Einem Team an der Universität Ulm ist es gelungen, ein winziges molekulares System zu entwickeln, das sich autonom entlang einer vorgegebenen Strecke bewegt – angetrieben von chemischem Treibstoff und ohne äußere Steuerung der einzelnen Schritte. Die Arbeit schließt eine Forschungslücke bei künstlichen molekularen Maschinen. Das Prinzip könnte künftig dabei helfen, Moleküle herzustellen, die auf herkömmlichem Weg nur schwer zugänglich sind. Die Fachzeitschrift Nature Chemistry hat die Ergebnisse nun veröffentlicht.
In der Natur arbeiten in jeder Zelle kleine molekulare Maschinen: Sogenannte Motorproteine wie Kinesin oder Myosin transportieren Stoffe, ermöglichen Muskelbewegungen und wirken bei der Zellteilung mit. Diese Proteine bewegen sich dabei – als liefen sie auf zwei Beinen – an Proteinfasern entlang. Angetrieben werden sie von der Energie, die ein körpereigenes Molekül liefert. Schon lange versuchen Chemikerinnen und Chemiker, solche Bewegungen mit künstlichen molekularen Maschinen nachzubilden. „Alle bislang bekannten Läufer mussten allerdings von außen gesteuert werden, beispielsweise durch Zugabe von Chemikalien, Licht oder durch ein elektrisches Feld“, erklärt Max von Delius. Der Professor am Institut für Organische Chemie I der Universität Ulm hatte es bereits 2010 während seiner Promotion in Edinburgh geschafft, die weltweit ersten Moleküle eine kleine molekulare Strecke „entlanglaufen“ zu lassen. In der von ihm koordinierten aktuellen Studie gelang nun der Schritt zur Autonomie: „Unser Läufer bewegt sich von ganz allein, solange man ihm Treibstoff nachlegt.“
Wie kommt der Läufer vom Fleck?
Als Läufer dient den Forschenden eine Phosphatgruppe aus einem Phosphoratom und vier Sauerstoffatomen. Diese Gruppe ist ein wichtiger biologischer Baustein und an nahezu jedem Stoffwechselvorgang beteiligt. Auch die beiden Laufstrecken im Versuchsaufbau der Ulmer Forschenden bestehen aus Naturstoffen: dem Fettbestandteil Glycerin mit drei möglichen Bindungsstellen für die Phosphatgruppe sowie Inositol, einem Abkömmling des Zuckers, der fünf andockbare Bindungsstellen bietet.
„Damit unsere Phosphatgruppe auf diesen Strecken einen Schritt machen kann, muss sie eine Bindung zur molekularen Strecke lösen – quasi einen Fuß anheben – und an der nächsten Trittstufe eine neue Bindung eingehen“, sagt von Delius. „Die Herausforderung liegt darin, dass solche Bindungen äußerst stabil sind. Sie lösen sich normalerweise nur extrem langsam. Rechnerisch dauert es rund 140.000 Jahre, bis sich die Hälfte davon zersetzt hat. Für unser Erbgut ist diese Trägheit gut. Aber für einen Läufer, der mehrere Schritte pro Stunde machen soll, ein Desaster.“
Einen Weg zur Überwindung dieser Hürde fanden die Forschenden in einem Reaktionsprinzip, das auch von der RNA bekannt ist: Verbindet sich die Phosphatgruppe mit zwei benachbarten Gruppen aus jeweils einem Sauerstoff- und einem Wasserstoffatom (OH-Gruppen), entsteht eine ringförmige Struktur, die unter Spannung steht, „wie eine geladene Armbrust“, so von Delius – und in dieser löst sich eine der beiden Bindungen in Minutenschnelle.
Schritt für Schritt – ohne vom Gleis zu fallen
Damit läuft ein Schritt des Läufers folgendermaßen ab: Bildlich gesprochen steht die Phosphatgruppe zunächst ganz entspannt mit einem Fuß auf ihrer Strecke. Geben die Forschenden dann einen Treibstoff dazu – wasserlösliches Carbodiimid (EDC) – aktiviert dieser die Phosphatgruppe dazu, mit einem zweiten Fuß an der nächsten Position anzudocken. Es entsteht die erwähnte gespannte ringförmige Verbindung, bei der die Phosphatgruppe für kurze Zeit an zwei benachbarten Stellen gleichzeitig gebunden ist – solange, bis Wasser das Lösen einer Bindung erlaubt. „Der hintere Fuß hebt ab, der vordere bleibt stehen, und die Phosphatgruppe rückt um eine Position vor, ohne jemals ganz vom Gleis zu fallen. Mit dem nächsten Reaktionszyklus folgt der nächste Schritt“, skizziert es von Delius.
„Unsere Studie belegt deutlich die Wirkung des Treibstoffs“, sagt Erstautor Patrick Alexander Hoffmann vom Institut für Organische Chemie I. „Ohne Treibstoff sammeln sich über Wochen 90 Prozent der Phosphat-Moleküle am äußeren Rand des Glycerin-Gleises, in der für sie energetisch günstigsten Position. Mit Treibstoff hingegen sitzen nach rund zwei Stunden 64 Prozent an der weniger stabilen mittleren Position. Der Treibstoff treibt das System in einen Zustand, den es von allein kaum einnehmen würde – gewissermaßen bergauf.“ Auf dem längeren Inositol-Gerüst zeigte sich die Wirkung noch deutlicher: Ohne Treibstoff bewegte sich die Phosphatgruppe selbst nach acht Wochen überhaupt nicht. Mit Treibstoff wanderte sie über alle fünf möglichen Positionen – insgesamt vier Schritte.
Wird Treibstoff kontinuierlich zugegeben, bleibt dieser Zustand über Stunden erhalten. Die Läufer wandern dann ständig voran – wie bei einem biologischen Motor. „Wir haben hochgerechnet, dass die Stoffmenge von einem Mol Läufern – etwa 200 Gramm – zusammengenommen eine Nettostrecke von rund 8,3 Millionen Kilometern pro Sekunde zurücklegt“, so von Delius. „Dabei ist der Treibstoff bemerkenswert effizient: Bis zu 19 von 100 verbrauchten Treibstoffmolekülen führen zu einem erfolgreichen Schritt.“
Arbeit schließt Forschungslücke
„Das System vereint erstmals drei entscheidende Eigenschaften: Prozessivität, Autonomie und kinetische Asymmetrie“, erklärt von Delius. Das heißt, der Läufer bleibt mit seiner Strecke verbunden, bewegt sich selbstständig, solange Treibstoff vorhanden ist, und wird durch die Energiezufuhr aus seiner natürlichen Ruheverteilung getrieben. Mit diesem Nachweis schließt die Arbeit eine seit vielen Jahren bestehende Lücke auf dem Feld der molekularen Maschinen. „Der entwickelte Reaktionszyklus könnte dabei helfen, schwer zugängliche Wirkstoffe herzustellen, indem Treibstoff genutzt wird, um eine Phosphatgruppe auf eine eigentlich ungünstige Position zu bringen, diese also quasi `bergauf´ laufen zu lassen“, erklärt von Delius. Langfristig wollen die Forschenden ihre Läufer zudem gezielt in ausschließlich eine Richtung bewegen und molekulare Stoffe transportieren lassen.
Die Arbeiten wurden vom Europäischen Forschungsrat (ERC) und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.
Weitere Informationen:
Prof. Dr. Max von Delius, Institut für Organische Chemie I, Universität Ulm, E-Mail: max.vondelius(at)uni-ulm.de
Publikationshinweis:
Patrick Alexander Hoffmann, Suchismita Saha, Steffen Volk, Jing Sun, Andreas Englert, Max von Delius (2026): Autonomous migration of a phosphate group along glycerol and inositol scaffolds driven by a phosphodiester reaction cycle. Nature Chemistry, 18 September 2026, DOI: 10.1038/s41557-026-02240-4
Text: Christoph Karcher