Jean-Marie Lehn (1990) - Supramolecular chemistry: scope and perspectives

As the only one of the three Nobel Laureates in Chemistry 1987, Jean-Marie Lehn made his appearance and gave his first lecture at a Lindau meeting in 1990

Since I was told that more people here would speak English rather than German, I will have my lecture in English. I am very happy to be here, after 40 years of this Nobel laureates meeting’s existence. And I am pleased to have the opportunity to see biologists here. It's very nice to have all these biologists around and I would like to thank the organiser of this meeting for the invitation, because one doesn't often have a captive audience of biologists for a chemist. So let me tell you about some of the things we have been doing over the years in chemistry. In a new field of chemistry, which we call supermolecular chemistry. And please lights down. Now what I would like to tell you is about this area, which is defined in the following way. What is it first? You know that molecules are made from atoms, linked by strong bonds, covalent bonds. When the molecules are formed, they still can interact but by weak forces, intermolecular bonds. The idea was: Beyond molecular chemistry, is there a chemistry of another type of larger architectures, which you may call supermolecules. Molecules architectures linked together by weak molecular bonding? In other words: From atoms to molecules to supermolecules. And maybe another step further would then be to use the properties of supermolecules to build them into more complicated objects, which you might call molecular devices. I will try to give you a very broad panorama of what has been going on in this area. And to illustrate a few specific cases. This going from molecular chemistry to supermolecular chemistry of course rests first on the use of covalent bonds to synthesise, to produce a species which you might call a receptor, a receptor molecule which will bind its substrate by using intermolecular forces. Leading then to this supermolecule. In other words a species as well defined with respect to its components as molecules are with respect to atoms. This supermolecule resting on the interaction by known covalent bonding of the receptor by the substrate. Now if the receptor recognises specifically the substrate, then molecular recognition occurs, selective binding. When the receptor performs a reaction with a substrate then catalysis can occur. Like enzymes do for instance. When the receptor binds the substrate and helps it to go through a membrane, then transport can occur. I will have no time to discuss those topics, I will merely give you examples of recognition which is in fact the basis. Notice also that in order to have recognition you come to a very important concept in chemistry, the information, which is stored in a molecule. In order to recognise you need information. Therefore in fact the underlying concept is what is molecular information, how can you handle it, how can you process it, use it? Emil Fischer, a long time ago, was the first one to recognise the importance of information in which way, in a qualitative way but in a very nice fashion. Emil Fischer wrote a long time ago, in 1894, that for molecules to act on each other, enzymes from substrates, they must fit together like "Schloss" und Schlüssel", lock and key. If the key fits the lock then something happens. Our problem then will be in chemistry: so as to be able to select a key among a collection of keys and only that one?" We have then, then once you have conceived of what type of receptor you want to build, then you ask the question what keys do we want to bind. In other words you reverse somewhat the problem choosing the key determines what lock you want to synthesise. Among the simplest keys of the simplest objects of chemistry, the simplest indeed are of course spherical objects. Spherical objects in chemistry are for instance alkali ions. From lithium to caesium, spheres of increasing radius, slightly varying and having one positive charge. To show you how important this problem is, let me just point out that sodium and potassium ions are the ones, on which the transmission of a nervous influx along nerve membranes occurs. And indeed nature possesses therefore, biology possesses molecules, w hich are able to distinguish two spheres, which differ by only .35 angstroms in radius. If this were not to work we had a short circuit in our nerves. That's not very good for us. In other words, there's an interesting problem how can you distinguish spheres among a collection of spheres. And of course in order to do that, you need to build the molecule, which has a spherical cavity inside. Which you can adjust. We synthesised some of those now 20 years ago, maybe a little bit more. Molecules, which have this shape containing oxygens and nitrogens for binding the ions and the cavity. And the ion can go into the cavity and form this unit. We call this cryptands and cryptates, because they have a crypt and they are molecules, which bind spherical species. So the entry of this sphere into the cavity makes a cryptate, one being illustrated by this crystal structure of a rubidium ion sitting inside the cavity. But that's not enough. These substances give very high stability, very strong complexes. That was the first important point. But you want to recognise as we said, in order to recognise you have to be able to adjust the cavity size to the key you want to bind, to the sphere you want to bind, that's very simple. By the usual chemical tools of synthesis you increase or decrease the length of the bridges in this macro bi-cyclic molecule as they are called. When it's shorter, the cavity is smaller, and when it's longer the cavity is larger, very simple. This was implemented by synthesis and the molecule models you see here show you indeed how this can operate. You see that indeed, the smaller molecule binds the smallest ion, lithium. The medium sized molecule binds the larger ion, sodium. And the even larger molecule binds the one, which is larger, potassium. That in fact was the molecule we saw on the former slide, the previous one. Where there are two oxygens per bridge and where the cavity just corresponds to potassium. Here are two, two and one, one, one and two, lithium, sodium, potassium are therefore recognised by a very simple synthetic adjustment of the cavity to the ion to be bound. Therefore spherical recognition is achieved. But you want to be more complex of course, you want to go to something more complex. For instance: "How can one recognise a tetrahedron?" If you want to recognise a tetrahedron you must build a receptor for a tetrahedral geometry. For instance, a molecule like this, this looks like a sphere but it has a very important characteristic. The four nitrogens here are located at the four corners of a tetrahedron. In addition we have also six oxygens located at the corner of an octahedron. They just add some interaction. The important characteristic is: These four nitrogens at the corners of a tetrahedron. We now have a spherical recognition site. Will it operate? Indeed it operates very well. And for instance and specially the ammonium ion NH4+ which incidentally is also a poisonous ion, because many natural receptors are not able to distinguish potassium from ammonium. In this case there is a very strong binding and a very good distinction. Much better in fact than many of the natural receptors, where the ammonium ion is bound very strongly in an ideal array of hydrogen bonds. These four non-covenant bonds, these dotted lines represent non-covalent, weak inter atomic forces, intermolecular forces. Four hydrogen bonds, which link the ammonium ion inside the cavity and bind it to the four corners of the molecule. These four corners. And in a very nice, as you see array of molecular bonding. This fits very well, both geometrically and energetically. And here is just a molecular model showing you how nicely it fits in. The ammonium ion in the middle, nitrogen, four hydrogens. Hydrogen bonded to the corners and nitrogen here, one here, one here, nitrogen is in blue, oxygen is in red, black is carbon, white is hydrogen. And on the other side the fourth one is at the end. So you see there is a nice geometric fit in addition to the electronic interactions, the interactions, which we talked about a moment ago. So one can recognise spheres. One can recognise keys, which have the shape of tetrahedron. What about other molecules? Of course there are many. Let me just give you two more illustrations. You can try to recognise a long molecule. A long molecule like this one. Elongated receptor should be able to recognise an elongated long substrate. Not so long but still a linear substrate, not anymore a sphere nor a tetrahedron. This ellipsoid possesses at the ends of the molecule two claws with three teeth, so to say. Or two mouths with three teeth. Here three points of attachment, here three points of attachment. And you may expect that such a long, linear molecule of three atoms might penetrate and be bound by three hydrogen bonds at the end of the molecule. If that is the case, then you should be able to recognise this unit and it will then be bound in two arrays of hydrogen bonds. Indeed, after synthesising these molecules it was quickly found that it binds very strongly and very selectively. This called an azide, N3- ion. And prefers it to other shapes like spherical, chloride or tetrahedral, sulphate and so on. To convince you of the nice way in which this fits, here is again a molecular model where the N3- sits inside the cavity, in other words this is the lock, this is the key sitting inside. Where the hydrogen bonds are shown here, one here, one here, one here, one here. There are also two behind. And you see again, that the size, the geometry are correct. And also that the binding array of hydrogen bonds fits very well. To tell you also that indeed we do not just imagine those things, we also want to have confirmation of the exact structure of the supermolecule thus formed. We looked at the crystal structures, which always give us a security along the way. That what we have thought out was also really what was happening. The crystal structure of this is shown here. And you see it's almost identical to the model. This is not the model anymore, that's the result of a crystal structure. And indeed the N3- is sitting inside the cavity of this ellipsoidal type of unit. Hooked on each end by three hydrogen bonds here and three hydrogen bonds here. And indeed this linear unit is recognised by this macro bi-cyclic ellipsoidal type of lock, of receptor molecule. It tells us something else also. If you analyse what's going on here, you notice that in order to recognise this little rod, this,"kleine Stäbchen" you must now bind it on one end and bind it on the other. If you have only one side that one can be as long as you wish. So it tells you, that it is interesting to try to include several subunits making what we call "co-receptors". Receptors, in which subunits cooperate in order to bind the substrate. This may then be extended in the following way for instance: How can one recognise the length of molecules? One can recognise the length of molecules by trying to build a little molecular box whose length would be complementary to the length of the substrate you want to bind. Molecular box then, like this one for instance, which has at each end the binding sites for binding the substrate. Which has walls on each side, which are long enough to put the substrate into the box. And the substrate would then get in, be bound on each end. As you realise if the box is too short, the substrate cannot get in or makes a bulge out of the box. If the box is too long then it can attach on one side but not on the other. So what should be best bound, you expect it to be the substrate whose length corresponds to the length of the box. In other words by making this co-receptors, where two subunits help each other in order to recognise the substrate. You might be able to recognise the length of molecules. That's the kind of box we have built, there has been others. But let me just show you a cylindrical box, a cylinder. There is a top, there is a bottom. A ring on top, a ring on bottom. And the rings have been chosen so as to serve as the anchoring site for a primary ammonium ion. That type of unit, which interacts by these hydrogen bonds with the oxygens and one nitrogen. If you now have a cylinder with these two ends and have a molecule which has two ammoniums, one on each end, then what do you expect? You expect that this species will penetrate but bind only if A, or bind well, only if A is compatible with R. In other words if the length of the box is complementary to the length of the substrate R to A. Then you should have optimal binding. By again the usual tools of organic synthesis you can change the length of the cylinder by just changing the unit R, phenyl, naphthyl, dyphenyl, terphenyl, longer and longer. As these go longer these walls A should get longer and indeed that is what happens. If you go from here to here to here to here the length of this A changes from four CH2 groups, four carbons, five carbons, seven carbons and ten or eleven. To show you how this presents itself on a model, let me give you one example. Here is the case in which there are two naphthyl groups on each side and inside you have now this substrate hooked inside by here anchoring, here anchoring of the terminal ammonium groups. And the length here corresponds as you see exactly to the length of the walls. This is good recognition, ideal recognition to so say. When this is shorter it binds on one side but cannot bind on the other. When it's too long it can either not penetrate or makes a sort of a bulge out which obviously destabilises the molecule. So you can recognise the length of molecules. Let me just by these examples which I have given to you, summarise what this chemistry of artificial molecular receptor means. The slide in French, after all I could have given my lecture in French perhaps. Or Alsacian for that matter. Receptor chemistry therefore teaches you a number of things. First of all: How to handle intermolecular interactions. Like the chemist knows the handling of the covalent bond and synthetic organic chemistry is the art of handling covalent bonding between atoms. Here we want now to handle, to control non covalent bonds, weaker forces. Recognition processes can be studied. We have seen, you can try to build molecules, which will bind spheres, tetrahedral, linear molecules, long ones, short ones and so on. This will lead to selective binding, for instance also of toxic species to remove them from an organism for instance. Separation of products from each other and so on. And indeed in addition and not least it may also help you understand somewhat better in which way biological receptors, what kind of interactions they use in order to bind their own substrates. Supermolecular catalysis, which I cannot much say about. I want just to discuss another step, which adds reactivity. Let me just point out the basic principle. When the receptor has reactive functions, represented schematically by these two triangles. Then you bind to the substrate and finally transform it inside the complex, the supermolecule, to give products and to regenerate the catalyst. In other words: We have a recognition step followed by then a reactional step. Again here these type of studies allow you to get a much deeper insight into how to do selective catalysis on a given type of substrate and in some ways understand then these elementary steps and model. Understand better also a number of processes, which may be of importance in enzymatic catalysis. Transport is the other feature. When the receptor, the selective binding molecule, the "Schloss", the lock, is put into a membrane it can operate a channel mechanism by which it picks up, a sort of a carrier mechanism, excuse me. By which it picks up on one hand of the membrane, one side, the substrate, diffuses through, releases it and comes back. In other words by this type of cyclic mechanism it can help, through the membrane which usually would be impermeable. It can help through a substrate. In other words it can drill a selective hole through a membrane. So to say it allows this to get through. This again is then a way of adding this function of transport to the recognition function and selectively transporting species through what would usually be then otherwise impermeable membranes. Again processes of biological, very strong, very high significance can be modelled or the basic processes that occur there can be better understand one may hope. The next step would be to use, what we have learned from receptors, from catalysts, from carriers, transport processes. Into what you may call molecular devices. In German you could translate that as "Molekulare Funktionseinheiten". A molecular device is a structurally organised functioning integrated system. A system, which in other words tries to organise components and to integrate their process, what they do. What could be these components? They could be components handling electrons. Exchanging electrons with one another. Exchanging ions, we have seen some, which bind and exchange ions. Photons having magnetic properties and many others. One of the ultimate goals could be to store, to process, to transfer materials, like ions for instance, or signals, which are carried by these ions and of course information which is involved in all these processes. Now I have of course in this short time no possibility to describe what has been done in this area of molecular devices. I want just to, on three slides, give you a run down of the types when we imagine and which some of them have been done. First of all: Can one convert light from one wave length to another one by controlling separately the portion, which absorbs light and the portion which emits light. In other words can you make a converter for light from one wavelength, one colour of light to another one? This can be done if you build up systems in which the absorber, the antenna or collectors are built in to a molecule. Which is then binding the emitter, so that when light is absorbed by the absorbers, by the collector or the antenna. It is then transferred, the energy is transferred on to the emitter which then emits. So you can absorb a given wave length, let say ultra violet light and emit another one, lets say red light for instance. This is what we have done with molecules where these units are organic residues called bipyridines. Where inside we have a europium ion. Europium ion, which emits usually a red light. And indeed when you shine ultraviolet light on the molecule it emits a red light. Also these processes are of importance for developing labels for monoclonal antibodies. And are now being used by a company to try to label antibodies and to make them visible in various medical tests. Molecular electronic devices are devices, which handle electrons on the molecular scale. In other words not macroscopic like a device, which you use in electronics. But something happening on the molecular level. For instance we have built molecular wires, which help electrons to go through a membrane by a sort of a wire mechanism, einen molekularen Faden. It takes up an electron on one side, lets it through and gives it off on the other side. It is the basic component of any circuitry you want to make. To connect two species. You can polarise the wire by putting donor and acceptor groups. You can also include photo chemically a photoactive unit, a unit sensitive to light. And then you can make photodiode type of models. In other words this is just an illustration of some of the possibilities, which you can have for building in to molecules electronic properties, which usually are attributed to a complete electronic device. And in this case you would like to operate on a single molecule, the same thing. Ions also can be handled. We have seen plenty of those already. Binding potassium, binding ammonium, azide, which you have seen earlier. But you might also think of transferring ions by a channel mechanism. Many channel type of structures can be represented. You can imagine things, which are close to the channels present in nature or other ones. And we have made a number of those studies. For instance, one can think of making a tube by making a stack of rings in liquid crystalline type of arrangements, called discotic liquid crystals. Which then turn tubular liquid crystals or tubular mesophases. Making tubes from the spontaneous arrangement of those units. And the other mechanism, which I call chundle, not a very nice word, it just makes a channel made out of a bundle and it's a contraction of channel and bundle. It's an organised molecular bundle. A channel made out of a bundle of chains, which are branched on to a ring. The ring is a selector, we hope at least. And then this would stick into a membrane. Anchor on each side of the membrane and let ions through only when they correspond to what goes through the central ring. Several of those species have been made and we are now studying whether they are operational, in other words they do incorporate in membranes. We have now to study if they do also transport. What I have told you up to now and for conclusion I would like to come to a next step. Another step. We have seen that the locks we have been building have all been pre-organised. You try to build an architecture, which is there in the molecule, which then is there to bind the substrate. In other words you pre organise the molecule in order to get selectivity. It would of course be most exciting to be able to generate systems, which get the same structure but automatically, spontaneously. In other words self-organisation. Can one introduce in chemical phenomena self-organisation? Of course there are many, in biology there is plenty of self-organisation, quite obviously. And one may say: "However, how can I do that in chemistry?" Can one build it into chemical species? In biology the spontaneous formation, let's say of a ribosome or of transcarbamylase enzyme or of viral coats or of the double helix of DNA. This is spontaneous generation of a structure from the components. Can we undo self organisation, self assembling with chemical units in a directed way where you put in what you want, the information needed to get out a given structure? In other words: Rather than spontaneous formation of layers, films and membranes in a not so much controlled way, you would like to talk about and to get into designed assembling. In other words design species, which spontaneously generate a given structure. You may call them programmed molecular systems. Systems, in which some part contains a program. Another part will read it out following a given algorithm. And the result of it should be the generation of a very well defined structure. The information necessary must of course be stored in the components and we have done that. I will give you one case, which is of course interesting especially for biologists here. How can you make artificial double helices, which has nothing to do with DNA but which nevertheless are nicely, easily, spontaneously formed double helices. The self-assembling of this tobacco mosaic virus is one example as Eylar and Cook have shone as proof of assembly in biology. And of course the double helix of DNA is another one among many. What can one do by chemical means with generating a double helix? In fact, without going into detail let me just give you the basic idea. When molecules contain units called bipyridines, these type of units, two pyridenes linked together. In this molecule there are three of those. We have also made with four and five. It happens that this can be considered as the program unit. And where now you bind to those molecules copper ions of a special type, copper-1 ions. These copper ions like to bind in a tetrahedral fashion. They like to make a tetrahedron around themselves. What happens, is that the reading out of those bipyridines by the copper ions using the algorithm it must be tetrahedral. Leads to something very special: This. We have proven that indeed they form spontaneous double helices. What you see here are copper ions, these round things. Black and white are two different strands. Each bar represents a bipyridine. In other words when this is bound, you see that the copper ion now is surrounded by two bipyridines. And because it must be tetrahedral, this is a tetrahedral unit, like that. They wrap around each other and having two, three or four or five subunits leads cleanly to the formation of a double helix, where the two strands have wrapped around each other and glued together "zusammengeklebt" through these copper ions. This is a crystal structure, which simply shows you that the blue strand, this is now the real thing, the crystal structure. A blue strand is wrapped around the red strand and the copper ion sitting here, green in the middle, you don't see them very well. This is the trimer with three coppers. That's a model of the one with five. And you see it's a nice double helix where one strand is wrapped around the other one. The coppers are sitting here. So you can indeed generate very nice structures posteriorly. You just take the tube of the molecule at copper-1 and automatically it wraps up and generates double helix. Of course we wouldn't want to stay there. And since you are biologists let me just jump now ahead and give you one final example. If you take these bipyridine strands and add nucleosides on the end. If you wrap it up now you should get an inverted nucleic acid so to say. Where the bases are out and where the organisation, double helix is in. The charges are in, the bases are out. That's indeed what happens, synthesising the strand, adding three coppers, gets you this double helix with nucleosides outside. There is the model of the computer, three copper ions on the computer screen and the thymidenes hanging outside around the double helix, which you see in the middle. You can do it also with five, just making it longer. It wraps up again making now a rather large unit with 12 thymedines hanging outside this inverted type of nucleoside, if you wish, poly-oligonucleotide. Another computer generated thing. Picture with 1, 2, 3, 4, 5, the blue coppers are here. That's put in blue. A green strand, everything green on that side and a yellow strand, everything yellow here. Now you see it's a very nice double helix with A sitting out. We like to call those species DNH, deoxyribose, in French it's desoxy..., in English it's deoxyribo nucleo helicates, because we call these substances double helicates, because they are double helices. And so these are then DNH molecules, which are inverted type of nucleic acids. In fact I could almost say Pauling type of nucleic acids, since when Pauling published his first paper the bases were out and the phosphates were in. They interact of course very strongly also with nucleic acids, because they are positively charged and the nucleic acids are negative. I hope I have shown you by these examples how chemistry can by imagining species then make them. Now I would like in conclusion to make that, make some analogies like this sculpture out of a stone. Creates a sculpture. In this way the chemist can out of the elements of matter, make something, which did not exist before. And I think for the chemist it's much more important to make things that did not exist, than things that do exist in nature. What exists in nature has formed because the circumstances which were around. Science is much wider. Science can do things which nature did not do. Not that it could not do it. But it hasn't done it because the question wasn't asked. So I would say that like the sculpture, like the composer organising sounds to write a symphony, like the poet organising words to write the poem. In this way the chemist can organise the elements and make something, which is like a piece of art. It's a creation: It did not exist before it was made. It's a way to imprint in matter intrinsically in the essence of matter, what really was a figment of the imagination. This was in fact, said in a few words a long time ago by Marcellin Berthelot, who wrote the nicest sentence ever written about chemistry, because in a few words it contains really chemistry: He wrote in 1860 that chemistry creates its object. Chemistry, la chimie cr'ee son objet. He did not write chemistry creates objects, obviously it makes things, different ones. But it also makes its own field. The field of chemistry is not the field lying there in nature to be read only, of course it has to be read. But the field of chemistry is to be written, it is something, which is in the hands of the chemists. And as chemistry develops, the field develops. It is not something you just read. Its something you write. Leonardo da Vinci knew that a long time ago, not just for chemistry but for science. When nature finishes to produce its own species, man begins using natural things in harmony with its very nature, that means the laws, basic laws of physics. To create an infinity of species. Da Vinci was an artist. But he knew that science was artistry with nature in the hands of the scientist. This is in German just the same thing. Let me just show you something else. That's the cathedral of Strasbourg and we thought that there was a nice round object here in the middle, some day we might bind it in this receptor. Thank you. Applause.

Da mir gesagt wurde, dass mehr Leute hier englisch als deutsch sprechen, würde ich auf Englisch sprechen. Es freut mich sehr hier zu sein, nach 40 Jahren dieses Nobelzusammenkommens und es gibt mir auch eine andere Gelegenheit, das ist natürlich: Biologen hier zu sehen. Es ist sehr schön, von so vielen Biologen umgeben zu sein, und ich möchte den Organisatoren dieses Treffens für die Einladung danken, denn ein Chemiker hat nicht oft eine Zuhörerschaft aus Biologen, die an dem, was er sagt, interessiert sind. Lassen Sie mich Ihnen also etwas über einiges erzählen, was wir im Laufe der Jahre in der Chemie gemacht habe. In einem neuen Bereich der Chemie, den wir als supermolekulare Chemie bezeichnen. Und schalten Sie bitte das Licht aus. Was ich Ihnen erzählen möchte, betrifft diesen Forschungsbereich, der auf folgende Weise definiert wird. Zunächst: Worum handelt es sich überhaupt? Sie wissen, dass Moleküle aus Atomen bestehen, die durch starke Bindungen verbunden sind, durch kovalente Bindungen. Wenn sich Moleküle gebildet haben, können auch diese noch miteinander interagieren, jedoch durch schwächere Kräfte, intermolekulare Bindungen. Die Fragestellung lautete: Gibt es jenseits der molekularen Chemie noch eine andere Art von Chemie größerer Strukturen, die man als Supermoleküle bezeichnen könnte? Molekulare Strukturen, die über schwache molekulare Bindungen miteinander zusammenhängen? Mit anderen Worten: von Atomen, zu Molekülen zu Supermolekülen. Und ein weiterer Schritt vorwärts würde dann darin bestehen, die Eigenschaften von Supermolekülen zu verwenden, um sie zu noch komplexeren Objekten zusammenzusetzen, die man als molekulare Apparate bezeichnen könnte. Ich werde Ihnen einen groben Überblick über dasjenige geben, was sich in diesem Forschungsbereich zugetragen hat, und dies anhand einiger spezieller Beispiele veranschaulichen. Dieser Übergang von der molekularen zur supermolekularen Chemie beruht zunächst auf der Verwendung von kovalenten Bindungen zur Synthese, zur Herstellung einer Art von Molekül, das man als Rezeptor bezeichnen könnte, ein Rezeptormolekül, das sein Substrat mit Hilfe intermolekularer Kräfte bindet, was dann zu diesem Supermolekül führt. Mit anderen Worten: Zu einer Verbindung, die durch ihre Komponenten ebenso umfassend definiert ist wie ein Molekül durch seine Atome. Dieses Supermolekül, das auf der Wechselwirkung einer bekannten Kovalentbindung des Rezeptors an das Substrat beruht. Nun, wenn der Rezeptor speziell dieses Substrat erkennt, kommt es zu einer molekularen Erkennung, einer selektiven Bindung. Wenn der Rezeptor mit dem Substrat reagiert, kann es zu einer Katalyse kommen. Wie dies beispielsweise bei Enzymen der Fall ist. Bindet der Rezeptor das Substrat und hilft er ihm, eine Membran zu passieren, kann ein Transport stattfinden. Ich werde keine Zeit haben diese Themen zu diskutieren. Ich werde Ihnen lediglich Beispiele für Erkennungen geben, wobei es sich tatsächlich um die Grundlage handelt. Beachten Sie auch, dass man zu einem sehr wichtigen Begriff der Chemie, der in einem Molekül gespeicherten Information kommt, wenn es um Erkennung geht. Um etwas wiedererkennen zu können, benötigt man Information. Tatsächlich lautet die grundlegende Frage daher: Was ist molekulare Information? Wie kann man damit umgehen, wie kann man sie verarbeiten, sie verwenden? Emil Fischer war vor langer Zeit der erste, der die Bedeutung von Informationen erkannt hat. Auf welche Weise? Auf qualitative Weise, und zwar auf sehr schöne Weise. Emil Fischer schrieb vor sehr langer Zeit, im Jahre 1984, dass Moleküle, um aufeinander einzuwirken, Enzyme auf Substrate, zusammenpassen müssen wie ein Schloss und ein Schlüssel. Wenn der Schlüssel in das Schloss passt, dann geschieht etwas. In der Chemie wird unser Problem dann darin bestehen, ob wir künstliche Schlösser für Schlüssel bauen können, die wir so ausgesucht haben, dass wir aus einer Sammlung von Schlüsseln einen bestimmten Schlüssel und nur diesen auswählen können. Wir haben dann.... wenn man einmal festgelegt hat, welche Art von Rezeptor man bauen will, dann stellt man sich die Frage, welche Schlüssel wir binden wollen. Mit anderen Worten, man kehrt das Problem in gewisser Weise um. Die Auswahl des Schlüssels legt fest, welches Schloss man synthetisieren will. Zu den einfachsten Schlüsseln der einfachsten Objekte in der Chemie, zu den einfachsten gehören natürlich runde Objekte. Runde Objekte in der Chemie sind zum Beispiel Alkali-Ionen. Von Lithium bis Caesium, Kugeln mit zunehmend größerem Radius, die leicht voneinander abweichen, eine positive Ladung haben. Um Ihnen zu zeigen, wie wichtig dieses Problem ist, möchte ich Sie lediglich darauf hinweisen, dass Natrium- und Kaliumionen diejenigen sind, mit deren Hilfe die Übertragung eines Reizes entlang der Membranen von Nerven erfolgt. Und die Natur verfügt daher tatsächlich, die Biologie besitzt Moleküle, die zwei Kugeln unterscheiden können, deren Radius sich nur um 0,35 Å unterscheidet. Wenn dies nicht funktionierte, hätten wir einen Kurzschluss in unseren Nerven. Das wäre nicht sehr gut für uns. Mit anderen Worten, es gibt ein interessantes Problem: Wie kann man Kugeln in einer Anordnung von Kugeln unterscheiden? Natürlich muss man dazu ein Molekül herstellen, das eine kugelförmige Öffnung besitzt, deren Größe man anpassen kann. Wir haben einige von diesen vor 20 Jahren synthetisiert, vielleicht noch etwas früher. Moleküle, die diese Form haben, Sauerstoffatome und Stickstoffatome zur Bindung der Ionen sowie eine Öffnung. Und das Ion kann diese Öffnung besetzen und diese Einheit bilden. Wir nennen dies Kryptanden und Kryptate, weil sie über eine Krypta verfügen und weil es Moleküle sind, die kugelförmige Moleküle und Atome binden. Wenn diese Kugel in diese Öffnung eintritt, wird sie ein Kryptat, ein solches wird durch diese Kristallstruktur eines in einer Öffnung sitzenden Rubidiumions veranschaulicht. Doch das ist nicht genug. Diese Substanzen verleihen eine sehr hohe Stabilität, sie bilden sehr widerstandsfähige Komplexe. Das war der erste wichtige Punkt. Doch man möchte erkennen, wie wir gesagt haben. Um erkennen zu können, muss man in der Lage sein, die Größe der Öffnung an den Schlüssel anzupassen, den man binden möchte, an die Kugel die man binden möchte. Das ist sehr einfach. Mit Hilfe der gewöhnlichen chemischen Synthesewerkzeuge vergrößert oder verringert man die Länge dieser Brücken in diesen bi-zyklischen Makromolekülen, wie man sie nennt. Wenn sie kürzer sind, ist die Öffnung kleiner, und wenn sie länger sind, ist die Öffnung größer, sehr einfach. Dies wurde durch Synthese implementiert, und die Molekülmodelle, die Sie hier sehen, zeigen Ihnen tatsächlich, wie dies funktionieren kann. Wie Sie sehen, binden die kleineren Moleküle tatsächlich das kleinste Ion, Lithium. Die Moleküle mittlerer Größe binden das größere Ion, Natrium. Und die noch größeren Moleküle binden dieses hier, das größer ist: Kalium. Tatsächlich war dies das Molekül, das wir auf dem vorigen Dia gesehen haben. Wo zwei Sauerstoffatome pro Brücke vorhanden sind und wo die Öffnung nur zu Kalium passt. Hier sind zwei, zwei und eins, eins, eins und zwei, Lithium, Natrium, und Kalium werden daher durch eine sehr einfache synthetische Anpassung der Öffnung an das zu bindende Ion erkannt. So kommt es zu einer Erkennung von Kugelformen. Man möchte jedoch Komplexeres erkennen können, etwas Komplexeres erreichen können. Zum Beispiel: "Wie kann man ein Tetraeder erkennen?" Wenn man ein Tetraeder erkennen möchte, muss man einen Rezeptor für eine vierflächige Struktur bauen. Zum Beispiel ein Molekül wie dies. Dies sieht wie eine Kugel aus, doch es hat sehr wichtige Eigenschaften. Die vier Stickstoffatome befinden sich hier an den vier Ecken eines Tetraeders. Zusätzlich haben wir hier sechs Sauerstoffatome, die sich an der Ecke eines Oktahedrons befinden. Sie sorgen einfach für zusätzliche Interaktion. Die wichtige Eigenschaft sind diese vier Stickstoffatome an den Ecken eines Tetraeders. Wir verfügen jetzt über eine runde Erkennungsstelle. Wird sie funktionieren? Tatsächlich funktioniert sie sehr gut. Und zum Beispiel und besonders das Ammonium-Ion NH4+, bei dem es sich übrigens um ein giftiges Ion handelt, denn viele natürliche Rezeptoren können zwischen Kalium und Ammonium nicht unterscheiden. In diesem Fall liegt eine sehr starke Bindung vor und ein sehr guter Unterschied. Tatsächlich viel besser als viele der natürlichen Rezeptoren, bei denen das Ammoniumion sehr stark in ein ideales Array von Wasserstoffbindungen eingebunden ist. Diese vier nicht-kovalenten Bindungen, diese gestrichelten Linien, stellen nicht-kovalente, schwache Kräfte zwischen Atomen dar, Kräfte zwischen Molekülen. Vier Wasserstoffbindungen, die das Ammoniumion in der Öffnung festhalten und mit den vier Ecken des Moleküls verbinden, diesen vier Ecken, und wie Sie sehen in einem sehr schönen Array molekularer Bindungen. Dies passt sehr gut, sowohl unter geometrischen als auch unter energetischen Gesichtspunkten. Und hier sehen Sie ein Molekülmodell, das Ihnen zeigt, wie gut es hineinpasst. Das Ammoniumion in der Mitte, Stickstoff, vier Wasserstoffatome. Wasserstoff an den Ecken gebunden und hier Stickstoff. Eins hier, eins hier, Stickstoff ist blau dargestellt, Sauerstoff rot. Kohlenstoff ist rot, weiß ist Wasserstoff. Und auf der anderen Seite befindet sich das vierte am Ende. Sie sehen hier, es besteht eine schöne geometrische Passung zusätzlich zu den elektronischen Interaktionen, den Interaktionen, über die wir vorhin gesprochen haben. Man kann also Kugeln erkennen. Man kann Schlüssel erkennen, die die Form eines Tetraeders haben. Wie steht es mit anderen Molekülen, von denen es natürlich viele gibt. Lassen Sie mich Ihnen nur zwei weitere Beispiele geben. Man kann versuchen, ein langes Molekül zu erkennen, ein langes Molekül wie dieses hier. Ein verlängerter Rezeptor sollte in der Lage sein, ein verlängertes, langes Substrat zu erkennen. Nicht allzu lang, aber immerhin noch ein lineares Substrat, keine Kugel mehr und kein Tetraeder. Dieses Ellipsoid besitzt an den Enden des Moleküls zwei Greifer mit drei Zähnen, sozusagen. Oder zwei Münder mit drei Zähnen. Hier befinden sich drei Anheftungspunkte, und hier befinden sich drei Anheftungspunkte. Und man könnte erwarten, dass ein so langes lineares Molekül aus drei Atomen in diese drei Wasserstoffbindungen am Ende des Moleküls eindringen und davon gebunden werden kann. Wenn dies der Fall ist, dann sollte man diese Einheit erkennen können, und sie wird dann in zwei Arrays von Wasserstoffbindungen gebunden. Tatsächlich stellte man, nachdem diese Moleküle synthetisiert worden waren, sehr schnell fest, dass sie sehr fest und sehr selektiv binden. Man nennt dies ein Azid-N3-Ion und zieht es anderen Formen, wie runden vor, Chlor oder Tetraeder, Sulphat usw. Um Sie von der schönen Weise, auf die dies passt, zu überzeugen, sehen Sie hier ein weiteres Molekularmodell, bei dem sich das N3 in der Öffnung befindet. Mit anderen Worten: Dies ist das Schloss, dies ist der Schlüssel, der sich darin befindet, wo die Wasserstoffbindungen gezeigt werden: eine hier, eine hier, eine hier, eine hier. Es befinden sich auch zwei dahinter. Und Sie sehen auch hier wieder, dass die Größe, die Geometrie passend ist. Und außerdem, dass das Bindungs-Array der Wasserstoffbindungen sehr gut passt. Ich wollte Ihnen auch sagen, dass wir uns diese Dinge tatsächlich nicht nur einbilden, sondern wir wollen auch eine Bestätigung der exakten Struktur, der auf diese Weise gebildeten Supermoleküle erhalten. Wir schauen uns die Kristallstrukturen an, die uns unterwegs die Sicherheit bieten, dass das, was wir uns ausgedacht haben, auch dasjenige war, was passierte. Die Kristallstruktur hiervon wird hier gezeigt, und wie Sie sehen, ist sie fast mit dem Modell identisch. Dies ist nicht mehr das Modell, es ist das Ergebnis der Kristallstruktur. Und tatsächlich sitzt das N3 in der Öffnung dieser ellipsoiden Art von Einheit, verankert an jedem Ende durch drei Wasserstoffbindungen hier und drei Wasserstoffbindungen hier. Und tatsächlich wird diese lineare Einheit durch das Rezeptormolekül, dieses bi-zyklische, ellipsoide Makroschloss erkannt. Dies sagt uns auch noch etwas anderes. Wenn Sie analysieren, was hier geschieht, dann erkennen Sie, dass dieses kleine Stäbchen zur Erkennung jetzt am einen und am anderen Ende gebunden werden muss. Wenn Sie nur eine Seite haben, kann dieses beliebig lang sein. Dies sagt Ihnen also, dass es interessant ist zu versuchen, mehrere Untereinheiten einzuschließen und dadurch sogenannte Ko-Rezeptoren zu erstellen: Rezeptoren, deren Untereinheiten zusammenarbeiten, um das Substrat zu binden. Dies kann dann zum Beispiel auf folgende Weise erweitert werden. Wie kann man die Länge von Molekülen erkennen? Man kann die Länge von Molekülen erkennen, indem man versucht, eine kleine molekularer Box zu bauen, deren Länge der Länge des Substrats, das man binden will, entsprechen würde. Eine molekulare Box also, wie zum Beispiel diese hier, die an jedem Ende Bindungsstellen zur Bindung des Substrats besitzt. Die auf beiden Seiten Wände besitzt, die lang genug sind, um das Substrat in die Box zu legen. Und das Substrat würde dann hineinpassen, an jedem Ende gebunden. Wie Sie erkennen: Wenn die Box zu kurz ist, passt das Substrat nicht hinein oder ein Teil von ihm ragt aus der Box heraus. Wenn die Box zu lang ist, kann sich das Substrat an eine Seite binden, jedoch nicht an die andere. Was würde sich also am besten binden? Man würde erwarten, dass es das Substrat ist, dessen Länge der Länge der Box entspricht. Mit anderen Worten: durch die Herstellung dieser Ko-Rezeptoren, wobei zwei Untereinheiten sich gegenseitig helfen, das Substrat zu erkennen. Man könnte also die Länge von Molekülen erkennen. Das ist die Art von Box, die wir hergestellt haben. Es hat auch andere gegeben. Doch lassen Sie mich Ihnen eine zylindrische Box, einen Zylinder zeigen. Hier ist die Oberseite, hier ist die Unterseite. Ein Ring am oberen Rand, ein Ring am unteren Rand. Und die Ringe wurden so ausgewählt, dass sie als Anheftstelle für ein primäres Ammoniumion dienen können. Diese Art von Einheit, die mit diesen Wasserstoffbindungen mit Sauerstoffatomen und mit einem Stickstoffatom interagieren. Wenn Sie nun über einen Zylinder mit diesen beiden Enden verfügen und ein Molekül haben, dass zwei Ammoniums besitzt, eins an jedem Ende, was erwarten Sie dann? Sie erwarten, dass diese Art von Molekül zwar eindringen, sich jedoch nur binden wird, wenn A, oder nur dann gut binden wird, wenn A mit R kompatibel ist. Mit anderen Worten: wenn die Länge der Box der Länge des Substrats R zu A entspricht. Dann sollten Sie eine optimale Bindung haben. In dem Sie die gewöhnlichen Werkzeuge der organischen Synthese verwenden, können Sie die Länge des Zylinder verändern, indem Sie einfach die Einheit R ändern: Phenyl, Naphthyl, Diphenyl, Terphenyl, länger und länger. In dem Maße, wie diese länger werden, sollten diese Wände A länger werden, und das ist tatsächlich, was geschieht. Wenn Sie von hier, nach hier, nach hier, nach hier gehen, ändert sich die Länge dieses A von vier CH2-Gruppen, vier Kohlenstoffatomen zu fünf Kohlenstoffatomen, sieben Kohlenstoffatomen und zehn oder elf. Um Ihnen zu zeigen, wie sich dies in einem Modell darstellt, lassen Sie mich Ihnen ein Beispiel geben. Hier ist ein Fall, bei dem wir zwei Naphthylgruppen auf jeder Seite haben, und im Inneren haben Sie jetzt dieses Substrat, das hier innen durch diese Verankerung festgehalten wird, die Verankerung durch die endständigen Ammoniumgruppen. Und wie Sie sehen, entspricht die Länge hier genau der Länge der Wände. Dies ist eine gute Erkennung, eine ideale Erkennung, sozusagen. Wenn dies kürzer ist, bindet es sich an einer Seite, kann sich jedoch nicht an der anderen binden. Wenn es zu lang ist, kann es entweder nicht eindringen oder es kommt dazu, dass sich eine Art Auswölbung bildet, die das Molekül offensichtlich destabilisiert. Die Länge von Molekülen kann also erkannt werden. Lassen Sie mich einfach anhand dieser Beispiele, die ich Ihnen gezeigt habe, zusammenfassen, was diese Chemie der künstlichen molekularer Rezeptoren bedeutet. Das Dia ist französisch beschriftet, schließlich könnte ich meine Vorlesung auch vielleicht auf Französisch gegeben haben. Die Rezeptoren-Chemie lehrt einen daher eine Reihe von Dingen. Zuerst, wie man mit intermolekularen Wechselwirkungen umgeht. Wie der Chemiker weiß, wie man mit kovalenten Bindungen umgeht, und die synthetische organische Chemie die Kunst der Handhabung von kovalenten Bindungen zwischen Atomen ist. Hier wollen wir nun nicht-kovalente Bindungen, schwächere Kräfte handhaben bzw. steuern. Die Erkennungsprozesse können studiert werden. Wir haben gesehen, dass man versuchen kann, Moleküle zu bauen, die Kugeln, Tetraeder, gerade Moleküle, langgestreckte Moleküle, kurze usw. binden. Dies führt zu selektiven Bindungen, beispielsweise auch von giftigen Molekülen, um sie etwa aus einem Organismus zu entfernen. Zur Trennung von Produkten voneinander usw. Tatsächlich und zusätzlich und nicht zuletzt kann es Ihnen auch helfen, etwas besser zu verstehen, auf welche Weise biologische Rezeptoren ... welche Art von Interaktionen sie zur Bindung ihrer eigenen Substrate verwenden. Supermolekulare Katalyse, worüber ich nicht viel sagen kann. Ich möchte lediglich einen weiteren Schritt erörtern, der Reaktivität hinzufügt. Lassen Sie mich einfach das grundlegende Prinzip erläutern. Wenn der Rezeptor über reaktive Funktionen verfügt, wird dies schematisch durch diese beiden Dreiecke dargestellt. Wenn eine Bindung an das Substrat stattfindet und es schließlich im Inneren des Komplexes transformiert wird, liefert das Supermolekül Produkte und der Katalysator wird regeneriert. Mit anderen Worten: Wir haben ein Erkennungsschritt, an den sich ein Reaktionsschritt anschließt. Diese Art von Untersuchung erlaubt Ihnen eine wesentlich tiefere Einsicht in die Art und Weise zu erlangen, wie man selektive Katalysen bei einer gegebenen Art von Substrat durchführt und auf gewisse Weise versteht, wie sie durch diese elementaren Schritte und Modelle möglich ist. Sie erlaubt Ihnen auch, die Anzahl der Prozesse besser zu verstehen, die bei der enzymatischen Katalyse wichtig sind. Das andere Merkmal ist Transport. Wenn der Rezeptor, das selektiv bindende Molekül, das Schloss, in eine Membran gesetzt wird, kann es einen Kanalmechanismus steuern, durch den es auswählt, eine Art von Trägermechanismus, entschuldigen Sie bitte, durch den sie das Substrat einerseits auf der Außenseite der Membran bindet, hindurch diffundiert, das Substrat freigibt und wieder zurückkehrt. Mit anderen Worten, anhand dieser Art von zyklischem Mechanismus kann es helfen, Er kann einem Substrat durch die Membran helfen. Mit anderen Worten: Er kann ein selektives Loch durch eine Membran bohren, er lässt den Stoff gewissermaßen hindurch. Dies ist dann wiederum eine Methode, diese Transportfunktion zur Erkennungsfunktion hinzuzufügen und solche Molekülarten selektiv durch Membranen zu transportieren, die sie ansonsten nicht passieren könnten. Auch hierbei handelt es sich wieder um biologische Prozesse von sehr großer Bedeutung, die modellartig dargestellt werden können, oder die grundlegenden Prozesse, die dort stattfinden, können - wie man hofft - besser verstanden werden. Der nächste Schritt würde darin bestehen zu verwenden, was wir über Rezeptoren, Katalysatoren, Träger- und Transportprozesse gelernt haben; und zwar für molekulare Werkzeuge. Man könnte diese auch als "molekulare Funktionseinheiten" bezeichnen. Ein molekulares Werkzeug ist ein strukturell organisiertes, funktionsfähiges, integriertes System. Mit anderen Worten: ein System, das Komponenten zu organisieren und ihre Prozesse zu integrieren versucht. Worum könnte es sich bei diesen Komponenten handeln? Es könnte sich um Komponenten handeln, die mit Elektronen umgehen, Elektronen untereinander austauschen, Ionen austauschen. Wir haben einige gesehen, die Ionen binden und austauschen. Photonen haben magnetische Eigenschaften und viele andere. Eines der höchsten Ziele könnte darin bestehen, Materialien, wie zum Beispiel Ionen, zu speichern, zu bearbeiten und zu übertragen; oder Signale, die von solchen Ionen transportiert werden, und natürlich Informationen, die an all diesen Prozessen beteiligt sind. Nun habe ich in dieser kurzen Zeit nicht die Möglichkeit zu beschreiben, was in diesem Bereich der molekularen Werkzeuge getan worden ist, ich möchte Ihnen lediglich auf drei Dias kurz zusammenfassen, welche Arten wir uns vorstellen, und was einige von ihnen geleistet haben. Erstens: Kann man Licht einer bestimmten Wellenlänge von einer zu einer anderen konvertieren, indem man den Teil, der Licht absorbiert, und den Teil der Licht emittiert, separat steuert? Mit anderen Worten: Kann man einen Konverter für Licht einer Wellenlänge, Licht einer Farbe, in eine andere herstellen? Dies kann man tun, wenn man Systeme erstellt, in denen der Absorber, die Antennen oder die Kollektoren, in das Molekül integriert sind, welches dann den Emitter so bindet, dass Licht - wenn es vom Absorber, dem Kollektor oder der Antenne geschluckt wird - übertragen wird. Die Energie wird auf den Emitter übertragen, der sie dann abgibt. Man kann also eine bestimmte Wellenlänge absorbieren, sagen wir zum Beispiel ultraviolettes Licht, und ein anderes Licht, sagen wir Rotlicht, emittieren. Dies ist etwas, was wir mit Molekülen getan haben, bei denen diese Einheiten organische Reste sind, die als Bipyridine bezeichnet werden, in deren Inneren wir ein Europiumion haben, das normalerweise rotes Licht emittiert. Und tatsächlich verhält es sich so, dass rotes Licht emittiert wird, wenn man ein Molekül mit ultraviolettem Licht bescheint. Diese Prozesse sind auch für die Entwicklung von Markierungen für monoklonale Antikörper von Bedeutung. Sie werden jetzt von einem Unternehmen verwendet, um zu versuchen, Antikörper zu markieren und sie in verschiedenen medizinischen Tests sichtbar zu machen. Molekulare elektronische Werkzeuge sind Werkzeuge, die Elektronen im molekularen Maßstab handhaben. Mit anderen Worten: keine makroskopischen Geräte wie Werkzeuge, die man in der Elektronik verwendet, sondern etwas, das auf molekularer Ebene geschieht. So haben wir zum Beispiel molekulare Drähte erstellt, die Elektronen mit einer Art Drahtmechanismus, einem molekularen Draht, helfen, durch eine Membran zu gelangen. Er nimmt ein Elektron auf der einen Seite auf, lässt es durch [die Membran], und gibt es auf der anderen Seite frei. Es ist die Grundkomponente sämtlicher Schaltkreise, die Sie erstellen wollen. Zwei Arten von Molekülen zu verbinden. Sie können den Draht mit Hilfe von Donor- und Akzeptorgruppen polarisieren. Außerdem können Sie auf photochemischem Wege eine photoaktive Einheit einschließen, eine lichtempfindliche Einheit. Und dann können Sie Modelle vom Typ einer Photodiode erstellen. Mit anderen Worten: dies ist lediglich ein Beispiel für einige der Möglichkeiten, die man hat, um elektronische Eigenschaften in Moleküle zu integrieren, die normalerweise ganzen elektronischen Geräten zugeschrieben werden. Und in diesem Fall möchte man auf ein einzelnes Molekül einwirken, auf die gleiche Weise. Ionen kann man ebenfalls handhaben. Wir haben schon zahlreiche Beispiele hierfür gesehen: das Binden von Kalium, von Ammonium und Azid, das uns schon früher begegnet ist. Man kann jedoch auch daran denken, Ionen über einen Kanalmechanismus zu übertragen. Viele Arten von Kanalstrukturen lassen sich darstellen. Man kann sich Dinge ausmalen, die denjenigen Kanälen ähnlich sind, die in der Natur oder anderswo vorkommen. Wir haben eine Reihe dieser Untersuchungen durchgeführt. Man kann beispielsweise daran denken eine Röhre zu erstellen, indem man Ringe in einer flüssigkristallartigen Anordnung übereinanderstapelt, was als diskotisches Flüssigkristall bezeichnet wird. Diese werden dann zu tubulären Flüssigkristallen oder tubulären Mesophasen, woraus Röhren durch die spontane Anordnung dieser Einheiten entstehen. Und der andere Mechanismus, den ich als "chundle" bezeichne, ein sehr schönes Wort, macht einfach einen Kanal aus einem Bündel. Es ist ein organisiertes molekulares Bündel. Ein Kanal, der aus einem Bündel von Ketten gemacht ist, die von einem Ring abzweigen. Dieser Ring ist ein Selektor, so hoffen wir zumindest. Und dieser Kanal würde dann in einer Membran stecken, auf beiden Seiten der Membran verankert sein und Ionen nur dann durchlassen, wenn ihr Durchmesser dem des zentralen Rings entspricht. Mehrere dieser Molekültypen wurden erstellt, und wir untersuchen gegenwärtig, ob sie funktionstüchtig sind, mit anderen Worten, ob sie sich in Membranen integrieren. Wir müssen jetzt ebenfalls untersuchen, ob sie auch einen Transport leisten. Was ich Ihnen bis jetzt erzählt habe und als Schlussfolgerung möchte ich zu einem weiteren Schritt kommen. Einen weiteren Schritt. Wir sahen, dass die Schlösser, die wir gebaut haben, alle vorher organisiert waren. Man versucht eine Architektur herzustellen, die im Molekül vorhanden ist, die dann vorhanden ist, um das Substrat zu binden. Mit anderen Worten: Man organisiert das Molekül so vor, dass man Selektivität erhält. Es wäre natürlich äußerst aufregend, wenn man Systeme herstellen könnte, die dieselbe Struktur annehmen, jedoch automatisch, spontan. Mit anderen Worten: Selbstorganisation. Lässt sich Selbstorganisation in chemische Phänomene einführen? Natürlich gibt es viele solche Phänomene, ganz offensichtlich gibt es in der Biologie viele Fälle von Selbstorganisation. Und man könnte sagen: "Doch wie kann ich dies in der Chemie tun?" Kann man dies in chemische Stoffe integrieren? In der Biologie kommt es zu einer spontanen Formation, sagen wir zum Beispiel eines Ribosoms oder des Enzyms Transcarbamylase oder der Virenhülle oder der Doppelhelix der DNA. Dies ist eine spontane Entstehung einer Struktur aus ihren Komponenten. Können wir eine Selbstorganisation, die eigenständige Zusammensetzung aus chemischen Einheiten in einer gerichteten Weise erhalten, wo man hinzu gibt, was man haben möchte, die erforderliche Information, um eine bestimmte Struktur herauszubekommen? Mit anderen Worten: Statt über die spontane Ausbildung von Schichten, Filmen und Membranen in einer wenig kontrollierten Art und Weise, möchte man lieber über die zielgerichtete Art der Zusammensetzung reden und sie realisiert sehen. Mit anderen Worten: Man möchte Moleküle entwerfen, die auf spontane Weise eine bestimmte Struktur erzeugen. Man könnte sie also als programmierte molekularer Systeme bezeichnen, Systeme in denen ein Teil ein Programm enthält. Ein anderer Teil wird das Programm lesen und dabei einem bestimmten Algorithmus folgen. Das Ergebnis davon sollte die Erzeugung einer wohldefinierten Struktur sein. Die benötigte Information muss natürlich in den Komponenten gespeichert sein, und wir haben das getan. Ich werde Ihnen ein Beispiel geben, das besonders für die Biologen hier interessant ist. Wie kann man künstliche Doppelhelices erstellen, die nichts mit DNA zu tun haben, aber dennoch elegant, mühelos und spontan geformte Doppelhelices sind? Die Selbstzusammensetzung dieses Tabakmosaikvirus ist ein Beispiel, wie Eylar und Cook gezeigt haben, das die Zusammensetzung in der Biologie beweist. Und natürlich ist die Doppelhelix der DNA ein weiteres Beispiel unter vielen. Was kann man mit chemischen Methoden mit der Erstellung einer Doppelhelix tun? Ohne nun ins Detail zu gehen, lassen Sie mich Ihnen die Grundvorstellung wiedergeben. Wenn Moleküle Einheiten enthalten, die als Bipyridine bezeichnet werden, diese Art von Einheiten, verbinden sich zwei Bipyridine miteinander. In diesem Molekül gibt es drei von diesen. Wir haben es auch mit vier oder fünf gemacht. Es trifft sich so, dass dies als die Programmeinheit betrachtet werden kann, wo man nun diese molekularen Kupferionen eines bestimmten Typs, Kupfer-1-Ionen, bindet. Diese Kupferionen verbinden sich gern in einer tetraedrischen Form. Sie mögen es, ein Tetraeder um sich zu erstellen. Was geschieht, ist, dass das Auslesen dieser Bipyridine durch die Kupferionen unter Verwendung des Algorithmus zu einer tetraedrischen Form führen muss. Dies führt zu etwas sehr Besonderen: zu diesem. Wir haben bewiesen, das sie tatsächlich spontan Doppelhelices bilden. Was Sie hier sehen, sind Kupferionen, diese runden Dinge. Schwarz und Weiß sind zwei verschiedene Stränge. Jeder Stab stellt ein Bipyridin dar, und weil es tetraedrisch sein muss, dies ist eine tetraedrische Einheit, wie diese. Sie wickeln sich umeinander und haben zwei, drei oder vier oder fünf Untereinheiten, was zu einer sauberen Entstehung einer Doppelhelix führt, in der die beiden Stränge sich umeinander gewickelt haben und durch diese Kupferionen "zusammengeklebt" sind. Dies ist eine Kristallstruktur, die Ihnen einfach zeigt, dass der blaue Strang, ... dies ist nun die Sache selbst, die Kristallstruktur. Ein blauer Strang ist um den roten gewickelt und das Kupferion sitzt hier, grün, in der Mitte, man sieht sie nicht besonders gut. Dies ist der Trimer mit drei Kupferatomen. Dies ist ein Modell desjenigen mit fünf. Und Sie sehen, dass es eine schöne Doppelhelix ist, bei der ein Strang um den anderen gewickelt ist. Die Kupferionen sitzen hier. Man kann also in der Tat sehr schöne Strukturen erzeugen. Man nimmt einfach die Röhre des Moleküls bei Kupfer-1, und es wickelt sich automatisch auf und erzeugt eine Doppelhelix. Natürlich würde man dabei nicht stehenbleiben wollen. Und da Sie Biologen sind, lassen Sie mich etwas vorausspringen und Ihnen ein letztes Beispiel geben. Wenn Sie diese Bipyridinstränge nehmen und Nukleoside an ihrem Ende hinzufügen... wenn Sie es dann aufwickeln, erhalten Sie sozusagen eine invertierte Nukleinsäure, bei der sich die Basen an der Außenseite und die Organisation, die Doppelhelix, im Inneren befindet. Die Ladungen befinden sich im Inneren, die Basen auf der Außenseite. Das ist es, was tatsächlich geschieht: Synthetisieren des Stranges, das Hinzufügen von drei Kupferatomen gibt einem diese Doppelhelix mit den Nukleosiden auf der Außenseite. Dies ist das Computermodell, drei Kupferionen auf dem Computerbildschirm und die Tymidene hängen außen um die Doppelhelix, die Sie in der Mitte sehen. Sie können es auch mit fünf tun, es einfach länger machen. Es wickelt sich wieder auf und bildet diesmal eine ziemlich große Einheit mit 12 Thymidinen, die an der Außenseite dieses invertierten Nukleosidtyps hängen; wenn Sie so wollen: Poly-oligonukleotide. Ein anderes computererzeugtes Ding. Bild mit 1, 2, 3, 4, 5 ... die blauen Kupferatome sind hier. Das ist in Blau dargestellt. Ein grüner Strang. Alles Grüne auf dieser Seite und ein gelber Strang, alles Gelbe hier. Sie sehen also, es ist eine sehr schöne Doppelhelix, bei der A herausragt. Wir nennen dieses Molekül DNH, Deoxyribose, auf Französisch und Deutsch heißt es Desoxy..., Desoxyribonucleohelicate, weil wir diese Substanzen Doppelhelicate nennen, weil es Doppelhelices sind. Und diese sind dann DNH-Moleküle, bei denen es sich um einen invertierten Typ von Nukleinsäure handelt. Tatsächlich könnte ich fast sagen, Nukleinsäuren vom Pauling-Typ, da die Basen, als Pauling seinen ersten Aufsatz veröffentlichte, außen waren und die Phosphate innen. Sie interagieren natürlich auch sehr stark mit Nukleinsäuren, weil sie positiv und die Nukleinsäuren negativ geladen sind. Ich hoffe, dass ich Ihnen anhand dieser Beispiele zeigen konnte, wie die Chemie Moleküle erdenken und dann herstellen kann. Zum Schluss möchte ich nun dieses tun, einige Analogien aufstellen, wie diese Skulptur aus Stein. Sie schafft eine Skulptur. Auf diese Weise kann der Chemiker aus den Elementen der Materie etwas erschaffen, was vorher noch nicht existierte. Und ich denke, dass es für den Chemiker viel wichtiger ist, Dinge zu erstellen, die in der Natur noch nicht existieren, als Dinge, die es in der Natur bereits gibt. Was in der Natur existiert, hat sich entwickelt, aufgrund der Umstände, die es umgaben. Die Wissenschaft ist viel breiter angelegt. Die Wissenschaft kann Dinge tun, die die Natur nicht getan hat. Nicht, dass sie sie nicht hätte tun können. Doch sie hat es nicht getan, weil die Frage nicht gestellt wurde. Ich würde sagen: wie der Bildhauer, wie der Komponist, der Töne zu einer Symphonie strukturiert, wie der Dichter, der Wörter zu einem Gedicht zusammenfügt. Auf diese Weise kann der Chemiker die Elemente organisieren und etwas schaffen, das wie ein Kunstwerk ist. Es ist eine Schöpfung: Es existierte nicht, bevor es geschaffen wurde. Es ist eine Methode, der Materie etwas aufzudrücken, intrinsisch in das Wesen der Materie, was in Wirklichkeit eine Fiktion der Einbildungskraft war. Dies wurde bereits vor langer Zeit in ein paar Worten gesagt, von Marcellin Berthelot, der den schönsten Satz über die Chemie schrieb, der je geschrieben wurde, weil er die Chemie wirklich in ein paar Worten auf den Punkt bringt: Er schrieb 1860, dass die Chemie ihr Objekt erschafft. Die Chemie, "la chimie crée son objet." Er schrieb nicht, dass die Chemie Objekte erschafft. Offensichtlich stellt sie Dinge her, verschiedene Dinge. Sondern sie erschafft auch ihr eigenes Feld. Das Feld der Chemie ist nicht ein Feld, das in der Natur vorhanden ist, um lediglich gelesen zu werden. Natürlich muss es gelesen werden. Sondern das Feld der Chemie muss geschrieben werden, es ist etwas, das in den Händen der Chemiker liegt. Und mit der Entwicklung der Chemie entwickelt sich auch das Feld. Es ist nicht etwas, das man lediglich liest. Es ist etwas, das man schreibt. Leonardo da Vinci wusste das schon vor langer Zeit, nicht nur über die Chemie, sondern über die Wissenschaft überhaupt. Wenn die Natur aufhört, ihre eigenen Arten zu schaffen, beginnt der Mensch natürliche Dinge in Harmonie mit ihrer eigenen Natur zu verwenden, das bedeutet mit den Gesetzen, den grundlegenden Gesetzen der Physik. Um eine Unendlichkeit von Arten zu schaffen. Da Vinci war Künstler. Doch er wusste, dass Wissenschaft Kunst mit der Natur in den Händen des Wissenschaftlers war. Im Deutschen ist dies dieselbe Sache. Lassen Sie mich Ihnen etwas anderes zeigen. Dies ist die Kathedrale von Straßburg, und ich dachte, dass sich hier in der Mitte ein schönes rundes Objekt befindet, eines Tages könnten wir es in diesem Rezeptor binden. Vielen Dank.

Jean-Marie Lehn (1990)

Supramolecular chemistry: scope and perspectives

Jean-Marie Lehn (1990)

Supramolecular chemistry: scope and perspectives

Comment

As the only one of the three Nobel Laureates in Chemistry 1987, Jean-Marie Lehn made his appearance and gave his first lecture at a Lindau meeting in 1990. This year the meeting was dedicated to medicine, but, as Lehn expressed it, he was delighted to speak for so long to an audience having a biological background! His enthusiasm can be understood from the topic of his lecture, “Supramolecular chemistry: scope and perspectives”, and that this branch of chemistry has many important applications in the life sciences. Reactions when, e.g., complicated large biomolecules attach themselves to receptors on the surface of a cell, often turn out to be at least partly understood from geometrical arguments: The molecules have to fit to the receptors like a key fits to a lock. Lehn’s invention, Supramolecular chemistry, is a kind of generalization of this way of explaining chemical reactions. In the lecture he outlines some of the many important applications following the development of methods to synthesize, in the laboratory, molecules with prescribed shapes. This could be, e.g., a hollow molecule, which could “swallow” an atomic ion, or maybe a double helix shaped molecule, which could mimic the structure of DNA. A futuristic way of synthesis, mentioned by Lehn, is through molecular self-organization. In his lecture, he shows many examples and explains his methods using many illustrations and it is really a pity that the Lindau lectures were not videofilmed until much later. A possibility to see some of the illustrations in the lecture, though, is by looking up his Nobel Lecture from 1987, which has more or less the same title as the lecture in Lindau. Jean-Marie Lehn’s career has taken him to many places, but in particular to Paris and Strasbourg. At the Collège de France in Paris and at the ISIS, Institut de Science et d’Ingenierie Supramoleculaires, in Strasbourg, most of his research has been performed. Anders Bárány

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