Forschung | AK Weil
Der Arbeitskreis „Synthese von Makromolekülen“, der im Jahr 2017 am Max-Planck-Institut für Polymerforschung gegründet wurde, widmet sich der Frage, wie sich Materie in lebenden Systemen gezielt gestalten und steuern lässt.
Gemeinsam als Team aus Chemiker:innen, Biolog:innen und Physiker:innen lassen wir uns von der Zelle als grundlegender Einheit des Lebens sowie von der Fähigkeit der Natur inspirieren, weiche Materie über hierarchische Längenskalen hinweg zu organisieren. Im Zentrum unserer Forschung steht die Frage, wie molekulare Informationen in dynamischen, transienten Materialzuständen kodiert, verarbeitet und gespeichert werden können und wie daraus Funktionen entstehen.
Wir verfolgen einen Bottom-up-Ansatz, bei dem sich kleine Moleküle, etwa Peptide, zu geordneten Nanostrukturen über mehrere Längenskalen hinweg zusammenlagern. Anstatt Materialien als statische Einheiten zu betrachten, verstehen wir sie als programmierbare Systeme, deren Struktur, Dynamik und Funktion sowohl durch die molekulare Sequenz als auch durch den Assemblierungsprozess bestimmt werden. Dies ermöglicht es uns, katalytische und responsive Materialien zu entwickeln, die zentrale Prinzipien biologischer Organisation nachbilden.
Ein Schwerpunkt unserer Arbeit ist die Integration synthetischer und lebender Materie, um Zellfunktionen über die klassische Gentechnik hinaus zu steuern. Durch die Schnittstelle zwischen adaptiven Materialien und Zellen schaffen wir einen bidirektionalen Metabolitenaustausch, der es erlaubt, Zellviabilität, Energieverbrauch, Atmung und Proteinexpression auf nicht-genetische und dynamische Weise zu modulieren. Parallel dazu entwickeln wir quantenbasierte Nanosensoren auf Basis von Nanodiamanten, die eine präzise Messung und gezielte Beeinflussung physikalischer und chemischer Parameter innerhalb von Zellen ermöglichen, darunter oxidativer Stress, pH-Wert, Temperatur und reaktive Sauerstoffspezies.
Zusammen führen diese Ansätze zur Entwicklung programmierbarer, adaptiver Biomaterialien, die biologische Systeme auslesen, darauf reagieren und gezielt umprogrammieren können. Unsere langfristige Vision ist es, dieses Potenzial zu nutzen, um Materialien zu schaffen, die nicht nur in biologischen Umgebungen existieren, sondern lebensähnliche Prozesse eigenständig mitgestalten und steuern.
Wir bearbeiten wissenschaftliche Fragestellungen in den folgenden Forschungsbereichen:
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Dann lesen Sie gerne unsere Übersichtsartikel und Perspektiven:
1.
Lu, Q.; Wu, Y.; Weil, T.: Nanodiamond Quantum Sensors for Probing Free Radical Biology. Advanced Functional Materials 36 (45), e00003 (2026)
2.
Schauenburg, D.; Weil, T.: Not So Bioorthogonal Chemistry. Journal of the American Chemical Society 147 (10), S. 8049 - 8062 (2025)
3.
Schauenburg, D.; Weil, T.: Chemical Reactions in Living Systems. Advanced Science 11 (8), 2303396 (2024)
4.
Wu, Y.; Weil, T.: Recent Developments of Nanodiamond Quantum Sensors for Biological Applications. Advanced Science 9 (19), 2200059 (2022)
5.
Chagri, S.; Ng, D. Y. W.; Weil, T.: Designing bioresponsive nanomaterials for intracellular self-assembly. Nature Reviews Chemistry 6, S. 320 - 338 (2022)
6.
Zhou, Z.; Maxeiner, K.; Ng, D. Y. W.; Weil, T.: Polymer Chemistry in Living Cells. Accounts of Chemical Research 55 (20), S. 2998 - 3009 (2022)
7.
Alfieri, M. L.; Weil, T.; Ng, D. Y. W.; Ball, V.: Polydopamine at biological interfaces. Advances in Colloid and Interface Science 305, 102689 (2022)
8.
Gačanin, J.; Synatschke, C. V.; Weil, T.: Biomedical Applications of DNA-Based Hydrogels. Advanced Functional Materials 30 (4), 1906253 (2020)
9.
Whitfield, C.; Zhang, M.; Winterwerber, P.; Wu, Y.; Ng, D. Y. W.; Weil, T.: Functional DNA–Polymer Conjugates. Chemical Reviews 121 (18), S. 11030 - 11084 (2021)
10.
Xu, L.; Kuan, S. L.; Weil, T.: Contemporary Approaches for Site‐selective Dual Functionalization of Proteins. Angewandte Chemie International Edition 60 (25), S. 13757 - 13777 (2021)
11.
Kuan, S. L.; Bergamini, F. R. G.; Weil, T.: Functional protein nanostructures: a chemical toolbox. Chemical Society Reviews 47 (24), S. 9069 - 9105 (2018)
12.
Wu, Y.; Jelezko, F.; Plenio, M. B.; Weil, T.: Diamond Quantum Devices in Biology. Angewandte Chemie International Edition 55 (23), S. 6586 - 6598 (2016)
13.
Pelaz, B.; Alexiou, C.; Alvarez -Puebla, R. A.; Alves, F.; Andrews, A. M.; Ashraf, S.; Balogh, L. P.; Ballerini, L.; Bestetti, A.; Brendel, C. et al.; Bosi, S.; Carril, M.; Chan, W. C. W.; Chen, C. Y.; Chen, X. D.; Chen, X. Y.; Cheng, Z.; Cui, D. X.; Du, J. Z.; Dullin, C.; Escudero, A.; Feliu, N.; Gao, M. Y.; George, M.; Gogotsi, Y.; Grünweller, A.; Gu, Z. W.; Halas, N. J.; Hampp, N.; Hartmann, R. K.; Hersam, M. C.; Hunziker, P.; Jian, J.; Jiang, X. Y.; Jungebluth, P.; Kadhiresan, P.; Kataoka, K.; Khademhosseini, A.; Kopecek, J.; Kotov, N. A.; Krug, H. F.; Lee, D. S.; Lehr, C. M.; Leong, K. W.; Liang, X. J.; Lim, M. L.; Liz-Marzan, L. M.; Ma, X. W.; Macchiarini, P.; Meng, H.; Möhwald, H.; Mulvaney, P.; Nel, A. E.; Nie, S. M.; Nordlander, P.; Okano, T.; Oliveira, J.; Park, T. H.; Penner, R. M.; Prato, M.; Puntes, V.; Rotello, V. M.; Samarakoon, A.; Schaak, R. E.; Shen, Y. Q.; Sjoqvist, S.; Skirtach, A. G.; Soliman, M. G.; Stevens, M. M.; Sung, H. W.; Tang, B. Z.; Tietze, R.; Udugama, B. N.; VanEpps, J. S.; Weil, T.; Weiss, P. S.; Willner, I.; Wu, Y. Z.; Yang, L. L.; Yue, Z.; Zhang, Q.; Zhang, Q.; Zhang, X. E.; Zhao, Y. L.; Zhou, X.; Parak, W. J.: Diverse Applications of Nanomedicine. ACS Nano
11 (3), S. 2313 - 2381 (2017)
14.
Kuan, S. L.; Wang, T.; Weil, T.: Site-Selective Disulfide Modification of Proteins: Expanding Diversity beyond the Proteome. Chemistry – A European Journal 22 (48), S. 17112 - 17129 (2016)
