idw – Informationsdienst Wissenschaft

Nachrichten, Termine, Experten

Grafik: idw-Logo
Grafik: idw-Logo

idw - Informationsdienst
Wissenschaft

Science Video Project
idw-Abo

idw-News App:

AppStore

Google Play Store



Instance:
Share on: 
01/19/2022 11:01

Selbstorganisation komplexer Strukturen: Ein Blick auf die Uhr

LMU Stabsstelle Kommunikation und Presse
Ludwig-Maximilians-Universität München

    LMU-Forschende haben eine neue Strategie entwickelt, mit der nanotechnologische Strukturen zeit- und ressourceneffizient hergestellt werden können.

    Makromoleküle wie zelluläre Strukturen oder Viruskapside können ohne äußere Einflüsse aus kleinen Bausteinen entstehen und bilden dabei komplexe Raumstrukturen aus. Diese Selbstorganisation ist ein zentrales Merkmal biologischer Systeme. Auch in der Nanotechnologie werden solche Verfahren immer wichtiger, um Nanopartikel aufzubauen. Aus einzelnen Basen entstehen etwa beim DNA-Origami größere Strukturen.

    Doch wie lassen sich diese Reaktionen optimieren? Dieser Frage geht der LMU-Physiker Prof. Dr. Erwin Frey mit seinem Team nach. Die Forschenden haben nun einen Ansatz entwickelt, der auf dem Konzept der Zeitkomplexität beruht und neue Strategien für effizientere Synthesen komplexer Strukturen ermöglicht, wie sie im Fachmagazin PNAS berichten.

    Ein Konzept aus den Computerwissenschaften

    Die Zeitkomplexität beschreibt ursprünglich Probleme aus der Informatik. Dabei wird untersucht, wie der Zeitbedarf eines Algorithmus steigt, wenn mehr Daten zu verarbeiten sind. Der Aufwand könnte sich etwa bei doppelter Datenmenge verdoppeln, quadrieren oder mit noch höherer Potenz anwachsen. Schlimmstenfalls vergrößert sich die Laufzeit des Algorithmus so stark, dass in vertretbarer Zeit kein Resultat mehr ausgegeben wird.

    „Diesen Gedanken haben wir auf die Selbstorganisation übertragen“, erklärt Frey. „Unser Ansatz war: Wie ändert sich die Zeit zum Aufbau großer Strukturen, wenn die Zahl einzelner Bausteine anwächst?“ Nimmt man an, dass sich die erforderliche Spanne – wie im Pendant aus der Informatik – mit zunehmender Zahl an Komponenten sehr stark potenziert, wären keine sinnvollen Synthesen großer Strukturen möglich. „Das heißt, man möchte Verfahren entwickeln, bei denen die Zeit möglichst wenig von der Zahl der Komponenten abhängt“, erklärt Frey.

    Die LMU-Forscherinnen und -Forscher haben nun solche Zeit-Komplexitätsanalysen mit Hilfe von Computersimulationen und mathematischen Berechnungen durchgeführt und ein neues Verfahren zur Herstellung komplexer Strukturen entwickelt. Ihre Berechnungen zeigen: Unterschiedliche Strategien, komplexe Moleküle aufzubauen, haben ganz unterschiedliche Zeitkomplexitäten – und damit auch eine unterschiedliche Effizienz. Manche Verfahren eignen sich besser, andere schlechter, um in der Nanotechnologie komplexe Strukturen zu synthetisieren. „Unsere Zeit-Komplexitätsanalyse führt zu einer einfachen, aber aussagekräftigen Beschreibung von Selbstmontageprozessen, um präzise vorauszusagen, wie die Parameter eines Systems gesteuert werden müssen, um eine optimale Effizienz zu erreichen“, erklärt Florian Gartner, Mitglied in Freys Gruppe und Erstautor des Papers.

    Das Team demonstrierte die Praktikabilität des neuen Ansatzes an einem bekannten Beispiel aus der Nanotechnologie: Die Wissenschaftler analysierten, wie sich eine Virushülle mit hoher Symmetrie effizient herstellen lässt. Dabei führten zwei unterschiedliche Montageprotokolle bei geringem Zeitaufwand zu hohen Ausbeuten, wie Computersimulationen zeigten.

    Eine neue Strategie der Selbstorganisation

    Bislang setzten Wissenschaftler bei solchen Experimenten auf eine experimentell anspruchsvolle Methode, bei der Bindungsstärken zwischen einzelnen Bausteinen modifiziert werden. „Im Unterschied dazu beruht unser Modell ausschließlich auf der Kontrolle der Verfügbarkeit der einzelnen Bausteine und bietet daher eine einfachere und effektivere Möglichkeit, künstliche Selbstorganisationsprozesse zu regulieren“, erklärt Gartner. Das neue Verfahren sei hinsichtlich seiner Zeiteffizienz vergleichbar, teilweise auch besser als etablierte Methoden. „Vor allem verspricht dieses Schema, vielseitiger und praktikabler zu sein als herkömmliche Montagestrategien“, berichtet der Physiker.

    „Unsere Arbeit stellt einen konzeptionell neuen Ansatz zur Selbstorganisation dar, von dem wir überzeugt sind, dass er für die Physik, die Chemie und die Biologie von großem Interesse sein wird“, so Freys Resümee. „Darüber hinaus liefert er konkrete Vorschläge für neue experimentelle Protokolle in der Nanotechnologie, der synthetischen und der molekularen Biologie.“


    Contact for scientific information:

    Prof. Dr. Erwin Frey
    Statistische und Biologische Physik
    Arnold-Sommerfeld Center für Theoretische Physik
    Ludwig-Maximilians-Universität München
    Tel.: +49 (0) 89 / 2180-4538
    E-Mail: erwin.frey@physik.lmu.de
    http://www.theorie.physik.uni-muenchen.de/lsfrey/members/group_leaders/erwin_fre...


    Original publication:

    Florian M. Gartner, Isabella R. Graf, Erwin Frey: The Time Complexity of Self-Assembly. PNAS 2022


    Images

    Criteria of this press release:
    Journalists
    Biology, Physics / astronomy
    transregional, national
    Research results
    German


     

    Help

    Search / advanced search of the idw archives
    Combination of search terms

    You can combine search terms with and, or and/or not, e.g. Philo not logy.

    Brackets

    You can use brackets to separate combinations from each other, e.g. (Philo not logy) or (Psycho and logy).

    Phrases

    Coherent groups of words will be located as complete phrases if you put them into quotation marks, e.g. “Federal Republic of Germany”.

    Selection criteria

    You can also use the advanced search without entering search terms. It will then follow the criteria you have selected (e.g. country or subject area).

    If you have not selected any criteria in a given category, the entire category will be searched (e.g. all subject areas or all countries).