Jean-Marie Lehn (2013) - Perspectives in Chemistry - Towards Adaptive Chemistry

Good morning, it’s nice to be back here, see more and more people coming. It’s really, really a fantastic event. And I would like to congratulate all the organisers for having it brought to that level. I also would like to thank Erwin Neher for giving me a way to start. Yes, chemistry can help, as you said at the end. And I would like to put this in a broader picture. We have heard about personalised medicine. Personalised medicine is personalised drugs. Personalised drugs is personalised chemistry. We heard about, just a moment ago, about neurons which transfer their information using small molecules, big molecules use small ones, even ions, calcium. I would also like here to point out that very rightly the European community is going to fund brain science with a billion euro. The brain is what makes us different. I would like to just acknowledge this, it’s really an excellent choice to have done that. Now let’s try to put chemistry somewhat into perspective. Let’s see where we go one step further along the way: chemistry that can adapt. And what is the big question we should ask, is how does matter become complex? What does that mean? How does matter become complex in the course of the evolution of the universe, having generated us as one of these entities which have this organ called a brain from the elementary particle to thinking organism. Divided matter, condensed matter, organised matter, living matter, thinking matter. Maybe even higher forms of complex matter. This is I consider the big question. Because science is what makes us understand better and better the universe. But science is carried out by human beings. Science is carried out by your brain. Science is carried out by the way in which this has built up. And there is no theory of general relativity without Einstein. So how did Einstein arise? These questions relate to science in general. And we heard yesterday the fantastic lectures of David Wineland and Serge Haroche when they discussed some of the laws, the basic laws of the universe. And physics deals with the basic laws of the universe. We heard many lectures on biology. Biology tries to understand the rules of life. Both of these are very big problems. So what is chemistry doing? Because chemistry helps all of them, it’s a central science. But it is not only here to provide tools, to provide materials, to help clean up, to help doing this, to help doing that. It has also a very important role, which is to bridge the general laws with their specific expression in highly complex manifestations of molecular entities. So chemistry builds the bridge between general laws and their expression in living thinking organisms. How does this happen? The answer to that question is by self-organisation. Now that doesn’t mean much. We understand it intuitively but what it really means is that we have to understand how on the basis of the laws of the universe it is so to say driven, it’s an imperative to get organised. That is perhaps a philosophically interesting question. But Christian de Duve, who recently died, thought the same way. Our universe is built up in such a way that life and thought must appear somewhere. We cannot escape it. Something one can discuss at length. Now chemistry has started, molecular chemistry that means people have learned how to build houses from bricks, molecules from atoms. This is the chemistry of the covalent bond, the bond which links atoms strongly together in molecules. But once they are built another step comes which is to master also the non-covalent bond, what is still existing as interactions between these entities once they have been built up. And that is supramolecular chemistry which investigated several functions. The 3 basic ones are: recognition between molecules, their reactivity, how they act on each other, and how they carry each other through membranes for instance. We heard about carrying transmitters, releasing transmitters and this is part of the game also. Recognition is the basic, the most basic factor here. How do molecules recognise each other? Processes which in our organism as we are sitting here occur all the time. There is no physiological process without a recognition at the start. So we have to understand that. Molecular recognition, to put it simply, of course first requires interaction between the entities, but more importantly, not more importantly but as importantly, information for selection. If you don’t recognise, you don’t have the information. And that is a very important feature which chemistry also deals with: information in molecules. The easiest way, the simplest way in fact is to say that information is carried by a double complementarity in geometry and in the interactions. Geometry, the shapes, the size, the interactions, the way they bind together. And this has been expressed already many years ago by Emil Fischer, in 1894, in a very famous paper where he said that an enzyme acts on a substrate, they fit together like a lock, ‘Schloss und Schlüssel’, like a lock and a key. And this is a very simple image but it is a very strong one. I think although we know the lock is of course adaptable, the key is adaptable. But nevertheless I think it’s a good image to carry: that it has to fit. This has then lead to the development over the years of this supramolecular chemistry into a lock-and-key game, pre-organising keys, pre-organising locks just to see, to understand how they can fit together. So chemistry is as we know within the general concert of sciences. We cannot do everything, I would like to do physics, I would like to do biology, I would like to do brain science. It would be fantastic, but ok we can’t do everything. So we have to choose, we are chemists, physicists and so on, and Mathematicians and so on. Chemistry is that part of science which deals with the structure and transformation of non-living and living matter. But in addition, as I have pointed out, it is also an information science. Because molecules recognise each other: they carry information, this information can be read out by their interactions. And so one can claim - and it’s very important, especially in this generation which has keys at the end of their hands and their fingers The storage of this information is in the molecules and the way you process it, you read it, is on the supramolecular level, the way they interact. Next step was to try to see what we can do with learning more and more about this information, this controlling it. And that would be: try to get beyond pre-organisation towards what you might call self-organisation, directed by the recognition processes one understands better and better. So that one can have spontaneous but information control. Not just letting it go but trying to control what happens, how supramolecular architectures can build up on the basis of how you have chosen to build the bricks. This can be equilibrium self-organisation or non-equilibrium. For the moment most of the work is equilibrium self-organisation. But of course we have absolutely to build in non-equilibrium self-organisation. We know that for instance a very complex expression of molecular matter is living matter. And living matter is out of equilibrium. So we have to build that in. Let me just give you an example and illustrate. An example about how one can use specific binding processes between organic molecules capable of binding metal ions and specific metal ions which serve as the cement between these cations. So one can say that the metal cations will read the information presented in the organic molecule. And the algorithm for reading it will be the way this pattern of reading functions. That will be spontaneous but controlled generation. Many years ago, that in fact was at our start, when we introduced the self-organisation ideas in the supramolecular chemistry, was to try to make objects by design. Here you have an example of making a double helix which has nothing to do with a natural double helix. But it is a double helix which is built on... here are the strands which get together with metal ions and they, on the basis I don’t get into, but they must wrap around. And this is a crystal structure showing that indeed it works. You can also make triple helices as shown here. I need these 2 objects for a little bit later as you will see. So making helical structures by design. Another type of object of interest is this. This looks like microelectronics. This looks like a circuit, this looks like wires, vertical, horizontal and where they cross you have a piece of something, a semiconductor or something. But it’s also molecules, these are molecules which have slots here and into these slots you can enter these red dots, metal ions, and they organise the whole thing. For instance as you can see here making these grid-like structures, 3 by 3. This is again a crystal structure so by designing correctly the units, by using the correct connector, you automatically get, and must get, this object. Now this provides multi-functionality, multi-nuclearity by the dots, multi-metallic, maybe several metal ions and different ones in different positions. And of course it provides for emerging properties, optical, electronic, magnetic. Because these multi-functionalities bring properties which don’t exist in the single-functionality object. One example just to illustrate how one can handle this and make rather complicated things which you didn’t think of making step by step. This is now this entity where the middle is a grid forming one and that is a helical forming one. But there are some metal ions which have a degree of coordination 5. How do you make 5 with this? You use 2 nitrogen at the end, 3 in the middle. So you already see that by reading this information in this molecule with algorithm 5, you will have to connect an end of one molecule with the middle of another one. The result of it is that you get a very highly entangled entity like this, where the end of one molecule - this one in black here, would be this one - and the middle of the blue molecule here are connected through a metal ion. It happens to be a copper 2. In addition you have copper 1 in the middles here. The result of all that is that if this is well conceived and if the information is read out in the correct fashion, you get this very highly entangled molecule represented here by this crystal structure. One would not dream of making it step by step. It makes itself if it is well designed. And this area has seen fantastic developments trying to control really the build-up of large metallosupramolecular architectures by correct ligands and using the correct reading process, the correct metal ions. It's sort of interesting for nanoscience and nanotechnology because nowadays with these extremely powerful devices we have around us, we can nowadays think, is there another approach which might be of interest to look at. That means should we stick with making the objects or could we think about letting the object make itself. If indeed we can design the basic building blocks and the way we can force them to get together in organised fashion, we may have a sort of an alternative or complement rather to nanofabrication and nanomanipulation by generating the structure by itself. In other words going from fabrication to self-fabrication which is obviously the ultimate fabrication. Now these very few examples, just to give a sort of a point, an illustration, they dealt with design: trying to get structures by putting the right information, programing the system, letting it go. The next step in complexity is to try to do it with selection. In other words not only designing the system but letting the system choose what it needs to build itself up. For that you need diversity, you need many bricks from which to choose from. And you need dynamics. You have to be able to explore if you don’t want to get stuck in a dead end. You want to be able to go back and forth, back and forth in order to explore. That enables also adaptation, because if it can explore it may be able to change itself, and an adaptive chemistry. One example of that is given here - I could have given 7 more, but since I have talked to you about these things forming double helices and these things forming triple helices. Now let’s mix them together and ask the system, tell us what you want to do. Of course dynamics will tell the answer. But the answer is that despite the fact that it’s a mixture, it assembles in the correct entities, which means that they have a dynamic set which searches itself out. It does a sort of a self-sorting process where the correct entities are selected to give the final objects, despite the fact that you are in a mixture. And that is an important step in the future also: handling mixtures. Of course, chemists have to know how to make clean compounds. But mixtures are much richer and you have to learn more and more how to handle the coexistence of many entities and directing each set into the right direction, towards the right goal. Now supramolecular chemistry in fact, because of the rather weak interactions, is by definition or by, increasingly by nature, a dynamic chemistry. It’s a chemistry where the object can fall apart and reform itself. Now this may be considered as a problem, but it may also be an advantage. And you can import these dynamic features into molecular chemistry by endowing molecules with reversible bonds, bonds which can break and reform. So you now make molecules which fall apart or reform. That’s something heretic at some stage. But I think it’s not heretic because it opens doors which covalent, stable bonds don’t open. This leads to a field I like to call constitutional dynamic chemistry. Because it assembles into, under one head the supramolecular/non-covalent where the dynamics are intrinsic and the molecular/covalent where the dynamics are intentional. You have to want to do it, you have to introduce those bonds into the molecules. And this of course then allows for adaptation because you can have a variation in the constitution of the chemical object. So self-organisation therefore, one step further, steps towards complex matter, started with molecular chemistry, developed into supramolecular chemistry. And now using a feature of supramolecular chemistry, injecting it back into molecular chemistry one can go a step further into this dynamic chemistry which opens the door to an adaptive chemistry. Just like that movie ‘Back to the Future’: you advance, you look back, you inject it and you go a step further. What is it good for, this constitutional dynamic chemistry? First of all it generates diversity. Secondly it allows selection, you’ve got diversity you can select. It has been applied over the last 12, 15 years to biology, to searching for biologically active substances. I will just indicate a principle, trying to make dynamic nanostructures and dynamic materials. I will briefly illustration those points. First of all what about molecular recognition driven component selection. We heard about combinatory chemistry a moment ago, from Aaron Ciechanover. The fact that you can test many, many, many molecules, ok, but you don’t understand what’s going on, you count on luck. On the other hand recognition is very nice but you have also to understand what to do, to have recognition. So the idea here was to let the system do the driving. In other words to not have locks and keys but have just pieces. And these pieces can get together to generate a diversity by reversible combination. So these objects don’t necessarily exist. You could even say, if I want to use the words of yesterday of our physicist, that the super position of all possible combinations of a system. But none of them is necessarily there until you collapse it. You collapse it by adding the receptor and then the receptor chooses the best. And if it chooses the best it assembles the best. In other words the lock assembles its key. The recognition does the driving and you combine the benefits of combinatorics, very powerful diversity generation, with the benefits of recognition. And the 2 together lead to this possibility for letting the lock assemble the key. One can apply that to drug discovery. It has been done in a few cases. Just to demonstrate the principle form of making enzyme inhibitors or for making synthetic receptors or substrates for biological receptors and so on. In fact one could even dream of one thing we heard about, personalised medicine. If one had the possibility to have a sort of a tool box of combinations and each person by its personal context will put together the drug which is best for him or her. That’s dreaming, I admit. What about materials? Now materials can also be made dynamic. Either on the covalent level or on the non-covalent level. And they will have reversible chemical covalent reactions or non-covalent interactions. And they then have, hopefully can have, self-healing features. They can be responsive, they can be adaptive materials or technologies. This has been counted among the 10 emerging technologies identified by the World Economic Forum: making materials which heal themselves. Polymers are of course a very important class of materials. And dynamic polymers, polymers which can fall apart and reconstitute themselves, are objects, materials which might be able to do that. Let me show you something. First of all on the level of supramolecular polymers, one builds pieces which have recognition sites here by hydrogen bonds, donor, accepted donor. Complementary to accepted donor acceptor. So that when you mix these 2 pieces they will form hydrogen bonds 3,3,3 and generate a main chain supramolecular polymer. With a monomers allyl by non-covalent interactions. Just to give you an example of the properties, that’s a solid, that’s a solid, that’s a liquid crystal. And you can get nice fibres demonstrating that indeed you have a long polymer chain. What about covalent dynamers? Covalent dynamers would be interesting too. And let me illustrate that by optical properties. Let’s do the following, we make a film of 2 components AB. Another film of 2 components A'B'. This film is colourless, not fluorescent. This film may be a little bit coloured, maybe a little bit fluorescent. You superimpose now at the interface, because of the recombination, you can make 2 new constituents. A can condense with B' and B can condense with A'. If one of these new combinations has a feature, like a colour or a fluorescence, you will see it. So you should have maybe colour here and maybe fluorescence only when it’s superimposed. So you can have this, this was done by Japanese co-workers from Mitsui Chemicals when they were in my lab, they liked these nice pictures. You have a cat with a head and ears, moustache, eyes and so on. So the head and ears is one polymer, AB, the moustache, the eyes and inside of ears is A'B'. And now you see colour appearing and you see fluorescence. This demonstrates that it works at the interface. It demonstrates also that you might be able to write at the interface with for instance a heating laser. And you should have a stack, a mille-feuille of those things, you can write in 3 dimensions. So this is a lot of responsive material, it’s just one illustration of what one can do. It can be applied to other properties. Another feature of interest is of course having a self-healing film. Can you make self-healing materials? The answer is yes and more and more man can handle this. Let me give you one example which deals with a Diels-Alder reaction. For those that are not chemists... because all of you should be chemists, so all of you must know the Diels-Alder, isn’t it? If you don’t know it you better revise it. So it’s a very fundamental reaction which is shown here. We have found one which is reversible at room temperature. This is, I don’t want to get into details. You make a film of it, you cut it in 2. You superimpose the 2 sides. You press a little with your fingers and you can pull and it sticks. And we have other cases, one which is just now being worked on by BSF. We hope that that is... I have a film on it but it would have been too long so I don’t show it - maybe for another time. So that’s the case of a self-healing polymer. Finally I would like to come to the last section, which is a step further. These constitutional systems exchange all the time. So they are points on a network, each constituent in the system is a point on the network. Let’s use the simplest one and see what we can do. Let’s take a system constituted which has A and A', B and B'. The As reacting with the Bs. They can generate AB, AB', A'B, A'B'. Now we can design a network, a simple one: square - there is no simpler one. A 2 dimension network, a square where the corners... you put the 4 constituents and now you define the relationships. The edges are antagonistic relationships, that means they share a component. So if one of them increases, the other one has to decrease. Because the one which increases will eat up this component which it shares with the other one. That agonistic relationships on the diagonals, the AB and the A'B' agonistic. If AB increases A'B' must increase because AB takes away all the ABs, so only what’s left is the A'B'. This is quite profound. It's very simple, looks trivial, but there are profound implications. You can moderate that by physical stimuli or chemical effectors. And that generates adaptive networks. So how can you study or what type of adaptation would you look for in chemistry. You would like to have objects, materials, which respond to a change in environment. A face change, a physical effector, electric field, temperature, pressure. A chemical effector, protons, cations and things like that. Even a change in shape, switching from one shape to another shape. And that will then give chemical systems which adapt in the constitutionally dynamic network, meaning that they will change the constitution as they adapt. Let me just show you one example. It’s a bit complicated but just get most, the principle of it. We would like... I said that if an agonist increases, the 2 agonists must go the same way, either up or down, up-regulated or down-regulated. So we can have, we can use one entity to amplify its agonist without touching that one. And let’s see that. This is a set of 2 molecules which have here carbonyl groups, here binding sites of metal ions. So this would be A, A', that would be 2 metal ions, B and B'. We mix it together as it is. So first result is that. What is it, you get the 4 combinations and you have zinc, lead binding to this one or to this one. Now for reasons again I haven’t time to get into, this first set has 44% of lead binding to this molecule. As a consequence the agonist must be 44 and the other guys left of course is 6%, because 44 and 6 is 50. This implies that this entity here which has 2 walls, a sort of a slot into which you can put something, intercalate something, this is ready for picking up something. So the network for this one is this: 1 diagonal, the lead 1 and the zinc 2 and this is 44,44. Now we add identity which can intercalate, this intercalation leads to the formation of in principle a colour. But it’s a weak colour because it’s only 6%. Ok? Now we add an effector. And I want to demonstrate now this agonist amplification. We add as effector a simple diamine. What is this diamine doing? It is forming a macrocycle with these 2 carbonyls. Now the zinc likes very much that macrocycle. So this macrocycle binding with zinc amplifies very much the 6% to 44%. As a consequence the agonist is now 44, not 6 anymore. What is that? That means that if we now go from here, we switch over from this network to this network - it’s a network switching we operate. By touching this point one adds the guest, it penetrates between the walls and it generates like a strong signal. In other words you have generated a strong signal without touching that molecule. You have done it because you touched the other part in the network. And this is something I would like to insist on because that’s a very interesting feature of these networks. Let’s look at it in very general terms. I just illustrated it by one case, I could have shown you polymers which do that and other entities which do it in quite an impressive fashion. But let’s just have a look at... analyse the consequences. At the beginning suppose we have a statistical distribution, 25% of all combinations. Then you add an effector. This effector leads to a reorganisation, component selection and leads to an enforced distribution by the fact that the effector acts on one of those constituents, let’s say AB, up-regulates it and as a consequence you up-regulate the agonist A'B'. You down-regulate the antagonists AB' and A'B. This means that as you up-regulate this, you touch this one... sorry you act on this one without touching it. You do something here without touching it. So that’s an adaptation process which implies agonist amplification. And in terms of biology, for the biologists here, it means that the fittest helps the unfittest. It’s an interesting concept. When you favour something, there is something else which will be favoured. Because the favouring one makes free everything for the one which, the one who doesn’t need what the one you are favouring is doing. So the fittest drives also the amplification of the unfittest. And we have seen that we can use this effect to amplify the unfittest. And in terms of what I showed you earlier, the fittest was the macrocycle which makes the complex with the zinc. The un-fittest was the other guy with these open walls. But that’s the one you have amplified because... sorry that’s the one you wanted to amplify without touching it because you wanted to generate that colour. And there can be many other features. In terms of communication it’s also quite important. Usually when communication happens by transferring something or by touching. But here you do it without touching the object, with no contact, no transfer. You touch one point in a network and because everything rearranges, there is another one, distant one which is also touched without you touching it. So it's signal transfer without species transfer, making, transferring information by the dynamic redistribution. And this has a property of adaptive networks. So I come to the conclusion. Steps towards complex matter. We are far from the complexity. When we heard these fantastic talks about the ATP synthase - we heard yesterday’s fantastic model, we heard about all this personalised medicine, we have to try to understand the way things are transferred in the nerve system. In fact incidentally, if you allow me a second Mr Chairman, we started, I started because I was interested in brain science. Surprise isn’t it? Because as a chemist I wanted to see how we can do something in that field. And I found that the simplest for a chemist is to try to touch sodium potassium, because the nerve impulse is carried by sodium potassium. That was the start of the cryptase, the cryptands and the whole story. So I have to go back to brain science, I mean, you always go back to your first love, isn’t it? So self-organisation: started molecular chemistry, we organised molecules. And chemists have become very good at that. Inventing all types of processes. We’ll hear about metathysis in a moment. Then we theorised supramolecular chemistry. Of course supramolecular chemistry doesn’t exist without molecular chemistry. You have first to be able to make the molecules. This is by design, first way. Then you try to think about the way the dynamics of these objects function and you are led to this constitutional dynamic chemistry where the object you look at is able to rearrange itself, to change itself, to generate diversity. So as to be able to select and develop an adaptive chemistry. That means there is a way now to progressively getting further and further to more and more complex systems towards adaptive and evolutive chemistry. Let me finish by singing the glory of chemistry. I’m not going to sing, don’t worry. The essence of chemistry is not just to discover but to create. The book of chemistry must be written, not just be read. The score of chemistry must be composed, not just played. Because there are many things which don’t exist yet. And in your life as a chemist you will make many entities which don’t exist, which what is called nature has never made. And that is this fantastic creative power of chemistry. I would like to express it in this way: Chemistry is a Promethean science. Of course I would rather say that’s the light of chemistry but I would so rather say, Prometheus is holding the light of science in general. But chemistry has also this property of being the art of matter. Being able out of the bricks and pieces, our matter is made of, to express things which were not contained in it. Like in this statue of Rodin out of the stone Rodin gets out this image, this sculpture which doesn’t exist inside. It’s the artist who brings it out. Chemistry can do the same. Takes the pieces, periodic table of Mendeleev. Puts them together and infinite number of pieces and creates all these worlds which don’t exist yet. All these worlds in the universe of all possible worlds. Thank you very much. Applause.

Guten Morgen, ich freue mich wieder hier zu sein und zu sehen, dass immer mehr Menschen hierher kommen. Es ist wirklich eine so phantastische Veranstaltung. Und ich gratuliere allen Organisatoren dazu, dass sie mit diesem Treffen ein solches Niveau erreicht haben. Ich möchte auch Erwin Neher für seine Einleitung danken. Ja, Chemie kann helfen, wie Sie zum Schluss sagten. Und ich möchte das in einen größeren Zusammenhang stellen. Wir haben etwas über die personalisierte Medizin gehört. Personalisierte Medizin bedeutet personalisierte Arzneimittel. Personalisierte Arzneimittel sind personalisierte Chemie. Gerade eben hörten wir etwas über Neuronen, die ihre Informationen mithilfe kleiner Moleküle übertragen. Große Moleküle nutzen kleine Moleküle, sogar Ionen, Calcium. Ich möchte hier auch darauf aufmerksam machen, dass die Europäische Gemeinschaft zu Recht die Hirnforschung mit einer Milliarde Euro unterstützen wird. Das Gehirn ist das, was uns unterscheidet. Ich möchte das hier ausdrücklich anerkennen. Das ist wirklich eine hervorragende Entscheidung. Lassen Sie mich die Chemie in den Blick nehmen. Lassen Sie uns schauen, wohin uns der nächste Schritt auf unserem Weg führt: Zu einer Chemie, die sich anpassen kann. Und die große Frage, die wir uns stellen sollten, lautet: Wie wird Materie komplex? Was bedeutet das? Wie wird Materie im Laufe der Evolution des Universums komplex, nachdem wir als eine dieser Wesen geschaffen wurden, die mit diesem als Gehirn bezeichneten Organ ausgestattet sind - vom Elementarteilchen zum denkenden Organismus? Verteilte Materie, kondensierte Materie, organisierte Materie, lebende Materie, denkende Materie. Möglicherweise noch höhere Formen komplexer Materie. Das ist meiner Ansicht nach die große Frage, weil es die Wissenschaft ist, die uns das Universum zunehmend besser verstehen lässt. Aber die Wissenschaft wird von menschlichen Wesen praktiziert. Die Wissenschaft wird von unserem Gehirn durchgeführt. Die Wissenschaft wird durch die Art und Weise umgesetzt, wie sich das Gehirn aufgebaut hat. Es gäbe keine allgemeine Relativitätstheorie ohne Einstein. Wie also ist Einstein entstanden? Diese Fragen beziehen sich auf die Wissenschaft generell. Und gestern haben wir die phantastischen Vorträge von David Wineland und Serge Haroche gehört, die einige der Grundgesetze des Universums erläutert haben. Physik hat mit den Grundgesetzen des Universums zu tun. Wir haben viele Vorträge über die Biologie gehört. Die Biologie versucht die Regeln des Lebens zu verstehen. Beides sind sehr große Fragestellungen. Und was tut also die Chemie? Weil die Chemie allen hilft, ist sie eine zentrale Wissenschaft. Sie ist aber nicht nur da, um Werkzeuge zu liefern, Materialien bereitzustellen, beim Aufräumen und Realisieren von diesem oder jenem zu unterstützen. Eine ebenfalls sehr wichtige Rolle besteht darin, eine Brücke zwischen den allgemeinen Gesetzen und ihrem spezifischen Ausdruck in äußerst komplexen Manifestationen von molekularen Strukturen zu bilden. Die Chemie bildet die Brücke zwischen allgemeinen Gesetzen und ihrem Ausdruck in lebenden und denkenden Organismen. Wie geschieht das? Die Antwort lautet: Durch Selbstorganisation. Das sagt nicht viel aus. Intuitiv verstehen wir das zwar. Aber in Wirklichkeit müssen wir begreifen, wie die Organisation auf der Grundlage der Gesetze des Universums gesteuert wird, es sozusagen ein Imperativ ist, sich zu organisieren. Das ist sicherlich eine philosophisch interessante Frage. Aber der vor kurzem verstorbene Christian de Duve hat genauso gedacht. Unser Universum ist so aufgebaut, dass Leben und Denken irgendwo in Erscheinung treten müssen. Wir können dem nicht entfliehen - ein Thema, über das man lange diskutieren könnte. Die Chemie hat mit der Molekularchemie begonnen. Die Menschen haben also gelernt, wie Häuser aus Backsteinen gebaut werden, Moleküle aus Atomen. Das ist die Chemie der kovalenten Bindung, der Bindung, die Atome in Molekülen stark miteinander verbindet. Sind sie aber erst einmal zusammengefügt, folgt ein weiterer Schritt - den wir über die Jahre entwickelt haben - und der darin besteht, auch die nichtkovalente Bindung zu meistern, die nach wie vor als Wechselwirkung zwischen diesen Einheiten besteht, sobald sie zusammengefügt wurden. Und das ist die supramolekulare Chemie, die mehrere Funktionen untersucht hat. Die drei grundlegenden sind: Erkennung zwischen Molekülen, ihre Reaktivität, wie sie aufeinander wirken, und wie sie einander beispielsweise durch Membranen hindurch transportieren. Wir haben etwas über transportierende Transmitter, freisetzende Transmitter erfahren und das ist ebenfalls Teil des Spiels. Die Erkennung ist der grundlegende, der grundlegendste Faktor dabei. Wie erkennen sich Moleküle gegenseitig? Prozesse, wie sie in unserem Organismus, während wir hier sitzen, die ganze Zeit ablaufen. Es gibt keinen physiologischen Prozess ohne eine Erkennung zu Beginn. Das müssen wir also verstehen. Die molekulare Erkennung erfordert also zunächst, um es einfach zu formulieren, eine Wechselwirkung zwischen den Einheiten. Aber noch wichtiger, nicht noch wichtiger, sondern genauso wichtig sind die Informationen für die Selektion. Erfolgt keine Erkennung, stehen keine Informationen zur Verfügung. Und das ist ein sehr bedeutendes Merkmal, mit dem auch die Chemie zu tun hat: Informationen in den Molekülen. Die einfachste Art, tatsächlich die simpelste Weise dass Informationen durch eine doppelte Komplementarität in der Geometrie und in den Wechselwirkungen transportiert werden. Geometrie, die Formen, die Größe; Wechselwirkungen, die Art und Weise, in der sie sich miteinander verbinden. Und das wurde bereits vor vielen Jahren, nämlich 1894, von Emil Fischer in einem sehr berühmten Aufsatz formuliert, wo er beschrieb, dass ein Enzym auf ein Substrat wirkt, sie aufeinander passen wie "Schloss und Schlüssel". Das ist ein sehr einfaches, aber zugleich sehr starkes Bild. Gleichzeitig wissen wir natürlich, dass das Schloss anpassungsfähig ist und der Schlüssel anpassungsfähig ist. Aber dennoch halt ich das für ein gutes Bild, um den Gedanken zu transportieren, dass es passen muss. Dieses Konzept hat dann zur Weiterentwicklung dieser supramolekularen Chemie zu einem "Schloss- und-Schlüssel-Spiel" geführt, Vororganisation von Schlüsseln, Vororganisation von Schlössern, um zu sehen, um zu verstehen, wie sie zusammenpassen können. Die Chemie spielt sich, wie wir wissen, im allgemeinen Konzert der Wissenschaften ab. Wir können nicht alles machen. Ich würde gerne Physik betreiben, ich würde gerne Biologie betreiben. Ich würde gerne Hirnforschung betreiben. Das wäre phantastisch, aber wir können nicht alles machen. Wir müssen uns entscheiden. Wir sind Chemiker, Physiker, Mathematiker usw. Die Chemie ist der Teil der Wissenschaft, der sich mit der Struktur und Transformation von nicht lebender und lebender Materie beschäftigt. Aber darüber hinaus ist sie, wie ich bereits sagte, auch eine Informationswissenschaft. Denn Moleküle erkennen einander: Sie transportieren Informationen. Diese Informationen können über ihre Wechselwirkungen ausgelesen werden. Und so kann man behaupten - und das ist sehr wichtig, insbesondere in dieser Generation, die die Schlüssel in der Hand hält -, dass Informationen auch ein chemisches Problem, ein biologisches Problem sind. Die Speicherung dieser Informationen erfolgt in den Molekülen. Die Art und Weise der Verarbeitung von Informationen, das Auslesen von Informationen erfolgt auf supramolekularer Ebene, dem Weg der Wechselwirkungen. Der nächste Schritt bestand darin herauszufinden, was wir mit dem zunehmendem Wissen über diese Informationen und ihrer Steuerung machen können. Und das bedeutet: Über die Vororganisation hinausgehend auf etwas zuzugehen, was man als Selbstorganisation bezeichnen könnte - gesteuert durch die Erkennungsprozesse, die man mehr und mehr versteht, damit eine spontane, aber dennoch informierte Steuerung entstehen kann. Es nicht nur laufen zu lassen, sondern den Versuch zu unternehmen, das, was geschieht, zu steuern, wie sich also supramolekulare Architekturen auf der Grundlage der Entscheidung aufbauen können, wie die Bausteine zusammengesetzt wurden. Das kann eine Selbstorganisation im Gleichgewicht oder im Nichtgleichgewicht sein. Derzeit beschäftigt sich der größte Teil der Arbeiten mit Selbstorganisation im Gleichgewicht. Aber selbstverständlich müssen wir die Selbstorganisation im Nichtgleichgewicht einbeziehen. Wir wissen, dass beispielsweise ein sehr komplexer Ausdruck molekularer Materie die lebende Materie ist. Und die lebende Materie ist im Nichtgleichgewicht. Das müssen wir berücksichtigen. Ich möchte Ihnen das an einem Beispiel verdeutlichen. Ein Beispiel, wie man spezifische Bindungsprozesse zwischen organischen Molekülen, die in der Lage sind Metallionen zu binden, und spezifischen Metallionen, die als Zement zwischen diesen Kationen dienen, verwenden kann. Man kann also sagen, dass die Metallkationen die in dem organischen Molekül vorhandenen Informationen lesen. Und der Algorithmus für das Auslesen ist die Art und Weise, in der dieses Muster des Auslesens funktioniert. Dabei handelt es sich um eine spontane, aber kontrollierte Erzeugung. Vor vielen Jahren, das war zu Beginn, als wir die Ideen der Selbstorganisation in die supramolekulare Chemie einführten, erfolgte der Versuch, Objekte "per Design" herzustellen. Hier sehen Sie ein Beispiel für eine Doppelhelix, die nichts mit einer natürlichen Doppelhelix zu tun hat. Aber es ist eine Doppelhelix, die konstruiert wurde auf ... hier sind die Stränge, die mit Metallionen zusammentreffen und sie müssen sich in einer Weise, auf die ich hier nicht eingehen will, umeinander winden. Und das hier ist eine Kristallstruktur, die zeigt, dass das tatsächlich funktioniert. Man kann auch Triple-Helices herstellen, wie hier zu sehen ist. Ich brauche diese beiden Objekte später noch, wie Sie sehen werden. Helixstrukturen werden also "per Design" hergestellt. Und hier ist ein weiteres interessantes Objekt. Das sieht aus wie Mikroelektronik. Wie ein Schaltkreis. Wie Kabel, vertikal, horizontal verlaufend. Und an ihren Kreuzungsstellen gibt es so etwas wie einen Halbleiter. Aber auch das sind Moleküle. Das hier sind Moleküle, die hier Vertiefungen haben. Und in diese Vertiefungen kann man diese roten Punkte einfügen, die Metallionen. Sie organisieren dann das Ganze. Beispielsweise, wie hier zu sehen, stellen sie diese gitterartigen Strukturen her, 3x3. Auch hier ist wieder eine Kristallstruktur zu sehen. Wenn die Einheiten also korrekt konstruiert werden, wenn das richtige Verbindungsstück verwendet wird, entsteht automatisch dieses Objekt - und muss automatisch dieses Objekt entstehen. Dadurch entsteht Multifunktionalität, Multinuklearität durch die Punkte, multimetallisch, möglicherweise mehrere Metallionen und verschiedene in verschiedenen Positionen. Und das sorgt natürlich für neu entstehende Eigenschaften - optische, elektronische, magnetische. Denn diese Multifunktionalitäten bringen Eigenschaften ein, die im Einzelfunktionalitätsobjekt nicht existieren. Nur ein Beispiel zur Verdeutlichung dafür, wie man damit umgehen und relativ komplizierte Dinge erzeugen kann, die man nicht Schritt für Schritt herstellen kann. Wir haben hier diese Einheit, in der das Zentrum ein Gitter bildet, und hier bildet das Zentrum eine Helix. Aber einige Metallionen haben einen Koordinationsgrad von 5. Wie erzeugt man daraus 5? Man nimmt 2 Stickstoff am Ende, 3 in der Mitte. Sie sehen also, dass man durch Auslesen dieser Informationen in diesem Molekül mit dem Algorithmus 5 ein Ende von einem Molekül mit dem Zentrum eines anderen verbinden muss. Das Ergebnis ist eine sehr stark verschränkte Einheit wie diese hier, wo das Ende eines Moleküls - das in Schwarz hier - und das Zentrum des blauen Moleküls hier durch ein Metallion verbunden werden. Es ist ein Kupfer 2. In den Zentren hier ist zusätzlich Kupfer 1 vorhanden. Das Ergebnis: Wenn das gut durchdacht ist und wenn die Informationen richtig ausgelesen werden, erhält man dieses stark verschränkte Molekül, das hier durch diese Kristallstruktur repräsentiert ist. Man würde nicht im Traum daran denken, das Schritt für Schritt herzustellen. Es produziert sich selbst, wenn es gut konstruiert ist. Und in diesem Bereich haben sich phantastische Entwicklungen ergeben, die tatsächlich den Aufbau von großen, metallsupramolekularen Architekturen durch korrekte Liganden und durch Nutzung des richtigen Leseprozesses und der korrekten Metallionen zu steuern versuchen. Das ist interessant für die Nanowissenschaften und die Nanotechnologie, weil uns heute mit diesen extrem leistungsstarken Instrumenten Ansätzen widmen könnten, die für uns interessant sind. Im Klartext: Sollten wir weiterhin daran festhalten, Objekte herzustellen oder können wir darüber nachdenken, wie sich Objekte selbst herstellen? Wenn es uns tatsächlich gelingt, die grundlegenden Bausteine und die Art und Weise zu konstruieren, wie wir sie zu einem Zusammenschluss in einem organisierten Muster zwingen können, schaffen wir möglicherweise eine Alternative oder eine Ergänzung zur Nanofabrikation und Nanomanipulation, indem sich die Struktur von selbst erzeugt. Mit anderen Worten geht es hier um den Schritt von der Fabrikation zur Selbstfabrikation, die offensichtlich die ultimative Fabrikation ist. Hier wurden nur einige wenige Beispiele gezeigt, die durch Konstruktion entstanden sind: Der Versuch, Strukturen durch Bereitstellen der richtigen Informationen zu erhalten, das System programmieren, laufen lassen. Der nächste Schritt der Komplexität liegt in dem Versuch, das mit Hilfe von Selektion umzusetzen. Mit anderen Worten: Es geht nicht nur um die Konstruktion des Systems, sondern dann darum, das System entscheiden zu lassen, was es selbst für seine Konstruktion benötigt. Dafür ist Diversität erforderlich. Man braucht viele Bausteine, aus denen man auswählen kann. Und man braucht eine Dynamik. Man muss die Möglichkeit der Erforschung haben, wenn man nicht in einer Sackgasse stecken bleiben will. Man wünscht sich, sich zurück und nach vorne, wieder zurück und nach vorne bewegen zu können, um etwas auszuprobieren. Das ermöglicht auch Anpassungsprozesse, weil ein System, das sich ausprobieren kann, sich auch selbst verändern kann, und eine adaptive Chemie. Hier ist ein Beispiel dafür. Ich könnte viele Weitere geben. Aber weil ich Ihnen von diesen Dingen erzählt habe, die Doppel-Helices und Triple-Helices bilden, wollen wir diese mischen und das System fragen, was es tun möchte. Die Dynamik wird uns die Antwort liefern. Aber die Antwort lautet, dass sich das System trotz der Tatsache, dass es sich um eine Mischung handelt, in den richtigen Einheiten zusammenfügt. Es ist also eine Dynamik vorhanden, die sich selbst durchforscht. Es erfolgt sozusagen ein Selbstsortierungsprozess, bei dem - trotz der Tatsache, dass es um eine Mischung geht - die richtigen Einheiten für die endgültigen Objekte ausgewählt werden. Und das ist auch ein wichtiger zukünftiger Schritt: Umgang mit Mischungen. Natürlich müssen Chemiker wissen, wie reine Verbindungen hergestellt werden. Aber Mischungen sind reichhaltiger und wir sollten zunehmend lernen, wie man mit der Koexistenz vieler Einheiten umgeht und jede Synthese von Molekülen in der richtigen Richtung, im Hinblick auf das richtige Ziel ausrichtet. Die supramolekulare Chemie ist tatsächlich aufgrund der relativ schwachen Wechselwirkungen per Definition oder zunehmend von Natur aus eine dynamische Chemie. Es ist eine Chemie, in der das Objekt auseinanderfallen und sich selbst reformieren kann. Das kann man natürlich als ein Problem betrachten, aber auch als einen Vorteil. Und man kann diese dynamischen Eigenschaften durch Ausstattung der Moleküle mit reversiblen Verbindungen, Verbindungen, die aufbrechen können und sich reformieren können, in die Molekularchemie importieren. Man kann also jetzt Moleküle herstellen, die auseinanderbrechen oder sich reformieren. Das ist im gewissen Sinne etwas ketzerisch. Aber ich halte das nicht für ketzerisch, weil das Möglichkeiten eröffnet, die durch kovalente, stabile Verbindungen nicht gegeben sind. Das führt uns zu einem Gebiet, das ich gerne als konstitutionell-dynamische Chemie bezeichne, weil es die supramolekularen/nonkovalenten Elemente unter einem Dach zusammenfügt, wenn die Dynamik intrinsisch ist, und die molekularen/kovalenten Elemente zusammenfügt, wenn die Dynamik intentional ist. Man muss das wollen, man muss diese Bindungen in die Moleküle einbringen. Und das ermöglicht dann selbstverständlich Anpassungen, weil eine Variation in der Zusammensetzung des chemischen Objekts möglich ist. Die Selbstorganisation geht einen Schritt weiter, in Richtung auf komplexere Materie. Sie begann mit der Molekularchemie und entwickelte sich dann zur supramolekularen Chemie. Und wenn man jetzt eine Eigenschaft der Supramolekularchemie nimmt und sie in die Molekularchemie zurück injiziert, kann man einen Schritt weiter zu dieser dynamischen Chemie gehen, die das Tor zu einer adaptiven Chemie eröffnet. Genau wie der Film "Back to the future": Man macht einen Schritt nach vorn, schaut zurück, injiziert das und geht einen Schritt weiter. Wozu ist diese konstitutionell-dynamische Chemie gut? Zuallererst erzeugt sie Diversität. Zweitens ermöglicht sie eine Selektion, denn wenn Diversität besteht, kann man wählen. Das wurde in den letzten 12, 15 Jahren auf die Biologie angewandt, auf der Suche nach biologisch aktiven Substanzen. Ich will nur ein Prinzip darstellen, den Versuch, dynamische Nanostrukturen und dynamische Materialien herzustellen. Ich möchte diese Aspekte kurz erläutern. Zunächst: Wie wäre es mit einer durch molekulare Erkennung gesteuerten Komponentenauswahl? Wir haben gerade von Aaron Ciechanover über die kombinatorische Chemie gehört, die Tatsache also, dass man viele, viele Moleküle testen kann, aber nicht versteht, was passiert. Man verlässt sich auf sein Glück. Andererseits ist die Erkennung zwar sehr schön, man muss aber auch verstehen, was zu tun ist, damit Erkennung möglich wird. Die Idee dabei war, dem System die Steuerung zu überlassen. Mit anderen Worten: Keine Schlösser und Schlüssel, sondern nur Einzelstücke. Und diese Stücke können sich zusammenfügen, um durch reversible Kombination Diversität zu erzeugen. Diese Objekte existieren also nicht notwendigerweise. Man könnte mit den Worten unseres Physikers von gestern auch sagen, dass das die Superposition aller möglichen Kombinationen eines Systems ist. Aber keine davon existiert notwendigerweise, bis man das ganze kollabieren lässt. Man bringt es durch Aufnahme des Rezeptors zum Kollaps und der Rezeptor wählt dann das Beste. Und wenn er das Beste wählt, fügt er das Beste zusammen. Mit anderen Worten: Das Schloss setzt sich seinen Schlüssel zusammen. Die Erkennung übernimmt die Steuerung und man kombiniert die Vorteile der Kombinatorik und eine sehr leistungsstarke Diversitätserzeugung mit den Vorteilen der Erkennung. Und die beiden zusammen führen zu der Möglichkeit, das Schloss den Schlüssel zusammenfügen zu lassen. Man kann das auf die Arzneimittelforschung anwenden, was in einigen Fällen bereits geschehen ist. Das soll nur die grundlegende Form der Herstellung von Enzyminhibitoren oder der Herstellung von synthetischen Rezeptoren oder Substraten für biologische Rezeptoren usw. verdeutlichen. Tatsächlich könnte man von einer Sache träumen, die bereits erwähnt wurde, der personalisierten Medizin: die Möglichkeit, eine Art Werkzeugkasten aus Kombinationen zu erstellen und jede Person könnte aufgrund ihres persönlichen Kontextes das Arzneimittel zusammenstellen, was für sie das Beste ist. Ich gebe zu, dass das ein Traum ist. Was ist mit Materialien? Nun, auch Materialien können dynamisch hergestellt werden. Entweder auf kovalenter Ebene oder auf nichtkovalenter Ebene. Und sie hätten dann reversible chemisch kovalente Reaktionen oder nichtkovalente Interaktionen. Und dann hätten sie hoffentlich selbstheilende Eigenschaften. Es kann sich um reagierende, adaptive Materialien oder Technologien handeln. Das gehört übrigens zu den zehn neu entstehenden Technologien, die das Weltwirtschaftsforum identifiziert hat: Materialien herstellen, die sich selbst heilen. Polymere sind natürlich eine sehr bedeutende Materialkategorie. Und dynamische Polymere, die auseinanderfallen und sich selbst wiederherstellen können, sind Objekte bzw. Materialien, die dazu möglicherweise in der Lage sind. Ich möchte Ihnen etwas zeigen, zunächst auf der Ebene von supramolekularen Polymeren. Man baut Teile, die hier Erkennungsstellen durch Wasserstoffbrückenbindungen haben, Donor, akzeptierter Donor. Ergänzend zum Akzeptor-Donor-Akzeptor. Wenn man diese beiden Teile mischt, bilden sie Wasserstoffbrückenbindungen 3,3,3 und erzeugen durch nichtkovalente Wechselwirkungen ein supramolekulares Hauptkettenpolymer mit einem Monomer-Allyl. Nur um Ihnen beispielhaft die Eigenschaften zu nennen: Das ist ein Feststoff, das ist ein Feststoff, das ist ein Flüssigkristall. Und man erhält schöne Fasern, die zeigen, dass es sich tatsächlich um eine Polymerkette handelt. Was ist mit kovalenten Dynameren? Kovalente Dynamere wären ebenfalls interessant. Das möchte ich Ihnen anhand der optischen Eigenschaften vermitteln. Versuchen wir das Folgende: Wir erstellen eine Folie aus zwei Komponenten AB. Eine weitere Folie mit 2 Komponenten A'B'. Diese Folie ist farblos, nicht fluoreszierend. Diese Folie kann ein bisschen farbig sein, ein bisschen fluoreszierend. Nun überlagert man das. Auf der Schnittfläche kann man jetzt aufgrund der Rekombination zwei neue Bestandteile herstellen. A kann mit B' kondensieren und B mit A' kondensieren. Wenn eine dieser neuen Kombinationen eine Eigenschaft, etwa ein Farbe oder eine Fluoreszenz hat, sieht man das. So sollte man beispielsweise hier Farbe haben und Fluoreszenz nur, wenn das überlagert wird. So kann das also aussehen. Dies hier haben japanische Kollegen von Mitsui Chemicals gemacht, als sie in meinem Labor gearbeitet haben. Sie mochten diese schönen Bilder. Hier ist eine Katze mit Kopf und Ohren, Schnurrbart, Augen usw. Der Kopf und die Ohren sind ein Polymer, AB; der Schnurrbart, die Augen und das Ohrinnere ist A'B'. Und jetzt sieht man Farbe und Fluoreszenz erscheinen. Das beweist, dass dies an der Schnittfläche funktioniert und es vielleicht möglich wäre, an der Schnittstelle beispielsweise mit einem Wärmelaser zu schreiben. Und man sollte einen Stapel, mehrere Lagen davon haben, damit man dreidimensional schreiben kann. Das ist also eine Menge reaktives Material und soll verdeutlichen, was möglich ist. Das kann auch auf andere Eigenschaften angewandt werden. Eine weitere interessante Funktion ist natürlich eine selbstheilende Folie. Kann man selbstheilende Materialien herstellen? Die Antwort lautet "Ja" und das gelingt immer besser. Ich zeige Ihnen ein Beispiel, das mit einer Diels-Alder Reaktion zu tun hat. Als Erklärung für alle, die keine Chemiker sind... Sie alle sollten Chemiker sein, deshalb müssten alle Diels-Alder kennen, nicht wahr? Falls nicht, sollten Sie das ändern. Dabei geht es um eine sehr fundamentale Reaktion, die hier gezeigt wird. Wir haben eine identifiziert, die bei Raumtemperatur reversibel ist. Ich möchte hier nicht ins Detail gehen. Man stellt eine Folie daraus her und schneidet sie in zwei Teile. Dann überlagert man die beiden Seiten. Man drückt das ein bisschen mit den Fingern an und man kann daran ziehen und das haftet fest aneinander. Und es gibt andere Beispiele, an einem wird gerade bei BASF gearbeitet. Wir hoffen, dass das... ich habe ein Video darüber, aber das wäre zu lang gewesen, das zeige ich nicht - vielleicht ein anderes Mal. Also, das ist ein selbstheilendes Polymer. Abschließend möchte ich zum letzten Punkt kommen, der noch einen Schritt weiter geht. Diese konstitutionellen Systeme befinden sich im fortwährenden Austausch. Sie sind Punkte in einem Netzwerk. Jede Konstituente im System ist ein Punkt im Netzwerk. Schauen wir uns den einfachsten Fall an und beobachten, was wir machen können. Nehmen wir ein System, das sich aus A und A', B und B' zusammensetzt. Die As reagieren mit den Bs. Sie können AB, AB', A'B, A'B' bilden. Jetzt können wir ein einfaches Netzwerk konstruieren: Ein Quadrat - ein zweidimensionales Netzwerk, ein Quadrat, dessen Ecken... man nimmt die vier Konstituenten und dann definiert man die Beziehungen. Die Kanten sind antagonistische Beziehungen. Das heißt, sie teilen sich eine Komponente. Wenn sich eine Komponente vergrößert, muss sich die andere verringern. Denn diejenige, die sich vergrößert, verbraucht die Komponente, die sie mit der anderen teilt. Diese agonistischen Beziehungen auf den Diagonalen, die AB- und die A'B'-agonistischen Beziehungen. Wenn AB zunimmt, muss A'B' zunehmen, weil AB immer alle ABs wegnimmt, sodass nur A'B' bleibt. Das ist ziemlich profund. Es ist sehr einfach, sieht trivial aus, aber hat profunde Auswirkungen. Man kann das durch physikalische Stimuli oder chemische Effektoren moderieren. Und so entstehen dann adaptive Netzwerke. Wie kann man das erforschen und welche Art von Anpassung würde man in der Chemie anstreben? Man möchte Objekte, Materialien erhalten, die auf eine Umgebungsveränderung reagieren. Eine Flächenveränderung, einen physikalischen Effektor, ein elektrisches Feld, eine Temperatur, einen Druck. Einen chemischen Effektor, Protonen, Kationen und solche Dinge. Sogar eine Veränderung in der Form, den Wandel von einer Form in eine andere. Und das ergibt dann chemische Systeme, die sich im konstitutionell-dynamischen Netzwerk anpassen, das heißt, dass sie ihre Konstitution verändern, wenn sie sich anpassen. Ich möchte Ihnen ein Beispiel zeigen. Es ist etwas kompliziert, aber es geht nur um das Prinzip. Wir würden gerne... ich sagte, dass wenn ein Agonist wächst, die beiden Agonisten denselben Weg gehen müssen, entweder nach oben oder nach unten, hochreguliert oder herunterreguliert. Wir können also eine Einheit verwenden, um ihren Agonisten zu verstärken, ohne ihn zu berühren. Lassen Sie uns das anschauen. Das hier sind zwei Moleküle, die hier Carbonylgruppen aufweisen, hier die Bindungsstellen für Metallionen. Das wäre A, A', das wären zwei Metallionen, B und B'. Wir mischen sie so miteinander, wie sie sind. Das erste Ergebnis sieht dann so aus. Man erhält die vier Kombinationen und man hat Zink, Blei bindet hier oder hier. Aus Gründen, die ich hier wiederum nicht vertiefen kann, binden von diesem ersten Satz 44% Blei an dieses Molekül. Folglich muss der Agonist 44 und die anderen zurückgelassenen Typen 6% ergeben, weil 44 + 6 = 50 ist. Das impliziert, dass diese Einheit hier mit ihren zwei Wänden eine Art Vertiefung aufweist, in die man etwas einfügen kann, etwas einschalten kann. Es besteht die Bereitschaft, etwas aufzunehmen. Das Netzwerk hierfür ist das hier: eine Diagonale, das Blei 1 und das Zink 2 und das sind 44, 44. Jetzt fügen wir eine Identität hinzu, die sich dazwischenschalten kann, diese Zwischenschaltung führt im Prinzip zur Bildung einer Farbe. Es ist allerdings eine schwache Farbe, weil es nur 6% sind. Ok? Jetzt fügen wir einen Effektor hinzu. Und ich möchte jetzt diese Agonistenverstärkung demonstrieren. Wir geben als Effektor ein einfaches Diamin hinzu. Was bewirkt dieses Diamin? Es bildet einen Makrozyklus mit diesen zwei Carbonylen. Das Zink mag diesen Makrozyklus sehr. Dieser Makrozyklus verstärkt die 6% bei Bindung mit Zink sehr stark auf 44%. Der Agonist ist jetzt bei 44 statt bei 6. Was heißt das? Das bedeutet, dass, wenn wir jetzt von hier ausgehen, von diesem Netzwerk auf dieses Netzwerk umschalten - wir betätigen quasi eine Netzwerkumschaltung. Durch Berührung dieses Punkts wird der Gast aufgenommen, er drängt zwischen den Wänden ein und generiert so etwas wie ein starkes Signal. Mit anderen Worten: Man hat ohne Berührung dieses Moleküls ein starkes Signal erzeugt. Das ist durch Berührung des anderen Teils im Netzwerk geschehen. Und darauf möchte ich besonders hinweisen, weil das eine sehr interessante Eigenschaft dieser Netzwerke ist. Lassen Sie uns das generell betrachten. Ich habe es nur an einem konkreten Fall verdeutlicht. Ich hätte Ihnen auch Polymere zeigen könne, die so reagieren, oder andere Einheiten, die das in sehr eindrucksvoller Weise erledigen. Lassen Sie uns nun...die Folgen analysieren. Zu Beginn haben wir vermutlich eine statistische Verteilung, 25% aller Kombinationen. Dann gibt man einen Effektor hinzu. Dieser Effektor führt zu einer Reorganisation, zur Komponentenauswahl und zu einer erzwungenen Verteilung, weil der Effektor auf eine dieser Konstituenten einwirkt, sagen wir AB, sie hochregelt und in der Folge der Agonist A'B' hochreguliert wird. Die Antagonisten AB' und A'B werden heruntergeregelt. Bei der Hochregulierung berührt man das hier...Entschuldigung, wirkt man auf das hier ein, ohne es zu berühren. Man agiert hier ohne Berührung. Das ist ein Anpassungsprozess, der eine Agonistenverstärkung impliziert. Und im biologischen Sinne, für die Biologen hier unter uns, bedeutet dies, dass der Stärkste dem Schwächsten hilft. Das ist ein interessantes Konzept. Wenn man etwas favorisiert, wird gleichzeitig etwas anderes favorisiert, weil der Favorisierende für den Favorisierten alles aus dem Weg räumt, was derjenige, der das, was der Favorisierte tut, nicht benötigt. Somit fördert der Stärkste auch die Stärkung des Schwächsten. Und wir haben gesehen, dass wir diesen Effekt zur Stärkung des Schwächsten nutzen können. Und in dem Sinne, den ich Ihnen früher aufgezeigt habe, war der Stärkste der Makrozyklus, der den Komplex mit dem Zink herstellt. Der Schwächste war der andere mit diesen offenen Wänden. Aber genau den hat man verstärkt, weil... Entschuldigung, das hier ist derjenige, den man ohne Berührung verstärken wollte, weil man diese Farbe erzeugen wollte. Und das gilt auch für viele andere Merkmale. Das ist auch im Sinne der Kommunikation ganz wichtig. Üblicherweise erfolgt Kommunikation durch Übertragung von etwas oder durch Berührung. Aber hier erfolgt Kommunikation ohne Berührung des Objekts, ohne Kontakt, ohne Übertragung. Man berührt einen Punkt im Netzwerk und weil sich alles umorganisiert, gibt es einen anderen Punkt, einen entfernten Punkt, der ebenfalls berührt wird, ohne ihn zu berühren. Es handelt sich also um eine Signalübertragung ohne Spezies-Transfer, eine Übertragung von Informationen durch dynamische Umverteilung. Und das ist eine Eigenschaft anpassungsfähiger Netzwerke. Ich komme zum Schluss. Schritte in Richtung komplexer Materie. Wir sind weit von der Komplexität entfernt. Als wir diese phantastischen Vorträge zur ATP Synthase gehört haben - wir haben gestern von diesem phantastischen Modell gehört - haben wir viel von dieser patientenbezogenen Medizin gehört. Wir müssen verstehen, wie die Dinge im Nervensystem übertragen werden. Tatsächlich, wenn Sie, Herr Vorsitzender, mir diese Sekunde noch erlauben, begannen wir, begann ich, weil ich an der Hirnforschung interessiert war. Ist das nicht erstaunlich? Ich wollte als Chemiker herausfinden, was wir auf diesem Gebiet tun können. Und ich kam zu dem Schluss, dass es für einen Chemiker das einfachste ist, den Versuch zu unternehmen, Natrium-Kalium zu berühren, weil der Nervenimpuls durch Natrium-Kalium übertragen wird. Das war der Beginn der Kryptase, der Kryptanden und der ganzen Geschichte. Ich sollte also zur Hirnforschung zurückkehren. Ich denke, man kehrt immer zu seiner ersten Liebe zurück. Ist das nicht so? Also Selbstorganisation: Beginnend mit der Molekularchemie haben wir Moleküle organisiert. Und die Chemiker sind ziemlich gut darin geworden. Sie haben alle möglichen Verfahren erfunden. Wir werden gleich etwas über die Metathese hören. Dann haben wir über die supramolekulare Chemie theoretisiert. Die supramolekulare Chemie existiert natürlich nicht ohne die Molekularchemie. Zunächst muss man in der Lage sein, Moleküle herzustellen. Das erfolgt zunächst durch Design. Dann denkt man über die Art und Weise nach, wie die Dynamik dieser Objekte funktioniert und das hat zu dieser konstitutionell-dynamischen Chemie geführt, bei der das beobachtete Objekt in der Lage ist, sich selbst neu zu organisieren, sich selbst zu verändern, Diversität zu erzeugen. Es ist also in der Lage, auszuwählen und eine anpassungsfähige Chemie zu entwickeln. Das bedeutet, dass jetzt die Möglichkeit besteht, Schritt für Schritt weiter zu machen und komplexere Systeme im Sinne einer adaptiven und evolutiven Chemie zu entwickeln. Zum Abschluss möchte ich ein Loblied auf die Chemie singen. Keine Angst, ich werde nicht wirklich singen. Die Essenz der Chemie ist nicht einfach die Entdeckung, sondern die Erschaffung. Das Buch der Chemie muss geschrieben und nicht nur gelesen werden. Die Partitur der Chemie muss komponiert, nicht nur gespielt werden. Weil es so viele Dinge gibt, die jetzt noch nicht existieren. Und in Ihrem Leben als Chemiker werden Sie viele Wirksubstanzen herstellen, die noch nicht existieren, die das, was als die Natur bezeichnet wird, niemals hergestellt hat. Und darin liegt diese phantastische, kreative Kraft der Chemie. Ich möchte es so ausdrücken: Die Chemie ist eine prometheische Wissenschaft. Natürlich würde ich lieber sagen, dass es das Licht der Chemie ist, aber ich sage stattdessen, dass Prometheus das Licht der Wissenschaften allgemein trägt. Aber auch die Chemie verfügt über die Eigenschaft, die Kunst der Materie zu sein, etwas aus Bausteinen und Teilen herzustellen. Unsere Materie bringt Dinge zum Ausdruck, die darin nicht enthalten sind. Wie in dieser Statue von Rodin. Aus dem Stein entwickelt Rodin dieses Bild, diese Skulptur, die im Innern nicht existiert. Es ist der Künstler, der sie zum Vorschein kommen lässt. Genau dazu ist die Chemie fähig. Sie nimmt die Teile, das Periodensystem von Mendelejew, fügt unzählige Teile zusammen und erschafft all diese Welten, die noch nicht existieren. All diese Welten im Universum aller möglichen Welten. Vielen Dank. Applaus.

Jean-Marie Lehn (2013)

Perspectives in Chemistry - Towards Adaptive Chemistry

Jean-Marie Lehn (2013)

Perspectives in Chemistry - Towards Adaptive Chemistry

Abstract

Supramolecular chemistry lies beyond molecular chemistry. It aims at implementing highly complex chemical systems from molecular components held together by non-covalent intermolecular forces and effecting molecular recognition, catalysis and transport processes.

A further step consists in the design of systems undergoing self-organization, i.e. systems capable of spontaneously generating well-defined functional supramolecular architectures by self-assembly from their components, thus behaving as programmed chemical systems.

Supramolecular chemistry is intrinsically a dynamic chemistry in view of the lability of the interactions connecting the molecular components of a supramolecular entity and the resulting ability of supramolecular species to exchange their components. The same holds for molecular chemistry when the molecular entity contains covalent bonds that may form and break reversibility, so as to allow a continuous change in constitution by reorganization and exchange of building blocks. These features define a Constitutional Dynamic Chemistry (CDC) on both the molecular and supramolecular levels.

CDC takes advantage of dynamic constitutional diversity to allow for variation and selection in response to either internal or external factors to achieve adaptation.

The implementation of selection in chemistry introduces a fundamental change in outlook with respect to the usual molecular chemistry. The combination of dynamics and reversibility with constitutional and structural diversity points towards the emergence of Adaptive and Evolutive Chemistry on the way towards Complex Matter.

- Lehn, J.-M., From supramolecular chemistry towards constitutional dynamic chemistry and adaptive chemistry, Chem. Soc. Rev. 2007, 36, 151.

- Lehn, J.-M., Perspectives in Chemistry – Steps towards Complex Matter, Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 2836-2850.

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