Molekulare Gestaltwandler

Neue Theorie zur selbständigen Umgestaltung von Strukturen

Eine Gruppe von Bausteinen kann spontan zu einer neuen Struktur mit einer neuartigen Konfiguration umgeordnet werden. © MPI-DS / LMP

Aus einzelnen Bausteinen aufgebaute Strukturen können ihre Form verändern und sich selbständig zu einer neuen Konfiguration umgestalten. Die Physiker Saeed Osat und Ramin Golestanian vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation (MPI-DS) entdeckten diesen Mechanismus, mit dem sich die molekulare Organisation aktiv beeinflussen lässt. Ein Keim der neuen gewünschten Konfiguration reicht aus, um eine Reorganisation auszulösen. Dieses Prinzip lässt sich auch auf biologische Bausteine übertragen, die in lebenden Systemen ständig recycelt werden, um neue Strukturen zu bilden.

Das Konzept des Umbaus ist den meisten Menschen vertraut: Wer schon einmal mit Legosteinen gespielt hat, weiß, dass viele verschiedene Strukturen aus denselben Steinen gebaut werden können. In der Regel beschreibt eine beiliegende Anleitung die Anordnung der einzelnen Steine und die endgültige Form. Auch wenn zu Beginn nur wenige Teile zusammengesetzt sind, wird so bereits festgelegt, wie alle anderen Teile angebracht werden müssen. "Unser Modell beschreibt die Neuanordnung von Bausteinen in physikalischen Systemen anhand einer gegebenen Struktur", erklärt Saeed Osat, der Erstautor der Studie. "Wenn nur einige wenige Teile in dieser Struktur verändert werden, fungieren sie als Keimzelle, die zu einer völlig neuen Zusammensetzung führt."

Wie in einer Lego-Anleitung gibt es bestimmte Regeln, wie die Steine angeordnet werden müssen. In dem Modell der Wissenschaftler werden die Anweisungen für den Zusammenbau aus einer Liste möglicher molekularer Wechselwirkungen abgeleitet. Diese hängen vom Energiezustand des Systems, von der Größe des Keims und von den nicht-reziproken Wechselwirkungen zwischen den Komponenten ab. "Unter bestimmten Bedingungen können wir dann vielfältige Umstrukturierungen zu neuen Formen beobachten", erklärt Ramin Golestanian, Leiter der Abteilung Physik Lebender Materie und Direktor am MPI-DS. "Wir haben eine neue Lernregel identifiziert, die Strukturen dazu bringt, ihre Form dynamisch zu verändern, abhängig von den nicht-reziproken Wechselwirkungen zwischen ihren Teilen", fasst er die Ergebnisse der Studie zusammen.

In der Biologie findet eine ständige Umordnung von Bausteinen statt. Anstatt komplexe Strukturen als Ganzes zu entsorgen, werden sie in ihre Einzelteile zerlegt, die zum Aufbau neuer Zusammensetzungen verwendet werden. Das Modell kann daher helfen, die Prinzipien der Selbstorganisation in der lebenden Materie zu verstehen. Ebenso kann dieses Prinzip der synthetischen und autonomen Selbstorganisation außerhalb des Gleichgewichts dazu dienen, Strategien für die Konstruktion von molekularen Robotern zu entwickeln.

Originalveröffentlichung
Saeet Osat & Ramin Golestanian
Non-reciprocal multifarious self-organization
Osat, S., Golestanian, R. Non-reciprocal multifarious self-organization. Nat. Nanotechnol.

(2022). doi.org/10.1038/s41565-022-01258-2

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