Luftige Speicher für Biomoleküle

Die metallorganischen Gerüststrukturen stoßen auch bei Biologen auf zunehmendes Interesse. Denn sie bieten jede Menge Platz für Proteine und chirale Verbindungen.

Metallorganische Gerüstverbindungen, sogenannte MOFs, sind hochgradig porös. Ihr Inneres ist von einem regelmäßigen System aus Hohlräumen und Kanälen durchzogen. In den Poren können Gasmoleküle gespeichert werden. Die Gerüstverbindungen saugen sich damit voll wie ein Schwamm. Ein mit MOFs gefülltes Gefäß kann sogar unter Umständen mehr Gas aufnehmen als ein leerer Behälter gleicher Größe. Deshalb werden die Gerüstverbindungen, die 1999 erstmals beschrieben wurden, derzeit als Erdgasspeicher für Lastkraftwagen erprobt. Seit zwei Jahren werden die Speichersubstanzen dafür großtechnisch hergestellt. Doch ist das Anwendungspotential der Gerüstverbindungen längst noch nicht erschöpft. Eine internationale Forschergruppe hat nun metallorganische Verbindungen mit außergewöhnlich großen Poren hergestellt. Darin können nun auch große Moleküle wie Proteine oder andere Biomoleküle eingelagert werden.

MOFs besitzen einen modularen und damit regelmäßigen Aufbau, der einem Regalsystem gleicht. Sie bestehen aus metallhaltigen Komplexen, die über organische Baugruppen - sogenannte Linker - miteinander zu einem dreidimensionalen Netzwerk verknüpft sind. Mit der Wahl der Komponenten lässt sich die Dimension der Regalfächer - die Porengröße des Gerüsts - gezielt einstellen. Als Rekord galt bislang eine Porenweite von 4,7 Nanometern. Omar Yaghi von der University of Berkeley in Kalifornien und seine Kollegen haben nun MOFs mit Hohlräumen von bis zu zehn Nanometer Durchmesser hergestellt.

Die Wissenschaftler gingen bei ihrer Forschung von der bekannten Gerüstverbindung MOF-74 aus. Diese besteht aus stabförmigen Einheiten, die Zink oder Magnesium enthalten. Die parallel angeordneten Stäbe werden durch eine Vielzahl von organischen bifunktionellen Einheiten aus Terephthalsäure miteinander verknüpft und auf Abstand gehalten. So ergibt sich ein Gerüst mit regelmäßig angeordneten sechseckigen Kanälen. Yaghi und seine Kollegen verlängerten nun die Abstände dadurch, dass sie anstelle der Terephthalsäure Linker verwendeten, die zwischen zwei und elf Benzolgruppen enthielten. Je länger die Linker waren, desto größer wurden die Kanäle. Bei elf aneinandergereihten Benzolgruppen ergab sich schließlich eine Gerüstverbindung mit Poren von fast zehn Nanometern ("Science", Bd. 336, S. 1018). In den Poren der neuen MOF-Familie haben nun auch erstmals Biomoleküle Platz, etwa das grün fluoreszierende Protein GFP, Vitamin B12 oder Myoglobin.

Bisher scheiterten alle Versuche, MOFs mit derart großen Poren zu synthetisieren, in der Regel an zwei Punkten: Entweder bildeten sich zwei Gitter, die sich gegenseitig durchdrangen, so dass nur kleine Poren entstanden. Oder die Substanzen waren instabil und kollabierten rasch. Die neuen Gerüstverbindungen sind jedoch robust und können sogar auf 300 Grad erhitzt werden, ohne dass die Struktur nachgibt.

Außer zu Speicherzwecken lassen sich die Gerüststrukturen zur Trennung oder Reinigung von Substanzen verwenden. Eine eisenhaltige Gerüstsubstanz könnte in Erdölraffinerien Verwendung finden und dort helfen, einen kosten- und energieintensiven Prozessschritt einzusparen, wie die Forschungen der Arbeitsgruppe um Jeffrey Long, ebenfalls von der University in Berkeley, zeigen. Bislang müssen nach dem Cracken, das bei 500 Grad erfolgt, die Spaltgase stark gekühlt werden, um die entstandenen Gase voneinander trennen zu können: Ungesättigte Kohlenwasserstoffe wie Ethylen und Propylen wandern danach in die Polymerproduktion, während Ethan und Propan als Brennstoffe verwendet werden. Diese Trennung kann man Long und seinen Kollegen zufolge auch mit Gerüstverbindungen und ohne starke Kühlung erreichen.

Zur Demonstration ließen die Forscher ein Kohlenwasserstoffgemisch bei einer Temperatur von 45 Grad durch eine eisenhaltige Gerüstsubstanz strömen. Dabei zeigte sich, dass ihre MOFs selektiv die ungesättigten Kohlenwasserstoffe in ihrem Innern festhielten, während sie Alkane wie Ethan oder Propan ungehindert passieren ließen ("Science", Bd. 335, S. 1606). Ethan wurde mit einer Reinheit von 99 Prozent erhalten. Die mit ungesättigten Kohlenwasserstoffen beladene poröse Substanz gab diese erst wieder frei, als sie erwärmt wurde.

Forscher von der Ruhruniversität Bochum und des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) berichteten kürzlich über chirale Gerüststrukturen, die sich zur schnellen und kostengünstigen Trennung von Enantiomeren eignen und damit für die Herstellung von Medikamenten interessant werden könnten. Viele Wirkstoffe sind chiral, dass heißt, von diesen Molekülen gibt es immer zwei zueinander spiegelbildliche Formen, sogenannte Enantiomere. Oftmals weisen die beiden Formen unterschiedliche pharmakologische Eigenschaften auf, daher müssen die bei der Herstellung anfallenden Enantiomere voneinander getrennt werden.

Die Wissenschaftler um Christof Wöll und Roland Fischer bauten ihre MOFs schichtweise auf, indem sie einen Festkörper nacheinander in Lösungen mit den Ausgangsstoffen eintauchten. Wie gewohnt, entstand eine Gerüstsubstanz mit modularem Aufbau. Als Verstrebungen verwendeten die Chemiker Camphersäure, ein chirales organisches Molekül. Die synthetisierten MOFs waren dadurch sensibel für Moleküle einer bestimmten Chiralität. Diese wurden von den anderen Enantiomeren abgetrennt. Demonstriert haben Forscher diese einseitige Wirkungsweise an dem chiralen Alkohol Hexandiol ("Angewandte Chemie", Bd. 124, S. 831). Nun arbeiten sie daran, die Porenweite ihrer MOFs zu vergrößern, um das Trennverfahren auch für größere Moleküle nutzen zu können.