Die RNA als Mikrochip

Pressemeldung der Universität Wien vom 06.11.2018

Ein neues Kapitel in der Synthese von Ribonukleinsäure

Ribonukleinsäure (RNA) zählt neben DNA und Protein zu den drei primären biologischen Makromolekülen und war wahrscheinlich auch das erste, welches den frühen Formen des Lebens entsprang. Laut RNA-Welt-Hypothese ist RNA in der Lage, aus sich selbst heraus Leben hervorzubringen, Informationen zu speichern und biochemische Reaktionen zu katalysieren. Selbst in heutigen Lebensformen bestehen die komplexesten zellulären Funktionseinheiten, die Ribosomen, zum größten Teil aus RNA. ChemikerInnen der Fakultät für Chemie der Universität Wien und der McGill University haben nun einen neuen synthetischen Ansatz entwickelt, mit dem RNA etwa eine Million Mal effizienter chemisch synthetisiert werden kann als zuvor.

RNA ist in Zellen allgegenwärtig. Sie ist für den Transport von Information aus dem Nukleus, die Regulation der Genexpression und die Proteinsynthese zuständig. Manche RNA Moleküle, speziell bei Bakterien, katalysieren auch biochemische Reaktionen und dienen als Sensoren für Umweltsignale.

Die chemische Synthese von DNA und RNA begann in den frühen Zeiten der Molekularbiologie, wobei ihre Anfänge in den 60er Jahren insbesondere auf die Arbeiten des Nobelpreisträgers Har Gobind Khorana zur Entschlüsselung des genetischen Codes zurückgehen. Seither gab es bedeutende Entwicklungen in der Synthesechemie. Die RNA-Synthese blieb ein schwieriges Forschungsgebiet mit vergleichsweise geringen Fortschritten, da die Notwendigkeit einer zusätzlichen Schutzgruppe an der 2′-Hydroxylgruppe des RNA-Ribosezuckers eine besondere Herausforderung darstellt. ChemikerInnen des Instituts für Anorganische Chemie an der Fakultät für Chemie der Universität Wien und der McGill University konnten die RNA-Synthese nun einen großen Schritt voranbringen.

Halbleiter-Technologie und Synthese

Um die chemische Syntheseeffizienz zu steigern, vereinten die ChemikerInnen zwei Schlüsselkonzepte: Die Photolitographie aus der Halbleiter-Herstellung und die Entwicklung einer neuen Schutzgruppe.

Zunächst adaptierten die ChemikerInnen photolithographische Fertigungstechnologien aus der Halbleiter-Chip-Industrie, die üblicherweise für die Herstellung integrierter Schaltkreise verwendet wird für die chemische Synthese von RNA. Eine biologische Photolithographie ermöglicht es, RNA-Chips mit einer Dichte von bis zu einer Million Sequenzen pro Quadratzentimeter herzustellen. Statt ultraviolettem Licht, das bei der Herstellung von Computerchips für die Siliziumätzung und –dotierung genutzt wird, greifen die ForscherInnen auf UV-A-Licht zurück. „Kurzwelliges ultraviolettes Licht wirkt sich sehr destruktiv auf RNA aus – wir sind bei der Synthese deshalb auf UV-A-Licht beschränkt“, erklärt Mark Somoza vom Institut für Anorganische Chemie.

Neben der innovativen Verwendung der Photolitographie konnten die ForscherInnen auch eine neue Schutzgruppe für die RNA 2’Hydroxylgruppe entwickeln, die mit photolitographischer Synthese kompatibel ist. Die neue Schutzgruppe ist Acetallevulinylester (ALE), der ebenfalls sehr hohe Ausbeuten (über 99 Prozent) der Koppelungsreaktionen zwischen den zugegebenen RNA-Monomeren bei der Verlängerung des RNA-Strangs ergibt. “Die Kombination von hohen Syntheseausbeuten und der einfachen Handhabung rückt die Herstellung von längeren und funktionalen RNA-Molekülen auf Mikrochips in absehbare Zukunft“, sagt Jory Liétard, Post-Doc der Gruppe von Mark Somoza.

Die Forschungsarbeit an RNA-Mikroarrays wurde durch den Österreichischen Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung, den Schweizerischen Nationalfonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung und den Natural Sciences and Engineering Council of Canada finanziert.

Publikation:
in „Angewandte Chemie“
J. Lietard, D. Ameur, M. J. Damha M. M. Somoza
„In situ Synthese von high-density RNA Mikroarrays mittels Photolithographie“
Onlineveröffentlichung: September 6, 2018.
DOI: 10.1002/anie.201806895

Externer Link: www.univie.ac.at

Zucker gefangen

Presseinformation der LMU München vom 23.08.2018

LMU-Chemiker haben ein künstliches Molekül entwickelt, das Zuckerbindungen erkennt und bindet.

Ein Team um Professor Ivan Huc, Leiter der Arbeitsgruppe „Biomimetic Supramolecular Chemistry“ an der LMU, hat eine künstliche molekulare Struktur in Form einer spiralförmigen Kapsel entwickelt und synthetisiert, die gezielt ein spezielles Zuckermolekül erkennen und „fangen“ kann: Xylobiose, wie herkömmlicher Zucker ein Disaccharid. Die Studie erscheint aktuell im Magazin Angewandte Chemie und wurde vom Herausgeber als „Very Important Paper“ ausgewählt – was nur weniger als fünf Prozent aller Veröffentlichungen des Journals vorbehalten ist.

Ivan Huc ahmt in seiner Forschung die Prinzipien der Natur auf kleinster Ebene nach – als biomimetisch wird sein Ansatz daher bezeichnet. Bei der Synthese chemischer Stoffe lässt er sich von den Prinzipien inspirieren, die der Organisation von Biopolymeren zugrunde liegen: Biopolymere wie Proteine, Nukleinsäuren und Polysaccharide bestehen typischerweise aus mehreren Untereinheiten, deren Sequenzen und räumliche Anordnung ihre strukturellen und funktionalen Eigenschaften festlegen. Ivan Huc kreiert künstliche Moleküle, Foldamere, die sich mithilfe einer Art Origami-Technik nach dem Abbild ihrer natürlichen Vorbilder formen lassen. In der aktuellen Arbeit ging es Ivan Huc zusammen mit Mitarbeitern an der Universität Bordeaux, von wo er 2017 an die LMU wechselte, darum, mit diesem Ansatz ein Foldamer zu entwickeln, das gezielt Disaccharide bindet.

Dies ist dem Team bei Xylobiose gelungen. Wie die Analyse der Kristallstruktur zeigt, fängt das Foldamer das Disaccharid in einer spiralförmigen Kapsel ein und umhüllt es vollständig. Dabei geht das Disaccharid in axialer Position eine ungewöhnlich kompakte Konstellation ein: Zwischen dem gefangenen Zucker und der Kapselwand bildet sich ein dichtes Netz aus Wasserstoffbrücken. Damit dies gelingt, hat das Team den Rezeptor so gestaltet, dass die Kapsel etwas größer ist als nötig. Die vorliegende Arbeit zeigt, mit welcher Präzision sich „first principle design“, wie Ivan Huc seinen Ansatz nennt, realisieren lässt. “Es ist uns allein aufgrund der Erkenntnisse, die wir über die grundlegenden Prinzipien der Molekülerkennung und Faltung dieser Stoffe haben, gelungen, einen spezifischen Rezeptor zu entwickeln”, sagt Ivan Huc. In einem nächsten Schritt werden die Forscher versuchen, den Mechanismus auch in einem wässrigen Medium ablaufen zu lassen. Zudem planen sie, die spiralförmigen Rezeptoren zu Sensoren zu machen, zum Beispiel um Saccharide in lebenden Systemen bestimmen und darstellen zu können.

Originalpublikation:
Angewandte Chemie 2018

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Wenn Schwefel spurlos verschwindet

Pressemeldung der Universität Wien vom 16.08.2018

Neue einfache Reaktion, um „verwandte“ biologisch aktive Moleküle herzustellen

In vielen Naturprodukten und Medikamenten spielen Dicarbonyle eine wesentliche Rolle – die Herstellung einiger solcher Verbindungen ist aber eine Herausforderung. In ihrer aktuellen Studie ist es Nuno Maulide und seinen Mitarbeitern von der Fakultät für Chemie der Universität Wien gelungen, eine neue Syntheseroute für diese Moleküle zu entwickeln. Sie nutzen dazu oxidierte Schwefelverbindungen, ohne dass Schwefel selbst im Produkt auftaucht. Die Ergebnisse dazu erscheinen aktuell in der renommierten Fachzeitschrift „Science“.

Wir benötigen ständig neue Moleküle: Innovative Medikamente müssen entworfen und getestet, funktionelle Materialen hergestellt werden – eine Aufgabe für organische ChemikerInnen. Diese analysieren zunächst die funktionellen Gruppen im Zielmolekül und wählen danach ihre Strategie, um eine neue Substanz zu synthetisieren.

Für manche Moleküle ist es nicht so einfach, eine passende Strategie zu finden, wenn die Abstände der Funktionalitäten nicht der „natürlichen“ Polarität der möglichen Ausgangsstoffe entsprechen. Das klassische Beispiel hierfür sind Verbindungen mit zwei Kohlenstoff-Sauerstoff-Doppelbindungen (sogenannte „Carbonyl“-Gruppen), die durch vier Kohlenstoffe voneinander getrennt sind. „Diese sogenannten 1,4-Dicarbonylverbindungen sind wesentlich schwerer herzustellen als die entsprechenden 1,3- oder 1,5-Analoga, denn in diesen Fällen ist eine sogenannte „Umpolung“ eines der Reaktionspartner notwendig“, erklärt Nuno Maulide, Professor für Organische Synthese an der Fakultät für Chemie der Universität. Dies ist ein großes Manko, besonders da 1,4-Dicarbonyle in vielen Naturprodukten, Medikamenten und einer Reihe an medizinisch verwendeten Enzyminhibitoren vorkommen.

Nuno Maulide und seine Mitarbeiter vom Institut für Organische Chemie der Universität Wien haben nun eine neue Syntheseroute für diese Moleküle entwickelt, bei der oxidierte Schwefelverbindungen, sogenannte Sulfoxide, als Reagenzien zum Einsatz kommen. „Wir machen uns mehrere Eigenschaften des Schwefels zunutze, ohne dass Schwefel selbst im unserem Produkt auftaucht“, erklärt Immo Klose, DOC-Stipendiat der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und Co-Autor der Studie: „Diese Reaktion ist faszinierend: Es ist nicht auf den ersten Blick ersichtlich, wie aus den Ausgangsstoffen das Produkt entsteht“. In der Tat verlässt der Schwefel während der Reaktion das reaktive Zwischenprodukt, ChemikerInnen sprechen in diesem Fall von einer „traceless reaction“ („spurlosen Reaktion“).

Die Forscher konnten außerdem zeigen, dass jedes der vier möglichen Isomere selektiv durch die Wahl des richtigen Sulfoxids erhalten werden kann. „Unsere Sulfoxide haben zwei Wahlmöglichkeiten: den Schwefel und die beiden benachbarten Kohlenstoffe. Daraus ergeben sich vier mögliche Kombinationen“, erklärt Dainis Kaldre, ehemaliger Postdoc am Institut für Organische Chemie und Co-Erstautor. „Das Besondere ist, dass jede dieser vier Möglichkeiten zu einer anderen Konfiguration im Reaktionprodukt führt“, sagt Kaldre. Die Möglichkeit, alle Isomere mit derselben Methode herzustellen, macht diese Reaktion extrem nützlich und vielseitig.

Neue Wirkstoffmoleküle freigeschalten

„Die Vielfalt unserer Methode kann für eine enome Anzahl an neuen möglichen Wirkstoffbausteinen genutzt werden, die vorher nicht zugänglich waren“, erklärt Maulide. Für die aktuelle Publikation in Science stellte die Arbeitsgruppe um Maulide auf einfachem Wege Matrix-Metalloproteinase-Inhibitoren her. „Zuvor gab es keine gute Möglichkeit diese Verbindungen herzustellen; es war vor allem schwierig, eine bestimmte Konfiguration selektiv zu erhalten. Mit unserer Methode lassen sich alle vier möglichen Produkte nach Belieben herstellen“, freut sich Maulide.

Die reaktive Spezies, mit der die Sulfoxide zur den Produkten überführt werden, gehört zu den exotischen Zwischenstufen der „Vinylkationen“. Maulide erforscht diese im Rahmen des prestigeträchtigen ERC Consolidator Grants, der mit rund zwei Millionen Euro Forschungsgeld dotiert ist. „Es ist bemerkenswert, wie einfach Grundlagenforschung an exotischen Molekülen zu Durchbrüchen für unsere Gesellschaft führen kann“, so Maulide abschließend.

Originalpublikation:
Science, 2018.
„Stereodivergent synthesis of 1,4-dicarbonyls by traceless charge–accelerated sulfonium–rearrangement“: Dainis Kaldre, Immo Klose und Nuno Maulide.
DOI: 10.1126/science.aat5883

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Erstmals Moleküle in Halbleiterstrukturen elektrisch kontaktiert

Medienmitteilung der Universität Basel vom 12.07.2018

Elektrische Schaltkreise werden immer weiter verkleinert und um bestimmte Funktionen erweitert. Eine neue Methode erlaubt es nun, einfache Moleküle auf einem konventionellen Silizium-Chip in elektrischen Kontakt zu bringen. Das Verfahren verspricht Fortschritte in Sensortechnik und Medizin, wie Chemiker der Universität Basel und Forscher von IBM Research – Zurich in Rüschlikon in der Fachzeitschrift «Nature» berichten.

Als Weiterentwicklung der Halbleitertechnologie versucht die molekulare Elektronik, Bauelemente für Schaltkreise aus einzelnen Molekülen anstatt aus Silizium herzustellen. Moleküle eignen sich wegen ihrer besonderen elektronischen Eigenschaften für Anwendungen, die sich mit herkömmlicher Siliziumtechnologie nicht realisieren lassen. Dafür nötig sind aber zuverlässige und kostengünstige Methoden, mit denen an den Enden eines Moleküls ein elektrischer Kontakt angelegt werden kann.

Tausende Elemente herstellbar

Forscher der Universität Basel und von IBM Research – Zurich haben nun ein Verfahren entwickelt, bei dem sich ein elektrischer Kontakt zu einzelnen Moleküle herstellen lässt. Tausende von stabilen Metall-Molekül-Metall-Bauelementen lassen sich gleichzeitig herstellen, indem ein Film von Nanopartikeln auf die Moleküle deponiert wird. Die Eigenschaften der Moleküle werden dabei nicht beeinträchtigt. Um diesen Ansatz zu zeigen, wurden Alkandithiol-Verbindungen aus Kohlen-, Wasserstoff und Schwefel eingesetzt.

Die Forschenden verwendeten dabei eine Art Sandwichbauweise: In der Mitte befindet sich eine Schicht Moleküle, die von oben und von unten von metallischen Elektroden kontaktiert wird. Die untere Elektrode besteht aus einer Schicht Platin, auf die eine elektrische Isolationsschicht aufgetragen wird. Hier hinein wurden nun winzige Poren geätzt, sodass ein beliebiges Muster von unterschiedlich grossen Kompartementen entsteht, in denen ein elektrischer Kontakt zur Platin-Elektrode besteht.

Selbstorganisierende Schichten

Anschliessend machten sich die Forscher die Fähigkeit von bestimmten Molekülen zunutze, sich eigenständig anzuordnen. Auf das Vertiefungsraster gaben sie eine Flüssigkeit mit Alkandithiol-Molekülen, die sich selbst zu einem dichtgepackten Film organisieren. In diesem Film sind die einzelnen Teilchen regelmässig angeordnet und mit der unteren Platin-Elektrode elektrisch verbunden. Der elektrische Kontakt zur Molekülschicht wurde durch eine obere Elektrode aus Gold-Nanopartikeln hergestellt.

Mit dem neuen Verfahren können die bisherigen Probleme bei elektrischer Kontaktierung von Molekülen – wie hohe Kontaktwiderstände oder Kurzschlüsse durch den Film – weitgehend gelöst werden. Die mit dieser Methode fabrizierten Bausteine sind unter Normalbedinungen einsetzbar und langzeitstabil. Die Methode lässt sich auf verschiedene molekulare Systeme übertragen und eröffnet neue Wege, molekulare Verbindungen in Festkörper zu integrieren. Anwendung finden könnte sie in neuartigen Geräten in der Sensortechnik und der Medizin.

«Unser Ansatz wird dazu beitragen, die Entwicklung von chemisch konstruierten und regelbaren elektronischen und sensorischen Bauelementen zu beschleunigen», sagt Prof. Dr. Marcel Mayor vom Departement Chemie der Universität Basel. Das Projekt wurde massgeblich vom Nationalen Forschungsschwerpunkt «Molecular Systems Engineering» gefördert, an dem die Universität Basel und die ETH Zürich als Leading Houses beteiligt sind.

Originalbeitrag:
Gabriel Puebla-Hellmann, Koushik Venkatesan, Marcel Mayor, and Emanuel Lörtscher
Metallic nanoparticle contacts for high-yield, ambient-stable molecular-monolayer devices
Nature (2018), doi: 10.1038/s41586-018-0275-z

Externer Link: www.unibas.ch

Härten auf Knopfdruck: Kohlenstoff-Faser-Verbundwerkstoffe und Unterwasser-Kleber

Presseaussendung der TU Wien vom 04.06.2018

An der TU Wien wurde eine Spezialformel für ein Epoxidharz entwickelt. Es kann für faserverstärkte Komposite im Flugzeug-, Auto- oder Schiffsbau eingesetzt werden, oder ist sogar für Unterwassersanierungen geeignet.

Innerhalb von Sekunden kann sich das neue Material völlig verändern: Am Anfang ist es transparent, es kann flüssig oder pastos sein. Bestrahlt man es an irgendeinem Punkt mit dem passenden Licht, beginnt sich das gesamte Spezialharz zu verfestigen und nimmt dabei eine dunkle Farbe an. Die spezielle Epoxidharz-Formel, die das möglich macht, wurde von der TU Wien patentiert. Nun gelang es, diesen Prozess sogar unter Wasser ablaufen zu lassen. Damit kann das neue Epoxidharz für Aufgaben verwendet werden, die bisher nur sehr schwer zu lösen waren – etwa um unter Wasser Risse in Brückenpfeilern oder Dämmen zu verkitten, oder um im laufenden Betrieb Rohre zu reparieren.

Neu ist auch, dass dieses spezielle Epoxidharz auch in Verbindung mit Kohlenfasern oder Kohlenfasermatten verwendet werden kann. Dadurch ergeben sich breite Anwendungsmöglichkeiten im Flugzeugbau, bei Windkraftanlagen, Schiffs- und Bootsbau oder in der Automobilindustrie – überall dort wo man höchste mechanische Eigenschaften mit besonders leichter Bauweise kombinieren möchte.

Gewöhnliches Material mit ungewöhnlichem Zusatz

Epoxidharze gehören zu den Standard-Materialien, die in der Industrie für viele unterschiedliche Zwecke eingesetzt werden – etwa um elektronische Bauteile zu isolieren, oder um mechanische Teile zu fixieren. Die Forschungsgruppe von Prof. Robert Liska (Institut für Angewandte Synthesechemie, TU Wien) entwickelt Zusatzstoffe, die man gewöhnlichem Epoxidharz hinzufügt, um seine Eigenschaften anzupassen und eine gezielte Aushärtung auf Knopfdruck zu ermöglichen.

„Wir entwickeln spezielle Verbindungen, bei denen durch Licht eine chemische Reaktion ausgelöst wird“, erklärt Robert Liska. „Das kann ein heller Blitz sichtbaren Lichts sein, wir haben auch Verbindungen, die nur auf UV-Licht reagieren.“ An dem Punkt, an dem das Licht auf das Harz trifft, wird eine Reaktion gestartet, die Wärme freisetzt. Diese Wärme breitet sich aus und setzt die chemische Kaskade auch anderswo in Gang – bis schließlich das gesamte Harz in kurzer Zeit ausgehärtet ist.

„Der entscheidende Vorteil dieser Methode ist, dass man nicht wie bei anderen lichthärtenden Materialien das gesamte Harz beleuchten muss“, erklärt Liska. „Es genügt, irgendeinen beliebigen Punkt mit Licht zu treffen. Der Rest härtet dann auch aus, wenn er sich tief in einem dunklen Spalt befindet, den man kitten möchte.“ Bisher hat man für solche Einsatzbereiche meist Zweikomponenten-Formulierungen verwendet. Sie werden zunächst direkt vor Ort mühsam zusammengemischt und müssen dann sehr schnell verarbeitet werden, bevor sie von alleine aushärten.

Interesse aus der Industrie

Von Partnerunternehmen aus der Industrie kam die Anfrage, ob dieser Prozess auch in Gegenwart von „dunklen“ Füllstoffen oder Fasern möglich wäre, denn gerade für solche schwierigen Einsätze wäre selbsthärtendes Epoxidharz äußerst nützlich. „Oberflächlich betrachtet widerspricht diese Idee jeder Theorie“, meint Liska. „Das Licht wird durch die schwarzen Kohlefasern sehr gut absorbiert, kann also nicht weit in das Material eindringen“,  Trotzdem konnte in Experimenten an der TU Wien eindrucksvoll gezeigt werden, dass dies sehr gut funktioniert.

Auch das Aushärten unter Wasser widerspricht jeder Theorie. „Man würde erwarten, dass das Wasser einerseits mit den Komponenten des Harzes während der Härtung chemisch reagiert, und dass es andererseits die Wärme abtransportiert, die man zum Aufrechterhalten der Reaktion benötigt.“ Erstaunlicherweise gelang es aber auch, die lichtgestartete Selbstaushärtung unter Wasser ablaufen zu lassen. „Ein wesentlicher Grund dafür ist, dass die chemische Reaktion das Wasser zum Kochen bringt“, erklärt Robert Liska. „Es bildet sich also zwischen dem erhärtenden Harz und dem umgebenden Wasser eine dünne Schutzschicht aus Wasserdampf.“

Nun wird nach weiteren Anwendern aus der Industrie gesucht, um die Möglichkeiten des Spezialharzes auszuloten. Neben dem Einsatz als Glas- und Kohlefaserkomposite im Bereich vom Flugzeug-, Schiffs- und Automobilbau liegt ein besonders interessanter Bereich in der Sanierung von Bauwerken. Man könnte etwa Risse in Gebäuden, die im Wasser errichtet sind, mit zähflüssigem Harz verkleben und dann mit einem Lichtblitz aushärten. Auch die Sanierung von Rohrleitungen ist eine Aufgabe, die oft sehr schwer zu lösen ist – auch hier würde sich der Einsatz des neuen Harzes anbieten. „Möglichkeiten gibt es viele – wir hoffen auf möglichst interessante neue Ideen“, sagt Robert Liska. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at