Institut für Chemie und Biochemie
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Institut für Chemie und Biochemie
Fachbereich Biologie, Chemie, Pharmazie Institut für Chemie und Biochemie Inhalt Inhalt Fachbereich Biologie, Chemie, Pharmazie������������������������������������������� 5 Chemie in Dahlem����������������������������������������������������������������������������������� 6 Institutsprofil������������������������������������������������������������������������������������������� 8 Aus der Forschung��������������������������������������������������������������������������������� 10 Anorganische Cluster und Nanostrukturen ������������������������������������� 10 Neuartige Edelgas- und Organometallverbindungen����������������������������������������������������������������� 12 Naturstoffe als Vorbilder für Wirkstoffe und Materialien������������������������������������������������������������������������������������� 14 Die starke Chemie der schwachen Bindung������������������������������������� 16 Schlüsselloch in den Nanokosmos����������������������������������������������������� 18 NMR-Spektroskopie funktioneller Moleküle����������������������������������� 19 Molekülspektroskopie: Vom Modell zur Anwendung��������������������� 20 Chemie an der Oberfläche������������������������������������������������������������������� 22 Makromolekulares Modelling������������������������������������������������������������� 23 Quantentheorien für chemische Bindungen und Reaktionen ������������������������������������������������������������������������������������� 24 Membran- und Strukturbiochemie ��������������������������������������������������� 26 Biochemie neurodegenerativer Erkrankungen��������������������������������� 28 Biochemische Grundlagen der regenerativen Medizin������������������� 29 RNA-Technologien��������������������������������������������������������������������������������� 30 Konzepte für anregenden Unterricht������������������������������������������������� 31 Nachwuchsgruppen������������������������������������������������������������������������������� 32 Sonderforschungsbereiche (SFB’s) ����������������������������������������������������� 33 Klung-Wilhelmy-Weberbank-Preis����������������������������������������������������� 34 Studium und Lehre������������������������������������������������������������������������������� 35 Masterstudiengang Polymer Science������������������������������������������������� 37 Junge Chemie����������������������������������������������������������������������������������������� 38 Wer forscht was?������������������������������������������������������������������������������������� 39 Lageplan ������������������������������������������������������������������������������������������������� 43 Kontakt und Service ����������������������������������������������������������������������������� 44 Institut für Chemie und Biochemie 3 Impressum Vorwort Fachbereich Biologie, Chemie, Pharmazie Exzellente Forschungsmöglichkeiten, vielfältige Studiengänge und wissenschaftliche Weiterbildung bietet der in drei Institute gegliederte Fachbereich Biologie, Chemie, Pharmazie. Über Forschung und Lehre am Institut für Chemie und Biochemie möchte Sie diese Broschüre informieren. Am Institut für Biologie gehören molekulare Pflanzenwissenschaft, Mikrobiologie, Neurobiologie, Ökologie, Biodiversität sowie die Evolution von Pflanzen und Tieren zu den vorrangigen Bereichen. Das Institut für Pharmazie konzentriert sich – neben den klassischen Gebieten Arzneistoffentwicklung und -prüfung – auf alternative Testverfahren und innovative Trägersysteme. Detaillierte Informationen über den Fachbereich erhalten Sie im Internet unter www.bcp.fu-berlin.de. In der Welt der Wissenschaft genießen die Institute einen ausgezeichneten Ruf. Dies verdanken sie international ausgewiesenen, motivierten Forschern, aber auch dem kreativen Umfeld, das die Berliner Forschungslandschaft bietet: Zahlreiche Projekte verbinden den Fachbereich nicht nur mit der Humboldt-Universität Berlin, der Technischen Universität Berlin sowie der Universität Potsdam, sondern auch mit namhaften außeruniversitären Einrichtungen. Zu diesem Netzwerk gehören die Biologische Bundesanstalt, die Bundesanstalt für Materialprüfung, das Robert-Koch-Institut, das Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie und das Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in Berlin-Buch, das Max-Planck-Institut für Molekulare Genetik, das Fritz-Haber-Institut, das Max-Born-Institut sowie das Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie. Darüber hinaus bestehen rege Kontakte zur Industrie, etwa zu BayerSchering-Pharma oder Pfizer. Impressum Herausgeber Institut für Chemie und Biochemie der Freien Universität Berlin Prof. Dr. Hans-Ulrich Reißig Institut für Chemie und Biochemie in der Takustraße Redaktion Catarina Pietschmann September 2008 Gestaltung und Satz UNICOM Werbeagentur GmbH Druck H. Heenemann GmbH, Berlin Bildnachweis Soweit nicht anders erwähnt: Institut für Chemie und Biochemie, Fachbereich Biologie, Chemie, Pharmazie Titelbild und Umschlaginnenseite: Kristallformen des Enzyms Lysozym, hergestellt im Praktikum „Proteinkristallographie“ der AG Saenger 4 Freie Universität Berlin Institut für Chemie und Biochemie 5 Chemie in Dahlem Chemie in Dahlem Chemie in Dahlem Am Anfang stand eine Vision: Ein „deutsches Oxford“ solle entstehen. Eine einzigartige Forschungslandschaft im Grünen, nahe dem Botanischen Garten in Berlin. Der ehrgeizigen Idee von Ministerialdirektor Friedrich Althoff schloss sich 1906 eine Gruppe von Professoren der Berliner Universität an, darunter Emil Fischer, organischer Chemiker und einer der Väter der Biochemie. Emil Fischer im Labor Im Jahr 1911 war es dann soweit: Wilhelm © GdCh II. gründete die Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften. Auf dem Gelände der königlichen Domäne Dahlem entstanden in den Folgejahren mehrere Forschungsstätten, darunter das Kaiser-WilhelmInstitut (KWI) für physikalische Chemie und Elektrochemie. Gründungsdirektor Fritz Haber (Nobelpreis 1918) studierte damals die Thermodynamik von Gasreaktionen und entwickelte aus Chlor- und Senfgas Kampfgase für den Fronteinsatz im Ersten Weltkrieg. Spätere grundlegende Arbeiten am Institut – etwa zur Kolloid- und Grenzflächenchemie oder zur Kristallstrukturanalyse – endeten abrupt 1933 mit der Machtergreifung der Nationalsozialisten. Fritz Haber weigerte sich, jüdische Forscher zu entlassen, und ging wie viele seiner Kollegen noch Fritz Haber und im gleichen Jahr ins Exil. Albert Einstein 1914 © MPG Am benachbarten KWI für Chemie, dessen Gründungsdirektor Ernst Beckmann war, leitete anfangs Richard Willstätter die organische Abteilung. 1915 erhielt er den Nobelpreis für die Aufklärung der Chlorophyllstruktur. Die Radiochemie unterstand Otto Hahn, der gemeinsam mit Lise Meitner und Fritz Strassmann 1938 erstmals die Kernspaltung nachwies. 1948 wurde das Gebäude des KWI für Chemie, ebenso wie mehrere andere Liegenschaften der ehemaligen Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft – inzwischen aufgegangen in der Max-Planck-Gesellschaft – von Lise Meitner und Otto Hahn 1913 der gerade gegründeten Freien Uniim KWI für Chemie © MPG versität Berlin übernommen. 6 Freie Universität Berlin Thematisch knüpften viele Arbeitsgruppen an die Forschungen ihrer Vorgänger in den KWI an. In der Anorganischen Chemie gibt es bis heute eine Professur für Radiochemie. Im 1961 gegründeten Institut für Physikalische Chemie standen elektrochemische Kinetik (Klaus Vetter), später auch Quantenchemie (Jaroslav Koutecký) sowie Grenzflächenphänomene und heterogene Katalyse (Wolfgang Hirschwald) im Vordergrund. Viele Forschungsarbeiten wurden und werden zusammen mit den Dahlemer Instituten der Max-Planck-Gesellschaft durchgeführt, deren wissenschaftliche Leiter – wie beispielsweise Gerhard Ertl (Nobelpreis für Chemie 2007) – oft gleichzeitig Professoren der Freien Universität sind. Die Organische Chemie am Institut sieht sich bis heute in der Tradition von Emil Fischer, der sich einst vehement für ein chemisches Institut in Dahlem einsetzte – ob in der Naturstoffsynthe- Georg Manecke se, der Kohlenhydrat- und Proteinche- (1916-1990) © GdCh mie oder der makromolekularen Chemie. Letztere wurde ab 1957 durch Georg Manecke vorangetrieben: Mit der Synthese von polymeren Gelen, Ionenaustauschern und reaktiven Polymeren, Arbeiten, die heute mit der Erforschung von Biopolymeren und synthetischen Polymeren – etwa für Anwendungen in Nanotechnologie und Nanomedizin – fortgesetzt werden. Bereits 1958 erhielt die Freie Universität als eine der ersten Universitäten in Deutschland einen Lehrstuhl für Biochemie. Seit 1989 forschen die Biochemiker an historischem Ort – im ehemaligen KWI für Chemie, heute Otto-Hahn-Bau genannt. Zu ihren Arbeitsfeldern gehören Peptid- und Neurochemie, Zellbiologie, RNA-Technologien und Membranforschung. Kaiser-Wilhelm-Institut für Chemie – heute Otto-Hahn-Bau der Freien Universität Institut für Chemie und Biochemie 7 Institutsprofil Institutsprofil Institutsprofil Fabeckstraße: Gebäude der Anorganischen Chemie Die Arbeit am Institut für Chemie und Biochemie ruht auf den klassischen Säulen des Faches – Anorganische, Organische, Physikalische und Theoretische Chemie, Biochemie sowie der Chemie-Didaktik. Sie stehen einerseits für eine moderne, fundierte Ausbildung von Chemikern, Biochemikern und Chemielehrern. Andererseits bilden sie die solide Basis für eine Vielzahl interdisziplinärer Forschungsprojekte zu relevanten Fragestellungen, die das grundlegende Verständnis der Natur erweitern oder – eher anwendungsorientiert – zu Fortschritten in Medizin und Technik beitragen. Das Themenspektrum ist breit gefächert. Photosynthese, Knochenregeneration, die Entstehung von Morbus Alzheimer oder funktionalisierte Metallkomplexe für die Diagnostik haben darin ebenso ihren Platz wie Nanopartikel, Femtosekundenchemie, Polymersynthese, Peptiddesign und die Totalsynthese pharmakologisch bedeutsamer Naturstoffe. Manchmal sind es grundlegende wissenschaftliche Fragen, die über die eigene Disziplin hinaus wirken und eine fächerübergreifende Zusammenarbeit bedingen. In anderen Fällen bildet eine Technologie – etwa die Kristallstrukturanalyse – die gemeinsame Basis für ein größeres Verbundprojekt, bei dem Chemiker mit Physikern oder Biologen, Medizinern und Pharmazeuten gleich ein Bündel unterschiedlicher Aspekte herausarbeiten. Beides sind gute Gründe für die Chemiker und Biochemiker der Freien Universität eng vernetzt mit Kollegen unterschiedlicher Fachgebiete an renommierten Instituten und Universitäten weltweit, vor allem aber an den anderen Berliner Universitäten und Instituten sowie der Charité zu kooperieren. Dies geschieht in der Lehre, wie beim Masterstudiengang „Polymer Science“, bei einzelnen Forschungsprojekten oder in größerem Rahmen, 8 Freie Universität Berlin zum Beispiel in den verschiedenen Sonderforschungsbereichen oder beim Exzellenzcluster „UNICAT“ (Unifying Concepts of Catalysis). Manches Forschungsergebnis ist so brillant, dass man es verkaufen sollte – und das tun die Wissenschaftler auch. Aus Projekten heraus entstanden bereits mehrere Firmen auf dem Campus, die innovative Produkte und Technologien bis zur Marktreife entwickeln. Externe Evaluationen bestätigen immer wieder die Leistungskraft der Forschung am Institut. So ergab etwa das Ranking des Centrums für Hochschulentwicklung (CHE), dass das Institut zu den forschungsstärksten in Deutschland zählt, und bei der Einwerbung von Drittmitteln und der Zahl der Promotionen pro Professur regelmäßig Spitzenplätze belegt. Der Wissenschaftsrat bewertete in seiner Pilot-Studie 2007, bei der 77 chemische Institute in Deutschland beurteilt wurden, die Effizienz der Forschung und die Nachwuchsförderung am Institut als „exzellent“. Es mag an derartigen Bewertungen liegen, vielleicht aber auch schlicht daran, dass viele Forschungsthemen spannend sind, auf der Höhe der Zeit liegen und durch international renommierte Professoren und Professorinnen vertreten werden: Für Promotionsstudenten wie Gastwissenschaftler aus dem In- und Ausland ist die Arbeit am Institut gleichermaßen attraktiv. Und so arbeiten unter anderem DAAD-, Marie-Curie- und Emmy-Noether-Stipendiaten Tür an Tür. Allein zwischen 2001 und 2005 forschten 27 Alexander-von-Humboldt-Stipendiaten und -Preisträger in den Dahlemer Labors. Neben Forschung und Lehre liegt dem Institut die populärwissenschaftliche Vermittlung von Chemie am Herzen. Durch Veranstaltungen für Laien und Schüler, aber auch in literarischer Form. Die preisgekrönten „Chemischen Delikatessen“ von Klaus Roth (als Zeitschriftenbeiträge oder Buch) zeigen immer neue kuriose, spannende und alltägliche Seiten einer vielseitigen, modernen Naturwissenschaft. Chemieprofessorinnen sind keine Seltenheit mehr an der Freien Universität Institut für Chemie und Biochemie 9 Aus der Forschung Aus der Forschung Anorganische Cluster- und Nanostrukturen Längst haben sie den Sprung vom Labor in den Alltag geschafft: Anorganische Cluster- und Nanostrukturen stabilisieren heute gefärbte Lebensmittel, bewirken den UV-Schutz in Sonnencreme, verbessern als Radiomarker die medizinische Diagnostik und machen Sportgeräte wie Tennisschläger bruchfest. Doch noch immer gilt ihnen auch rein wissenschaftliches Interesse: In fester wie auch in löslicher Form helfen sie beim Verständnis der chemischen Bindung sowie der elektronischen und magnetischen Eigenschaften des festen Zustands. Strukturen im Größenbereich von 1 bis 100 nm sind für die Grundlagenforschung so interessant, weil sich an ihnen der Übergang vom individuellen Verhalten eines einzelnen Moleküls zu dem eines ausgedehnten Festkörpers beobachten lässt, dessen Eigenschaften von kollektiven Phänomenen periodisch angeordneter Bausteine dominiert werden. Neben der Herstellung anorganischer Nanostrukturen in verschiedenen Größenbereichen ist deren gezielte Anordnung im Raum und die maßgeschneiderte Einstellung ihrer Eigenschaften sehr wichtig. Im Schwerpunkt Anorganische Cluster- und Nanostrukturen werden vor allem neue Synthesemethoden entwickelt, welche die selektive Einstellung und Verbesserung bestimmter Eigenschaften der Zielverbindungen erlauben. Bei den Cluster-Strukturen liegt der Fokus auf den Alkoxo-Verbindungen der frühen und mittleren Übergangsmetalle (wie etwa Titan, Vanadium, Mangan, Eisen oder Kobalt). Durch Verwendung von kleinen einzähnigen Liganden lässt sich Eisen-Oxo-Cluster mit 19 Eisen-Atomen Fe O C 2 nm 10 zum Beispiel die Bildung kompakter, hochaggregierter Cluster, die die Form einer Kugel anstreben, begünstigen. Auf diese Weise gelang bereits die Synthese von Alkoxo-Oxo-Eisen-Verbindungen, die 19 EisenAtome enthalten und Geordnetes Feld von Zinn-Nanoröhren damit zu den größten bislang synthetisierten Eisen-Sauerstoff-Clustern gehören. Es sind die einzigen molekularen Verbindungen mit einem {Fe(m6-O)6}-Kern. Sie zeigen bisher unbekannte, sehr komplexe magnetische und spektroskopische Nanopartikel und Pressling des Thermoelektrikums ZnSb Eigenschaften. Im Bereich größerer Nanostrukturen werden geregelt angeordnete Drähte und Röhren aus Metallen und Halbleitern untersucht. Durch formgebende Schablonen kann ihre Größe eingestellt und die Zusammensetzung variiert werden, wodurch Nanodrähte aus mehreren Komponenten zugänglich sind, die interessante optische Eigenschaften aufweisen. Ein weiterer Bereich ist die Erforschung von Pulvern anorganischer Nanopartikel, die thermoelektrische Eigenschaften zeigen, also in der Lage sind, Wärme in elektrische Energie umzuwandeln. Nanostrukturierte thermoelektrische Materialien versprechen eine deutlich bessere Nutzung von Abwärme im Energierecycling. Damit ließen sich beispielsweise Kraftstoffverbrauch und CO2-Ausstoß bei Kraftfahrzeugen verringern. Bei einem interdisziplinären Projekt, das gemeinsam mit anderen Arbeitsgruppen der Organischen Chemie des Instituts und der Charité im Rahmen des SFB 765 (s. S. 33) durchgeführt wird, geht es um lösliche anorganische Nanopartikel. Sie sind mit einer Schutzhülle überzogen, die mit biologisch aktiven Endgruppen (zum Beispiel zuckerartigen Molekülen) versehen ist, und werden als mögliche Therapeutika gegen chronische Entzündungen getestet. Freie Universität Berlin Institut für Chemie und Biochemie 3 AG Schlecht | AG Spandl 11 Aus der Forschung Aus der Forschung Neue Moleküle mit bislang unbekannten Bindungsmustern, ungewöhnlichen Strukturen oder bemerkenswerten Eigenschaften herzustellen, ist nach wie vor eine der wichtigsten Herausforderungen für synthetisch [AuXe4]2-: Die erste Verbindung mit einer Edelgasarbeitende Chemiker. Die Metall-Bindung Vielfalt der Kombinationsmöglichkeiten von Elementen und das stetig wachsende Verständnis zur Natur der chemischen Bindung erlauben es, früher nicht für möglich gehaltene Verbindungen zu erzeugen und deren Eigenschaften zu untersuchen. Solche Arbeiten werden in der modernen anorganischen Chemie schon fast routinemäßig von quantenchemischen Rechnungen begleitet. Stabile Verbindungen des reaktionsträgen Edelgases Xenon mit Metallen wie Gold oder Quecksilber lassen sich in supersauren Medien herstellen und in kristalliner Form isolieren. Sie enthalten Metall-Edelgas-Bindungen, die im Wesentlichen durch Einfachbindungen zwischen den 5d-Orbitalen des Xenons und den d-Orbitalen der Metalle bestimmt werden. Durch Auflösen von Xenon in reinem Antimonpentafluorid (SbF5) werden Xenon-Kationen wie das grüne Xe2+ oder das blaue Xe4+ gebildet. Solche Verbindungen sind von hohem theoretischem Interesse: Aus den experimentellen Messungen und parallel durchgeführten quantenchemischen Rechnungenr englisch kann für das tetramere Kation eine lineare Struktur mit kovalenten Bindungen zwischen den Xenonatomen vorhergesagt werden. Den hohen Wert von Prognosen der theoretischen Chemie für die Synthesechemie belegen auch Versuche, die mit trifluormethylierten Fulleren-Molekülen durchgeführt wurden. Aus Milliarden von Möglichkeiten gelang die korrekte Vorhersage von stabilen Isomeren solcher substituierter C74- Experimentell bestimmte Struktur eines und C78-Kohlenstoffbälle. CF3-substituierten Fullerens Die experimentelle Bestimmung der Elektronendichteverteilung in Molekülverbindungen erlaubt eine direkte Bewertung kontrovers diskutierter Bindungskonzepte und liefert Grundlagen für die Weiterentwicklung der Vorstellungen zur chemischen Bindung. Von medizinischer Bedeutung sind Molekülverbindun- Hirn-Schnittbild eines Schlaganfall gen mit radioaktiven Rhenium- patienten (mittels Technetiumkomplex). und Technetiumkomplexen. Gelb-rot: gut durchblutet; blau: schlecht Die β-strahlenden Rhenium- durchblutet © Amersham isotope 186Re und 188Re sind für die nuklearmedizinische Therapie interessant. Komplexe mit dem metastabilen Kernisomeren 99mTc werden dagegen in der Routinediagnostik zur Untersuchung unterschiedlicher Krankheitsbilder – etwa bei HerzKreislauferkrankungen, Schlaganfall und Tumoren – und von Organsystemen (zum Beispiel Lunge, Leber- und Gallenwege oder Skelett) eingesetzt. Komplett abgeschirmtes TechneFür die Synthese von funktionsspetiumatom in einem Komplex mit zifischen radioaktiven Markern ist es vier N-heterocyclischen Carben- wichtig, die Metallatome in eine funkLiganden tionale Hülle aus organischen Liganden einzubetten. Es ist kürzlich gelungen, luft- und wasserstabile Organotechnetiumverbindungen mit N-heterocyclischen Carben-Liganden herzustellen, bei denen eine Hülle aus Kohlenstoff- und Stickstoffatomen das Metallzentrum der Verbindungen nahezu komplett abschirmt. Die biologischen Eigenschaften der radioaktiven Moleküle können so durch periphere Substituenten gezielt gesteuert werden. Ähnliche Erfolge lassen sich mit vielzähnigen Ligandsystemen Experimentell bestimmte Elek erzielen, die die Metallatome vollstäntronendichte im Diboran (B2H6) dig umhüllen und den Markermolekülen durch den Chelat-Effekt eine hohe thermodynamische Stabilität verleihen. Durch Kopplungen an biologisch aktive Peptide und Proteine können funktionsspezifische 3 AG Seppelt | AG Abram | AG Lentz Biokonjugate erzeugt werden. 12 Institut für Chemie und Biochemie Anorganische Molekülchemie Neuartige Edelgas- und Organometallverbindungen Freie Universität Berlin 13 Aus der Forschung Aus der Forschung Stereoselektive Synthese und Bioorganische Chemie Naturstoffe als Vorbilder für Wirkstoffe und Materialien Chemiker orientieren sich bei der Entwicklung von Wirkstoffen und Materialien häufig an Naturstoffen. Doch aus natürlichen Quellen lassen sich oft nur minimale Substanzmengen isolieren. Erst nach der Laborsynthese in größerem Maßstab können Biosynthesewege, exakte räumliche Struktur sowie Zusammenhänge zwischen Struktur und Eigenschaften aufgeklärt werden. Derartige Studien liefern Leitmotive für die Entwicklung von effektiveren Arzneimitteln. Der Einbau nicht-natürlicher Aminosäuren ist dabei eine viel versprechende Strategie zur pharmakologischen Optimierung von Peptiden und Proteinen. Durch Modifikationen der proteinogenen Aminosäurestrukturen können diese Eiweißstoffe gegenüber abbauenden Enzymen stabilisiert und ihr Membrantransport beeinflusst werden. Oft werden Peptide dadurch überhaupt erst als Pharmaka einsetzbar. Im Bereich Synthesechemie/Bioorganische Chemie werden neue Klassen nicht-natürlicher Aminosäuren entwickelt. Etwa hetero cyclische Aminosäuren, die eine Dipeptid-Einheit simulieren und zu neuen Strukturen und biologischen Eigenschaften führen – zum Beispiel als Protease-Inhibitoren. Die Verwendung von Fluor hat sich ebenfalls als nützliches Werkzeug zur Modulation von Peptideigenschaften erwiesen. In einem Projekt werden deshalb Peptidmodelle entwickelt, die erstmalig die Untersuchung der komplexen molekularen Wechselwirkungen erlauben, die Fluoralkylgruppen hinPeptidmodelle zum Studium der Umwandlung von helikal strukturierten Peptiden in Amyloide. Als Auslöser der Umwandlung gelten Änderungen in Umgebungsbedingungen wie pH-Wert, Salzgehalt, Metallionen oder die räumliche Nähe zu Membranen. Die Bedingungen, unter denen einmal gebildete Amyloide wieder löslich werden, sind bisher ungeklärt. a-Helix-Bündel b-Faltblatt/Amyloid 14 Freie Universität Berlin sichtlich Raumerfüllung, Lipophilie und der Ausbildung von Wasserstoffbrücken im Kontext einer nativen Proteinumgebung ausprägen. Proteine können verschiedene Heliquinomycin räumliche Strukturen einnehmen. Dies ist unter anderem bei neurodegenerativen Erkrankungen, wie Alzheimer (siehe auch S. 28) oder Creutzfeldt-Jakob, bedeutsam. Die Änderung der Struktur bewirkt die Bildung von Plaques, deren Ablagerung das Nervengewebe irreversibel zerstört. Dafür werden Modellsysteme auf Peptidbasis entwickelt. Um die Wechselwirkung von natürlichen und synthetisierten Wirkstoffen mit Proteinen geht es auch in anderen Forschungsprojekten. Der Naturstoff Heliquinomycin wurde bisher nur in kleinsten Mengen aus dem Pilz Streptomyces sp MJ 929-SF2 isoliert. Er ist ein Antibiotikum, zählt aber auch zu den wenigen bisher bekannten Helikase-Inhibitoren – Substanzen, die das Aufwinden der doppelsträngigen DNA blockieren. Diese Eigenschaft gilt als viel versprechender Ansatz für die Therapie verschiedener Krankheiten, zum Beispiel von Krebs. Bisher gibt es jedoch keine ausreichenden Mengen dieser Inhibitoren oder ihrer Analoga, was ihre Synthese so wichtig macht. Auch Zucker und zuckerähnliche Substanzen wie Glycosidaseinhibitoren sowie vollständig nicht-natürliche Verbindungen werden in verschiedenen Projekten synthetisiert und studiert. Ihre Eignung als multivalente Liganden wird im Rahmen des SFB 765 (s. S. 33) in mehreren Kooperationen untersucht. Naturstoffe und deren Organisationsprinzipien dienen jedoch auch Australin, ein Glykosidasehemmer als Vorbilder zur Entwicklung neuaus Castanospermum australe er Materialien. Ausgefeilte Synthesekonzepte, selektive Verfahren sowie geeignete Methoden zur Strukturaufklärung sind dafür notwendig. In Kooperation mit der Anorganischen Chemie werden Peptidmodelle und multivalent bindende Heterocyclen studiert, welche die reversible Organisation von funktionalisierten Nanopartikeln in Netz3 AG Koksch | AG Reißig werken ermöglichen sollen. Institut für Chemie und Biochemie 15 Aus der Forschung Aus der Forschung Supra- und Makromolekulare Chemie Die starke Chemie der schwachen Bindung Die quirlige Dynamik des Lebens beruht auf ständiger Veränderung. Dies wäre undenkbar, gäbe es nur die starken kovalenten Bindungen, welche die Atome innerhalb der Makrocyclen, hochgeordnet abgeschieden auf einer Moleküle zusammen- Kupferoberfläche (STM-Bild; rechts: 2 x 2 nm) halten. Erst Wasserstoffbrücken zwischen Wassermolekülen machen Wasser bei Raumtemperatur flüssig. Schwache Kräfte zwischen den Bestandteilen von Zellmembranen sorgen für Geschmeidigkeit und erlauben der Zelle, ihre Form zu verändern. Vererbung – mittels Trennung der beiden DNA-Stränge – wäre ohne nicht-kovalente Kräfte kaum mit ausreichender Geschwindigkeit zu bewerkstelligen. Der menschliche Stoffwechsel verfiele ins Chaos, könnten Enzyme nicht diejenigen Mole küle erkennen, die sie zur Reaktion bringen sollen. Erst Ende der 1960er Jahre erhoben Chemiker die schwachen Bindungen zu einem eigenen Forschungsthema. Seitdem hat die Supramolekulare Chemie eine fast komplette Innovationskette entwickelt. Begann alles mit der genauen Untersuchung einzelner schwacher Kräfte, werden inzwischen chemische Schablonen zur Lenkung von Reaktionen genutzt. Selbstorganisation von (mit den passenden Bindungsstellen programmierten) Molekülen erleichtert den Aufbau hochkomplexer Molekülarchitekturen. Erkennung und Einschluss von kleineren Gastmolekülen in größere Wirte machen die gezielte Entwicklung von Sensoren möglich. Moleküle mit Funktion sind en vogue und zielen auf Anwendungen in den Bio- und Materialwissenschaften ab – etwa auf Schalter und LeiterMit Hilfe eines Templats durch ein bahnen für die molekulare Elektronik, Lichtsammelantennen zur Kon- ringförmiges Molekül (schwarz) version von Licht in chemische Energie durchgefädelte Achse (blau) 16 Freie Universität Berlin oder miniaturisierte molekulare Motoren. Zahlreiche Biomoleküle sind chemisch betrachtet komplex strukturierte Polymere von bis zu etlichen Nanometern Größe. Auf solchen Längenskalen dockt zum Beispiel ein Virus an eine Zelle an. Dabei erhöht es seine Bindungsstärke massiv durch simultane Bindung an eine große Dendrimer mit Zuckereinheiten (rot) Zahl von Andockstellen. Chemi- als Bindungsstellen ker sprechen hier von Multivalenz. In solche Prozesse lässt sich gezielt nur mit der gleichen Strategie eingreifen. Baumartig verzweigte Dendrimere erfüllen die nötigen Anforderungen: große Durchmesser bei dichter Bedeckung mit vielen Bindungsplätzen. An der Freien Universität Berlin wird eine Reihe von Aspekten entlang dieser Innovationskette erforscht. Massenspektrometer, höchstpräzise Waagen zur Bestimmung der Molekülmassen, helfen, der Natur der schwachen Bindungen auf den Grund zu gehen, denn sie erlauben eine Untersuchung isolierter Komplexe im Hochvakuum. Neben dem Grundlagenaspekt steht der praktische Einsatz der schwachen Kräfte. Etwa zum Einschluss kleinerer Moleküle in den Hohlraum von Kapseln oder zur Schaltung der molekularen Beweglichkeit durch gezielte Beeinflussung nicht-kovalenter Bindungen über äußere Signale. Mit derartigen Prozessen werden biochemische Vorgänge in synthetischen Modellsystemen untersucht. Relevant für die Materialwissenschaften ist die gezielte Strukturierung von Oberflächen durch Abscheidung von schwach gebundenen Komplexen. Dies kann mit Rastertunnelmikroskopie bis auf submolekulare Ebene abgebildet werden. Mit dem Sonderforschungsbereich 765 „Multivalenz“ (s. S. 33), der in 2008 gestartet wurde, liegen die Supra- und Makromolekulare Chemie im Zentrum der Forschungs3 AG Schalley | AG Haag schwerpunkte. Farb- bzw. Wirkstoff pH-/Enzym Spaltung Selektive Verkapselung Kontrollierte Freisetzung Nanotransporter Institut für Chemie und Biochemie 5-20 nm 17 Aus der Forschung Aus der Forschung Elektronenmikroskopie NMR-Spektroskopie funktioneller Moleküle Schlüsselloch in den Nanokosmos Die Kernmagnetische Resonanz, kurz NMR, ist eine etablierte Methode zur Strukturanalyse von chemischen Verbindungen. Sie ist jedoch auch geeignet, eine Vielzahl von wichtigen Phänomenen zu untersuchen, welche die Dynamik von Molekülen in verschiedenen Umgebungen betreffen. Für viele Disziplinen der Chemie ist es notwendig, den exakten Aufbau von makro- oder supramolekularen Architekturen sichtbar zu machen. Erst die Kenntnis der Struktur ermöglicht es, Verhaltensoder Wirkungsweise von komplexen Gebilden – etwa von Proteinen oder künstlichen Makromolekülen für die Nanotechnologie – zu verstehen. Das hilft Chemikern, beispielsweise folgende Fragen zu beantworten: Wie müssen bestimmte Polymere, so genannte Dendroamphiphile, konzipiert sein, damit sie in wässriger Lösung in immer gleicher Anzahl und Anordnung stabile Aggregate bilden? Im Inneren solcher Strukturen können Gastmoleküle, zum Beispiel Arzneistoffe, geschützt und „getarnt“ transportiert werden. Wie lassen sich Virusinfektionen effizient unterbinden, indem bestimmte makromolekulare Werkzeuge der Viren, so genannte Fusionsproteine, durch Zugabe von „Störmolekülen“ (Inhibitoren) gehemmt werden? Strukturuntersuchungen an derartigen Objekten, die nur wenige Millionstel Millimeter groß sind, lassen sich mit modernen Transmissions-Elektronenmikro skopen (TEM) durchführen. Biologische und organisch-chemische Materialien können jedoch bei der Durchstrahlung mit Elektronen geschädigt werden. Dieses Problem lässt sich bei der „Kryo-TEM“ reduzieren: Die Objekte werden in dünne, glasartig schockgefrorene Wasserschichten von 100 bis 200 nm eingebettet und bei -175 °C mikroskopiert. Mittels moderner Bildverarbeitung lassen sich aus den eher kontrastarmen und 13 nm „verrauschten“ Mikroskopaufnahmen in Einzelfällen die dreidimensionalen Strukturen der Objekte bestimmen. So erhält man Aufschluss, inwieweit sich Modifikationen an Einzelmolekülen auf die StrukOben: Kryo-TEM-Aufnahme tur ihrer Aggregate auswirken. Diese Ervon Influenza-Virus, rot: ein kenntnisse sollen es ermöglichen, künftig Fusionsprotein (HA) gezielt definierte Aggregate bestimmter Unten: 3D-Rekonstruktion Größe, Struktur und Eigenschaften für des HA; gelb: Bindungsstelle nanotechnologische Anwendungen her3 AG Böttcher für Inhibitoren zustellen. Ein Beispiel dafür sind Ruthe nium-Nanokatalysatoren, die am Institut in Kooperation mit Gruppen in Jena und Toulouse untersucht werden. Mobile Wasserstoffatome auf Ru-Oberflächen und intermediäre Oberflächenspezies der katalytischen Hydrierung von Ethen wurden Katalytische Aktivität und Wasserstoffmit Hilfe verschiedener Fest- mobilität von Ruthenium-Nanopartikeln körper-NMR-Techniken nach- (García-Antón et al., Angew. Chem. 2008) gewiesen und charakterisiert. Ein anderes Beispiel ist das Leberenzym Aspartat-Aminotrans ferase. Ihr Kofaktor Vitamin B6 – im aktiven Zentrum mit dem stabilen Isotop 15N markiert – wurde mit Flüssigkeits- und FestkörperNMR-Spektroskopie untersucht. Die Geometrie der kritischen O-HN-Wasserstoffbrücke wurde durch den Vergleich mit Modellsystemen charakterisiert. Die Ladungsverteilung, die aus der Protonenposition nahe am Stickstoff resultiert, ist eine Voraussetzung für die Initiierung der Enzymkatalyse. Unter physiologischen Bedingungen in Wasser sind weder der Pyridinring noch die Asparat-Seitenkette protoniert – im Gegensatz zum aktiven Zentrum. Überraschend ist der Befund, dass die dielektrischen Eigenschaften des aktiven Zentrums eher typisch für polare organische Lösungsmittel sind als für wässrige Um3 AG Limbach gebungen. 18 Institut für Chemie und Biochemie Freie Universität Berlin Systeme Phänomene 3 Organische und metallorga nische Modellsysteme 3 Flüssigkeiten und Festkörper 3 Nanopartikel 3 Wirkstoffe in festen Arzneistoffträgern 3 Polymere mit sauren oder basischen Gruppen 3 Mesoporöse Feststoffe 3 Enzymmodelle 3 Wasserstofftransfer und Wasserstoffbrückenbindung 3 Isotopeneffekte 3 Säure-Base-Theorie 3 Wirkstoffstabilität 3 Moleküle in begrenzten Porengeometrien 3 Molekulare Wechselwirkungen in Grenzflächen 3 Katalytische Prozesse 19 Aus der Forschung Aus der Forschung Molekülspektroskopie Vom Modellsystem zur Anwendung Die Physikalische Chemie zählt zu den ältesten interdisziplinären Fachgebieten der Naturwissenschaften. Grundlegende physiko-chemische Studien sind die Basis für vielfältige Anwendungen in den Material-, Lebensund Umweltwissenschaften. Die fortschreitende Miniaturisierung von Materialien Größenabhängige Lumineszenz von Halbleiund deren Bausteinen erfor- ter-Quantendots (2-5 nm): Eine empfindliche dert genaue Untersuchungen Sonde für die Diagnostik zu den größenabhängigen Eigenschaften der Materie. Dazu gehören Studien an isolierten Atomen und Molekülen in der Gasphase, die Synthese von Clustern im Molekularstrahl sowie die Präparation von geordneten molekularen Filmen. Nanopartikel lassen sich kolloid-chemisch herstellen und gezielt strukturieren. Die geometrische und elektronische Struktur der Systeme wird unter anderem mit Kurzpulslasern, Synchrotronstrahlung, Freie-Elektronen-Lasern sowie der Anlagerung langsamer Elektronen (0 – 10 eV) untersucht. Zu den Schwerpunkten der Forschung gehören Cluster variabler Größe, denn sie sind ideale Modellsysteme für nanoskopische Materialbausteine. Ihre größenabhängigen Eigenschaften werden mit weiSchädigung der DNA durch die Anlagerung langsamer Elektronen DNA Elektronen niedriger Energie DNA Strang bricht Molekulare Resonanz 20 Freie Universität Berlin cher Röntgenstrahlung und resonanter Elektronenanlagerung bestimmt. Geformte Laserpulse im Femtosekundenbereich erlauben die gezielte Optimierung des selektiven Bruchs chemischer Bindungen und damit die Kontrolle chemischer Reaktionen. Um die intrinsischen Eigenschaften einzelner Nanopartikel ohne Kontakt zum Sub strat bestimmen zu können, werden Partikelfallen oder Nanopartikelstrahlen verwendet. Wegen ihrer größenselektiven Lumineszenz- und magnetischen Eigenschaften sind Nanopartikel als selektive Sonden interessant. Sie eignen sich für Studien an lebenden Zellen und Geweben – für diagnostische wie für therapeutische Zwecke. Die gezielte Veränderung der äußeren Grenzflächen der Partikel ist wesentlich für deren Aufnahme in die Zelle. Systematische Untersuchungen erfolgen unter Berücksichtigung von mono-, bi- und multivalenten Funktionalisierungen. Prozessstudien zur at mosphärischen Umwelt forschung sowie zu astrochemisch gebildeten Substanzen sind die Voraussetzung zur Interpretation von Feldmessungen und helfen, Modelle zu verbessern. Photolyseprozesse an atmosphärischen Spuren- Nanopartikel ( l.) in lebende Zellen und Gewebe gasen werden im Labor (r.). Röntgen-Mikroskopie liefert einen elementmit Laserexperimenten spezifischen Kontrast simuliert. Gespeicherte Einzelpartikel ahmen dabei die Eigenschaften des atmosphärischen Aerosols und von Wolkenteilchen nach. Der Abbau von schwer flüchtigen Umweltchemikalien, wie etwa Pflanzenschutzmitteln, wird experimentell in kinetischen Experimenten nachgestellt. Um die Empfindlichkeit und Selektivität spektroskopischer Untersuchungen zu verbessern, sind innovative Methoden notwendig. Dazu werden in Verbundvorhaben neue Instrumentierungen im Umfeld der Synchrotronstrahlung und Freie-Elektronen-Lasern entwickelt und eingesetzt. Auf dem Gebiet der resonanten Elektronenanlagerung liegt der Fokus auf der Untersuchung resonanzverstärkter Vorgänge in biomolekularen Systemen, insbesondere in der DNA und deren Bausteinen. So lassen sich molekulare Vorgänge aufklären, die bei Strahlenschäden in lebenden Zellen ablaufen oder beim Einsatz von Radiosensibilisatoren in der Tumortherapie. Derartige Studien sind die Basis für 3 AG Rühl | AG Illenberger effektivere Krebsbehandlungen. Institut für Chemie und Biochemie 21 Aus der Forschung Aus der Forschung Chemie an der Oberfläche Makromolekulares Modelling Einfache Modellsysteme aus höchstreinen Metall- oder OxidEinkristallen – auch in Form dünner epitaktischer Filme – mit definierter Oberflächenstruktur in ihrer Wechselwirkung mit ausgewählten Gasen oder Dämpfen im Ultrahochvakuum stehen im Zentrum der Forschung. Zu den aktuellen Mit Silber bedampfte, gestufte Rhenium-Oberfläche Projekten gehört un- (STM-Bild, 350 Å x 350 Å) ter anderem die Untersuchung der Wechselwirkung von Wasserstoff mit Metalloberflächen. Ziel ist es, die Prozesse zu verstehen, die sich beispielsweise beim Lösen von Wasserstoff in Speichermaterialien abspielen. Als Untersuchungsmethoden dienen niederenergetische Elektronenbeugung (LEED), Thermodesorption (TDS), Schwingungsspektroskopie und Photoelektronenspektroskopie. Beim Wachstum dünner Metallfilme auf Metalloberflächen werden Thermodynamik und Kinetik des Filmwachstums untersucht, das lagenweise flach oder in Form von 3D-Aggregaten (Clustern) erfolgen kann. Diese Vorgänge werden mit LEED, TDS und Rastertunnelmikroskopie (STM) beobachtet. Ein weiteres Projekt ist die Koadsorption von Edelmetallatomen (Ag, Au) und Gasen auf der Oberfläche eines hochschmelzenden Metalls wie Rhenium. Unter geeigneten Druck- und Temperaturbedingungen können zum Beispiel Kohlenmonoxidmoleküle durch ihre eigene Adsorption Gold- oder Silberatome reversibel zu dichteren Inseln zusammenschieben. Dies ist ein Hinweis auf die strukturelle Dynamik von Katalysatormaterialien unter den rigiden Bedingungen technischer Katalyse – hohe Drücke und Temperaturen. Außerdem wird die katalytische Aktivität von reinen und mit Gold dotierten Titandioxidfilmen erforscht – beispielsweise von Rutil(011)(2x1). Derartig orientierte Filme werden durch Epitaxie präpariert und dann auf ihre katalytische Aktivität bei der Oxidation von Kohlenmonoxid studiert. Seit 15 Jahren ist bekannt, dass TiO2/Au diese Reaktion effizient katalysiert, allerdings sind die Gründe dafür bisher kaum verstanden. Ziel ist es, hier zu einer Klärung beizutragen. 3 AG Christmann In jeder biologischen Zelle laufen zahlreiche ineinandergreifende Prozesse ab – entweder selbstreguliert oder durch Signale gesteuert. Sie gewährleisten Erhalt, Wachstum und Reproduktion der Zelle. Bei diesen komplexen Vorgängen übernehmen Eiweißmoleküle (Proteine) als „molekulare Maschinen“ zentrale Aufgaben. Die Natur hat die nur wenige Nanometer großen Proteine (1 nm = 0,000000001 m) für diese Zwecke im Laufe von Milliarden Jahren mit äußerst präzisen Strukturen und Funktionen versehen. Zu den elementarsten Vorgängen in Proteinen zählt der Transport von Ladung (Elektronen und Protonen). Derartige Transferprozesse werden beispielsweise in Pflanzen für die Umwandlung von Licht energie in elektrische Energie benötigt – für die ersten Schritte in der Photosynthese. Praktisch alle Zellen benutzen diese Prozesse auch bei der Umwandlung von Nahrung in eigene Biomoleküle. Durch Bildung und Zerfall einer Vielzahl von Komplexen, die jeweils aus mehreren Proteinen bestehen, werden Signale ausgelöst, welche diverse Vorgänge in der Zelle an- oder abschalten. Viele Erbkrankheiten basieren auf einer Störung solcher Proteinkomplexe. Eine andere wichtige Gruppe sind Kanalproteine, die in den Zellmembranen sitzen und dort den Durchfluss von Wasser oder bestimmten Ionen regulieren. Theoretische Arbeiten tragen dazu bei, die Funktion der Proteine bei diesen Prozessen besser zu verstehen – auch mit dem Ziel, deren Abläufe zu verändern. So könnte in Zukunft zum Beispiel das Energieproblem mit künstlicher Photosynthese gelöst oder Erbkrankheiten geheilt werden. Dazu werden Protonen- und Elektronentransfer-Prozesse in den Proteinen der Photosynthese sowie die Leitung von Ionen in Kanalproteinen am Computer simuliert. Die räumliche Anordnung von 3 AG Knapp Proteinen wird in ihren Komplexen modelliert. 22 Institut für Chemie und Biochemie Freie Universität Berlin links: Ammonium Kanalprotein © Science 2004 | rechts: vier Proteinpaare als Komplex, größeres Protein vollständig, kleineres als Stäbchenmodell im Kontaktbereich 23 Aus der Forschung Aus der Forschung Quantentheorien für chemische Bindungen und Reaktionen Dem Thema nach Chemie, von der Methode her Physik und angewiesen auf die Hilfsmittel der Mathematik und Informatik: Das ist Theoretische Chemie. Sie beschreibt Eigenschaften und Phänomene der Materie – von einfachen gasförmigen Molekülen bis zu komplexen Festkörpern. Dazu gehören die Quantenchemie molekularer und periodischer Systeme, die Quantenreaktionsdynamik Hexagonale Kristallstruktur von Zink und die Theorie der Wechselwirkung von Molekülen mit elektromagnetischen Feldern. Stets geht es um Aufklärung und Vorhersage von Experimenten, aber auch um die Entwicklung dazu erforderlicher Methoden. Ziel der Quantenchemie ist die detaillierte Beschreibung der Bindung zwischen Atomen und Molekülen. Obwohl die Bindungsarten in der Chemie unterschiedlicher nicht sein können – von starken kovalenten oder ionischen Bindungen hin zu schwachen Wasserstoffbrücken- und van der Waals-Bindungen – ist das Prinzip doch immer das gleiche: Es geht um die Anziehung und Abstoßung von Elektronen und Atomkern. Es gilt, Methoden zu entwickeln, die es ermöglichen, die vielen wechselwirPotenzialfläche für Zink in Abhängikeit kenden Elektronen eines konder beiden Gitterkonstanten densierten Systems – in einem Kubikzentimeter Materie sind es circa 1023 – ab initio beschreiben und Materialeigenschaften berechnen zu können. Ein Beispiel dafür ist die Erklärung der anomalen Gitterstruktur metallischen Zinks: Von Metallen mit geschlossenschaligen Atomen erwartet man, dass sie sich in einer Kugelpackung anordnen. Während Mag nesium tatsächlich in dichtester Packung vorliegt, findet man bei Zink und Cadmium eine stark verlängerte c-Achse. Mit ab initio Rechnungen der Potential- fläche können wir die Ursache des anomalen Verhaltens von Zink erklären und vorhersagen, dass Zink auch in idealer Kugelpackung existieren sollte – eine Herausforderung an die experimentell tätigen Kollegen. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Theorie der Femtosekundenchemie, Anregung molekularer Drehungen durch einen deren Ziel die Beschrei- Laserpuls und Übersetzung in Wellenpaket bung und Kontrolle che- dynamik mischer Elementarreaktionen im Femtosekundenbereich (1 fs = 10-15 s) ist. Auf dieser Zeitskala brechen und entstehen chemische Bindungen. Durch gezielte Anregung, insbesondere durch ultrakurze Laserpulse, lassen sich Reaktionen so kontrollieren, dass sie zu einem bestimmten Produkt führen. Wir simulieren solche Prozesse, indem wir Größen wie Bindungslängen oder -winkel mit Hilfe von so genannten Wellenpaketen beschreiben. Wellenpakete bewegen sich in einem „Potenzialgebirge", welches die Wechselwirkungen zwischen den Atomkernen beschreibt. Simulation und Kontrolle derartiger Reaktionen erfordern die Verknüpfung von Methoden der Quantenchemie, Quantenreaktionsdynamik und Laserpulsoptimierung. Zu den konkreten Anwendungen gehören die Trennung von Kernspin-Isomeren, die Kontrolle von Reaktionen in Festkörpern und die Simulation von lichtgetriebenen molekularen Rotoren – Arbeiten, die in das Gebiet des molecular engineering führen. Neuerdings übertragen wir diese Konzepte auch auf die Kontrolle der Elektronenbewegung, wie etwa die Induktion von elektronischen Ringströmen. Da sich Elektronen 1000 mal schneller als Atomkerne bewegen, müssen Anregung von Kernrotadie Laserpulse 1000 mal kürzer sein. Damit tionen und elektronischen wird das Neuland der Attosekundenchemie 3 AG Manz | AG Paulus Ringströmen betreten. 24 Institut für Chemie und Biochemie Freie Universität Berlin 25 Aus der Forschung Aus der Forschung Membran- und Strukturbiochemie Von intrazellulärer Membrandynamik zu Proteinstrukturen Wer einmal das schier unendliche Gewirr membranumhüllter Organellen in einer lebenden Zelle im Licht- oder Elektronenmikroskop betrachtet hat, wird sich fragen: Wie ist es möglich, den Überblick in diesem „Verkehrschaos“ zu behalten? Gerichteter Membranverkehr, der klaren räumlichen und zeitlichen Mustern folgt, ist jedoch notwendig, damit Zellen ihre spezifischen Funktionen bei der Bildung von Geweben oder der Signalweiterleitung in das Zellinnere ausüben können. Die Aufklärung der molekularen Regeln, denen die intrazelluläre Membran- und Proteindynamik folgt, sowie die Architektur der daran beteiligten Proteinkomplexe, ist ein Schwerpunkt am Institut. Darüber hinaus werden die Wechselwirkungen von Proteinen mit Nukleinsäuren und Membranlipiden studiert. Einblicke in die molekulare Architektur und Dynamik membrangebundener Proteine und ihrer Partner sind die Voraussetzung für das Verständnis zentraler bioenergetischer Prozesse – etwa der Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie bei der Photosynthese oder bei biomedizinischen Prozessen wie der Übertragung chemischer Signale im Nervensystem. Sie sind aber auch eine wesentliche Grundlage für die Entwicklung moderner Arzneistoffe. Struktur des Photosystems II (PSII), das in der Thylakoidmembran von Pflanzen, Grünalgen und Cyanobakterien eingebettet ist. PSII besteht aus zwei Monomeren, die jeweils 20 Proteine (verschiedene Farben) und 92 Kofaktoren enthalten (grün: Chlorophylle; orange: Carotine; Lipide). Zylinder: α-Helices ; Pfeile: β-Stränge Zweifache Rotationsachse, die Monomer 1 in Monmer 2 überführt Monomer 1 Monomer 2 Membran Membran Hierbei kommt eine sich ständig erweiternde Palette molekular- und zellbiologischer, biochemischer und strukturbiologischer Methoden zum Einsatz. Dazu zählen unter anderem hochauflösende licht- und elektronenmikroskopische Untersuchunsynaptischer Spalt Freisetzung des gen lebender oder fiRezyklierung Botenstoffs xierter Zellen und Gewebe sowie die Entwicklung biologischer Membrandynamik an chemischen Synapsen. BotenModellsysteme auf stoff enthaltende membranumhüllte Bläschen (synapBasis RNA-technolo- tische Vesikel) werden nach Ausschüttung des Neurogischer und geneti- transmitters in den synaptischen Spalt rezykliert. scher Methoden. Aber auch die multidimensionale Kernresonanzspektroskopie und die Proteinkristallographie spielen eine Rolle. Letztere zeigen die atomare Architektur eines Makromoleküls – einschließlich der genauen Wechselwirkungen zwischen Enzym und Substrat, von Rezeptor und Ligand oder von Komplexen zwischen biologischen Makromolekülen wie Proteinen, Nukleinsäuren, Kohlenhydraten und Lipiden. Die Kenntnis dieser Strukturen erlaubt die Modellierung der Dynamik von Protein-Protein- oder Protein-Ligand-Interaktionen mittels computergestützter Verfahren. Wichtige Kooperationspartner bei diesen Projekten sind das Berliner Synchrotron BESSY, das Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC), das Leibniz Institut für Molekulare Pharmakologie (FMP) und die Charité Berlin. Die Forschungsaktivitäten der Membran- und Strukturbiochemie sind zudem Teil des Exzellenzclusters „Neurocure“. Die pure Neugier, Regeln und Muster der intrazellulären Membrandynamik sowie die molekularen Baupläne membrangebundener Proteine und Proteinkomplexe zu entschlüsseln, ist nur eine Triebkraft dieser Forschung, denn es besteht auch die berechtigte Hoffnung, durch Kombination funktioneller und struktureller Methoden Ansätze zur Entwicklung von innovativen Wirkstoffen zu formulieren. Sie könnten einmal die Basis für maßgeschneiderte Therapien zur Behandlung neurodegenerativer Erkrankungen oder von Erbkrankheiten wie mentaler Retardierung oder bestimmter Immundefizite bilden. 26 Freie Universität Berlin Institut für Chemie und Biochemie 3 AG Haucke | AG Saenger 27 Aus der Forschung Aus der Forschung Biochemie neurodegenerativer Erkrankungen Die rapide Zunahme verschiedener Demenzformen aufgrund der Überalterung der Gesellschaft ist eine der großen gesellschaftlichen Herausforderungen. Mit etwa 60 Prozent der Krankheitsfälle stellt Morbus Alzheimer die häufigste Demenzerkrankung dar. Die Erforschung ihrer biochemischen Ursachen ist das Hauptprojekt der Neurobiochemie am Institut. Ein Kennzeichen der Alzheimer-Krankheit sind Proteinablagerungen im Gehirn der Patienten. Bisher ist nicht genau geklärt, wie diese „Plaques“ entstehen. Hierfür werden Modellsysteme der Biochemie wie in vitro Tests, Zellkultursysteme und Tiermodelle gepaart mit modernen Analysetechniken, darunter MALDI-MS, NMR- und EPRSpektroskopie sowie Röntgenstrukturanalysen eingesetzt. Die Bildung des krankmachenden Peptids „Ab42“ zu entschlüsseln, ist eine wesentliche Grundlage für neue Diagnostik- und Therapieansätze. Die Ziele aktueller Projekte sind – neben der Auffindung therapeutischer Zielstrukturen und Leitsubstanzen – die Entwicklung einer einfachen, sicheren und schnell durchführbaren Diagnostik der Krankheit. Biochemische Grundlagen der regenerativen Medizin Ligand BMP Rezeptoren Zellmembran Wichtig ist stets die Übertragbarkeit der Ergebnisse aus der Grundlagenforschung in die medizinische Anwendung. Deshalb besteht eine enge Vernetzung zu Industriepartnern: So wird zur Zeit ein Testsystem entwickelt, das neben der Diagnostik auch die Suche nach Sub stanzen zur ursächlichen Therapie von Morbus Alzheimer erlaubt. Strukturelle und funktionelle Analysen von Schlüsselproteinen, die bei dieser Erkrankung eine Rolle spielen, werden in interdisziplinär angelegten Forschungsprojekten verfolgt: Im Rahmen von Sonderforschungsbereichen, Graduiertenkollegs, EU Initiativen und bun3 AG Multhaup desweiten Netzwerken, wie NEURAD und KNDD. Die Regeneration von zerstörten GeClathrin Coated Pit weben und Organen ist eine HerausR-Smad forderung für die Medizin und die biomedizinische Grundlagenforschung. Bei der körpereigenen Gewebereparatur kommt es zu einer koordinierten Folge Endosom von Zellbewegungen, die an embryonale Entwicklungsprozesse erinnern. Sowohl Co-Smad im Embryo als auch im adulten Organismus werden sie über Bone Morphogenetic Proteins (BMPs) stimuliert. Dies sind Wachstumsfaktoren, die durch Bindung an Rezeptoren ihrer Zielzellen – etwa emTranskription Zellkern bryonale oder adulte StammzelDNA len – spezifische Signalkaskaden auslösen und damit die Funktionen der Zellen verändern. Stammzellen BMP-Signaltransduktion durch Bindung können sich durch diesen Stimulus des Liganden an die Rezeptoren, welche aktiviert werden und Smad- Protevermehren oder differenzieren. Ziel ist es, den molekularen Me- ine phosphorylieren. Diese wandern in chanismus dieser Signalkaskaden den Kern, um dort die Transkription begenau zu charakterisieren, um ge- stimmter Zielgene zu kontrollieren. zielt Therapieverfahren für die Regeneration verschiedener Gewebe entwickeln zu können. Die Analysen beinhalten Proteomics-basierte Methoden, Visualisierung von Signalkomponenten in lebenden Zellen durch moderne Mikroskopieverfahren, Strukturaufklärung der zentralen Signalkomponenten sowie die Herstellung neuartiger und verbesserter Wachstumsfaktoren. Letztere werden in funktionellen Testsystemen untersucht. Intensität, Dauer und Spezifität der über BMP ausgelösten Signale sind in allen Spezies durch unterschiedliche, aber evolutionär konservierte Mechanismen koordiniert – etwa durch Antagonisten, Co-Rezeptoren oder nukleäre Co-Repressoren. Bei vielen genetisch bedingten Erkrankungen sind jedoch genau diese Komponenten defekt, so dass sich eine veränderte BMP-Signalweiterleitung beispielsweise in vaskulärer Hypertonie, Knochenerkrankungen oder Krebs manifestiert. Die Arbeiten sind integriert in das Berlin Center of Regenerative Therapies (BCRT). Die Doktorandenausbildung auf dem Gebiet Biochemie der Geweberegeneration erfolgt im Rahmen der über die Exzellenzinitiative eingeworbenen Graduiertenschule (Berlin School of 3 AG Knaus Regenerative Therapies, BSRT). 28 Institut für Chemie und Biochemie APP Vorläufer von Ab Ab-Fragmente (unterschiedlicher Länge) Mengenverhältnis von Ab (zeigt Krankheitsverlauf an) „kein Alzheimer“ „Alzheimer“ Ansatz für Alzheimerdiagnostik: Aus dem Verhältnis der Ab-Formen (blau = krankheitsrelevant) kann auf Verlauf oder Beginn der Krankheit Freie Universität Berlin 29 Aus der Forschung Aus der Forschung RNA-Technologien Konzepte für anregenden Unterricht Die vielseitigen Nutzungsmöglichkeiten der RNA-Technologien beruhen auf der strukturellen und funktionellen Vielseitigkeit der Ribonukleinsäuren (RNAs) sowie der Tatsache, dass es innerhalb weniger Stunden mit Methoden der Molekularen Evolution (SELEXMethode) möglich ist, bis zu 1018 verschiedene RNA-Moleküle zu generieren. Aus RNAs können „molekulare Scheren“ entwickelt werden, mit denen sich bestimmte Molekülarten in lebenden Zellen gezielt ausschalten lassen. Die Anwendungsmöglichkeiten dieser so genannten „Ribozyme“ sind ebenfalls vielfältig und umfassen unter anderem die erfolgreiche Bekämpfung von Tumorerkran kungen, Erbkrankheiten und Virusinfektionen. Mit der Erzeugung von 1018 RNA-Molekülen gelingt es aber auch, hochaffine RNA-Moleküle herzustellen, die als Aptamere und Spiegelmere bezeichnet werden. Ähnlich wie Antikörper können diese in der modernen molekularen Medizin diagnostisch und therapeutisch sowie zur Aufreinigung von biologischen Substanzen eingesetzt werden. Darüber hinaus erlauben Verfahren der RNA-Technologien die in vitro Synthese von natürlichen wie unnatürlichen Proteinen – einschließlich des Einbaus von unnatürlichen Aminosäuren an bestimmten Positionen eines Proteins. Bereits 1998 wurde das Berliner RiNA Netzwerk für RNA-Technologien an der Freien Universität Berlin gestartet und damit eine weltweit einmalige Einrichtung geschaffen. Nach 10-jähriger Förderung durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung, das Land Berlin und die Industrie kam das Fraunhofer-In- Spiegelmere: Detailstrukturen eines natürlichen stitut für System und In- RNA-Moleküls und seiner unnatürlichen spiegelnovationsforschung bei bildlichen Form seiner Evaluierung des Netzwerkes zu folgendem Ergebnis: „Die Entscheidung frühzeitig in die RNA-Technologien zu investieren, war vorausblickend, innovativ und mutig, und im internationalen Vergleich zum Zeitpunkt 3 AG Erdmann der Initiierung der Fördermaßnahme beispiellos.“ 30 Freie Universität Berlin „Deutsche Schüler bei PISA in Chemie Spitze!“ – „Chemie ist Lieblingsfach an deutschen Schulen“ – „Run auf Ausbildungs- und Studienplätze in der Chemie“. Von Schlagzeilen wie diesen träumen Chemielehrer bislang nur. Denn, wie internationale Vergleichsstudien wiederholt zeigten, sieht die Realität völlig anders aus. Die Arbeitsgruppe Didaktik der Chemie sucht deshalb nach Wegen, die chemiebezogenen Leistungen deutscher Schülerinnen und Schüler zu verbessern. Weshalb finden Jugendliche das Schulfach Chemie eigentlich so unattraktiv? Wie erhalten auch Kinder aus bildungsfernen Familien faire Lernchancen im Unterricht? Und wie kann das zumeist negative Image der Chemie in der Öffentlichkeit zurecht gerückt werden? Um diese Fragen beantworten zu können und nachhaltige Verbesserungen zu erzielen, konzentriert sich die Didaktik auf folgende Forschungsprojekte: 3 Möglichkeiten zur Förderung naturwissenschaftlicher Kompetenzen von Grundschulkindern 3 Entwicklung naturwissenschaftlicher – insbesondere chemiebezogener – Interessen und motivationaler Orientierungen von Grundschülern und Schülern der Sekundarstufen I und II 3 Berufsorientierung und Prototypen-Selbstbild-Abgleiche sowie deren Beeinflussung durch besondere Unterrichtsprojekte wie Chemie (in) der Extra Klasse, ParIS-Chemie (Partnerschaft Industrie und Schule) oder WisA (Wissen-schafft-Arbeit) 3 Analyse naturwissenschafts- und chemiebezogener Lesekompetenzen und deren Verbesserung durch geeignete Lernhilfen Sich mit Chemie zu beschäftigen, kann ebenso spannend wie anregend sein. Um dies zu vermitteln, bietet der Arbeitsbereich Didaktik der Chemie auch regelmäßig Veranstaltungen für ein breites Publikum an, beispielsweise Chemie für die ganze Familie, Nawi(e) FUn3 AG Bolte tastisch und spectaculum (s. S. 38). Institut für Chemie und Biochemie 31 Nachwuchsgruppen Sonderforschungsbereiche Nachwuchsgruppen Sonderforschungsbereiche Der Sprung ins (nicht gar so) kalte Wasser Nach Master, Promotion und Postdoktorandenzeit reizt nicht jeden Chemiker die Industriekarriere. Selbst Professor zu sein, eine eigene Arbeitsgruppe an einer renommierten Universität zu leiten und sich selbst ein spannendes Forschungsgebiet abstecken zu können, ist sehr verlockend. Das Institut für Chemie und Biochemie unterstützt eine ganze Reihe von Nachwuchswissenschaftlern dabei, sich diesen Traum zu erfüllen. Nicht ganz uneigennützig, denn engagierte Stipendiaten und Juniorprofessoren bereichern die Forschungspalette immer wieder um frische Farben und interessante Mischtöne. Zum Beispiel Christian Hackenberger, der 2005, erst 29-jährig, als Emmy-Noether-Gruppenleiter in den Bereich Organische Chemie nach Dahlem kam. Mit sieben Mitarbeitern entwickelt er Methoden für chemoselektive Reaktionen an Proteinen und Peptiden. Damit lassen sich zum Beispiel Phosphat- oder Zuckerreste an Glykoproteine knüpfen, ohne dass erst aufwendige Schutzgruppenchemie betrieben werden muss – genauso, wie es in lebenden Zellen auch funktioniert. Für Hackenberger, der seit 2008 auch als Sprecher eines Graduiertenkollegs im SFB 765 fungiert, ist es eine Testphase, in der er – ausgestattet mit großzügigen Forschungsgeldern und, wo nötig, unterstützt von erfahrenen Kollegen – lernen kann, was außer der eigenen Kreativität zu einer Professur noch alles dazu gehört: Selbständige Lehre, Drittmitteleinwerbung, Mitarbeiterbetreuung, Budgetverwaltung und vieles mehr. Jens Beckmann sammelt als Juniorprofessur in der Anorganischen Chemie ähnliche Erfahrungen. Er kam 2004 an das Institut und arbeitet auf dem Gebiet der Metallorganischen Chemie der Hauptgruppenelemente: Zum Beispiel an hypervalenten binären Metalloxanen, die das Treibhausgas Kohlendioxid aus der Luft absorbieren und als Carbonat binden können. Beckmann, zu dessen Gruppe zehn wissenschaftliche Mitarbeiter gehören, schätzt an der Juniorprofessur die Möglichkeit frühzeitig eigenständig zu forschen und zu lehren, vor allem aber, dass er dafür viel eher als ein Habilitand gleichen Alters ein großes Team aufbauen konnte. 32 Freie Universität Berlin Mit der Einrichtung von Sonderforschungsbereichen (SFB) fördert die Deutsche Forschungsgemeinschaft die interdisziplinäre Arbeit. Viele Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Instituts sind an SFB’s im Berliner Raum beteiligt (SFB 448, 450, 498, 658, 740, 760 sowie Transregio 19). Zwei Sonderforschungsbereiche sind derzeit direkt am Institut angesiedelt. Im SFB 449 untersuchen Naturwissenschaftler, Mathematiker und Mediziner von FUB, HUB, FMP, MDC sowie der Charité Berlin die „Struktur und Funktion membranstän diger Rezeptoren“. Diese kompleExakte Einkristalle sind die Voraus xen Proteine in der Zellmembran setzung für die Strukturanalyse von sind essentiell für den Stoffwechsel Proteinen jeder Zelle und für die Wirkung von Medikamenten. Sind ihre Funktionen bekannt, wird die Entstehung vieler Erkrankungen verständlich und kausale Therapien werden möglich. Durch das Andocken von Botenstoffen an den Rezeptoren werden Signale in das Zellinnere weitergeleitet. Im SFB werden die Vorgänge an relevanten Rezeptoren auf molekularer Ebene analysiert. Dazu trägt die Strukturanalyse der Makromoleküle mit atomarer Auflösung wesentlich bei. Sprecher: Volker Haucke (bis 2007 Wolfram Saenger) www.chemie.fu-berlin.de/sfb449 Im SFB 765 – „Multivalenz als chemisches Organisations- und Wirkprinzip“ – arbeiten Forscher des Instituts zusammen mit Kollegen an HUB, ZIB, FMP und der Charité Berlin. Körpereigene Botenstoffe, Medikamente und Viren gehen meist mehrfache Bindungen mit ihren Zielstrukturen ein. Sie verfügen nicht selten über mehr als eine „Kontaktstelle“, über die sie an ihren Rezeptoren andocken. Gleiches gilt für die Rezeptoren. Bei der Vernetzung von kleinen Molekülen zu größeren Einheiten spielt Multivalenz ebenfalls eine zentrale Rolle. Im SFB wird untersucht, wie sich die physikalischen, chemischen und pharmakologischen Eigenschaften von Molekülen ändern, sobald sie über mehr als eine Bindungsmöglichkeit verfügen. Auf dieser Basis sollen effektivere Wirkstoffe und neue Materialien entwickelt, aber auch die Grund lagen von Multivalenzeffekten an Modellsystemen studiert und verstanden werden. Sprecher: Rainer Haag www.sfb765.de Institut für Chemie und Biochemie 33 Klung-Wilhelmy-Weberbank-Preis Studium und Lehre Ausgezeichnet! Studium und Lehre Exzellente Forschung verdient höchste Anerkennung – in Wissenschaft und Gesellschaft. Ausdruck dafür ist der Klung-Wilhelmy-Weberbank-Preis, der an herausragende jüngere deutsche Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verliehen wird – im jährlichen Wechsel in Chemie und Physik. Dies geschieht in enger Zusammenarbeit zwischen der OttoKlung-Stiftung an der Freien Universität Berlin, der Dr. WilhelmyStiftung und der Fördergesellschaft der Weberbank GmbH. Die derzeit mit 100.000 Euro verbundene Auszeichnung zählt zu den höchstdotierten, privat finanzierten Preisen für Naturwissenschaftler – und zu den angesehensten. Die Stifter wollen mit ihrem Engagement besonders qualifizierte Nachwuchswissenschaftler fördern. Der Klung-Wilhelmy-Weberbank-Preis ist Nachfolger des 1973 erstmals vergebenen Otto-Klung-Preises, mit dem bis 1978 ausschließlich Doktoranden und Habilitanden der Fächer Chemie und Physik an der Freien Universität ausgezeichnet wurden. Auswahlkriterium ist heute, neben der Forschungsleistung, das Alter des Kandidaten: Der Preisträger sollte zur Zeit der Preisverleihung das 40. Lebensjahr nicht wesentlich überschritten haben. Vorschläge für die Nominierung machen ständige Auswahlkommissionen, zu denen mehrheitlich Professoren des Instituts für Chemie und Biochemie bzw. des Fachbereichs Physik Preisträger Chemie der Freien Universität zäh3 Frank Neese, 2008 len. Die Wahl obliegt letzt3 Ingo Krossing, 2006 lich den Stiftern. Kommis3 Peter H. Seeberger, 2004 sion und Stifter haben ein 3 Tom Tuschl, 2002 feines Gespür für Spitzen3 Matthias Driess, 2000 talente bewiesen, denn alle 3 Michael Famulok, 1998 bisherigen Preisträger ha3 Carsten Bolm, 1996 ben eine bemerkenswer3 Wolfgang Schnick, 1994 te Entwicklung genommen: 3 Stefan Jentsch, 1992 Bisher fünf von ihnen er3 Klaus Rademann, 1990 hielten später den Nobel3 Gerhard Bringmann, 1988 preis. Viele Preisträger der 3 Hartmut Michel, 1986 Chemie wurden danach mit 3 Martin Quack, 1984 dem Leibniz-Preis der Deut3 Wolfgang A. Herrmann, 1982 schen Forschungsgemein3 Helmut Schwarz, 1980 schaft geehrt, der als „deutscher Nobelpreis“ gilt. Das Institut für Chemie und Biochemie bietet einen Studiengang Chemie, einen lehramtsbezogenen Studiengang Chemie sowie einen Biochemiestudiengang an. Die Chemiestudiengänge sind Bachelor/ Masterstudiengänge. Eine entsprechende Umstellung des Biochemie-Diplomstudiengangs erfolgt voraussichtlich zum WS 2009/10. Das Institut beteiligt sich außerdem am B/M-Studiengang Bioinformatik, der gemeinsam vom FB Mathematik und Informatik, dem FB Biologie, Chemie, Pharmazie und der Charité Berlin getragen wird. An alle Studiengänge kann sich eine Promotion anschließen. Da das Chemiestudium bereits im Jahr 2002 auf den gestuften Bachelor/Masterabschluss umgestellt wurde, hat das Institut im Umgang mit diesen Studienformen bereits umfangreiche Erfahrungen gesammelt. Der Studiengang umfasst sechs Semester für das Bachelorstudium und vier Semester für das Masterstudium. Er bietet neben einer fundierten Ausbildung in den klassischen chemischen Disziplinen – Anorganische, Organische sowie Physikalische und Theoretische Chemie – ein facettenreiches Lehrangebot, das sich an aktuellen und zukunftsweisenden Forschungsthemen orientiert. Die für den Bachelorabschluss geforderte Berufsqualifizierung wird – neben den universitätsweit angebotenen Modulen zur Allgemeinen Berufsvorbereitung – durch ein fest integriertes Berufspraktikum sowie diverse Wahlfächern (beispielsweise angrenzende Naturwissenschaften, aber auch Publizistik, Betriebswirtschaft und vieles mehr) erzielt. 34 Institut für Chemie und Biochemie Der Klung-Wilhelmy-Weberbank-Preis Freie Universität Berlin 35 Studium und Lehre Polymer Science Um individuellen Neigungen Rechnung zu tragen und flexibel auf aktuelle Anforderungen reagieren zu können, sind im Masterstudiengang rund 25 Prozent der Veranstaltungen (in Absprache mit dem Prüfungsausschuss) frei wählbar. Die Vorlesungen des zweisprachigen Masterstudiengangs werden teils in Deutsch und teils in Englisch angeboten, so dass auch die notwendige Sprachkompetenz schon frühzeitig sichergestellt ist. Nach dem Bachelorabschluss kann das Studium nicht nur durch den konsekutiven Masterstudiengang Chemie fortgeführt werden, sondern wahlweise lassen sich auch andere Masterstudiengänge anschließen. Im Bereich der Freien Universität werden derzeit angeboten: 3 Master of Polymer Science (s. S. 37), ein Gemeinschaftsprojekt mit der TU Berlin, der HU Berlin und der Universität Potsdam. 3 Master Öffentliches und betriebliches Umweltmanagement, FB Rechtswissenschaften / FB Politik- und Sozialwissenschaften. Der Chemie-Studiengang ist erfolgreich akkreditiert worden, entspricht anerkannten Qualitätsstandards und damit den Kriterien der Bologna-Deklaration. Halbjährliche Zulassungen zum Studium gewährleisten, dass fast alle Lehrveranstaltungen des Bachelorstudiums jedes Semester angeboten werden. Dies sowie eine aufwändige Koordination von Stundenplänen und Klausurterminen ermöglicht auch bei individuellem Studienverlauf ein zügiges Studieren. Zur Betreuung stehen drei Studienberater, ein Studienbüro und mehrere studentische Studienberatungen zur Verfügung. Zu Fragen der Lehrqualität und der Organisation des Studienangebots gibt es ständigen Kontakt mit den Studierenden. Hierbei werden auch Online-Evaluationen der Lehrveranstaltungen genutzt. Seit 2004 lobt der Fachbereich einen Preis für gute Lehre aus. Die Preisträger – je ein Dozent aus den Studiengängen Biologie, Biochemie, Chemie und Pharmazie – werden auf der Grundlage der Evaluationsergebnisse von den Studierenden ausgezeichnet. Masterstudiengang Polymer Science Längst vorbei sind die Zeiten, als Polymere nur für billige Plastiktüten und Styroporverpackungen taugten und zum Synonym für nichtverrottende Müllberge wurden. Ob Goretex-Jacke, Dialysefilter, abbaubare Knochennägel, Drageehülle oder Miniaturbaustein für die Nanotechnologie: moderne Polymere sind „Kunst-Stoffe“ im wahr sten Sinne des Wortes, Hightech-Materialien, die in vielen Bereichen teure natürliche Rohstoffe ersetzen und manches können, woran selbst die Natur nicht dachte. Die Polymerwissenschaft (Polymer Science) ist ein vielfältiges, interdisziplinäres Gebiet, das im Schnittpunkt von Chemie, Physik, Ingenieurwesen und Verfahrenstechnik liegt. Von ihr gehen starke Impulse für die Materialwissenschaften aus. Durch ihre facettenreichen Anwendungsmöglichkeiten gewinnen Polymere einen stetig wachsenden Einfluss auf viele Bereiche des täglichen Lebens. Kein Wunder also, dass bereits 30 Prozent aller Wissenschaftler in der Chemischen Industrie auf dem Gebiet der Polymere arbeiten. Für eine optimale theoretische und praktische Ausbildung in dieser zukunftsweisenden Disziplin haben die drei Berliner Universitäten und die Universität Potsdam ihre Kompetenzen gebündelt. Seit dem WS 99/00 bieten sie gemeinsam den englischsprachigen Masterstudiengang „Polymer Science“ an. Das Institut für Chemie der Freien Universität Berlin übernimmt dabei den Part Polymerchemie und -synthese. Polymerphysik und -charakterisierung werden an der Humboldt-Universität zu Berlin gelehrt, Polymertechnologien an der TU Berlin. Die Eigenschaften von Polymeren und Kolloiden werden an der Universität Potsdam studiert. Das Masterstudium dauert zwei Jahre und kann zu jedem Winterund Sommersemester begonnen werden. Weitere Informationen unter www.polymerscience.de. Weitere Informationen: www.chemie.fu-berlin.de/lehre/studiengaenge.html 36 Freie Universität Berlin Institut für Chemie und Biochemie 37 Wer forscht was? Die Natur verstehen lernen – durch Chemie Das moderne Weltbild ist stark naturwissenschaftlich geprägt. Um die großen globalen Fragen unserer Zeit – Energieversorgung, Ernährung, Biotechnologie, Umweltverschmutzung oder Klimawandel – im Kern zu verstehen und zu ihrer Lösung beitragen zu können, ist ein fundiertes Wissen in Chemie unverzichtbar. Aber mal ganz abgesehen davon: Es macht einfach Spaß, Chemie zu betreiben, und es ist intellektuell und emotional anregend. Dies belegen – neben FU-Kinder-Uni und FU-Sommerschule – auch die stets gut besuchten Veranstaltungen der Langen Nacht der Wissenschaften, bei der sich die FUChemie stark engagiert. Spektakuläre Vorführungen für die Öffentlichkeit können aber nur ein erster Kontakt zum Fach sein. Um bei Kindern und Jugendlichen ein nachhaltiges Interesse an Naturwissenschaften zu wecken, setzt die Chemiedidaktik auf fortlaufende Konzepte. So können sich seit 2004 interessierte Grundschüler (ab der 3. Klasse) für zwei Jahre zu einem wöchentlichen Chemie-Kurs einschreiben. Aus erfolgreichen KieWis werden Forscher-Füchse und schließlich Junge Forscher – am Ende ausgezeichnet mit dem „Goldenen Reagenzglas am Bande“. KieWi & Co.-Kinder geben später selbst ihr Wissen an Gäste weiter und leiten sie – bei Chemie für die ganze Familie, Nawi(e) FUntastisch und dem spectaculum – zum Experimentieren an. Älteren Schülerinnen und Schülern stehen die Ferienkurse Chemie (in) der Extra-Klasse offen. Dort können sie eine Woche lang „Uni-Luft“ schnuppern, Professorinnen und Professoren kennen lernen und in den Laboren der Chemiedidaktik Fragen zu Bioenergie, Biochemie oder Klimawandel experimentell auf den Grund gehen. Einige der Teilnehmer sind bereits als Chemiestudenten in das Institut zurückgekehrt. Darüber hinaus beteiligen sich die Kolleginnen und Kollegen des Instituts an Lehrerfortbildungen und Bildungsangeboten für Schulklassen – sei es in der Didaktik der Chemie oder im ei3 AG Bolte gens eingerichteten NatLab des Fachbereichs. 38 Freie Universität Berlin Professuren, Nachwuchsgruppen, Arbeitsgebiete, Adressen Anorganische Chemie und Radiochemie Chemie radioaktiver Metalle Ulrich Abram | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/abram (NWG = Nachwuchsgruppe) Junge Chemie Fluor- und Organometallchemie Dieter Lentz | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/lentz Anorganische Nanostrukturen Sabine Schlecht | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/schlecht Edelgas- und Halogenverbindungen Konrad Seppelt | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/seppelt Metallorganische Chemie (NWG) Jens Beckmann | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/beckmann Metall-Sauerstoff-Cluster (NWG) Johann Spandl | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/spandl Organische und Makromolekulare Chemie Dendritische Polymere Rainer Haag | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/haag Aminosäure- und Peptidchemie, Peptidmodelle, Peptidfaltung Beate Koksch | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/koksch Natur- und Wirkstoffsynthese, Heterocyclenchemie Hans-Ulrich Reißig | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/reissig Massenspektrometrie und Supramolekulare Chemie Christoph Schalley | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/schalley Enantioselektive Katalyse, Stereoselektive Synthese (NWG) Constantin Czekelius | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/czekelius Institut für Chemie und Biochemie 39 Wer forscht was? Wer forscht was? Farbstoffsolarzellen (NWG) Carlo Fasting | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/fasting Bioorganische Chemie (NWG) Christian Hackenberger | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/hackenberger Organometallchemie, Katalyse (NWG) Christoph Tzschucke | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/tzschucke Elektronenmikroskopie Christoph Böttcher | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/boettcher Chemie im Alltag, literarisch aufbereitet Klaus Roth | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/roth Molekülspektroskopie, Cluster und Nanopartikel, Life Science Anwendungen, Umweltforschung Eckart Rühl | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/ruehl Charakterisierung und Synthese von Nanopartikeln (NWG) Christina Graf | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/graf Femtosekundenspektroskopie (NWG) Jürgen Plenge | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/plenge Wasserstoffbrücken in Festkörpern und Katalysatoren (NWG) Ilja Shenderovich | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/shenderovich Wasserstoffbrücken in verflüssigten Gasen (NWG) Peter Tolstoy | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/tolstoy Theorie zur elektromagnetischen Kontrolle von Molekülen (NWG) Monika Leibscher | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/leibscher Physikalische und Theoretische Chemie Oberflächenchemie und Heterogene Katalyse Klaus Christmann | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/christmann Elektron- und photon-induzierte Reaktionen an Molekülen und Aggregaten Eugen Illenberger | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/illenberger Makromolekulares Modelling und Bioinformatik Ernst-Walter Knapp | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/knapp NMR-Spektroskopie von komplexen Systemen Hans-Heinrich Limbach | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/limbach Tief- und Tiefsttemperaturkristallographie, Elektronen dichtebestimmung Peter Luger | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/luger Energie- und Ladungstransfertheorie von Makromolekülen (NWG) Thomas Renger | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/renger Biochemie RNA-Technologien für medizinische und biotechnologische Anwendungen Volker A. Erdmann | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/erdmann Membran-Biochemie und Molekulare Zellbiologie Volker Haucke | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/haucke Signaltransduktion der Knochenbildung und -regeneration Petra Knaus | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/knaus Theorie der molekularen Reaktionsdynamik Jörn Manz | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/manz Biochemie neurodegenerativer Erkrankungen Gerd Multhaup | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/multhaup Quantenchemie für Moleküle und Festkörper Beate Paulus | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/paulus Proteinkristallographie Wolfram Saenger | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/saenger 40 Freie Universität Berlin Institut für Chemie und Biochemie 41 Wer forscht was? Lageplan . str Fra n z -G ch ro th e iv- ger nin Si d en - s t r. G Tu r. 2-4 st lp en Ho - rt en si au se en ar s se t r. St ub en ra uc m er a u e 8 hi h- s gu Au Ring- r. 43 s t r. a- p So n- r. da s t r. m tori st s t r. om st h- Vik n- s de M 8 18 - 88 11 X1 r. ts ü st Po Br r de r. st 1 M1 - dric r. - LICHTERFELDE- t z e ü . WEST ch Str en Ze s t r. ile 6 44 B 48 in nste A lt e a en tt mer t r. 33 34 40 w ch 47 43 52 5 0 S 101 -S ns s ch et Pr S s- M ar S t r. lThie r. g ar de Weg k- ld s te r ta ahle 10 1 10 s t r. 3 tr 7 -S on ms 34 19 15 13 to 11 -v o Ot 23 r. st 18 16 67 Bo 15 Ar r. st X1 1 n- H 63 18-2 23 Pa c e l l i allee . str - 110 rz n e wa Im Sch - rf to it . 1 str 3 4 ltz 0 ma St nn 1 - 6 r. 5 rna Engler 110 nlke Fa Im G eheg e g M d Grun Kehler Weg r. st 1s t r . 24 26 ck- Hü est ec en t r. Ka Fr ie . str en ilch Ve n- Ha endel-S ech Albr ried g san elVo g we chtt S er Bitsch . Str t-Th nhle Fo 115 X10 Spe weg ren Föh 115 er r. ze hof st r. et hs r. - st Ti 56 en tr. ns the azin Hy r. ak eb e- v al 27 M st eg Dr es Ihn - g - n We ow e - W 8 M4 eg ic n X10 e n en W Re ld o - il m ley W Li st ill 69 -62 60 623 BOTANIK BOTANISCH r Rip r. 3 6 m ue r- st . Str. yerMe 9 ka r. r lst r. tr BGB e Kn ze st al S vsta Gu l é- A 12-16 en 9 Ka r. eine nn y s- Le e KöniginLuisePlatz 11 ch ne 115 285 lf rab Ta oh te - 1 ORG. CHEMIE PHYS. CHEMIE s t r. ANORG. CHEMIE 36A t r. s 37 ei X10 R Pe ki r. le r. 2-4 wa -Os r ls Red gr ZIB Al st ei g vo n ue Gregor-M allee allee weg Weg - a 6-8 e r - th - 3-7 9 11 0 1 INFORMATIK 12 1 X1 r. S ga ry 2-6 MATHEMATIK st Ha er Fr We e r t- g r. t ar n Institut für Chemie und Biochemie t r. st Erlenbus PFLANZENPHYSIOLOGIE st 1 M1 fM eg r Am . tr D ee all ts st - ol h st rn S Ad 48 1M 10 St - le Pa en he g rc g in -36 34 ch ic we de mer s ht 32 ei W r- r. ener g we Rob we steig r Sing eine en- aue ter 14 le St - Idst lst Kramsta- Rav Mö W Heg R er oß - Ho 19 b Un rle . 29 27 28-30 24-26 ec 15 13 dt G l -27 25o f f - g U ho st H ck be 7 er w0 ch 3 ls b e4A Ha 3 r. we Milow s l o b - S t r. Fa 45 s t r. ue S t r. st l- rne g ed e Fli w ANGLISTIK La er r- ie -28 26 he tw t r. tic s tr . en S r net oh he Vo r. Sc 17 ERZIEHUNGSWISS. ZE SPRACHENZENTRUM 1 PSYCHOLOGIE 7 3r - 2 e 33 e n K a i sPRÄSIDIALAMT 16-18 Bo sach BIBLIOTHEK Correns- ren Eh L a d e n b e r g platz . st rt de tr 5 we 35b e r g PHARMAKOLOGIE Brei 16 ZEDAT diRu ERZIEH.- GERMANISTIK ROMANISTIK Ru 21 6 gen t r. H s er WIRTSCHAFTSWISS. - ANGEWANDTE GENETIK HUMANBIOLOGIE VETERINÄRMEDIZIN GESCHICHTE KUNSTGESCHICHTE n- A eg -W hke tsc Du 26 weg S . 9-1 1 Edwi PHYSIOLOGIE BIOCHEMIE im r n 22 38 - y- lz o uns . 23 24 34 o BIOCHEMIE w RECHTSe g WISS. 8 WIRTSCHAFTSWISS. . er e Freie Universität Berlin 30 32 28 25 U nd da Wo Ka str 26 - f- r. ge 22 A ng ra St Gil 36 - er of er 69 1 6 s lt in Brümm t-H au 11 3 61 +6 31 6721 6527 Am La n´ dg NatLab – Mitmach- und Experimentierlaborr am112FB Biologie, e 2 am tsd Chemie, Pharmazie Po en rtz e 1 O 3.2 Petra Skiebe-Corrette | [email protected] 9.2 4 9.1 3 3.1 8 www.natlab.de 7 2 äu Fa Löhle S t r. Va un g we U X11 THIELPLATZ . 55 S Ch se us 49 36 45 st r. str POLITISCHE WISS. 2 21 2 Str r st 20 21 X1147 X83 DAHLEM34A r. DORF st IMMATR./ 5 ZULASSUNG 9 PHYSIK 7- JOHN-F.n s KENNEDYLa INSTITUT weg ZE STUDIENBERATUNG 50 52 AKAD. AUSLANDSAMT 2-4 Grat r. str eg SPORT r. weg 7 45 Drei- s au - tze er- ku cks Im VETERINÄRMEDIZIN st . ar ll- Pa r k M11 . pfuhl D r o s s e l w1-3 eg r. st 2-47 is 1 cku . str M sh a str . str Ku s t r. SOZIOLOGIE OSTEUROPAINSTITUT 65-69 Kos lt m Thiel e r 110 str. Ta rhei H Len ur - ter - rtüle - ry- münd park Winkel Bit elf e Sch X83 n y- nf ki s t r. e Cla ei ls 86 tt Allee G w ie el- ü Ga Leichhardt- 118 629 ch l- db ue Po ig - ht Bachstelzen- Photoelektrochemie, Photokatalyse und Solarenergie-Konversion Helmut Tributsch Pa r k Bal (Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien undL ü tEnergie) | bro nne r [email protected] TIERKLINIKUM DÜPPEL www.chemie.fu-berlin.de/tributsch thaler S M te ac 39 Proteinkristallographie UNIVERSITÄTS35 BIBLIOTHEK Udo Heinemann (Max Delbrück Centrum) | [email protected] HENRY-FORD-BAU www.chemie.fu-berlin.de/heinemann s- ot ise Im W Hohe Ähren chsprung -Lu r de In H aarge OSKAR-HELENEHEIM T-Zell-Signalwege, Protein-Engineering (NWG)U Christian Freund | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/freund ig el- PODBIELSKI-Do l ALLEE Hirs igin NMR-Spektroskopie von Proteinen Hartmut Oschkinat (Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie) | [email protected] Argentinis www.chemie.fu-berlin.de/oschkinat che Allee S ön He g llrie Halde str 8 t- ad - r. eg er W sch bu de Ga s t r. FU-KITA Studentenwerk Chemie und Biologie von Kohlenhydraten, Impfstoffentwicklung, or Mikroreaktoren Auf dem Peter H. Seeberger (MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung) | [email protected] Meis enwww.chemie.fu-berlin.de/seeberger er rn St Dol Finken- G 9 weg F s t r. - ig W Kön 3 Be ste Star Medizinische Chemie, Chemische Biologie Jörg Rademann (Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie) |A m [email protected] an ag www.chemie.fu-berlin/rademann an Fl au h- Dohnen Finken- Assoziierte Forschergruppen des Institutes Cl yt - Im 5 EUROP. ZENTRUM F. STAATSWISS. r. en 10 42 -E ch Fachdidaktisch-empirische Lehr- und Lernforschung Claus Bolte | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/bolte 2 ax uz G r u n e w a l d 4 stieg st Kä 11 7 E M D l- Synaptische Entwicklung und Funktion (NWG) Claudia Miech | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/miech Didaktik der Chemie C se ler- Am B Pück Am A 12 s t r. str . Rheinbabenallee 49: Molekulare Zellbiologie (NWG) Michael Krauß | [email protected] www.chemie.fu-berlin.de/krauss ta - en st r. - Kontakt und Service Freie Universität Berlin Institut für Chemie und Biochemie Zentrale Verwaltung | Organische Chemie | Physikalische und Theoretische Chemie | Didaktik der Chemie Takustraße 3, 14195 Berlin Tel. +49 30 838-55334 Anorganische Chemie Fabeckstraße 34-36, 14195 Berlin Tel. +49 30 838-52427 Biochemie Gebäude Thielallee 63, 14195 Berlin Tel. +49 30 838-55338 Gebäude Takustraße 6, 14195 Berlin Tel. +49 30 838-56920 Studienfachberatung: Chemie Chemie Lehramt Biochemie Polymer Science Tel. +49 30 838-55398 Tel. +49 30 838-56708/09 Tel. +49 30 838-52938 Tel. +49 331-9771229 (Uni Potsdam) Bereichsbibliothek Chemie Takustraße 3, 14195 Berlin Information: Tel. +49 30 838-54098 www.bcp.fu-berlin.de/chemie/bibliothek/ Öffnungszeiten: Mo-Fr 9.00-17.00 Uhr (Vorlesungszeit) Mo-Fr 9.00-16.00 Uhr (Vorlesungsfreie Zeit) Informationen im Internet Freie Universität Berlin www.fu-berlin.de Fachbereich Biologie, Chemie, Pharmazie www.bcp.fu-berlin.de Institut für Chemie und Biochemie www.chemie.fu-berlin.de