Dendritisch eingeschlossene aktive Zentren: Anwendung des Isolationsprinzips der Natur in der Biomimetik und den Materialwissenschaften

Unser gestiegenes Verständnis der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen einiger ausgewählter Biomakromoleküle hat – zusammen mit unseren verbesserten Fertigkeiten, Makromoleküle mit einer strukturellen Genauigkeit, die der der Proteine nahekommt, herzustellen – den Horizont zu einem neuen Forschungsbereich geöffnet, der die Chemie und die Materialwissenschaften mit der Biologie verbindet. Während die Natur im Laufe der Evolution kontinuierlich Prozesse wie Energietransfer oder Katalyse durch Selbstreplikations- und Reparaturfunktionen vervollkommnen konnte, hängen die Zugänglichkeit und der Nutzen synthetischer Makromoleküle in erster Linie von unserem präparativen Können und von unserer Fähigkeit ab, Struktur und Funktion in unserem Design miteinander zu verbinden. So können wir Nutzen aus unserem Verständnis der natürlichen Systeme ziehen, um strukturelle Charakteristika nachzuahmen und Funktionen zu optimieren. Um Eigenschaften zu realisieren, die im nichtorganisierten isotropen Zustand (bulk) unerreichbar wären, nutzen zahlreiche biologische Systeme das Isolationskonzept, bei dem ein aktives Zentrum oder eine katalytisch aktive Stelle innerhalb eines Proteins eingekapselt wird. Diesem Konzept folgend wurde die Fähigkeit dendritischer Hüllen, funktionelle Zentren einzuschließen und so spezifische, isolierte Nanoumgebungen zu schaffen, die die molekularen Eigenschaften des Zentrums beeinflussen, intensiv erforscht. Unter Nutzung der besonderen Eigenschaften der Dendrimerarchitektur wurden aktive Zentren mit photophysikalischen, photochemischen, elektrochemischen oder katalytischen Eigenschaften im Mittelpunkt des Dendrimers (als Dendrimerkern) platziert. Eine solche Anwendung des Isolationskonzeptes auf Probleme in der Materialforschung ist auf lange Sicht sehr viel versprechend, und bereits heute zeichnen sich erste Anwendungen u. a. beim Design verbesserter, optoelektronischer Bauelemente ab. Dieser Aufsatz konzentriert sich auf die Entwicklung dieses natürlichen Designprinzips, das wesentlich dazu beiträgt, die Lücke zwischen zwei historisch so unterschiedlichen Disziplinen wie der Biologie und den Materialwissenschaften zu schließen. Aktuelle Fortschritte sowohl in der Synthese von dendritisch eingekapselten Molekülen als auch in der Untersuchung ihrer Eigenschaften mit Hilfe einer Vielzahl von unterschiedlichen Methoden werden behandelt. Aus diesen Studien ergeben sich Erkenntnisse für viele Anwendungen, die vom Design künstlicher Enzyme und Katalysatoren sowie supermolekularer Lichtsammelsysteme bis hin zum Aufbau von isolierten molekularen Drähten, Leuchtdioden und Glasfaseroptiken reichen.