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Thomas Paulöhrl: Mit Licht zur zeit- und raumgesteuerten Reaktion

Der Polymerchemiker Thomas Paulöhrl vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wurde mit dem Lanxess Talent Award 2012 ausgezeichnet. Er schaffte es, die Klick-Reaktion mit Hilfe von Licht so weiterzuentwickeln, dass damit unterschiedliche Oberflächenstrukturen und dreidimensionale Gerüste modelliert werden können. Im Rahmen seiner Doktorarbeit legt er nicht nur den Grundstein für eine neue Art von Materialmodifikation, sondern auch für neue Forschungsmöglichkeiten in der medizinischen Wirkstoffentwicklung.

Der Doktorand Thomas Paulöhrl an seinem Arbeitsplatz am KIT © BIOPRO

Mit Hilfe eines alltäglichen Gegenstandes die Polymerchemie neu aufwickeln: Thomas Paulöhrl hat das geschafft, was jahrelang andere nur versucht hatten. Mit einer einfachen Lampe als Lichtquelle hat er zwei Dimensionen unter Kontrolle gebracht – den Raum und die Zeit.

Thomas Paulöhrl wuchs in Ulm auf. Nach dem Abitur und dem Zivildienst beschloss er Chemie zu studieren. „Ich wollte etwas studieren, bei dem ich meine eigenen Ideen einbringen kann. In der Chemie ist das für mich möglich“, erklärt Paulöhrl seine Entscheidung. Um sich das Studium zu finanzieren, gründete er während des Vordiploms eine eigene Firma. Als „HomepageHoster“ begann er an Firmen Homepages mit eigener Domain und die dazugehörige Infrastruktur zu verkaufen. „Kisten schleppen für einen Mindestlohn, das war nichts für mich“, erklärt der Doktorand. Ihm kamen wirtschaftliche Aspekte im Studium zu kurz, man lerne sein Fach, aber die wirkliche Welt bliebe verborgen. „So konnte ich mir neben dem Studium selbst etwas beibringen und dabei Geld verdienen“, berichtet der Chef der noch heute erfolgreich bestehenden Ein-Mann-Firma.

Als Paulöhrl das erste Mal in seine heutige Arbeitsgruppe im Institut für Technische Chemie und Polymerchemie am KIT kam, arbeiteten dort nur acht Leute. Doch das änderte sich schnell. Paulöhrl war klar: „Hier bewegt sich was.“ Heute sind hier 40 Forscher tätig. Sie arbeiten an breit gefächerten Themen wie beispielsweise der Synthese komplexer makromolekularer Architektur oder der lichtinduzierten Modifikation von Materialien.

Durch photoaktive Gruppen läuft die Reaktion an einem bestimmten Ort ab

Nur in dem bestimmten Bereich, der mit Licht bestrahlt wird, kann eine Reaktion ablaufen. © Paulöhrl

Ein wichtiges Element der Polymerchemie und von Paulöhrls Forschungen ist die sogenannte Klick-Reaktion. Dabei werden molekulare Strukturen zuerst in kleineren Teilstrukturen hergestellt, bevor sie im Zuge einer einzigen Reaktion selbstständig zusammen „klicken“. Meistens ist der Ort der herkömmlichen Klick-Reaktion nicht bestimmbar. „Kippen Sie verschiedene Klick-Bausteine in ein Glas Wasser, dann wissen Sie zwar, dass eine Reaktion stattfindet. Aber wo, wissen Sie nicht“, erklärt Paulöhrl das Problem. Oft möchte man aber beispielsweise Oberflächen nicht vollständig, sondern nur an genau definierten Punkten modifizieren, so der Doktorand.

Er kam auf die Idee, die Klick-Reaktion mit photoaktiven Gruppen und Licht aus einer normalen Lampe auszuprobieren. Licht kann man mit einfachen Methoden punktuell anwenden. Durch Parameter wie Bestrahlungszeitpunkt, -dauer und -ort kann genau bestimmt werden, wann eine Reaktion wo stattfindet. Das heißt: Sobald auf einer Platte mit photoaktiven Gruppen ein Punkt bestrahlt wird, finden dort die Klick-Reaktionen mit den in der Umgebung befindlichen Molekülen statt.

Das Augenmerk des Doktoranden liegt auf solchen Herausforderungen. „Es dauert heutzutage ziemlich lange, eine vernünftige Wissensbasis in der Chemie zu schaffen. So studiert man fünf Jahre und macht sein Diplom. Danach hat man dann allerdings schon während seiner dreijährigen Doktorarbeit die Möglichkeit aktuelle Forschung mitzugestalten“, erklärt er seine Intention.

Als die Klick-Reaktion durch Lichtinduktion mit einfachen Molekülen funktionierte, ging Paulöhrl weiter. „Ich nahm den nächst größeren Baustein und untersuchte, ob da die Begebenheiten und Bedingungen anders sind“, berichtet der Jungforscher. Paulöhrl versuchte es mit Peptiden. Nach der Analyse durch Massenspektroskopie stand fest: Auch hier wurden Moleküle mit angehängten photoaktiven Gruppen nach der punktuellen Lichtbestrahlung aktiviert und die Klick-Reaktion mit den Peptiden lief ab. Als klar war, dass die Reaktion auch in Gegenwart verschiedenster funktioneller Gruppen funktionierte, versuchte Paulöhrl es mit anderen Aktivgruppen. „Dasselbe Prinzip war sogar auf Oxime als Aktivgruppe übertragbar“, berichtet Paulöhrl.

Mit der zeit- und raumgesteuerten Klick-Reaktion Zellen beobachten

Rekonstruktion einer 3D-Fluoreszenzmikroskopie-Aufnahme, an der definierte Punkte (in rot) funktionalisiert wurden. © Richter

Anschließend entwickelte Paulöhrl das Projekt mit einer Gruppe aus Biologen und Physikern für medizinische Zwecke weiter. Das Team um Professor Marin Wegner vom DFG-Centrum für Funktionelle Nanostrukturen (CFN) hatte mithilfe einer 3D-Laserlithografie ein 3D-Gerüst erstellt. An dieses galt es nun, Moleküle an definierten Stellen festzuklicken. Mit Paulöhrls Methode schafften sie es, an gezielten Stellen im 3D-Gerüst Fluoreszenzmarker mit Licht „anzuklicken“. Nun ist der nächste Schritt, diesen Versuch auf lebende Zellen zu übertragen. Diese sollen an das 3D-Gerüst angehängt werden, um sie dann unter dreidimensionalen Bedingungen beobachten zu können, was der Situation im Körper sehr nahe kommt.

Solche dreidimensionalen Zellkulturen sind insbesondere in der Krebsforschung bzw. der Medikamentenentwicklung wichtig, da hier unter möglichst realistischen Bedingungen getestet werden kann. Der zeitliche Aspekt, den Paulöhrl mit seiner Methode kontrollieren kann, ist dabei ein wichtiger Teil der Arbeit. Denn so können Zellen in verschiedenen Entwicklungsstadien zu unterschiedlichen Zeitpunkten, gesteuert über die Lichtquelle, an das 3D-Gerüst „angeklickt“ werden, um die natürliche Profileration des Zellverbunds nachzuahmen.

Die Zukunft der lichtinduzierten Klick-Reaktion liegt somit in der medizinischen Forschung und auch in der Erforschung der Stammzelldifferenzierung. „Wir haben mit Molekülen in Lösung angefangen, sind dann über Oberflächen nun bei einem Verfahren gelandet, das bei Stammzellen verwendet werden kann“, schmunzelt Paulöhrl verlegen. Aber in diesem Bereich geht es für Paulöhrl persönlich nicht weiter. „Die erfolgreich entwickelten chemischen Ansätze sollten nun in biologischen oder physikalischen Fachbereichen Anwendung finden, damit dann an einem späteren Zeitpunkt gezielte Weiterentwicklung möglich ist.“

Materialeigenschaften lassen sich gezielt modifizieren

Die kontrollierte Klick-Reaktion ist auch in weiteren Bereichen für die Polymerchemie von Interesse. Denn bestimmte Materialeigenschaften können mit diesem Verfahren verändert werden. Zum Beispiel lassen sich Hydrophilie oder -phobie gezielt ganz einfach mit der Klick-Reaktion beeinflussen. Im Bereich der Materialmodifikation arbeiten Kollegen aus Paulöhrls Arbeitsgruppe gemeinsam mit industriellen Partnern an Patenten.

In einem Jahr wird Paulöhrl seine Doktorarbeit abschließen. Ob er anschließend eine Karriere in der industriellen Forschung oder eine akademische Laufbahn einschlägt, wisse er noch nicht, aber beides habe seine Reize, so Paulöhrl. Für seine bisherigen Ergebnisse wurde er im Juni 2012 mit dem Lanxess Talent Award 2012 ausgezeichnet. Nicht der erste Preis seiner Karriere, aber ein wichtiger. Denn in der Grundlagenforschung könne man die Ergebnisse, auf die man hinarbeite, nicht planen. „Ich versuche jedoch etwas zu entwickeln, das relativ einfach umzusetzen ist. Ansonsten schwindet das industrielle Interesse daran deutlich“, so Paulöhrl. Bei seiner kontrollierten dreidimensionalen Klick-Reaktion ist ihm das gelungen. „Eine mit Licht induzierte Reaktion“, ein einfaches Prinzip, das funktioniert.

Hintergrund:

Thomas Paulöhrl wurde 1985 in Ulm geboren und legte dort sein Abitur ab. Nach neun Monaten als Zivildienstleistender begann er sein Chemie-Studium an der Universität Karlsruhe. Für seine Diplomarbeit wurde ihm 2010 der Procter & Gamble Preis verliehen. Im gleichen Jahr begann er seine Promotion unter der Anleitung von Prof. Christopher Barner-Kowollik als Doktorandenstipendiat des Fonds der Chemischen Industrie.

Der Lanxess Talent Award 2012 für die Bereiche „Advances in Polymer Materials“ und „Innovations in Process Engineering“ ist mit 4.000 Euro dotiert und wurde dieses Jahr zum ersten Mal vergeben. Die Kandidaten wurden von ihren Hochschullehrern vorgeschlagen und mussten sich vor einer Expertenjury im Rahmen der ersten Sommerschule des Forschungsinstituts für Interaktive Materialien der Rheinisch-Westfälischen Hochschule in Aachen (RWTH) bewähren.

Literatur:
Pauloehrl, T.; Delaittre, G.; Winkler V.; Welle, A.; Bruns, M.; Börner, H. G.; Greiner, A. M.; Bastmeyer, M.; Barner-Kowollik C.; Adding Spatial Control to Click Chemistry: Light-Triggered Diels–Alder Surface (Bio)functionalization at Ambient Temperature, Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 1071–1074.

Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/thomas-pauloehrl-mit-licht-zur-zeit-und-raumgesteuerten-reaktion