Leuchtende Elemente & komplizierte Molekülwechselwirkungen
Zwei neue Emmy-Noether-Gruppen an der Fakultät
für Chemie und Biochemie
Dr. Michael Seitz und Dr. Jörg Behler müssen
sich um die Finanzierung ihrer Forschung an der Fakultät
für Chemie und Biochemie keine Sorgen machen –
zumindest in den nächsten fünf Jahren nicht.
Beide werden seit Mai im Emmy-Noether-Programm der DFG
gefördert und leiten eigene Nachwuchs-Forschungsgruppen.
Seitz arbeitet mit farbig leuchtenden Elementen, die als
Kennzeichnung sogar im menschlichen Körper eingesetzt
werden sollen. Behler erforscht per Computersimulation
komplizierte Molekülwechselwirkungen, z.B. an Oberflächen.
Michael Seitz erforscht mit seiner Arbeitsgruppe eine
Klasse von 15 chemischen Elementen, die Lanthanoide. Zu
ihren vielen einzigartigen Eigenschaften gehört die
Lumineszenz: Sie leuchten unter UV-Licht, jedes in einer
anderen, charakteristischen Farbe. „Der konkrete
Fokus unserer Arbeit liegt auf zwei innovativen Anwendungen“,
erklärt Seitz. Bei der Lumineszenz-Nanocodierung
setzt er einzelne Lanthanoide in unterschiedlicher Weise
zusammen. Er erzeugt so eine Vielzahl farbig-lumineszierender,
molekularer Codes. Markiert man Moleküle mit diesen
Codes, lassen sie und ihre Wechselwirkungen sich verfolgen.
Dank der unterschiedlichen Farbzusammensetzungen ist es
möglich, mehrere Objekte gleichzeitig zu beobachten,
ohne sie zu verwechseln. Diese Methode eignet sich vor
allem für biochemische Fragen, z.B. bei der Untersuchung
von Stoffwechselprozessen.
Lanthanoide mit Lumineszenz
Der zweite Bereich ist das Bioimaging, die medizinische
in-vivo-Diagnostik. Seitz versucht, mit Hilfe der lumineszierenden
Lanthanoide direkt durch biologisches Gewebe hindurch
Bilder zu erzeugen. Zwar sind bisherige nichtinvasive
Verfahren wie die Magnetresonanz-(MRT) oder die Positronen-Emissions-Tomographie
(PET) heutzutage nicht mehr aus dem medizinischen Alltag
wegzudenken, sie haben aber auch Nachteile: MRT braucht
sehr starke Magnetfelder, PET arbeitet mit radioaktiven
Substanzen. Beides stellt hohe technische und organisatorische
Anforderungen, um die Sicherheit von Patienten und Personal
zu gewährleisten. Seitz‘ Ziel ist es daher,
eine schonendere Methode mit gleicher Leistung zu entwickeln.
Grundlage dafür ist, dass biologisches Gewebe für
Lichtstrahlen mit Wellenlängen im nahen Infrarot-Bereich
des Spektrums (ca. 700 bis 1100 nm) nahezu transparent
ist. Ein Kontrastmittel im Körper, das Wellen dieser
Länge aussendet, kann damit von außen direkt
durch die Haut lokalisiert werden. Die dabei verwendete
Strahlung, im Wesentlichen Wärmestrahlung, ist
völlig harmlos. Die Lanthanoiden-Lumineszenz ist
für solche neuen Kontrastmittel besonders geeignet,
vor allem wegen ihrer sehr langen Lumineszenz-Abklingzeiten,
was eine Detektion technisch vereinfacht. Ziel dieser
Grundlagenforschung ist es, die Technik für die
medizinische Diagnostik verfügbar zu machen, wobei
die tatsächliche Nutzung in der Klinik noch in
weiter Ferne liegt.
Jörg Behler beschäftigt sich mit Computersimulationen
chemischer Vorgänge. Er arbeitet an einer neuen
Methode zur effizienteren Beschreibung der Wechselwirkungen
zwischen Atomen in komplexen chemischen Systemen. Seit
der Entwicklung der Quantenmechanik ist es zwar im Prinzip
möglich, chemische Reaktionen exakt zu berechnen.
Allerdings ist der damit verbundene Rechenaufwand für
die meisten chemischen Fragen so hoch, dass selbst modernste
Supercomputer davor kapitulieren. Behler kombiniert
nun die Ergebnisse genauer quantenmechanischer Rechnungen
mit Erkenntnissen aus der Bioinformatik. Mit künstlichen
neuronalen Netzen, die ursprünglich entwickelt
wurden, um die Signalverarbeitung im menschlichen Gehirn
zu verstehen, beschreibt er die chemischen Bindungen
zwischen Atomen. Dadurch können diese etwa 100.000-mal
schneller berechnet werden – mit fast derselben
Genauigkeit. „Auf Grund dieses Erfolgs sind wir
nun in der Lage, völlig neue Fragen zu untersuchen.
Wir können jetzt quasi mit einem Theoriemikroskop
chemische Vorgänge auf atomarer Ebene beobachten“,
erklärt er.
Quantenmechanik plus Bioinformatik
Ziel dieser Entwicklungen sind zwei Anwendungsbereiche:
Zum Beispiel lässt sich mit den künstlichen
neuronalen Netzen die Kristallstruktur von Stoffen bestimmen.
Diese wiederum lässt Rückschlüsse auf
die Stabilität und die mechanischen Eigenschaften
zu. Behler kann so das Verhalten von Materialien unter
extremen Bedingungen wie hohem Druck oder hohen Temperaturen
simulieren und vorhersagen. Zudem kann er komplexe chemische
Reaktionen an Festkörperoberflächen untersuchen.
Dies ist besonders in den Materialwissenschaften von
Bedeutung, wenn es z.B. darum geht, die Korrosion von
Metallen zu verhindern. Im Sonderforschungsbereich 558
(Metall-Substrat-Wechselwirkungen in der heterogenen
Katalyse) der RUB, dessen Förderung durch die DFG
erst kürzlich um drei Jahre verlängert wurde,
steuert Behler weiterhin ein neues Teilprojekt bei.
Hier untersucht er die Struktur von Kupferpartikeln
auf Oxidoberflächen. „Kupferpartikel dienen
in der chemischen Industrie als Katalysator bei der
Herstellung von Methanol, einer wichtigen Grundchemikalie.
Um die Wirkungsweise der Kupferpartikel zu verstehen,
muss man deren Struktur genau kennen“, sagt der
Chemiker.
Die gute personelle und technische Ausstattung der Emmy-Noether-Gruppen
macht den Weg frei für eine frühe wissenschaftliche
Selbständigkeit. Die Nachwuchswissenschaftler können
sich ganz ihrer Forschung, ihren Lehrveranstaltungen
und ihern Doktoranden widmen. Innerhalb von fünf
Jahren können sich Seitz und Behler als Hochschullehrer
qualifizieren. Beide sind Mitglieder des neuen Research
Departments „Interfacial Systems Chemistry“
an der RUB (http://www.rub.de/ifsc).
Fachübergreifend arbeiten Forscher hier an einem
grundlegenden Verständnis molekularer Strukturen
und intermolekularer Wechselwirkungen. Für ihre
herausragenden Forschungsleistungen hatten Seitz und
Behler bereits 2008 das Liebig-Stipendium des Fonds
der Chemischen Industrie erhalten.
Infos: http://www.theochem.rub.de/research/behler/;
http://www.lanthanoid.org,
(Seitz).
Julia
Brosig
|
