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Zusammen haben Dr. Marcin Kostur, Dipl. Phys. Michael
Schindler, Prof. Dr. Peter Talkner (links) und Prof. Dr. Dr. h. c.
mult. Peter Hänggi (rechts) ein neues Verfahren zur Trennung
chiraler Moleküle kreiert. Talkner ist der Leiter der
Arbeitsgruppe "Mikrofluidik" am Lehrstuhl Hänggi.
Fotos. privat und Christa Holscher
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Chiral nennt man Moleküle, die - wie die linke
und die rechte Hand - genau spiegelverkehrt zueinander sind, deren
Spiegelbilder sich also nicht durch Drehen mit dem jeweiligen Original
zur Deckung bringen lassen. Nahezu alle Moleküle mit biologischer
Relevanz - z. B. die DNA - weisen diese "Händigkeit" oder Chiralität
auf. Diese konstitutive Asymmetrie zwischen zwei - Enantinomere
genannten - chiralen Partnern verursacht enorme Unterschiede bezüglich
ihrer jeweiligen biologischen Eigenschaften und ihrer jeweiligen
Funktionalität. So kann der Mensch zum Beispiel nur eine chirale Form
von Zuckern oder Aminosäuren verdauen; der Geschmack und Geruch
anderer chiraler Formen kann völlig unterschiedlich sein, oder der
eine chirale Partner kann förderlich sein, der andere hingegen giftig.
Die Natur ist in der Lage, mit Enzymreaktionen eine ganz bestimmte
chirale Substanz in Reinform zu synthetisieren. Mit chemischen in
vitro-Reaktionen hingegen gelingt dies nicht: Hier ergeben sich
Mischungen, die oft hälftig aus "linkshändigen" und "rechtshändigen"
Molekülen bestehen. Die Trennung der links- von den rechtshändigen
Enantinomeren erfordert dann einen komplizierten zweiten chemischen
Schritt. "Diese Trennung chiraler Moleküle zählt zu den großen
Herausforderungen in der Molekularbiologie, sie gehört gewissermaßen
zum 'heiligen Gral' der organischen Chemie", erläutert Professor
Hänggi.
Am Lehrstuhl für Theoretische Physik I haben nun Marcin Kostur,
Michael Schindler, Peter Talkner und Peter Hänggi die Idee für ein
völlig neuartiges "Sortier-Szenario" entwickelt. Es basiert auf
winzigen Unterschieden zwischen den Kräften, die chirale Partner in
einem mikrofluiden Flussmuster erfahren. Die Schlüsselidee ist, dass
bei einem entsprechend vorbereiteten mikrofluiden Fluss ein
linkshändiger Partner sich in einem rechtshändigen Wirbel anders
bewegt als in einem linkshändigen Wirbel. Die Effizienz der so
bewirkten Trennung und damit der gewünschte Sortiereffekt lassen sich
unter der Bedingung einer flächendeckenden und unregelmäßigen
thermischen Zitterbewegung weiter erhöhen. Denn diese Zitterbewegung
führt dazu, dass sich jede chirale Spezies vorzugsweise in ihrer
eigenen stabilsten Zone anhäuft. Bei geeigneten Flussmustern sind
diese speziellen Zonen örtlich sauber getrennt, so dass die
verschiedenen chiralen Objekte, die sich dort aufhalten, leicht
separiert und herausgefiltert werden können (siehe Abbildung).
Abb.: Die Dichte (grün) der
rechtshändigen Partner ist in rechtshändigen Wirbeln (rote Pfeile)
höher als in linkshändigen Wirbeln (blaue Pfeile)
Mikrofluide, in denen "Wirbel" auf einem Chip mittels eines
akustischen Windes angetrieben werden, sind Forschungsgegenstand am
Augsburger Lehrstuhl für Experimentalphysik I (Prof. Dr. Achim
Wixforth) und werden dort in Anwendungen überführt.
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