Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Nature Com.: Synthesechemie auf kleinstem Raum

14.06.2016

Auf engstem Raum in kurzer Zeit eine große Zahl von chemischen Reaktionen systematisch testen: Mit einem neuen Verfahren des KIT wird dies nun möglich. Es erlaubt frei wählbare, in feste Materialien eingebettete Moleküle in nanometerkleinen Bereichen miteinander zur Reaktion zu bringen. Da nun die eingesetzten Chemikalien sehr genau dosiert werden können, ermöglicht es eine effiziente und materialsparende Suche nach Synthesewegen, die die beteiligten Wissenschaftler nun in der Fachpublikation Nature Communications vorstellen. DOI 10.1038/NCOMMS11844

„Bei allen chemischen Synthesen muss ein Baustein A mit einem Baustein B im Lösungsmittel X vermengt werden, so dass sie miteinander reagieren können, dies ist sehr mühevoll und zeitraubend“, erläutert Frank Breitling, Forschungsgruppenleiter am Institut für Mikrostrukturtechnik des KIT.


Auf nanometergroße Strukturen laufen beim cLIFT-Verfahren parallel unterschiedliche chemische Reaktionen ab und erzeugen, wie hier im Bild, ein Farbsignal.

Bild: KIT

Bevor ein neuer Syntheseweg gefunden ist, müssen sehr viele verschiedene Arten von chemischen Bausteinen, Katalysatoren, Lösungsmitteln oder Aktivatoren in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen ausprobiert werden. Oftmals erweist sich erst in einem sehr späten Syntheseschritt, dass der ausprobierte Reaktionsweg nicht zum Erfolg führt und teure Chemikalien vergeblich verbraucht wurden.

„Wir miniaturisieren dieses Verfahren, so dass wir nicht auf herkömmliche Weise aufwendig Schritt für Schritt gehen müssen, sondern auf kleinstem Raum viele Reaktionen zugleich stattfinden lassen können“, sagt Alexander Nesterov-Müller, der ebenfalls am Institut für Mikrostrukturtechnik forscht und als außerplanmäßiger Professor an der Fakultät für Maschinenbau lehrt. In Frage kommen dafür alle Moleküle, die sich an einen Trägerstoff koppeln lassen.

Der Physiker Nesterov-Müller und der Biochemiker Breitling haben in ihren Arbeitsgruppen eine Maschine konstruiert, mit der nanometerdünne Schichten verschiedener fester Materialien mit eingebetteten Reaktionsmolekülen automatisiert über- und nebeneinander geschichtet werden können.

Sogenannte Spots, winzige, in ihrer Größe genau bestimmbare Bereiche, werden dafür aus der nur ein Tausendstel Millimeter dünnen, wiederverwendbaren Materialschicht mit Hilfe eines Lasers ausgestanzt und auf den Syntheseträger übertragen. Durch Zufuhr von Hitze oder Lösungsmitteln verflüssigen sich diese Materialschichten, sodass die darin befindlichen chemischen Bausteine sich - wie beim konventionellen Syntheseverfahren - durchmischen und miteinander reagieren.

Untersucht haben die Wissenschaftler das cLIFT (combinatorial Laser-induced forward transfer)-Verfahren am Beispiel der Synthese von Peptiden - kurzen Aminosäureketten. Aufgrund der sehr hohen Dichte der Peptid-Arrays genannten Untersuchungsfelder und durch die Vielzahl möglicher Kombinationen unterschiedlicher Aminosäure-Bausteine auf engstem Raum lässt sich in kurzer Zeit systematisch eine große Zahl von chemischen Reaktionen testen. Derzeit erreicht die Maschine 50.000 solcher übereinander gestapelter Materialspots pro Glasobjektträger, dies entspricht 5.000 pro Quadratzentimeter.

Ein Ziel der neuen Technik könnte es sein, das Immunsystem auszulesen und Antikörper im menschlichen Blutserum schneller und einfacher aufzuspüren, um zum Beispiel veränderte Aminosäuren bei Rheumapatienten zu erkennen. Auch die Malariaforschung sowie die Therapie bei Multipler Sklerose könnten von der Methode profitieren. „Unser Verfahren dient in erster Linie als Forschungswerkzeug“, so Breitling. Aber auch für Pharmafirmen ist es interessant, etwa um neue Antigene für die Entwicklung von Impfstoffen zu finden. Eine weitere Zukunftsvision ist es, Datenbanken aufzubauen, die Forschern über bereits erfolgreiche Synthesewege Auskunft geben.

In interdisziplinärer Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Stefan Bräse am Institut für Organische Chemie des KIT wollen die Wissenschaftler das Verfahren auf möglichst viele Arten von chemischen Synthesen ausweiten. Für eine künftige kommerzielle Anwendung soll die Maschine noch schneller und bedienungsfreundlicher werden sowie weiter miniaturisiert werden.

Das neue Verfahren cLIFT ist als eines der Ergebnisse im Rahmen eines ERC-Grants des Europäischen Forschungsrates (ERC) entstanden, in dem Alexander Nesterov-Müller interdisziplinär Methoden zur kombinatorischen Synthese in Arrayformat entwickelte.

Felix F. Loeffler, et al., High-flexibility combinatorial peptide synthesis with laser-based transfer of monomers in solid matrix material; Nature Communications, DOI: 10.1038/NCOMMS11844

Weiterer Kontakt:
Kosta Schinarakis, PKM – Themenscout, Tel.: +49 721 608 41956, Fax: +49 721 608 43658, E-Mail: schinarakis@kit.edu

Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) verbindet seine drei Kernaufgaben Forschung, Lehre und Innovation zu einer Mission. Mit rund 9 300 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern sowie 25 000 Studierenden ist das KIT eine der großen natur- und ingenieurwissenschaftlichen Forschungs- und Lehreinrichtungen Europas.

KIT – Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft

Das KIT ist seit 2010 als familiengerechte Hochschule zertifiziert.

Monika Landgraf | Karlsruher Institut für Technologie
Weitere Informationen:
http://www.kit.edu

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers
28.04.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Forschungsteam entdeckt Mechanismus zur Aktivierung der Reproduktion bei Pflanzen
28.04.2017 | Universität Hamburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau

Wickelprinzip umgekehrt: Orbitalwickeltechnologie soll neue Maßstäbe in der großserientauglichen Fertigung komplexer Strukturbauteile setzen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesexzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" (MERGE) und des Instituts für...

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Internationaler Tag der Immunologie - 29. April 2017

28.04.2017 | Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Über zwei Millionen für bessere Bordnetze

28.04.2017 | Förderungen Preise

Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wie Pflanzen ihre Zucker leitenden Gewebe bilden

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie