Bonner Forscher lassen Molekülkugeln leuchten und laufen
Dendrimeren mit lichtempfindlichen Gastmolekülen, chemischen Schaltern, gilt das Hauptaugenmerk in dem europäischen Forschungsprojekt mit dem Titel: "Light Induced Molecular Movement" (LIMM)
Anfangs war es ein rein ästhetisches Vergnügen eines jeden Synthesechemikers. Verzweigungen in alle Richtungen entspringen einem Molekülzentrum und verästeln sich zu einer feinen Architektur gleich einer Baumkrone. Diese Riesenmoleküle, die Professor Dr. Fritz Vögtle vom Kekulé-Institut für Organische und Biochemie der Universität Bonn 1978 zum erstenmal beschrieb, tragen den Namen Dendrimere nach dem griechischen Wort dendros für Baum.
Es ist eine große Kunst, solche baumähnlichen Kugeln herzustellen. Viele kleine Baueinheiten werden von einer zentralen Einheit aus in Einzelschritten nacheinander verknüpft. So entstehen die Verzweigungen Stück für Stück. Die Anzahl der Äste wächst aber rascher als die Kugeloberfläche. Daher kommen sich die Äste ins Gehege und so mancher Ast treibt nicht weiter aus. Also kreieren Chemiker raffiniert ausgeklügelte Baukastensysteme, bei denen sie die kugelförmigen Moleküle von außen nach innen konstruieren. "Es muss nur noch ein Drittel des Baumes hergestellt werden", erklärt Professor Vögtle. Die einzelnen Bauklötze werden dann zusammengefügt.
Trotz ihrer kostspieligen Synthese sind Dendrimere äußerst attraktiv für die Industrie. Ein genaues Design ihrer Eigenschaften ist möglich. Das löste ab den 90er Jahren weltweit einen Forschungsboom aus. "Das Produkt ist viel intelligenter als die einzelnen Bauklötze", erklärt Professor Vögtle das Interesse von Forschern und Anwendern. Die vielen flexiblen Arme der molekularen Baumkronen können durch geschickte Chemikerhand die unterschiedlichsten Funktionen übernehmen, "gleich der vielarmigen indischen Gottheit Shiwa, die in einer Hand Pfeil und Bogen, in einer anderen ein Schwert und in einer weiteren ein Messer hält."
Die Kugelmoleküle sind auch enorm "gastfreundlich". "Wie bei einem Baum ist innerhalb der Zweige Platz für Gäste", erklärt Professor Vögtle. Dabei sind Dendrimere als sogenannte chemische "Wirte" recht wählerisch; sie nehmen ein Gastmolekül nur dann auf, wenn es genau in den Hohlraum hinein passt. "Dieser Vorgang muss reversibel sein", erläutert Professor Vögtle. "Das heißt, der Vogel im Baum kann auch wieder heraus fliegen."
Die Bonner Forscher haben ihre Dendrimere auch mit zahlreichen farbigen und fluoreszierenden Bausteinen versehen, die für die Sensorik von Interesse sind. Ihr Augenmerk gilt derzeit Dendrimeren mit chemischen "Schaltern", die durch Licht angeregt ihre Eigenschaften ändern. So sollen beispielsweise Gastmoleküle eingeschlossen und freigelassen werden können. Und im Projekt "Light Induced Molecular Movement" (LIMM) will Vögtles Arbeitskreis zusammen mit anderen europäischen Forschern den Kugelmolekülen das Laufen beibringen. Lichtempfindliche Moleküle in den Dendrimer-Armen spielen dabei eine Schlüsselrolle.
Auch fluoreszierende Dendrimere für die medizinische Diagnostik haben die Bonner bereits entwickelt. Komplexe des Metalls Gadolinium werden in der Kernspintomografie eingesetzt, um den Bildkontrast bei der Untersuchung von Blutgefässen, Organen und Geweben zu verstärken, sie verweilen aber nur für kurze Zeit im abzubildenden Gewebe. "Fährt das Gadolinium jedoch langsam mit einem nanometergroßen 'Dendrimer-Omnibus', sind wesentlich kontrastreichere Bilder möglich", sagt Vögtle. Untersuchungen werden so empfindlicher und genauer. Das macht die leuchtenden Kugeln für die Früherkennung zahlreicher Krankheiten interessant.
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