Augsburger Physiker entwickeln ein neuartiges "Sortier-Szenario":
An den gesteuerten Verwirbelungen kleinster Flüssigkeitsmengen scheiden
sich "Links- und Rechtshänder".
Die Trennung bzw. Sortierung so genannter chiraler Moleküle gilt als
eine herausragende Herausforderung in der Molkularbiologie. Wissenschaftler am
Augsburger Lehrstuhl für Theoretische Physik I haben eine völlig neue
Idee entwickelt, wie man dieses altbekannte und zentrale Problem der organischen
Chemie mit einem neuartigen Szenario effizient lösen kann (M. Kostur et
al., Physical Review Letters 96: Art. No. 0145502, 2006). Ihre Kollegen am
Lehrstuhl für Experimentalphysik I (AG Wixforth) versuchen nun, diese Idee
mit Hilfe von Mikrofluidik im "Lab-on-a-Chip" umzusetzen.
Chiral nennt man Moleküle, die - wie die linke und die rechte Hand - genau
spiegelverkehrt zueinander sind, deren Spiegelbilder sich also nicht durch
Drehen mit dem jeweiligen Original zur Deckung bringen lassen. Nahezu alle
Moleküle mit biologischer Relevanz - z. B. die DNA - weisen diese
"Händigkeit" oder Chiralität auf. Diese konstitutive Asymmetrie
zwischen zwei - Enantinomere genannten - chiralen Partnern verursacht enorme
Unterschiede bezüglich ihrer jeweiligen biologischen Eigenschaften und
ihrer jeweiligen Funktionalität. So kann der Mensch zum Beispiel nur eine
chirale Form von Zuckern oder Aminosäuren verdauen; der Geschmack und
Geruch anderer chiraler Formen kann völlig unterschiedlich sein, oder der
eine chirale Partner kann förderlich sein, der andere hingegen giftig.
Die Natur ist in der Lage, mit Enzymreaktionen eine ganz bestimmte chirale
Substanz in Reinform zu synthetisieren. Mit chemischen in vitro-Reaktionen
hingegen gelingt dies nicht: Hier ergeben sich Mischungen, die oft hälftig
aus "linkshändigen" und "rechtshändigen" Molekülen bestehen. Die
Trennung der links- von den rechtshändigen Enantinomeren erfordert dann
einen komplizierten zweiten chemischen Schritt. "Diese Trennung chiraler
Moleküle zählt zu den großen Herausforderungen in der
Molekularbiologie, sie gehört gewissermaßen zum 'heiligen Gral' der
organischen Chemie", erläutert Professor Hänggi.
Am Lehrstuhl für Theoretische Physik I haben nun Marcin Kostur, Michael
Schindler, Peter Talkner und Peter Hänggi die Idee für ein völlig
neuartiges "Sortier-Szenario" entwickelt. Es basiert auf winzigen Unterschieden
zwischen den Kräften, die chirale Partner in einem mikrofluiden Flussmuster
erfahren. Die Schlüsselidee ist, dass bei einem entsprechend vorbereiteten
mikrofluiden Fluss ein linkshändiger Partner sich in einem
rechtshändigen Wirbel anders bewegt als in einem linkshändigen Wirbel.
Die Effizienz der so bewirkten Trennung und damit der gewünschte
Sortiereffekt lassen sich unter der Bedingung einer flächendeckenden und
unregelmäßigen thermischen Zitterbewegung weiter erhöhen. Denn
diese Zitterbewegung führt dazu, dass sich jede chirale Spezies
vorzugsweise in ihrer eigenen stabilsten Zone anhäuft. Bei geeigneten
Flussmustern sind diese speziellen Zonen örtlich sauber getrennt, so dass
die verschiedenen chiralen Objekte, die sich dort aufhalten, leicht separiert
und herausgefiltert werden können (siehe Abbildung
http://idw-online.de/pages/de/image27811).
Mikrofluide, in denen "Wirbel" auf einem Chip mittels eines akustischen Windes
angetrieben werden, sind Forschungsgegenstand am Augsburger Lehrstuhl für
Experimentalphysik I (Prof. Dr. Achim Wixforth) und werden dort in Anwendungen
überführt.
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Ausführlich:
M. Kostur et al., Chiral Separation in Microflows, Phys. Rev. Lett. 96: 014502
(1996) (http://link.aps.org/abstract/PRL/v96/e014502)
Bilder zu dieser Pressemitteilung:
http://idw-online.de/pages/de/news145677
Ansprechpartner:
Prof. Dr. Peter Talkner
Lehrstuhl für Theoretische Physik I
86135 Augsburg
Telefon 0821/598-3233
Peter.Talkner@physik.uni-augsburg.de
