Über MOLECULAR SYSTEMS ENGINEERING

Molecular Systems Engineering ist ein Nationaler Forschungsschwerpunkt (NFS, bzw. NCCR) der vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF, bzw. SNSF) gefördert und von der Universität Basel gemeinsam mit der ETH Zürich geleitet wird. Der NCCR Molecular Systems Engineering ist ein interdisziplinäres Projekt und vereint Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den Disziplinen Chemie, Physik, Biologie, Bioinformatik, Medizin und dem Ingenieurwesen mit dem Ziel, aus molekularen Modulen synthetische molekulare Fabriken zu entwickeln. Molekularen Fabriken, welche die Komplexität einer Zelle aufweisen und in der Produktion chemischer Stoffe und in der Gesundheitsversorgung eingesetzt werden können.

Miniaturisierung  ist der Schlüssel in der Forschung. Entwicklungen, eine hohe gesellschaftliche Wirkung haben können; also beispielsweise in der Medizin, in den Umweltwissenschaften oder in der Elektronik, basieren Fortschritte immer auf der Miniaturisierung. Und zwar im molekularen Bereich und mit Leistungsfähigkeiten, die unserem Bedarf an Empfindlichkeit, Geschwindigkeit und Genauigkeit entsprechen.

Dieser Zeitgeist unterstreicht die Wichtigkeit des NCCR Molecular Systems Engineering: Molekulare Systeme zu entwicklen die noch komplexer sind und bis anhin unerreichte Funktionalitäten aufweisen. Biomimetisch könnte man das Ziel dieser neuen Wissenschaft der molekularen Systemtechnik wie folgt umschreiben: Neue Standards im Ingenieurwesen definieren und molekulare Module in komplexen Systemen zusammenzubauen, welche Aufgaben übernehmen können, die so in der Natur gar nicht existieren.

Molekulare Module mit exakt definierten Funktionen werden integriert um synthetische Systmes zu entwickeln, welche über diese neuen Eigenschaften verfügen und funktionale Module ermöglichen welche bestehende Systeme – beispielsweise unsere Zellen – steuern können. Der NCCR Molecular Systems Engineering nutzt komplementäre und interdisziplinäre Ansätze um diese Ziele zu verfolgen. Systemen, die molekularen Fabriken ähneln, sind beispielsweise Nanoreaktoren, die molekulare Stoffe chemisch modifizieren und transportieren können, synthetische Photorezeptoren, die das Augenlicht wieder herstellen, Nanorekatoren, die Energie erzeugen und funktionale Module, welche gegenseitig abgestimmt den Transport von Reaktionsmitteln über räumlich angeordnete Reaktionsketten ermöglichen.

So sollen Neuheiten in der Forschung und ein Paradigmenwechsel ermutigt werden, damit molekulare Module künftig möglichst einfach in molekulare Systeme integriert werden können. Die grosse Frage bleibt jedoch: Wird es gelingen, komplexe, voneinander abhängige Prozesse mittels molekularer Fabriken so zu steuern, dass diese künftig für die Produktion chemischer Stoffe und in der Gesundheitsversorgung eingesetzt werden können?

Die Natur imitieren

Biologische Systeme verfügen über Eigenschaften, die heute mit synthetischen Ansätzen noch nicht erreicht werden können. Dazu zählt die Fähigkeit, erneuerbare Energie funktional und effizient zu produzieren und komplexe molekulare Prozesse zu steuern. Forschende müssen deshalb nicht nur von der Natur lernen und diese imitieren lernen, wenn sie molekulare Systeme entwickeln möchten, sondern auch Wege finden um Funktionalitäten zu ermöglichen, welche weiter gehen als diejenigen der heute verfügbaren, künstlichen und biologischen Systeme – und diese dann auch in molekularen Fabriken anwenden können!

Molekulare Fabriken?

Stellen wir uns eine Chemiefabrik vor – aber eine, die für unser Auge unsichtbar ist weil deren Grösse im molekularen Bereich liegt. Ein Beispiel: Der Durchmesser eines Haars erscheint uns winzig, richtig? Nun stellen wir uns einfach vor, eine molekulare Fabrik ist noch etwa 100'000 mal kleiner als der Druchmesser eines Haares. Und dennoch lässt sich die Funktionalität dieser molekularen Fabrik mit einer funktionierenden „Kleinstadt“ vergleichen. Wie die meisten Kleinstädte verfügt diese winzige Fabrik über einen betriebsamen „Bahnhof“, komplett mit Boten, Signalwarten (Sender), dem eigenen kleinen Kraftwerk und unzähligen geschäftigen Arbeitern. Diese Arbeiter sind in der molekularen Fabrik die funktionalen, molekularen Module; die wirklichen Künstler, die gemäss ihrem eigenen Programm in den Zellen Funktionen ausführen wie beispielsweise neue Stoffe und andere Substanzen zu produzieren und auszustossen, und zwar in exakt der Menge wie und wann unser Körper diese benötigt. Diese Module werden in einer molekularen Fabrik eingesetzt bzw. docken, ähnlich wie ein Reaktor, an unsere Zellen an um ihre Aufgabe auszuführen.

Science Fiction?

Was sich wie ein futuristisches Märchen anhört könnte schon bald Realistät werden. Der NCCR Molecular Systems Engineering arbeitet interdisziplinär daran, auch die Fortschritte und Erkenntnisse aus dem Bereich Life Sciences in die Entwicklung solcher molekularen Systeme einfliessen zu lassen. Die neue Wissenschaft „Molecular Systems Engineering“ nimmt so bestehende und künftige globale Herausforderungen an und könnte damit die medizinische Diagnose, Therapie und Behandlung und die Produktion chemischer Substanzen bald völlig umkrempeln!

Die Medien

Was sagen die Medien über den NCCR Molecular Systems Engineering. Mehr dazu beispielsweise in den Artikeln "Mikrofabrik im Körper" (Uni Nova, 5/2015) and "Essen Sie eine Fabrik!" (BZ Basel, 8/2014).

Who is Who?

Mehr über die am NCCR Molecular Systems Engineering beteiligten Forscherinnen und Forscher.

ÜBER UNSER PROJEKT

Wie Wolfgang Meier und Daniel Müller anno 2010 die Idee für den NCCR Molecular Systems Engineering entwickelten.