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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