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TRR 102:  Polymere unter Zwangsbedingungen: eingeschränkte und kontrollierte molekulare Ordnung und Beweglichkeit

Fachliche Zuordnung Chemie
Biologie
Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
Physik
Förderung Förderung von 2011 bis 2023
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 189853844
 
Erstellungsjahr 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Vielseitigkeit und die variablen Eigenschaften und Funktionen von Makromolekülen beruhen einerseits auf einer großen Vielfalt chemisch unterschiedlicher Monomere, andererseits aber auch auf der Tatsache, dass Polymere in der Lage sind, sich in organisierten Strukturen, die in der chemischen Sequenz der Polymerketten kodiert sind, zu ordnen und zu assemblieren. In diesem Zusammenhang spiegelt der Titel des SFB TRR 102 "Polymere unter Zwangsbedingungen: eingeschränkte und kontrollierte molekulare Ordnung und Beweglichkeit" die Tatsache wider, dass in makromolekularen Systemen die Bildung struktureller Ordnung auf der Monomerskala ein komplexer Prozess ist, da sie aufgrund der Konnektivität der Polymerkette häufig durch ihre Umgebung eingeschränkt wird. Im SFB wurden solche Prozesse der Strukturbildung und Selbstorganisation untersucht, bei denen die molekulare Struktur und Dynamik entweder durch die Kettenkonnektivität allein oder zusätzlich durch Zwangsbedingungen wie spezifische Wechselwirkungen, äußere Kräfte, geometrisches Confinement, Crowding oder topologische Einschränkungen beeinflusst werden. Zwei herausragende Beispiele für solche Ordnungsprozesse und zentrale Themen des SFB sind die Kristallisation im Bereich der synthetischen Polymere und die Bildung von Amyloiden im Bereich der Proteine. Die Kristallisation von Polymeren ist ein etabliertes Forschungsgebiet, aber es wurde noch kein Konsens über entscheidende Aspekte erzielt, insbesondere hinsichtlich der Mechanismen, die zur Bildung von teilkristallinen Morphologien führen, die letztlich die mechanischen Eigenschaften bestimmen. Unsere Arbeit hat zu neuen Erkenntnissen über die thermodynamischen und kinetischen Aspekte dieses Prozesses geführt, insbesondere durch die Berücksichtigung der Auswirkungen der Kettenbewegung durch die Kristallite und der Auswirkungen von Verschlaufungen auf die Morphologie. Auf der theoretischen Seite analysierten wir die antreibenden Kräfte für die Kristallisation von Kettenmolekülen. Die Ergebnisse werfen ein neues Licht auf das komplexe Zusammenspiel von Konformationsordnung und Positionsordnung, die sich während der Polymerkristallisation einstellt. Amyloidfibrillen als lineare Protein-Aggregate werden bekanntermaßen mit neurodegenerativen Erkrankungen in Verbindung gebracht, existieren aber auch als funktionelle Aggregate. Sie bestehen aus (fehl)gefalteten Proteinaggregaten, die die partielle Ordnung auf der lokalen Skala, die Keimbildung und das Wachstum größerer Strukturen während des Ordnungprozesses mit teilkristallinen Polymeren teilen. In diesem Bereich haben wir erweiterte Studien zu Amyloid β1-40 durchgeführt, die sich mit den Auswirkungen lokaler Variationen/Mutationen auf die Struktur, die Fibrillationskinetik und auf Toxizitätstests befassen. Die Ergebnisse demonstrieren die Universalität der Fibrillenbildung, während die Aggregationskinetik und die Toxizitätseffekte stark variieren können. Ein übergreifender Schlüsselaspekt in unseren experimentellen und theoretischen Untersuchungen waren die Anfangsstadien beider Ordnungsprozesse, der Kristallisation und der Amyloidbildung, entweder durch homogene Keimbildung oder induziert an Grenzflächen. Zu den letzteren Untersuchungen gehören die Auswirkungen verschiedener exemplarischer Oberflächen auf die Amyloidbildung, die komplexe Rekonstruktion unter Beteiligung von Substrat und Polymeren auf Metalloberflächen, die Kristallisation an Flüssigkeitsgrenzflächen und das Auftreten eines Benetzungsübergangs an der Grenzfläche Substrat-Flüssigkeit in der Nähe des Phasenübergangs flüssig-fest. Schließlich wurden neue experimentelle und theoretische Methoden entwickelt und auf spezifische Probleme aus dem Gebiet des SFB angewandt. Die Anwendung fortgeschrittener Monte-Carlo-Simulationen ermöglichte die vollständige Analyse der Gleichgewichtsthermodynamik von Ein- und Mehrkettensystemen. Dieser Ansatz ermöglichte es uns, Ähnlichkeiten und Unterschiede in den thermodynamischen Übergängen zwischen synthetischen Polymeren mit van-der-Waals-ähnlichen Wechselwirkungen und Proteinsystemen mit spezifischen Wechselwirkungen herauszuarbeiten. Eine neue optische Technik, die Thermoplasmonische Manipulation, bietet eine neue Möglichkeit, große Makromoleküle und Aggregate in Lösung einzufangen und zu manipulieren. Sie wurde entwickelt und für erste Untersuchungen von Proteinaggregaten im Rahmen des SFB angewandt. Zusätzlich zu diesen hervorgehobenen Ergebnissen und Untersuchungen wurde eine Reihe spezieller Studien durchgeführt, die sich mit spezifischen Problemen und Effekten auf dem Gebiet des SFB befassen.

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