Einem Team an der 51本色 ist es gelungen, ein winziges molekulares System zu entwickeln, das sich autonom entlang einer vorgegebenen Strecke bewegt 鈥� angetrieben von chemischem Treibstoff und ohne 盲u脽ere Steuerung der einzelnen Schritte. Die Arbeit schlie脽t eine Forschungsl眉cke bei k眉nstlichen molekularen Maschinen. Das Prinzip k枚nnte k眉nftig dabei helfen, Molek眉le herzustellen, die auf herk枚mmlichem Weg nur schwer zug盲nglich sind. Die Fachzeitschrift hat die Ergebnisse nun ver枚ffentlicht.
In der Natur arbeiten in jeder Zelle kleine molekulare Maschinen: Sogenannte Motorproteine wie Kinesin oder Myosin transportieren Stoffe, erm枚glichen Muskelbewegungen und wirken bei der Zellteilung mit. Diese Proteine bewegen sich dabei 鈥� als liefen sie auf zwei Beinen 鈥� an Proteinfasern entlang. Angetrieben werden sie von der Energie, die ein k枚rpereigenes Molek眉l liefert. Schon lange versuchen Chemikerinnen und Chemiker, solche Bewegungen mit k眉nstlichen molekularen Maschinen nachzubilden. 鈥濧lle bislang bekannten L盲ufer mussten allerdings von au脽en gesteuert werden, beispielsweise durch Zugabe von Chemikalien, Licht oder durch ein elektrisches Feld鈥�, erkl盲rt . Der Professor am hatte es bereits 2010 w盲hrend seiner Promotion in Edinburgh geschafft, die weltweit ersten Molek眉le eine kleine molekulare Strecke 鈥瀍ntlanglaufen鈥� zu lassen. In der von ihm koordinierten aktuellen Studie gelang nun der Schritt zur Autonomie: 鈥濽nser L盲ufer bewegt sich von ganz allein, solange man ihm Treibstoff nachlegt.鈥�
Wie kommt der L盲ufer vom Fleck?
Als L盲ufer dient den Forschenden eine Phosphatgruppe aus einem Phosphoratom und vier Sauerstoffatomen. Diese Gruppe ist ein wichtiger biologischer Baustein und an nahezu jedem Stoffwechselvorgang beteiligt. Auch die beiden Laufstrecken im Versuchsaufbau der Ulmer Forschenden bestehen aus Naturstoffen: dem Fettbestandteil Glycerin mit drei m枚glichen Bindungsstellen f眉r die Phosphatgruppe sowie Inositol, einem Abk枚mmling des Zuckers, der f眉nf andockbare Bindungsstellen bietet.
鈥濪amit unsere Phosphatgruppe auf diesen Strecken einen Schritt machen kann, muss sie eine Bindung zur molekularen Strecke l枚sen 鈥� quasi einen Fu脽 anheben 鈥� und an der n盲chsten Trittstufe eine neue Bindung eingehen鈥�, sagt von Delius. 鈥濪ie Herausforderung liegt darin, dass solche Bindungen 盲u脽erst stabil sind. Sie l枚sen sich normalerweise nur extrem langsam. Rechnerisch dauert es rund 140.000 Jahre, bis sich die H盲lfte davon zersetzt hat. F眉r unser Erbgut ist diese Tr盲gheit gut. Aber f眉r einen L盲ufer, der mehrere Schritte pro Stunde machen soll, ein Desaster.鈥�
Einen Weg zur 脺berwindung dieser H眉rde fanden die Forschenden in einem Reaktionsprinzip, das auch von der RNA bekannt ist: Verbindet sich die Phosphatgruppe mit zwei benachbarten Gruppen aus jeweils einem Sauerstoff- und einem Wasserstoffatom (OH-Gruppen), entsteht eine ringf枚rmige Struktur, die unter Spannung steht, 鈥瀢ie eine geladene Armbrust鈥�, so von Delius 鈥� und in dieser l枚st sich eine der beiden Bindungen in Minutenschnelle.
Schritt f眉r Schritt 鈥� ohne vom Gleis zu fallen
Damit l盲uft ein Schritt des L盲ufers folgenderma脽en ab: Bildlich gesprochen steht die Phosphatgruppe zun盲chst ganz entspannt mit einem Fu脽 auf ihrer Strecke. Geben die Forschenden dann einen Treibstoff dazu 鈥� wasserl枚sliches Carbodiimid (EDC) 鈥� aktiviert dieser die Phosphatgruppe dazu, mit einem zweiten Fu脽 an der n盲chsten Position anzudocken. Es entsteht die erw盲hnte gespannte ringf枚rmige Verbindung, bei der die Phosphatgruppe f眉r kurze Zeit an zwei benachbarten Stellen gleichzeitig gebunden ist 鈥� solange, bis Wasser das L枚sen einer Bindung erlaubt. 鈥濪er hintere Fu脽 hebt ab, der vordere bleibt stehen, und die Phosphatgruppe r眉ckt um eine Position vor, ohne jemals ganz vom Gleis zu fallen. Mit dem n盲chsten Reaktionszyklus folgt der n盲chste Schritt鈥�, skizziert es von Delius.
鈥濽nsere Studie belegt deutlich die Wirkung des Treibstoffs鈥�, sagt Erstautor vom Institut f眉r Organische Chemie I. 鈥濷hne Treibstoff sammeln sich 眉ber Wochen 90 Prozent der Phosphat-Molek眉le am 盲u脽eren Rand des Glycerin-Gleises, in der f眉r sie energetisch g眉nstigsten Position. Mit Treibstoff hingegen sitzen nach rund zwei Stunden 64 Prozent an der weniger stabilen mittleren Position. Der Treibstoff treibt das System in einen Zustand, den es von allein kaum einnehmen w眉rde 鈥� gewisserma脽en bergauf.鈥� Auf dem l盲ngeren Inositol-Ger眉st zeigte sich die Wirkung noch deutlicher: Ohne Treibstoff bewegte sich die Phosphatgruppe selbst nach acht Wochen 眉berhaupt nicht. Mit Treibstoff wanderte sie 眉ber alle f眉nf m枚glichen Positionen 鈥� insgesamt vier Schritte.
Wird Treibstoff kontinuierlich zugegeben, bleibt dieser Zustand 眉ber Stunden erhalten. Die L盲ufer wandern dann st盲ndig voran 鈥� wie bei einem biologischen Motor. 鈥濿ir haben hochgerechnet, dass die Stoffmenge von einem Mol L盲ufern 鈥� etwa 200 Gramm 鈥� zusammengenommen eine Nettostrecke von rund 8,3 Millionen Kilometern pro Sekunde zur眉cklegt鈥�, so von Delius. 鈥濪abei ist der Treibstoff bemerkenswert effizient: Bis zu 19 von 100 verbrauchten Treibstoffmolek眉len f眉hren zu einem erfolgreichen Schritt.鈥�
Arbeit schlie脽t Forschungsl眉cke
鈥濪as System vereint erstmals drei entscheidende Eigenschaften: Prozessivit盲t, Autonomie und kinetische Asymmetrie鈥�, erkl盲rt von Delius. Das hei脽t, der L盲ufer bleibt mit seiner Strecke verbunden, bewegt sich selbstst盲ndig, solange Treibstoff vorhanden ist, und wird durch die Energiezufuhr aus seiner nat眉rlichen Ruheverteilung getrieben. Mit diesem Nachweis schlie脽t die Arbeit eine seit vielen Jahren bestehende L眉cke auf dem Feld der molekularen Maschinen. 鈥濪er entwickelte Reaktionszyklus k枚nnte dabei helfen, schwer zug盲ngliche Wirkstoffe herzustellen, indem Treibstoff genutzt wird, um eine Phosphatgruppe auf eine eigentlich ung眉nstige Position zu bringen, diese also quasi `bergauf麓 laufen zu lassen鈥�, erkl盲rt von Delius. Langfristig wollen die Forschenden ihre L盲ufer zudem gezielt in ausschlie脽lich eine Richtung bewegen und molekulare Stoffe transportieren lassen.
Die Arbeiten wurden vom Europ盲ischen Forschungsrat (ERC) und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gef枚rdert.
Weitere Informationen:
Prof. Dr. Max von Delius, Institut f眉r Organische Chemie I, 51本色, E-Mail: max.vondelius(at)uni-ulm.de
Publikationshinweis:
Patrick Alexander Hoffmann, Suchismita Saha, Steffen Volk, Jing Sun, Andreas Englert, Max von Delius (2026): Autonomous migration of a phosphate group along glycerol and inositol scaffolds driven by a phosphodiester reaction cycle. Nature Chemistry, 18 September 2026,
Text: Christoph Karcher