Steuerung der Struktur und Funktion von Biomakromolekülen durch Licht

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Abstract
Der Sehvorgang sowie andere durch Licht ausgelöste biochemische Umsetzungen in Pflanzen und Lebewesen sind ausgeklügelte biologische Vorgänge, in denen optische Signale registriert und in (physiko)chemische umgesetzt werden. Photoschaltbare Biomakromoleküle sind eine neue Klasse von Substanzen, in denen optische Signale zwei diskrete Ein‐und Aus‐Zustände biologischer Funktionen erzeugen und die damit den Schaltelementen in Computern gleichen, die bei Änderung des elektrischen Stroms zwischen den Zuständen 0 und 1 wechseln. Die (Photo‐)Chemie photochromer Stoffe wurde in den letzten vier Jahrzehnten sehr stark weiterentwickelt. Diese Substanzen isomerisieren bei Lichtabsorption, und die photoisomeren Zustände haben unterschiedliche spektroskopische und chemische Eigenschaften. Der Einbau photoisomerisierbarer (oder photochromer) Einheiten in Biomakromoleküle ermöglicht es, deren sekundäre Funktionen wie Biokatalyse, Bindung und Elektronentransfer nach Wunsch ein‐ und ausschaltbar zu machen. Dies gelingt durch chemische Modifizierung des Biomakromoleküls durch photoisomerisierbare Einheiten oder durch Einbettung des Biomakromoleküls in photoisomerisierbare Mikroumgebungen wie Monoschichten oder Polymere. Die Photoschaltbarkeit ist im ersten Fall der lichtinduzierten Bildung und Störung des aktiven Zentrums über die photoisomeren Zustände zuzuschreiben und im zweiten durch Licht beeinflußbaren physikalischen oder chemischen Merkmalen der photoisomerisierbaren Systeme aus Polymeren, Monoschichten oder Membranen. Die Aktivierung katalytisch wirkender Biomakromoleküle durch Licht eröffnet eine Möglichkeit, das aufgenommene optische Signal durch biochemische Umwandlungen zu verstärken, und photostimulierte biochemische Redoxschalter ermöglichen die elektrochemische Weiterleitung und Verstärkung der registrierten optischen Signale. Über Photoschalter auf der Basis von Biomakromolekülen wurde in den letzten Jahren als Teil der Suche nach molekularen Schalteinrichtungen und Mikromaschinen intensiv gearbeitet. Das umfangreiche Wissen über die Modifizierung von Biomakromolekülen, ihre gentechnische Erzeugung und die Herstellung von durch biologisch aktive Verbindungen modifizierten Oberflächen macht Biomakromoleküle mit verbesserten optischen Schalteigenschaften zugänglich. Ihr Einsatz in optoelektronischen/bioelektronischen Bauelementen ist nicht mehr nur eine Idee, sondern Realität. So wurde ihre Verwendung zur Informationsspeicherung und ‐verarbeitung (Biocomputer), in Sensoren, reversiblen Immunsensoren und biologischen Verstärkern optischer Signale bereits gezeigt; für die Zukunft bleiben aber noch bedeutende Herausforderungen.