich viel mehr Substanzen und Reaktionen testen“, sagt Peter Seeberger. „Und so sind wir in der Lage, auch viel mehr und viel verlässlichere Daten sammeln.“ Das wiederum könnte Big-Data-Analysen auch in der Chemie voranbringen. „Und letztlich wäre sogar eine künstliche Intelligenz, die durch Training mit den großen Datenmengen chemische Kompetenz entwickelt hat, im Stande, die Suche nach vielversprechenden neuen Substanzen für eine gewünschte Anwendung oder nach effizienten Reaktionswegen zu übernehmen“, so Seeberger. Chemiker könnten ihre Kreativität dann ganz Aufgaben widmen, für die sie nicht auf Erfahrungen mit ähnlichen Experimente zurückgreifen können und die sich daher nicht datengetrieben lösen lassen.

Den experimentellen Spielraum schafft die radiale Synthese, weil sie zwei prinzipiell unterschiedliche Prozesstechniken miteinander kombiniert: die zyklische und die lineare. Eine zyklische Synthese ist die Methode der Wahl, wenn Chemiker Biopolymere wie etwa Proteine, Kohlenhydrate oder DNA-Stränge erzeugen wollen. Dabei schleusen sie ein Molekül in einem Kreislauf durch ein Reaktionsgefäß, in dem immer wieder der gleiche chemische Reaktionstyp stattfindet, sodass das Molekül allmählich zu einer Kette wächst. Auch verschiedene Glieder lassen sich in den einzelnen Zyklen an die Kette knüpfen. Bei einer linearen Synthese durchläuft ein Molekül dagegen mehrere Stationen, an denen verschiedene Reaktionen stattfinden, und zwar in unterschiedlichen Apparaturen oder zumindest in unterschiedlichen Teilen einer Apparatur.

Industrieunternehmen haben bereits Interesse angemeldet

Die beiden Techniken kombinieren die Potsdamer Forschenden nun, indem sie mehrere Reaktoren für zyklische Synthesen kreisförmig um eine Art Drehscheibe anordnen. So können sie Zwischenprodukte ferngesteuert von einem zyklischen Reaktor zum anderen befördern und mit linearen Prozessschritten verbinden. „Wir können sehr unterschiedliche Reaktionen flexibel kombinieren, auch schnelle und langsame“, sagt Peter Seeberger. Chemische Umwandlungen, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ablaufen, lassen sich in gängigen linear arbeitenden Chemieanlagen nicht effizient ausführen, weil das Reaktionsgemisch durch sie mit konstantem Tempo fließt.

Die Potsdamer Forschenden werden die Vielseitigkeit der radialen Synthese nun weiter austesten. Als Patent haben sie die Technik aber bereits angemeldet, und erste Industrieunternehmen haben auch bereits ihr Interesse angemeldet. Denn der neue Syntheseautomat kann ihnen helfen, die Forschung an neuen Produkten und deren Entwicklung drastisch zu beschleunigen. Das würde nicht nur Kosten sparen, sondern könnte auch zu mehr Innovation führen.