Viel Licht in der Forschung

Photochemie und -physik sowie Photonik sind aktuelle Forschungsgebiete, die einen gemeinsamen Nenner haben: In allen spielt Licht die zentrale Rolle. Chemiker und Physiker nutzen Licht, um Reaktionen zu ermöglichen und zu steuern, Moleküle zum Leuchten zu bringen oder um Informationen zu übertragen und zu speichern. Licht lässt sich sogar als Werkzeug einsetzen, um winzige Körperbausteine – die Zellen – festzuhalten und zu untersuchen, was zum Beispiel in der biomedizinischen Forschung interessant ist. Vier Einblicke:

Die Welt um uns herum besteht aus organischen Molekülen, in unserer Kleidung, im Fernseher, in unserem Essen, in unseren Medikamenten – auch wir selbst bestehen aus organischen Molekülen. Meine Forschungsgruppe beschäftigt sich mit der Entwicklung moderner Synthesewerkzeuge für organische Moleküle (wichtig z. B. für die Herstellung von Medikamenten), zumeist unter Verwendung von Katalysatoren. Ein immer wichtiger werdendes Gebiet ist die Photokatalyse.

Unser Ziel ist es dabei, synthetisch nützliche photochemische Reaktionen zu entwickeln, die durch sichtbares Licht ermöglicht und gesteuert werden. Interessanterweise bieten sich hierdurch alternative, im Vergleich zu thermischen Reaktionen mildere – also für die Moleküle schonendere – Synthesewege. Diese erlauben oftmals einen selektiven und effizienten Zugang zu neuen Produkten. Sonnenlicht besteht aus verschiedenen, unterschiedlich energiereichen Strahlungsarten. Die meisten organischen Verbindungen können allerdings nur energiereiches UV-Licht absorbieren, d. h. die Lichtenergie dieser Strahlung aufnehmen. UV-Licht ist jedoch aggressiv und kann häufig zu unerwünschten Nebenreaktionen führen. Dies ist nicht zuletzt ein Grund, warum wir Menschen uns mit Sonnencreme vor dieser krebserzeugenden Strahlung schützen (UV-A- und UV-B-Filter), ein Schutz vor sichtbarem Licht hingegen normalerweise nicht nötig ist. Ein geeigneter Photokatalysator kann allerdings die Lichtenergie aufnehmen (man sagt, er wird „angeregt“) und anschließend über verschiedene Mechanismen wieder gezielt an ein bestimmtes organisches Molekül abgeben. Hierdurch können dann organische Moleküle selektiv und unter milden Bedingungen strukturell verändert werden. In meiner Gruppe untersuchen wir sowohl neue Photokatalysatoren als auch die zugrunde liegenden Mechanismen und Wechselwirkungen. Ein tieferes Verständnis erlaubt uns dann oft die Planung neuer Prozesse. Manchmal, gar nicht so selten, ist allerdings auch der Zufall im Spiel und ein Projekt startet mit einem „Das ist ja komisch!“.

Als preiswerte und bequeme Lichtquellen dienen uns zumeist normale, auch im Haushalt verwendete blaue LEDs. Uns hat es besonders die Kombination der Photokatalyse mit weiteren Katalysatorsystemen (z. B. Goldkatalysatoren) angetan, um damit rasch die strukturelle Komplexität der organischen Moleküle zu erhöhen. Zunehmend begeistert sind wir auch davon, dass die milden Bedingungen spannende biologische und medizinische Anwendungen (beispielsweise die Aktivierung oder Freisetzung von Medikamenten) erlauben könnten.

Prof. Dr. Frank Glorius, Organisch-Chemisches Institut

 

Als ich meinem Sohn erzählte, dass ich im Labor Laser benutze, war dieser gerade im Starwars-Fieber, und ich wurde unweigerlich mit der Bitte konfrontiert, ihm ein Laserschwert zu bauen. Leider musste ich in die großen Kinderaugen blicken und zugeben, dass mir das nicht möglich ist, aber dass ich dafür Dinge heben und verformen kann, ohne sie zu berühren. In der Tat nutzen wir Licht im Labor als beeindruckend vielseitiges Werkzeug, und unsere täglichen Experimente klingen manchmal auch nach Science-Fiction. Allerdings hat das nichts mit magischen Kräften zu tun, sondern mit Physik. So benutzen wir die unglaublich hohe Lichtintensität eines fokussierten Lasers, um zum Beispiel Blutzellen berührungsfrei zu fangen und beliebig zu manipulieren. Wir können sie anheben, drehen, frei im Raum bewegen oder auch an ihnen ziehen. Und wenn wir wollen, können wir sie auch zerschneiden oder zum Platzen bringen. All das ist möglich, denn Licht kann, ganz entgegen unserer Alltagserfahrung, durchaus Kräfte ausüben.

Unser Smartphone erfährt eine Art Rückstoß, wenn wir die Taschenlampenfunktion benutzen, nur ist dieser so klein, dass wir davon nichts mitbekommen. Wenn wir allerdings mikrometergroße Objekte betrachten, werden diese optischen Kräfte relevant. Dann prasseln nämlich unglaublich viele Photonen zeitgleich auf ein sehr leichtes Objekt, sodass dieses weggeschossen oder sogar zerschnitten werden kann. Durch geschickte Anordnung des Lasers kann man so lebendige Zellen wie mit einer Pinzette halten.

Selbst die Erzeugung mehrerer solcher optischen Pinzetten ist möglich, um an lebendigen Zellen zu ziehen und so herauszufinden, ob sie weich, hart oder sogar flüssig sind. Um zu verstehen, wie sich beispielsweise Krebszellen bei der Metastasenbildung durch unseren Körper bewegen, untersuchen wir, wie sich diese Zellen an ihre Umgebung anpassen und Kräfte ausüben. Dabei haben sie die ungewöhnliche Eigenschaft, ihre Form fast beliebig ändern zu können, um sich durch unseren Körper zu quetschen, was ihnen leider erlaubt, überall im Körper Metastasen zu bilden.

Wir nutzen also Licht als Werkzeug, um nachzuvollziehen, wie Krebszellen und andere Zellen ihre Eigenschaften gezielt umschalten können. Das Potenzial von Licht in diesem biomedizinischen Kontext ist enorm und noch lange nicht ausgereizt. Gerade die Kombination unserer Anwendungen mit High-End-Detektion und  biochemischen Methoden, wie sie Professor Wolfram Pernice und Professorin Andrea Rentmeister entwickeln, bietet enorme Möglichkeiten für die zukünftige Forschung in Münster.

Prof. Dr. Timo Betz, Institut für Zellbiologie (CiM-Professor für Zellmechanik)

Die chemische Biologie beschäftigt sich mit der Entwicklung molekularer Werkzeuge, mit denen zelluläre Prozesse gezielt untersucht und gesteuert werden können. Eine besondere Herausforderung stellt dabei die Orthogonalität zum biologischen System dar, d. h. die Möglichkeit, eine Reaktion oder eine Veränderung auszulösen, die nur das gewünschte Molekül beeinflusst, nicht jedoch die zahlreichen anderen Moleküle in einer Zelle. Licht weist diese gewünschte Orthogonalität auf, da es in den meisten höheren Organismen (außer z. B. Pflanzen) keinen Einfluss auf die zellulären Funktionen hat. Daher können durch Licht aktivierbare Moleküle gezielt genutzt werden, um einen ausgewählten Prozess in einer Zelle im Detail zu studieren.

Im chemischen Teilbereich der optochemischen Biologie geht es vorrangig darum, funktionelle Einheiten zu entwickeln, die durch Licht aktiviert oder verändert werden. Hierbei ergeben sich zahlreiche Schnittstellen und Synergien mit anderen Teilgebieten der Chemie, in denen Licht genutzt wird, beispielsweise um Katalyse zu betreiben, die Bildung von Polymeren auszulösen oder um Nano-Objekte zu steuern.

Um Biomoleküle durch Licht aktivierbar zu machen, müssen sie mit den entwickelten Licht-steuerbaren funktionellen Einheiten versehen werden. In unserem Fall handelt es sich bei den Biomolekülen um Nukleinsäuren, also DNA und RNA. Da die genetische Information von DNA über RNA zum Protein übertragen wird, können zahlreiche Prozesse effizient auf der Ebene von Nukleinsäuren angesteuert werden. Licht ist hierfür ideal, da es sowohl zeitlich als auch örtlich extrem präzise eingesetzt werden kann. Die Herausforderung bei der Funktionalisierung von Biomolekülen besteht in ihrer Komplexität. Wir nutzen Enzyme, die hochselektiv sind, um Nukleinsäuren trotz ihrer Größe und ihrer zahlreichen funktionellen Gruppen an einer ausgewählten Position mit einer schaltbaren Gruppe zu versehen.

Im biologischen Teilbereich der optochemischen Biologie geht es schlussendlich um die zelluläre Anwendung. Für Fragestellungen im Bereich der Genexpression kommen hier meist Zellen in Kultur zum Einsatz. Aber auch für komplexere Fragen in der Entwicklungsbiologie bietet die Steuerung durch Licht neue Möglichkeiten. Der Zebrafisch ist ein transparenter Organismus, an dem Fragestellungen der frühen Entwicklung gut studiert werden können. Da beliebige einzelne Zellen mit Licht gezielt zu einem gewünschten Zeitpunkt angesteuert werden können, gehen wir davon aus, dass die optochemische Biologie für diese Studien von großem Nutzen sein wird.

Prof. Dr. Andrea Rentmeister, Institut für Biochemie (CiM-Professorin für Biomolekulare Markierungschemie)
 

In heutigen Computerprozessoren stecken Milliarden von Transistoren, die seit ihrer Erfindung vor mehr als siebzig Jahren stetig kleiner werden. Doch die Miniaturisierung kommt an ihre Grenzen und damit auch die im Prozessor verfügbare Rechenleistung. Um den wachsenden Rechenhunger der Informationsgesellschaft zu sättigen, werden neue Konzepte benötigt. Eine attraktive Möglichkeit ist das Quantenrechnen mit Quantencomputern, die nicht mehr den Gesetzen der klassischen Physik unterliegen. Ein wichtiges Element dabei ist die Quantenverschränkung, bei der einzelne Quantenteilchen so miteinander verschmolzen werden, dass sie einen gemeinsamen Quantenzustand bilden. Führt man mit solchen besonderen Zuständen eine Rechnung aus, so erhält man nicht nur einen einzelnen Satz von Ergebnissen, sondern zahlreiche Ergebnisse gleichzeitig.

Leistungsfähige Quantencomputer zu realisieren ist jedoch eine große Herausforderung, und unterschiedliche Ansätze werden verfolgt. Eine vielversprechende Variante besteht darin, nicht mehr wie in klassischen Prozessoren mit Elektronen zu rechnen, sondern stattdessen Licht zu verwenden. Verschränkte Lichtteilchen – sogenannte Photonen – lassen sich schnell und einfach herstellen. Was jedoch nicht so einfach ist, aber notwendig für das Quantenrechnen: die Lichtteilchen miteinander interagieren zu lassen. Dafür entwickeln wir neue Chiparchitekturen, die mit modernen Methoden der Nanotechnologie im Reinraum gefertigt werden. Auf diesen befinden sich empfindliche Detektoren für einzelne Photonen sowie Strukturen für die Lichterzeugung und Lichtleitung. Durch die Nanofertigung ist es möglich, viele dieser Elemente auf einem Chip zu vereinigen, um damit eines der Grundprobleme der Quantenrechner zu lösen: nämlich die Skalierung hin zu komplexen Systemen.

In diesen optischen Chips bewegen sich Photonen mit Lichtgeschwindigkeit. Diese Eigenschaft ist für praktische
Anwendungen charmant, denn so lassen sich Informationen schnell verarbeiten und danach über Glasfasern über weite Distanzen übertragen. So möchten wir abhörsichere Kommunikationstechniken realisieren. Vielleicht ist es dann in Zukunft möglich, sichere vernetzte Systeme zu erstellen bis hin zum Quanteninternet. Als Alternative zum Quantencomputer entwickeln wir auch optische Systeme, die komplexe Computersysteme ersetzen könnten. So versuchen wir, neuronale Netze nachzubauen. In solchen neuromorphen Schaltkreisen erfolgt Datenverarbeitung und -speicherung in einem System, um Muster effizient zu erkennen und maschinelles Lernen möglich zu machen.

Prof. Dr. Wolfram Pernice, Physikalisches Institut

 

Dieser Beitrag stammt aus der Universitätszeitung "wissen|leben" Nr. 1, Januar/Februar 2018.

 

Termine:

Symposium zum Thema Photochemie am Montag, 29. Januar, 14 bis 19 Uhr, Hörsaal C2 des Organisch-Chemischen Instituts, Wilhelm-Klemm-Straße 6. Die englischsprachige Veranstaltung wird von der Gesellschaft Deutscher Chemiker, dem Sonderforschungsbereich 858 und der International Research Training Group Münster-Toronto 2027 unterstützt.

„5th International Workshop on the Optical Properties of Nanostructures“ (OPON 2018) vom 14. bis 16. Februar im Physik-Gebäude IG 1, Wilhelm-Klemm-Straße 10 (Hörsaal HS 2 und Foyer). Veranstalter sind Prof. Dr. Tilmann Kuhn, Prof. Dr. Rudolf Bratschitsch und Prof. Dr. Doris Reiter vom Fachbereich Physik.

 

Links zu dieser Meldung

• Der Original-Artikel in der "wissen|leben"
• Alle Ausgaben der Unizeitung auf einen Blick
• Informationen zum Photochemie-Symposium
• Informationen zum OPON-Workshop