Institut für Chemie und Biochemie

Transcrição

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
3
Impressum
Vorwort
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,
Titelbild und Umschlaginnenseite:
Kristallformen des Enzyms Lysozym, hergestellt im Praktikum „Proteinkristallographie“ der
AG Saenger
4
Freie Universität Berlin
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
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
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
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
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.
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
Anorganische Molekülchemie
Neuartige Edelgas- und Organometallverbindungen
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
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.
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
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
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
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
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.
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
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
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
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
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
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
„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).
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
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
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
Der Klung-Wilhelmy-Weberbank-Preis
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
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
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
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
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
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
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
www.fu-berlin.de
www.bcp.fu-berlin.de
www.chemie.fu-berlin.de

Institut für Chemie und Biochemie

Transcrição

Documentos relacionados

7.Übung zur Vorlesung Künstliche Intelligenz

Netzlaufwerke der FU einbinden - Fachbereich Philosophie und

Anamnesebogen Pferd

Univ.-Prof. Dr. med. Gabriele M. Rune, *07.04.1954 Institute of

Chemiedozententagung 2013 - Gesellschaft Deutscher Chemiker

Tip4U #095 - Zedat - Freie Universität Berlin

Techniken der Globalisierung - Lateinamerika-Institut

Hochschulrechenzentrum - Zedat

Ein Geistesblitz macht noch keinen Erfinder

Flyer