magazin bunsen - Deutsche Bunsengesellschaft für Physikalische ...

TAGUNGEN
Irmgard Frank
87. Bunsendiskussionstagung
Mechanische Induzierte Chemie:
Von Festkörpern zu Biosystemen
Das Gebiet der mechanisch induzierten Chemie erhält in den letzten
Jahren neue Impulse durch aktuelle Entwicklungen in den Nanowissenschaften.
Mit AFM- und STM-Techniken ist es möglich, einzelne
Moleküle zu manipulieren und eventuell chemische Reaktionen auszulösen.
Parallel zu diesem Trend im experimentellen Bereich steht
die Entwicklung von Moleküldynamikmethoden, die es erlauben,
solche Vorgänge in vollem Detail zu erklären. Bei der 87. Internationalen
Bunsen-Diskussionstagung vom 3. bis 6. Oktober in Tutzing sollte das
ganze Spektrum der theoretischen Methoden aktuellen experimentellen
Entwicklungen gegenüber gestellt werden. Der Schwerpunkt lag in
diesem Fall bei der Theorie, speziell bei Methoden, die eine Analyse
des dynamischen Verhaltens mikroskopischer Systeme erlauben.
Der erste Teil der Tagung war Moleküldynamiksimulationen gewidmet,
wobei zunächst klassische Moleküldynamiksimulationen an großen
Systemen im Vordergrund standen. Der einleitende Vortrag von Michael
Klein (Pennsylvania) gab bereits einen schönen Überblick über die verschiedenen
Aspekte dieser Thematik. Auf Michael Klein selbst gehen
die ersten Car-Parrinello-Moleküldynamik-Simulationen zum Thema
mechanisch induzierte Chemie zurück, in denen das Verhalten eines
molekularen Knotens unter Zugspannung gezeigt werden konnte
[1, 2, 3]. Das Reissen wurde dabei stets am Ende oder am Knoten
beobachtet. Das Verhalten der Systeme auf größeren Skalen wurde
hier mit klassischer Moleküldynamik analysiert. Für die Untersuchung
wesentlich größerer molekularer Systeme sind darüberhinaus in der
Gruppe von Michael Klein Coarse-Grain-Methoden entwickelt worden.
Hier wird vom atomaren Ansatz weggegangen, was es dann möglich
macht, etwa das Eindringen von Makromolekülen in biologische
Membranen zu simulieren.
Klaus Schulten (Urbana) präsentierte ein breites Spektrum von Simulationen
an hochkomplexen biologischen Systemen. Bereits ab 1998
wurden in seiner Gruppe grundlegende Studien zur Entfaltung von
Proteinen mit Steered Molecular Dynamics durchgeführt [4, 5, 6]. In
diesem Zusammenhang steht auch die Idee der Interactive Molecular
Dynamics, also unmittelbares Eingreifen in ein System während einer
Simulation. Ein konkretes Beispiel einer Simulation der Entfaltung eines
Proteins wurde von Marcos Sotomayor (Urbana) demonstriert [7].
Mehrere der vorgestellten Arbeiten nutzten Ansätze zur Reaktionsbeschleunigung,
insbesondere Metadynamik [8], was den Anwendungsbereich
von Moleküldynamik enorm erweitert: Ute Röhrig (Rom) stellte
ein System vor, das in Zusammenhang mit der Alzheimer-Erkrankung
von Interesse ist. Von Giacomo Fiorin (Triest) wurde Metadynamik für
Untersuchungen an Calmodulin benutzt. Metadynamik repräsentiert
damit einen alternativen Ansatz zur Methode des Chemical Flooding
PD Dr. Irmgard Frank
Department Chemie und Biochemie
LMU Muenchen
Butenandtstr. 11, D-81377 Muenchen
Tel.: +49-89-2180-77585, Fax: +49-89-2180-77586
frank@cup.uni-muenchen.de
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BUNSEN-MAGAZIN · 8. JAHRGANG · 2/2006
von Helmut Grubmüller (Göttingen) [9]. Dieser konnte die Effizienz seines
Ansatzes an einigen kleineren Systemen sehr eindrucksvoll demonstrieren.
Die Reaktionsrichtung wird hier überhaupt nicht vorgegeben,
sondern lediglich das Edukt destabilisiert, während bei Metadynamik
die Reaktivität entlang einiger Koordinaten gezielt erhöht wird. Ein dritter
Weg, um zu größeren Zeitskalen zu kommen, wurde von Stefano Leoni
(Dresden) auf dem Gebiet der Phasenübergänge aufgewiesen. Im
Gegensatz zu Chemical Flooding und Metadynamik muss hier der
Reaktionsweg von vornherein zumindest in Grundzügen bekannt sein.
Ebenfalls um mechanisch induzierte Chemie handelt es sich bei den
Arbeiten von Carla Molteni (London) und Roman Martonak (Zürich)
[10]. Hier wird aber nicht Zug, sondern umgekehrt Druck angewendet,
um Phasenumlagerungen studieren zu können. Mit dem kürzlich entwickelten
Ansatz der Constant-Pressure-Moleküldynamik lässt sich
also das Spektrum der im Bereich mechanisch induzierter Chemie
zugänglichen Phänomene noch erweitern. Die vorgestellten Systeme
reichten von Silizium-Clustern zu verschiedenen Silikaten. Damit
ergab sich ein direkter Anknüpfungspunkt zu dem Vortrag von Vladimir
Sepelak (Braunschweig), der den Bereich klassischer Mechanochemie
vertrat. Neben einer sehr schönen Übersicht über die Geschichte des
Gebiets zeigte er aus eigenen Arbeiten, wie durch Ausüben mechanischer
Belastung gezielt die Struktur von Spinellen verändert werden
kann.
Der Mittelteil der Tagung galt dann vorwiegend dem Experiment. Um
mikroskopische Strukturen unter mechanischer Belastung zu studieren,
sind insbesondere die verschiedenen Scanning-Probe-Techniken
interessant. Joachim Reichert (Münster) präsentierte SNOM-Experimente
zur Untersuchung kovalent an Oberflächen gebundener
optisch aktiver Systeme. Xavier Bouju (Paris) stellte eine Studie vor,
die STM-Einzelmolekülexperimente und ihre theoretische Behandlung
kombiniert.
Die Gruppe von Matthias Rief (München) führt bereits seit vielen Jahren
AFM-Zugexperimente an einzelnen Molekülen durch [11, 12, 13].
Zusammen mit Hermann Gaub (München) gelangen ihm die grundlegenden
Arbeiten auf diesem Gebiet an diversen Polymeren. Aktuell
arbeitet die Gruppe an der Entfaltung von Filamin und Green Fluorescent
Protein (GFP). Hier konnte auf Einzelmolekül-Niveau die Freie-Energie-
Hyperfläche detailliert erkundet werden.
Das Prinzip dieser Herangehensweise läßt sich auch auf die Untersuchung
von größeren Einheiten unter mechanischer Belastung
erweitern. Kay Gottschalk (München) stellte Experimente an T-Lymphozyten
vor, in denen er den Charakter der Wechselwirkungen der
Zellen mit Oberflächen studierte.
Peter Hamm (Zürich) und Christian Renner (Nottingham) diskutierten
einen anderen Zugang zur erzwungenen Konformationsänderung in
Peptiden [14, 15, 16, 17]: Durch Verwendung von Azobenzol als
Photoschalter gelingt es, Konformationsänderungen auszulösen.