Wenn Licht die Chemie steuert
Beschädigtes Knorpelgewebe mithilfe eines Stützgerüsts aus Bio-Tinte nachwachsen zu lassen: Das ist das Ziel des Projekts TriggerINK. Ein Schlüsselbestandteil des Vorhabens sind molekulare Lichtschalter, welche die Forschungsgruppe um Stefan Hecht entwickelt. Nun hat das Team grosse Fortschritte erzielt. Die möglichen Anwendungen reichen weit über die regenerative Medizin hinaus.
Wenn Stefan Hecht über Licht spricht, wirkt seine Begeisterung ansteckend. «Man kann mit Licht ganz tolle Sachen machen», sagt der Chemiker und Einstein-Professor an der Humboldt-Universität zu Berlin. Seit Jahren erforscht er, wie sich chemische Prozesse mit Licht gezielt steuern lassen. Im Zentrum steht dabei eine Technologie mit enormem Potenzial für Medizin und Materialwissenschaft: molekulare Lichtschalter, sogenannte Photoschalter.
Dabei handelt es sich um chemische Verbindungen, die ihre Struktur reversibel verändern, wenn sie mit Licht bestrahlt werden: Ein Lichtsignal genügt, und eine Funktion wird an- oder ausgeschaltet. «Ich vergleiche das gern mit Dr. Jekyll und Mr. Hyde», sagt Stefan Hecht. «Ein Photoschalter-Molekül besitzt zwei völlig unterschiedliche Persönlichkeiten: In einem Zustand geschieht nichts – im anderen wird es aktiv.»
Verglichen mit chemischen Reaktionen, die durch Reagenzien wie Säuren oder Katalysatoren in Gang gesetzt werden, erlauben Photoschalter eine berührungslose und präzise Fernsteuerung von Eigenschaften durch Lichtimpulse. So können verschiedenste Prozesse an einem definierten Ort und zu definierten Zeitpunkt ausgelöst und falls gewünscht auch wieder abgebrochen werden. Aus diesen Gründen ist die Photoschalter-Technologie auch ein wichtiger Aspekt des Projekts TriggerINK, das die Werner Siemens-Stiftung seit dem Jahr 2022 fördert.
Regeneration dank Bio-Tinte
Ziel von TriggerINK ist es, beschädigten Gelenkknorpel mithilfe einer neuartigen Bio-Tinte zu regenerieren. Die Tinte, ein Hydrogel, soll direkt in eine Knorpelverletzung gedruckt werden und dort ein dreidimensionales Gerüst bilden, entlang dessen neues Gewebe wachsen kann. Hier kommen Lichtschalter ins Spiel: «Das Hydrogel soll nur dort ausgebildet werden, wo Licht auftrifft», sagt Stefan Hecht. So entsteht an der richtigen Stelle und zum geeigneten Zeitpunkt ein stabiles Gerüst mit Poren und Strukturen, die den Zellen Orientierung geben und die Regeneration unterstützen.
Chemisch ist die Konzeption eines Photoschalters allerdings äussert anspruchsvoll. In einem ersten Schritt entwickelte Hechts Forschungsgruppe ein System, das durch UV-Licht gesteuert wird. «Mit UV-Licht lassen sich Reaktionen deutlich leichter auslösen, weil es sehr energiereich ist», sagt Hecht. «Aber es verursacht dadurch auch leicht Schäden im Gewebe.» Deshalb begann sein Team nach Möglichkeiten zu suchen, um Photoschalter mit sichtbarem oder gar infrarotem Licht zu betreiben, das energieärmer und für den Körper unschädlich ist.
Die Kraft von Nahinfrarotlicht
Nun trägt die Arbeit erste Früchte: Hechts Team hat kürzlich gleich drei unterschiedliche Ansätze entwickelt, die Wege für solche molekularen Lichtschalter eröffnen. Die für TriggerINK wohl geeignetste Methode ist noch nicht publiziert, weshalb der Forscher nicht ins Detail gehen kann. «Es geht aber darum, dass wir für das Vernetzen der Hydrogele Schwefelverbindungen, sogenannte Thiole, benötigen», sagt Hecht. Sein Doktorand Henri Tertilt habe eine Methode entwickelt, bei der ein Molekül in der einen Form mit Thiolen reagiert, in der anderen nicht.
«Dieser Schalter wird mit Nahinfrarot-Licht gesteuert», sagt Hecht. Nahinfrarot-Licht gilt als unbedenklich für biologisches Gewebe. Und es dringt tiefer in den Körper ein als sichtbares Licht. «Man kommt damit sogar durch den Schädel bis ins Gehirn», sagt Hecht. Daher, sagt der Forscher, könnte man mit Nahinfrarot-Licht prinzipiell auch Signalstoffe im Körper gezielt freisetzen – zum Beispiel einen spezifischen Wirkstoff in der richtigen Hirnregion.
Bindungsaustausch mit Blaulicht
In einem zweiten Ansatz, der kürzlich im Fachmagazin «Journal of the American Chemical Society» (JACS) veröffentlicht wurde (1), verwendete Hechts Doktorand Alwin Drichel ein spezielles Farbstoffmolekül, das unter blauem Licht seine Struktur verändert. In einer Form ist es chemisch aktiv und nimmt an einem Bindungsaustausch teil. In der anderen Form wird es praktisch inaktiv. Das Licht funktioniert wie ein Pausenknopf für die Chemie.
Der Bindungstyp, den die Forscher für ihre Studie untersuchten, zählt zur sogenannten «dynamisch-kovalente Chemie». Es handelt sich dabei um Bindungen, die sich ständig lösen und neu bilden können. Solche Systeme gelten als vielversprechend für intelligente Materialien oder selbstheilende Kunststoffe. Solange die Bindungen dynamisch bleiben, verändert sich das Material fortlaufend und kann sich an seine Umgebung anpassen.
Mit dem lichtgesteuerten Mechanismus, den Drichel und Hecht entwickelten, lässt sich dieser Austauschprozess kontrollieren: Wird das molekulare System mit blauem Licht bestrahlt, entsteht eine chemisch wenig reaktive Form – das dynamische System wird sozusagen eingefroren. Wird die Lichtquelle entfernt, kehrt das Molekül langsam in seine aktive Form zurück, der chemisch Austausch setzt wieder ein.
Spannung auf- und abbauen
Einen dritten Weg haben die Forschenden kürzlich im Fachmagazin «Chem» vorgestellt (2). Er nutzt die Kontrolle mechanischer Spannung in Molekülen. Spannung kann chemische Reaktionen beschleunigen. Werden Moleküle in eine energetisch ungünstige, «verspannte» Form gezwungen, reagieren sie oft deutlich schneller. Die US-amerikanische Nobelpreisträgerin Carolyn Bertozzi nutzte dieses Prinzip für die sogenannte dehnungsinduzierte Klick-Chemie (englisch: strain-promoted click chemistry).
Dabei werden chemische Gruppen in verspannte Ringsysteme eingebaut. Die gespeicherte Spannung liefert gewissermassen den Antrieb für die Reaktion. Die dehnungsinduzierte Klick-Chemie ist heute in der biologischen Forschung weit verbreitet. Sie erlaubt es, molekulare Bausteine schnell und gezielt miteinander zu verknüpfen, ohne auf Katalysatormaterialien wie Kupfer zurückgreifen zu müssen, die für lebende Zellen und Organismen toxisch sind.
«Wir möchten aber auch bei solchen Reaktionen bestimmen können, wo und wann sie stattfinden», sagt Stefan Hecht. Genau dies gelang seinem Team – Erstautor dieser Studie war Doktorand Tom Bösking – mit einer Lösung, die an eine Schlauchklemme erinnert: Mithilfe eines Photoschalters wird ein grosser Molekülring in zwei kleinere Ringe aufgeteilt. Dadurch steigt die Spannung innerhalb der Struktur. Wird der Schalter zurückgesetzt, entspannt sich das System.
Durch das Öffnen und Schliessen des molekularen Ringsystems lässt sich die Reaktivität gezielt verändern. Die Forschenden konnten zeigen, dass sich damit chemische Reaktionen tatsächlich steuern lassen. Licht wird bei diesem Ansatz nicht nur zum Schalter, sondern zum Werkzeug, das mechanische Energie innerhalb eines Moleküls speichert und wieder freisetzt.
Kunststoffe umbauen mit Licht
Letztlich drehen sich alle drei Ansätze um dieselbe Grundfrage, die im TriggerINK-Projekt zentral ist: Wie erzeugt man eine chemische Reaktion nur dort, wo sie gebraucht wird? Stefan Hechts Vision für den Einsatz der Photoschalter reicht allerdings weit über die Knorpelregeneration hinaus. Der in JACS veröffentlichte Ansatz etwa könnte sich dereinst für Anwendungen in der Polymertechnik eignen, etwa zur Herstellung modulierbarer Kunststoffe, sagt Stefan Hecht.
Kunststoffe sind nämlich nichts anderes als lange, chemisch aneinandergekoppelte Ketten von Einzelbausteinen, sogenannten Monomeren. Eine Vernetzung mittels Photoschalter könnte den Ab- und Umbau solcher Materialien vereinfachen: Eine starke Vernetzung macht das Polymer fester, ideal für robuste Produkte wie stabile Plastikteile. Löst man Bindungen auf, wird dasselbe Material weicher – und liesse sich beispielsweise zu Folien verarbeiten. «Das wäre insbesondere interessant, weil sich viele heutige Kunststoffe chemisch kaum abbauen lassen und die Recyclingquote gering ist», sagt Hecht.
Eine Molekülfalle in der Zelle
Für Ringsystem-Photoschalter sieht der Forscher eine andere Anwendung: Sie könnten dereinst helfen, Vorgänge innerhalb lebender Zellen sichtbar zu machen. Er nenne das «angeln mit Licht», erzählt Stefan Hecht. Die Idee: Das Photomolekül wird in einer Zelle platziert und zu einem genau bestimmten Zeitpunkt an einem exakt definierten Ort aktiviert. Eine hochreaktive chemische Gruppe wird freigesetzt und fungiert als eine Art molekulare Falle: Sie fängt unmittelbar benachbarte Proteine oder andere Moleküle ein.
«Wir wissen heute immer noch wenig darüber, wie die Prozesse innerhalb von Zellen ablaufen», sagt Hecht. «Mit einer solchen Methode könnte man beispielsweise beobachten, welche Moleküle sich zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Nähe welcher Organellen befinden. Oder die Pharmaindustrie könnte so herausfinden, an welche Moleküle ihre Wirksubstanzen binden.»
Bis solche Szenarien Realität werden, ist noch viel Grundlagenforschung nötig. Aber sie verdeutlichen, dass die Lichtschalter-Chemie eine Bedeutung hat, die weit über ihren Einsatz im TriggerINK-Projekt hinausgeht. Sie könnte dereinst völlig neue Möglichkeiten schaffen, um chemische Vorgänge räumlich und zeitlich zu kontrollieren.
Text: Simon Koechlin
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