Molekülknoten – links und rechts

Wie Moleküle Knoten bilden…

Kunststoffe oder DNA: Viele Moleküle sind so lang, dass sie Knoten bilden können, ähnlich wie beim Schuhe binden. Während es noch umstritten ist, ob Rechts- und Linkshänder ihre Knoten lieber in unterschiedliche Richtungen binden, sind die Knotengewohnheiten von Molekülen jetzt viel klarer geworden.

Ein Forscherteam des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz hat gezeigt, dass die Richtung der Verdrehung helixförmiger Moleküle – rechts oder links – die Händigkeit ihrer Knoten bestimmt.

Helixförmige Moleküle haben, ähnlich wie ein Korkenzieher, eine Spiralform, die entweder links- oder rechtsdrehend sein kann. Solche „chiralen Moleküle“ können sich gemeinsam zu großen links- oder rechtsdrehenden Strukturen zusammenschließen. Diese weisen besondere optische Eigenschaften auf und erzeugen prächtige Farben, zum Beispiel bei einigen Insekten.

Die Mechanismen, durch die die lokale, korkenzieherartige Helizität die Händigkeit der großen supramolekularen Anordnungen bedingt, sind noch nicht gut verstanden. Um sie zu erforschen, ist es sinnvoll, von einem einfacheren Problem auszugehen und zu untersuchen, wie die Helizität die größere Struktur einzelner Moleküle beeinflusst.

Molekulare Knoten sind für diesen Zweck gut geeignet: Sie können in einer rechts- und einer linkshändigen Form existieren, und fast jedes ausreichend lange Molekül bildet Knoten, wie es Seile oder Kabel im Alltag tun. Außerdem umfassen die Knoten große Teile des Moleküls.

Eine bisher unklare Frage ist, ob die Richtung der helikalen Verdrehung auf molekularer Ebene die Händigkeit der größeren Molekülknoten beeinflusst. Nehmen wir an, man hat eine linksdrehende Helix. Ist es wahrscheinlicher, dass sich links- oder rechtshändige Knoten bilden?

Ein Team um Kostas Daoulas, Gruppenleiter im Arbeitskreis von Kurt Kremer am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz, ist dieser Frage nun nachgegangen, in Zusammenarbeit mit zwei Gruppen der Universität Mainz um Peter Virnau (Fachbereich Physik) und Pol Besenius (Fachbereich Chemie). Die Forscher haben ein Rechenmodell entwickelt, das die Verknotung eines Molekülstrangs simuliert. In ihrem theoretischen Modell haben die Forscher Kräfte innerhalb des Molekülstrangs eingeführt, die für eine helikale Verdrehung sorgen. Diese Verdrehung können sie mit Hilfe eines Parameters, den sie festlegen, erhöhen oder verringern.

Außerdem bestimmt das Vorzeichen dieses Parameters ─ negativ oder positiv ─, ob die Helixverdrehung links- oder rechtshändig ist.
Die Forschenden haben herausgefunden, dass diese innerhalb eines Moleküls eingebrachten Kräfte einen direkten Einfluss auf die Richtung der Knotenbildung des gesamten Moleküls haben. Wie stark das Molekül betroffen ist, hängt von der Stärke des einstellbaren Parameters ab.
Ihr Modellsystem zeigt, dass die Abhängigkeit der Händigkeit der Knoten von der Richtung der Helix auf spezielle Strukturen zurückzuführen ist, die spontan auf dem Molekül auftreten: verdrehte „Zöpfe“, die aus zwei miteinander verflochtenen Teilen des helikalen Moleküls gebildet werden. Solche Formen der Molekülpackung könnten auch beim Zusammenbau mehrerer helikaler Moleküle eine Rolle spielen, z.B. zu optisch aktiven Strukturen.

Ihre Ergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift „ACS Macro Letters“ veröffentlicht.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Kostas Daoulas
daoulas@mpip-mainz.mpg.de

Originalpublikation:

Zhao, Y.; Rothörl, J.; Besenius, P.; Virnau, P.; Daoulas, K. C.: Can Polymer Helicity Affect Topological Chirality of Polymer Knots? ACS Macro Letters 12 (2), pp. 234 – 240 (2023)
DOI: 10.1021/acsmacrolett.2c00600

https://www.mpip-mainz.mpg.de/presse/pm-2023-21?c=595459