Charalampos Pappas. Foto: Michal Rössler
Der Chemiker Dr. Charalampos Pappas vom Exzellenzcluster Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (livMatS) der Universität Freiburg erhält für seine Forschung zu selbstorganisierenden Materialien einen Starting Grant des Europäischen Forschungsrats (ERC). 1,5 Millionen Euro stehen Pappas für sein Projekt „PhosphotoSupraChem“ über fünf Jahre zur Verfügung. Darin wird er aus Phosphaten strukturierte Brennstoffe entwickeln, um selbstorganisierende Materialien herzustellen, die sich dynamisch umbauen und an Umwelteinflüsse anpassen. Er wird dabei Ansätze der Systemchemie anwenden, eines neuen Forschungsgebiets, das sich mit Netzwerken wechselwirkender Moleküle befasst. „Phosphate und Phosphatester unterstützen fast alle biologischen Funktionen. Triphosphat-Brennstoffe sind im Besonderen als Energiequelle an Stoffwechselprozessen beteiligt“, erklärt Pappas. „Trotz ihrer vielschichtigen Rolle für das Leben ist noch weitgehend unerforscht, wie sich diese Brennstoffe in der Systemchemie einsetzen lassen.“
Molekulare Anordnungen fern vom thermodynamischen Gleichgewicht
Traditionell ist die Chemie darauf ausgerichtet, stabile Moleküle zu erzeugen, die sich isolieren lassen. „Lebende Systeme hingegen bestehen aus Molekülen, die sich ständig verändern und thermodynamisch nicht stabil sind. Sie stehen also in Wechselwirkung mit ihrer Umgebung und tauschen mit ihr Materie oder Energie aus“, führt Pappas aus. Das ermöglicht ihnen, auf äußere Reize zu reagieren und sich an Veränderungen anzupassen.
„Solche Systeme bilden Moleküle etwa in dem Maße, in dem sie abgebaut werden, und dabei verbrauchen sie Energieträger, so genannte Brennstoffe.“ Die Systemchemie versucht, solche als dissipative Nichtgleichgewichtssysteme bezeichneten Strukturen nachzubilden, deren Anordnungen und Moleküle ständig umgebaut werden. Die neuen konzeptionellen Ansätze zur Steuerung von Nichtgleichgewichtssystemen ermöglichen Methoden, mit denen sich schaltbare selbstorganisierende Systeme in einem neuen Maß kontrollieren lassen. Diese Ansätze ebnen den Weg zu dynamischen und programmierbaren Materialien, die in vordefinierter Weise auf ihre Umgebung reagieren.
Strukturierte Brennstoffe für spezifische Aufgaben
Natürlich vorkommende Brennstoffe auf Phosphatbasis wie Adenosintriphosphat (ATP) oder Guanosintriphosphat (GTP) steuern selektive Prozesse, indem sie chemische Informationen in ihre Struktur einbauen. Pappas wird sich diese Eigenschaft zunutze machen: Er wird Struktur- und Erkennungselemente in die synthetischen Phosphat-Brennstoffe einbauen. „Sie werden mit Aminosäuren und Nukleobasen ausgestattet, die den strukturellen Aufbau der Brennstoffe vor ihrem Verbrauch kodieren und so die Selektivität in Reaktionsnetzwerken steuern.“ Darüber hinaus werden die Phosphat-Brennstoffe dazu dienen, große chemische Gruppen auf selbstorganisierende Spezies zu übertragen. „Dies wird die Faltung und Synthese großer Moleküle in Wasser, wie Oligoamide und Oligonukleotide, ermöglichen“, sagt Pappas. Auf der Grundlage seiner Erkenntnisse wird Pappas auch einen kontrollierbaren Einsatz der Phosphat-Brennstoffe für die mikrofluidische Materialforschung entwickeln.
Zur Person
Charalampos Pappas ist seit 2020 Nachwuchsgruppenleiter am Exzellenzcluster Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (livMatS) der Universität Freiburg. Er ist zudem Mitglied des Freiburger Zentrums für interaktive Werkstoffe und bioinspirierte Technologien (FIT). Pappas studierte Chemie an den Universitäten Ioannina/Griechenland, Glasgow/UK, New York/USA und Groningen/Niederlande. Seine Promotion verfasste er an der University of Strathclyde in Glasgow und am Advanced Science Research Center der City University of New York. 2017 erhielt er ein Stipendium der Marie Skłodowska Curie Action der Europäischen Kommission und forschte damit an der Universität Groningen, bevor er 2020 an die Universität Freiburg wechselte.
Über den Exzellenzcluster livMatS
Der Exzellenzcluster „Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems“ (livMatS) der Universität Freiburg entwickelt lebensähnliche Materialsysteme, die von der Natur inspiriert sind. Die Systeme werden sich autonom an Umweltbedingungen anpassen, saubere Energie aus ihrer Umgebung gewinnen und unempfindlich gegen Beschädigungen sein oder diese selbstständig ausgleichen.
Pressemitteilung des ERC
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