Fakultät für Chemie

Forschung

Im Jahr 2014 startete der Sonderforschungsbereich 1093, Supramolekulare Chemie an Proteinen, der von unserer Fakultät koordiniert und geleitet wird. In diesem SFB arbeiten im Wesentlichen Arbeitsgruppen aus der Chemie und der Biologie gemeinsam daran, chemische Werkzeuge zu entwickeln (sogenannte Liganden), die spezifisch an Proteine binden und dadurch deren biologische Funktionen beeinflussen können. Hierzu bedarf es zum einen eines genauen Verständnisses der Struktur und Funktionsweise der im Fokus stehenden Proteine. Dies ist die Expertise der Kolleg*innen aus der Biologie. Ausgehend von diesen strukturellen Informationen entwerfen die Chemiker*innen gezielt Moleküle, die an bestimmte Stellen der Proteine binden können. Hierzu wird die gesamte methodische Bandbreite der modernen Chemie (z.B. Synthese von Naturstoffderivaten, Festphasensynthesen, Kombinatorische Verfahren oder Polymerchemie, um nur einige Beispiele zu nennen) eingesetzt. In Kombination mit einem genauen Verständnis der molekularen Wechselwirkungen, mit denen Moleküle sich aneinander binden, sowie dafür maßgeschneiderter künstlicher Greifwerkzeuge lassen sich so effiziente Liganden entwickeln, die gezielt einzelne Proteine erkennen. Gerade auf diesem Gebiet der sogenannten Supramolekularen Chemie, die übrigens in diesem Jahr nach 1987 erneut mit dem Nobelpreis für Chemie geehrt wurde, sind die Essener Chemiker*innen bundes- und weltweit anerkannte Expert*innen. Obwohl der SFB 1093 erst etwas mehr als zwei Jahre läuft, sind bereits viele spannende und faszinierende Ergebnisse in diesem Verbund gefunden worden. So konnten mehrarmige Moleküle aus einer kombinatorischen Bibliothek heraus identifiziert werden, die die Wechselwirkung der sogenannten 14-3-3 Proteine mit ihren natürlichen Bindepartnern (Adapterproteinen wie cRaf oder Tau) um bis zu zwei Größenordnungen verstärken. Dies erreichen diese molekularen Klebstoffe dadurch, dass sie mit ihren mehreren Armen sowohl an das 14-3-3 Protein als auch das Adapterprotein gleichzeitig binden und diese beiden dadurch zusammenhalten. Da es sich bei den 14-3-3 Proteinen um eine sehr wichtige Klasse von Proteinen handelt, die an vielen Signalprozessen in Zellen beteiligt sind, hoffen die Essener Chemiker*innen, nun im nächsten Schritt auch zelluläre Funktionen mit solchen Molekülen gezielt verändern zu können. In anderen Arbeiten konnte gezeigt werden, dass eine kleine molekulare Pinzette, ein ringförmiges Molekül, sich ähnlich wie ein Serviettenring nur um ganz bestimmte, ausgewählte Gruppen auf der Oberfläche einer hoch-komplexen Proteinmaschine legt. Es gelang sogar eine Kristallstruktur, also eine Art molekulares Foto, eines solchen Komplexes zu erhalten; ein auch weltweit immer noch seltener Erfolg.

Ein weiterer großer Forschungsverbund, an dem die Fakultät für Chemie maßgeblich beteiligt ist, ist das NRW-Fortschrittskolleg FUTURE WATER. In diesem von 2014 bis 2018 durch das das Ministerium für Innovation, Wissenschaft und Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen unterstütztem Promotionsprogramm wird unter der Federführung der Fakultät für Chemie in einem Verbund verschiedenster wissenschaftlicher Disziplinen und industrieller Mentoren an der Sicherstellung einer nachhaltigen urbanen Wasserwirtschaft geforscht. Hierbei stehen neben sozial- und kulturwissenschaftliche Fragen und regulatorischen Aspekten die Beurteilung der Bedeutung von Transformationsprodukten der Abwasserreinigung und die Rolle von Viren im Abwasser für eine langfristig nachhaltige urbane Wasserwirtschaft in Interesse der Forscher*innen. An der Untersuchung von Wasser im urbanen Kontext wird zudem klar, dass die zu bewertenden Systeme und Fragestellungen heutzutage immer komplexer werden. Die seit Jahrzehnten bekannten und gut etablierten Analysemethoden stoßen dabei häufig an ihre Grenzen. Daher wird z.B. in der analytischen Chemie an unserer Fakultät an einer Weiterentwicklung klassischer Chromatographieverfahren geforscht, die es gestatten komplexe Proben in bis zu vier voneinander unabhängigen Eigenschaftsdimensionen aufzuteilen. Hierdurch werden Gemische untersuchbar, deren Zusammensetzungen bisher nicht aufgetrennt werden konnte. Vielleicht verstehen wir so in Zukunft noch genauer wie wir unser Trinkwasser zu behandeln haben. Solche Verfahren helfen aber auch bei der Identifizierung von Stoffen und Materialien (z.B. von Lebensmitteln und Naturprodukten wie Pflanzenextrakten) und lassen sich in manchen Fällen zur Erkennung von Produktfälschungen einsetzen. 

Neben Schadstoffen finden sich es im urbanen Abwasser aber auch viele Wertstoffe. Häufig sind diese jedoch nur in sehr geringen Mengen vorhanden. In Zusammenarbeit mit dem An-Institut DTNW arbeiten unsere Wissenschaftler*innen daher an der Entwicklung von Absorbermaterialien, mit denen sich Wertstoffe wie Edelmetalle oder seltene Erden aus Abwässern anreichern lassen. Nach der Anreicherung können die Wertstoffe dann ökonomisch sinnvoll wiedergewonnen werden. Diese Forschung wurde u.a. mit dem Paul Schlack Preis 2015 an Dr. Klaus Opwis und der „Engine for Progress“ der KlimaExpo NRW 2015 gewürdigt.

Die Forschung der Fakultät im Themenschwerpunkt Nanowissenschaften ist vielfältig und stark interdisziplinär aufgestellt. In Bereich der Nanomedizin gelang es in mehreren Projekten den Nutzen von Edelmetall Nanopartikeln in Medizinischen Anwendungen zu dokumentieren. Gold ist z.B. ein inertes Metall, das im Kontakt mit Blut oder anderen Körperflüssigkeiten keine bzw. nur geringste Reaktionen auslöst. Dies macht es zu einem optimalen Trägermaterial für medizinische Wirkstoffe. Arbeitsgruppen unserer Fakultät haben in den letzten Jahren neue Verfahren entwickelt, um mikroskopisch kleine Goldnanopartikel herzustellen und diese gezielt mit im Prinzip beliebigen anderen Molekülen auf der Oberfläche zu funktionalisieren. So können mittels Laserablation nackte Edelmetallnanopartikel auch in Gramm-Mengen hergestellt werden, die dann mit in der Lösung vorhandenen Molekülen reagieren und diese an ihrer Oberfläche binden. Für diese Technik wurde extra einer der weltweit schnellsten Ultrakurzzeit-Laser in Essen installiert. Gerade einmal zwei Pikosekunden dauern seine Pulse, das sind 0,000.000.000.002 Sekunden. Das ist so kurz, dass die Laserpulse das Material trotz der enorm hohen Energie des Laserstrahls kaum erwärmen. Dadurch wird die Laserablation nicht nur besonders effizient, so dass sich auch große Mengen an Nanopartikeln herstellen lassen. Sondern die Methode ist so schonend, dass sie auch in Gegenwart hitzeempfindlicher Biomoleküle durchgeführt werden kann, die dann auf der Oberfläche der gerade entstehenden Nanopartikel gebunden werden. Diese Konstrukte können dann für biochemische oder medizinische Anwendungen getestet werden. Häufig erhöht sich die Wirksamkeit von Wirkstoffen auf der Oberfläche solcher Nanopartikel, weil viele dieser Moleküle gleichzeitig präsent sind und an das biologische Target binden können. Man spricht von Multivalenz. In einem Projekt konnten Essener Chemiker*innen zeigen, wie mit solchen oberflächenfunktionalisierten Gold-Nanopartikeln in Faltungs- und Aggregationsprozesse von Proteinen eingegriffen werden kann. Die Fehlfaltung von Proteinen und insbesondere die Aggregation fehlgefalteter Proteine stehen in unmittelbarem Zusammenhang mit neurodegenerativen Erkrankungen wie z.B. Alzheimer oder Demenz. Physikochemische, biophysikalische und biologische Tests zeigten, dass die multivalente Präsentation kleiner Eiweißmoleküle auf der Oberfläche der Nanopartikel zu einer Inhibierung der Aggregation des bei der Alzheimer-Erkrankung im Fokus stehenden Aβ-Proteins führt. Der Effekt ist aufgrund der Multivalenz deutlich stärker als die Wirkung der Eiweißmoleküle alleine. Diese auf dem Gebiet der Nanobiomedizin angelegte Arbeit leistet somit einen Beitrag zur Entwicklung möglicher Wirkstoffe gegen Proteinfehlfaltungskrankheiten. Einem Themengebiet, das in einer Welt mit immer älter werdender Bevölkerung und den damit einhergehenden neurodegenerative Erkrankungen, wie die Alzheimer-Demenz, immer größere Bedeutung erlangt.

Neben Gold steht auch das Edelmetall Silber im Fokus der Forschung an unserer Fakultät. Es ist seit langem bekannt, dass Silber über antibakterielle Wirkung verfügt. Daher werden z.B. Kleidungsstücke mit Silber beschichtet oder Kühlschränke innen mit einer hauchdünnen, unsichtbaren Silberschicht versehen, um das Wachsen von Keimen und Bakterien zu verhindern. Allerdings sind die Silber-Ionen auch für gesunde menschliche Zellen schädlich. Die Essener Chemiker*innen untersuchen daher z.B. wie die antibakteriellen Eigenschaften von Silber-Nanopartikeln von deren Größe und Form (Kugeln, Stäbchen, Plättchen, Würfel) abhängen. Dabei wurde festgestellt, dass speziell die antibakterielle Wirkung von der spezifischen Oberfläche abhängt, während ihre Wirkung auf normale menschliche Zellen davon unabhängig ist. Partikel mit hoher Oberfläche geben die eigentlich antibakteriell wirkenden Silber-Ionen schneller ab und haben damit insgesamt eine höhere antibakterielle Wirkung. Das eröffnet den Weg zu einer Synthese bakterienspezifischer Silber-Nanopartikel, die gezielt bevorzugt Bakterien und Keime schädigen aber das gesunde (menschliche) Gewebe nur wenig angreifen.

In einem anderen Bereich erforschen die Wissenschaftler*innen der Fakultät für Chemie, wie sich Wirkstoffe, Proteine oder auch genetisches Material von außen in Zellen hineintransportieren lässt. Solche Transportvorgänge sind für die moderne Medizin von essentieller Bedeutung. So kann man z.B. gezielt defekte Gene in einer Zelle dadurch reparieren, dass man entweder das fehlende Protein oder das gesunde Gen von außen einschleust. Weder Proteine noch genetisches Material sind aber für sich alleine in der Lage die Schutzhülle einer Zelle, die Membran, zu überwinden. Es braucht daher spezielle Transportmechanismen, die diese Aufgaben übernehmen. Für das Einschleusen von genetischem Material kann man zwar Viren verwenden (die von der Evolution dafür Millionen Jahre lang optimiert wurden, genau dies zu tun, nämlich ihr eigenes genetisches Material von außen in eine zu befallene Zelle hineinzubringen). Solche Transporter-Viren für medizinische Anwendungen sind aber teuer und aufwändig herzustellen und können zudem allergische Reaktionen auslösen, was bereits zu Todesfällen bei entsprechenden klinischen Studien geführt hat. Eine Alternative sind chemische, nicht-virale Transporter (sogenannte Vektoren). An der Entwicklung und Erforschung solcher Systeme arbeiten Wissenschaftler*innen unserer Fakultät. Sie verwenden dafür zum einen spezielle Calciumphosphat-Nanopartikel oder kleine Eiweißmoleküle (Peptide). So gelang es in Essen in Zusammenarbeit mit der Fakultät für Biologie die kleinsten bisher bekannten peptidischen Transfektionsvektoren herzustellen. Entscheidend war hierfür der Austausch eines in natürlichen Eiweißen vorkommenden Bausteines, der Aminosäure Arginin, durch ein selbst hergestelltes chemisches Analogon, das deutlich besser sowohl an die Nukleinsäure als auch an Zelloberflächen bindet und so die Aufnahme des genetischen Materials in Zellen erleichtert.

Neben solchen durchaus anwendungsorientierten Forschungsthemen werden aber auch sehr grundlegende Forschungsarbeiten in der Fakultät für Chemie durchgeführt, die den Weg für die Forschung von Morgen ebnen. Auf dem Gebiet der Molekülchemie gelang es z.B. neue Materialvorstufen für die gezielte Herstellung nanopartikulärer Gruppe 15-Chalkogenide unter milden Reaktionsbedingungen darzustellen. Die Bildung solcher Precursoren bedingt eine äußerst sorgfältige Kontrolle über Stärke und Aufbau der Bindungen in komplexen Molekülen. So gelang es erstmals, Antimon-Analoga von bereits bekannten Phosphor- bzw. Arsenverbindungen darzustellen. Bedingt durch die Vergrößerung der Atomdurchmesser von Phosphor über Arsen zu Antimon werden die Bindungen zwischen den einzelnen Atomen immer schwächer, so dass eine deutlich schonendere Synthesechemie erforscht werden musste. Aus solchen Materialvorstufen lassen sich in weiteren Schritten ultrapräzise Nanopartikel und hoch definierte dünne Filme herstellen. Dabei gestattet die Nutzung molekular definierter und aktiver Vorstufen eine besonders elegante Kontrolle über Größe und Form von partikulären Systemen. Besonders hervorzuheben ist hier ein kürzlich entwickeltes Verfahren, mittels dem solche Nanopartikel durch Reaktion in ionischen Flüssigkeiten form- und größenselektiv erhalten werden können. Mittels solcher Thermoelektrika könnte es in Zukunft u.a. möglich sein, die Restwärme von Abgasen in elektrische Energie umzuwandeln.

Insgesamt stellt die Energieforschung und speziell die Synthese und Untersuchung von neuen Materialien zur Energiespeicherung und -umwandlung einen weiteren Schwerpunkt der Forschung unserer Fakultät dar. Ein wichtiges Ziel hierbei ist, die komplementären Stärken der benachbarten Standorte im Ruhrgebiet in den Nanowissenschaften (UDE), der chemischen Analytik (Max-Planck-Institute für Chemische Energiekonversion und Kohlenforschung, Mülheim a.d.R.) und der heterogenen Katalyse (Ruhr-Universität Bochum) zu bündeln. Unter Führung von Essener Chemiker*innen wird diese einzigartige regionale Bündelung von Expertisen und Kompetenzen für den Aufbau eines neuen Katalyse-Verbundes genutzt, der insbesondere der Frage nachgeht, wie die Oxidationskatalyse in der Flüssigphase zielgerichtet genutzt werden kann, um fundamentale Fragestellungen der Reaktivität an Grenzflächen zu erforschen. In enger Zusammenarbeit der Wissenschaftler*innen der verschiedenen Einrichtungen und Institutionen werden dabei u.a. neue Katalysatoren für die Elektrolyse von Wasser erforscht, die helfen können regenerativ erzeugte elektrische Energie effektiv in Form chemischer Treibstoffe zu speichern.

Auch eine ganz andere grundlegende Frage „woher kommt das Leben?“ wird an der Fakultät für Chemie erforscht. Im Zusammenhang mit der Entstehung des Lebens ist bis heute nicht wirklich verstanden, wie genau die ersten sich selbst replizierenden Moleküle und komplexeren Systeme wie z.B. Zellen entstanden sind. Ohne solche Prozesse ist aber Leben so wie wir es kennen nicht möglich. Die Essener Chemiker*innen konnten ein Modell für die Bildung und Selbst­optimierung von Vesikeln unter dynamischen Umgebungsbedingungen entwickeln. Solche Modelle helfen vielleicht, ganz allgemein die Entstehung von stabilen, selbst-reproduzierenden und selbst-optimierenden System mit molekularer und struktureller Evolution besser zu verstehen. Das Essener Modell besteht in der Wechselbeziehung zweier zyklischer Prozesse: ein Prozess der periodischen Vesikelbildung und ein Prozess, bei dem Peptide im Gleichgewicht mit ihren Grundbausteinen, den Aminosäuren stehen. Die Strukturen, die sich aus der Kombination beider Prozesse entwickeln, durchlaufen ihre eigene strukturelle und chemische Evolution, die über parasitische und symbiotische Effekte bis hin zur Entstehung neuer Funktionen führen kann. Der entscheidende Mechanismus ist dabei eine gegenseitige Stabilisierung der Peptide durch die Vesikel sowie der Vesikel durch die Peptide, zusammen mit einer gleichzeitig verlaufenden Selektion und Reproduktion beider Komponenten. Die zeitliche Entwicklung der miteinander verzahnten zyklischen Prozesse repräsentiert nicht nur einen wichtigen Aspekt lebender Systeme, sondern bildet auch ein relevantes Modell für die frühesten Abläufe, die zur Entstehung des Lebens auf der Erde geführt haben könnten. Vielleicht ist hier die Tür zum Verständnis des Lebens einen Spalt breit weiter geöffnet worden.

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt der Fakultät ist die empirische Lehr-Lern-Forschung in der gesamten Bandbreite des Bildungssystems, von der Primarstufe (Sachunterricht), über den Sekundarbereich I und II der allgemeinbildenden und berufsbildenden Schulen, bis hin zum tertiären Bildungssektor (Universität). Insbesondere vor dem Hintergrund hoher Drop-Out-Quoten in den naturwissenschaftliche-technischen Studiengängen hat die Frage, wovon ein erfolgreicher Studienabschluss abhängt, in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Unter der Federführung der Fakultät für Chemie widmet sich die DFG-Forschergruppe „Akademisches Lernen und Studienerfolg in der Eingangsphase von naturwissenschaftlich-technischen Studiengängen“ (ALSTER) dieser Thematik. Erste Ergebnisse der Forschergruppe, die Anfang des Jahres 2015 in insgesamt fünf Teilprojekten ihre Arbeit aufnahm, belegen wie wichtig das Vorwissen von Studienanfängerinnen und -anfängern im Fach Chemie für deren Studienerfolg ist. Die Untersuchungen zeigen aber auch wie stark unterschiedlich dieses Vorwissen bei den Studierenden ist, abhängig von deren individuellen Kurswahl in der gymnasialen Oberstufe. Für die universitäre Lehre ergibt sich daraus als eine zentrale Herausforderung die Frage, wie man mit diesen unterschiedlichen fachlichen Eingangsvoraussetzungen der Studierenden umgeht. Neben dem fachlichen Vorwissen ist aber auch das ikonische Modellverständnis von der Struktur der Materie für eine erfolgreiche Studieneingangsphase wichtig. Im nächsten Schritt will die Forschergruppe künftig ausgehend von solchen Erkenntnissen konkrete Trainingsmöglichkeiten ableiten, um die Studieneingangsphase und damit den Studienerfolg insgesamt zu verbessern.