Physik, Chemie und Biologie mit Einzelmolekülen (beendet)

Ziel der Initiative

Die technologischen Entwicklungen des letzten Jahrzehnts sind - vor allem im Bereich der Mikroelektronik - durch einen rasch fortschreitenden Miniaturisierungsprozeß gekennzeichnet. Bei immer kleineren Dimensionen von Bauelementen zeichnen sich allerdings Grenzen der konventionellen Mikrostrukturierung ab; somit besteht Bedarf an grundlegend neuen Konzepten. Einer der Ansätze dazu geht von der Herstellung von Nanostrukturen über ein Baukastenprinzip mit funktionalisierten Molekülen aus. Parallel und bisher weitgehend unabhängig davon verliefen Fortschritte in der supramolekularen Chemie, die sich mit hochkomplexen molekularen Strukturen befasst, wobei die physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften dieser Strukturen weit über diejenigen der Untereinheiten hinausgehen. Durch verbesserte experimentelle Techniken eröffnet sich nun die Möglichkeit, individuelle Moleküle zu untersuchen und ihre Funktion für Anwendungen, zum Beispiel in der Nanotechnik, maßzuschneidern oder auch ihre Wirkung in biochemischen Reaktionsketten aufzuklären. Beim Einsatz der technisch anspruchsvollen Methoden zum Nachweis von Einzelmolekülen in der Grundlagenforschung werden neue Ergebnisse vor allem aus einer disziplinenübergreifenden Zusammenarbeit erwartet.

Die Stiftung möchte daher mit diesem Schwerpunkt Naturwissenschaftler anregen, Einzelmoleküle als individuelle Entitäten in ihrer nanoskaligen Umgebung zu untersuchen und neue Verfahren zu ihrer direkten Kontrolle zu erarbeiten. Der Schwerpunkt zielt darauf ab, Einzelmolekül-spezifische Phänomene aufzudecken und damit auch die wissenschaftlichen Grundlagen für Anwendungen zu schaffen. Bei den molekularen Bausteinen können sowohl biologisch relevante Makromoleküle als auch synthetisch hergestellte Moleküle in Betracht kommen. Die Charakterisierung und Manipulation der Einzelmoleküle kann sich auf mechanische, elektrische, optische, chemische oder biologische Eigenschaften beziehen. Ausgehend vom Einzelmolekül können auch Unterschiede zu Ensemblemittelwerten sowie das Zusammenfügen und die Interaktion molekularer Bausteine zur Erzielung neuer Funktionen untersucht werden.

Motivation

Einzelmolekülmessmethoden zeichnen sich dadurch aus, dass sich mit ihrer Hilfe spezifische Effekte durch zeitliche Fluktuationen oder örtliche Inhomogenitäten aufdecken lassen, die in klassischen Messungen an Ensemblen von Molekülen verborgen bleiben. Mit ihrem 1997 eingerichteten Schwerpunkt möchte die VolkswagenStiftung dazu anregen, diese einzigartige Möglichkeit von Einzelmolekülmethoden auszunutzen, um Prozesse auf molekularer Ebene detaillierter zu verstehen. Für die Grundlagenforschung entsteht hier ein viel versprechendes interdisziplinäres Arbeitsfeld, das die Eigenschaften von Einzelmolekülen, ihre Veränderung durch externe Einflüsse und potenzielle Anwendungen in einer molekularen Nanotechnologie zum Gegenstand hat. Es besteht Forschungsbedarf bei der gezielten methodischen Weiterentwicklung von Einzelmolekül- und auch Einzelpartikeltechniken, bei der Erprobung der Einzelmolekülmanipulation für die direkte Kontrolle molekularer Baueinheiten und daraus zusammengesetzter Komplexe sowie bei der Aufklärung von Einzelereignissen in (bio-)chemischen Reaktionsketten. 

Zielsetzung

Angesprochen sind Naturwissenschaftlerinnen und Naturwissenschaftler, die Einzelmoleküle als individuelle Entitäten in ihrer nanoskaligen Umgebung untersuchen beziehungsweise neue Verfahren zu deren Charakterisierung oder Manipulation erarbeiten möchten. Der Schwerpunkt zielt darauf ab, Einzelmolekül-spezifische Phänomene aufzudecken. Es sollen wissenschaftliche Fragen formuliert und bearbeitet werden, die mit herkömmlichen mittelnden Messverfahren nicht zufriedenstellen aufgeklärt werden können. Letztlich gilt es auch die wissenschaftlichen Grundlagen für Anwendungen zu schaffen – etwa in der Zellbiologie oder der Nanotechnik. Die Charakterisierung und Manipulation der Einzelmoleküle oder Einzelpartikel kann sich auf mechanische, elektrische oder spektroskopische Eigenschaften und auch auf chemische oder biologische Funktionen beziehen.

Die Ausrichtung auf Einzelmoleküle ist zentrales Kriterium für die Zuordnung zum Schwerpunkt. Daneben werden auch auf Einzelpartikel und einzelne Nano-Objekte bezogene Vorhaben berücksichtigt, die auf die Erfassung individueller Messgrößen zielen, welche aus Ensemblemittelwerten nicht ableitbar sind. Es können experimentelle und theoretische Ansätze (einschließlich der Computersimulation) verfolgt werden. Dabei kann das Spektrum zu bearbeitender Fragestellungen von grundlegenden quantenmechanischen oder spektroskopischen Untersuchungen bis zum gezielten Zusammensetzen molekularer Bausteine durch kovalente oder nichtkovalente Wechselwirkungen zur Erzielung neuer Funktionen reichen. Forschungsgegenstand sollen geeignet präparierte, beispielsweise auf Oberflächen oder in einer Matrix fixierte, komplexe Moleküle, supramolekulare Einheiten oder Nano-Objekte sein. Mit den Untersuchungen können auch Beiträge zum Zusammenhang zwischen den Eigenschaften einzelner Moleküle und einer makroskopisch-thermodynamischen Beschreibung angestrebt werden.

Abgrenzung

Arbeiten zu einzelnen Atomen, Ionen, Photonen und zu makroskopischen Festkörpern fallen nicht unter die Zielsetzung. Es werden nur Anträge berücksichtigt, in denen der Einsatz von Einzelmolekülverfahren zwingend erforderlich ist. Untersuchungen an Ensemblen isolierter Moleküle sowie molekularbiologische bzw. biochemische Arbeiten werden ausschließlich im Kontext des gewählten Einzelmolekül-Ansatzes berücksichtigt. Rein empirisch-technologisch ausgerichtete Weiterentwicklungen, etwa im Bereich des Einzelmolekülnachweises oder der so genannten optischen Pinzette (laser tweezer), sind nicht Gegenstand des Schwerpunkts.

Fördermöglichkeiten

Gefördert werden Forschungsprojekte durch Bereitstellung von Personal- und Sachmitteln einschließlich Reisekostenzuschüssen, auch für Aufenthalte von Mitarbeitern innerhalb der geförderten Projekte bei Kooperationspartnern, ggf. auch im Ausland, für begrenzte Zeiträume (maximal ein Jahr). Kooperationsvorhaben unter Beteiligung verschiedener Fachrichtungen der Physik, Chemie und Biologie sowie aufeinander abgestimmte experimentell-theoretische Vorhaben sind besonders erwünscht. In der Regel werden Bewilligungen zunächst für einen Zeitraum von bis zu drei Jahren ausgesprochen. Solange der Schwerpunkt besteht, ist eine Weiterführung des Vorhabens nach erneuter Antragstellung und fachlicher Prüfung (auch der bis dahin vorliegenden Arbeitsergebnisse) bis zu einer Gesamtförderdauer von fünf Jahren möglich.

Zur Intensivierung des fachübergreifenden Erfahrungs- und Ergebnisaustausches, insbesondere unter den geförderten Arbeitsgruppen, sind regelmäßige Schwerpunktsymposien vorgesehen. Darüber hinaus können wissenschaftliche Veranstaltungen gemäß den Modalitäten des Programms "Symposien und Sommerschulen" gefördert werden.