Der Bauplan der Natur: Regeln für die Selbstorganisation von Partikeln

Materialwissenschaftler versuchen seit langem, das biologische Prinzip der Selbstorganisation für die Herstellung von Nanomaterialien zu nutzen. Bisher galt dieser Prozess jedoch als zu zufällig und schwer vorhersehbar. Forschende des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) und der Brandeis University haben nun geometrische Regeln identifiziert, welche die Selbstorganisation von Partikeln steuern. Diese Entdeckung eröffnet neue Möglichkeiten vom Proteindesign bis hin zu synthetischen Nanomaschinen.

Da das Leben selbst auf Nanotechnologie basiert, untersuchte das Team um Maximilian Hübl und Carl Goodrich (ISTA) sowie Kollegen der Brandeis University, wie die Natur komplexe Strukturen aus Molekülen zusammensetzt. Ziel war es, diesen biologischen Mechanismus auf technologische Anwendungen zu übertragen.

„Forschende träumen seit Jahrzehnten davon, die Kraft der molekularen Selbstorganisation zu nutzen, um maßgeschneiderte Nanomaterialien herzustellen“, erklärt Goodrich. „Eine große Herausforderung bestand jedoch darin, genau vorherzusagen, welche Formen entstehen, wenn Tausende winziger Teile in Bewegung gesetzt werden.“ Durch die Kombination theoretischer und experimenteller Methoden entwickelte das Team ein Werkzeug, das realisierbare Strukturen präzise vorhersagen kann. Dabei stellte sich heraus, dass der Erfolg der Selbstorganisation maßgeblich von der Geometrie der Bausteine abhängt.

Licht ins Dunkle – Ein neuer Blick auf die Selbstorganisation

Obwohl selbstorganisierende Partikel schon länger zu Carl Goodrichs Forschungsgebieten gehören, fehlte lange ein konkreter Lösungsansatz. Gemeinsam mit Maximilian Hübl am ISTA verfolgte er zunächst eine Strategie basierend auf numerischen Berechnungen und differenzierbarer Programmierung. Im Laufe des Projekts entdeckte Hübl jedoch eine weitaus effektivere und allgemeinere Methode, die das bisherige Vorgehen grundlegend veränderte.

„Mit unserer ursprünglichen Strategie betrachteten wir das Problem, als ob wir uns in einem unbekannten Raum befänden, in völliger Dunkelheit, und mit einer Taschenlampe herumsuchten. Schließlich stellten wir fest, dass der Raum einen Lichtschalter hatte. Durch das Einschalten des Lichts konnten wir alle Möglichkeiten sehen, die die Selbstorganisation bieten kann, aber auch die Bereiche, die sie nicht erreichen kann.“

Diese Erkenntnis belegt, dass Selbstorganisation kein zufälliger Prozess in einem unendlichen mathematischen Ozean ist. Durch den neuen theoretischen Ansatz konnte das Team die präzisen Grenzen zwischen realisierbaren und unmöglichen Strukturen erstmals klar definieren.

Das Regelwerk einer verborgenen geometrischen Form

Mithilfe von Hübls Methode optimierte das Team die Konzentrationen und Bindungsenergien der Partikel, um die „Gestaltbarkeit“ von Strukturen präzise zu bestimmen. „Wir haben die Bindungsenergien als Eingabe für die Berechnung verwendet. Als Ausgabe haben wir bestimmt, welche Strukturen von den Partikeln gebildet werden und in welchen Mengen“, erklärt Hübl. „Dadurch konnten wir Einschränkungen identifizieren, die verhindern, dass bestimmte Ergebnisse bei Partikeln jemals auftreten.“

So ist es oft unmöglich, eine Ausbeute von 100 Prozent für eine Zielstruktur zu erreichen. Es entstehen zwangsläufig Nebenprodukte, die das Team als „notwendige Chimären“ bezeichnet. Goodrich betont: „Unsere Methode könnte erklären, warum es besonders schwierig ist, bestimmte Nanomaterialien zu entwerfen.“

Als theoretischen Rahmen identifizierten die Forscher ein „hochdimensionales konvexes Polyeder“ – eine verborgene mathematische Form, welche die Grenzen der möglichen Assemblierungen definiert. Goodrich erklärt: „Die polyedrische Struktur zeigt, dass Assemblierungen im Gleichgewicht Regeln folgen, die als Werkzeuge für Nanotechnologie und Moleküldesign dienen könnten. Diese zugrunde liegende Physik sagt uns, ob eine bestimmte Zielstruktur überhaupt möglich ist.“

DNA-Origami

Um die Praxistauglichkeit ihrer Theorie zu prüfen, kooperierten die ISTA-Wissenschaftler mit der Rogers-Gruppe der Brandeis University. Mithilfe von DNA-Origami entwarfen die Forschenden dreieckige Bausteine, deren Bindungseigenschaften sie über spezifische DNA-Sequenzen exakt programmierten. Auf diese Weise ließen sich die theoretischen Regeln experimentell testen. „Wir fanden eine bemerkenswerte quantitative Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment, was bestätigte, dass wir tatsächlich einige der grundlegenden Regeln der Anordnung aufgedeckt hatten“, erklärt Rogers.

Laut den Autoren belegen die Ergebnisse eindeutig den praktischen Wert ihres Modells. Das Team konnte die Resultate vorhersagen, ohne die physikalischen Details der Wechselwirkungen mühsam modellieren zu müssen. Hübl fasst zusammen: „Im Wesentlichen haben wir unser geometrisches ‚Regelwerk‘ verwendet, um die experimentellen Ergebnisse vorherzusagen, ohne die Details der Wechselwirkungen zu modellieren. Die Experimente stimmten genau mit den vorhergesagten Ergebnissen überein, ohne dass wir irgendeinen Teil der Theorie überarbeiten oder irgendwelche Faktoren anpassen mussten.“ Damit hat sich das Modell als verlässliches Werkzeug zur Identifizierung gestaltbarer Nanostrukturen bewiesen.

Der Spielplatz und Bauplan der Natur

Die neu entdeckte Geometrie markiert die klare Trennlinie zwischen dem Machbaren und dem Unmöglichen in der Nanotechnologie. Sie definiert erstmals die fundamentalen Grenzen der Selbstorganisation. „Selbstorganisation ist diese großartige, verrückte Sache, die die Natur vollbringt. Aber die Theorie von Max erklärt nun, warum einige Versuche, dies nachzuahmen, nicht funktionieren und wie sie erfolgreicher gestaltet werden könnten. Es ist, als hätte man eine Blaupause, die die Grenzen des Spielplatzes der Natur abbildet. Letztendlich könnte dieses Modell als Werkzeug für Architekt:innen dienen, als eine Art Hauptbedienfeld für die Gestaltung von Nanostrukturen“, sagt Goodrich.

Das Team sieht die künftigen Anwendungen vor allem im Bereich des „inversen Designs“. Das Modell könnte als präzises Steuerungswerkzeug für eine Vielzahl experimenteller Umgebungen fungieren – von der de-novo-Proteinassemblierung aus kleinsten Bausteinen über spezialisierte DNA-Nanopartikel bis hin zur Konstruktion komplexer synthetischer Nanomaschinen.

Quelle

Institute of Science and Technology Austria (ISTA) (12/2025)