Jean-Marie Lehn

From Supramolecular Chemistry Towards Adaptive Chemistry

Category: Lectures

Date: 28 June 2011

Duration: 31 min

Quality: MD SD

Subtitles: EN DE

Jean-Marie Lehn (2011) - From Supramolecular Chemistry Towards Adaptive Chemistry

Supramolecular chemistry lies beyond molecular chemistry. It aims at implementing highly complex chemical systems from molecular components held together by non-covalent intermolecular forces and effecting molecular recognition, catalysis and transport processes

So nice to be back here and to see this range of people from all over the world, those who will make the science of the future. And I would like to thank of course all the organizers they put up a wonderful job over the years and it gets better and better all the time. Spreading over the whole planet which is the most important thing of course. I would like to thank Werner Arber. I always admire the clarity of his presentations because he talked to you about evolution and now we are going to start right at the beginning. And since it's the international year of chemistry I will get you some chemistry. I know many of you are not chemists, I talked with quite a few of you yesterday evening but you will have I'm sure some chemistry. But I try to put it in a very general framework so that you can get the concepts which are behind evolutions, if I may say so, of chemistry these days. We don't need to see the structures, it's not so important the details of the molecules, but what is behind them. So if you want to start very early for studying perspectives in chemistry towards a chemistry which may be in the words of Werner Arber, Adaptive Evolutive. Here is where we start. That's really the start of all of us. After the big bang there was no chemistry, there was no biology there was just physics. It was much too hot for anything like a molecule to exist. But very fast the universe cooled down and after the age of physics came the age of chemistry, around that time. Then mater became more and more complex by processes which we can try to understand, progressively. Chemistry started, the age of chemistry started from the formation of molecules from atoms. These molecules became more and more complex, made compartments and as I said by a process we don't understand yet but some day we will understand life appeared. The age of biology started. But that is not the end, much more complicated even is the age of thinking. So this is of course one could have years of discussion and to have two-thousand five-hundred years already on human thoughts about that. But let's go now and ask a question what is the big question? What is the big question? How does matter become complex? How is it possible for our universe on the basis of the laws which are in our universe the physical laws to generate something like a thinking organism. Formed in a particle to the thinking organism and maybe even a higher form of complex matter than we are, maybe, we can't say it can't exist. So there's a bridge to be built between on the one hand the laws of the universe. The physical laws of the universe. And on the other hand what we know on our planet as the most complex form of this road which has been progressively evolving, biology and the rules of life. And chemistry is here to build the bridge between the two. Of course biology is also molecules but it is a specific field of those molecules which are in living organisms and chemistry can try to make you understand how you can go from one to the other. The answer to this question - we know it. Now you may say what is it telling us? The answer to the question of how it happened we know it, no don't know the answer we know the word which describes the answer. The path which describes the evolution from divided matter particles, condensed matter putting them together. Organizing them in some way that begin to live, then begin to think. This is self-organization. It has happened by itself on the basis of the way in which our universe is constructed and then we have of course to understand how self-organization can occur. One might even think, something that one might discuss that self-organization is a cosmic imperative. In our universe you must eventually end up with self-organization, not directed I agree with Werner Arber. No directedness, it's random. But a little bit better and then it organizes more and more. Now a very important step in chemistry I would like to highlight this, I could have taken many others. But I would say THE most important step in chemistry and the contribution to science is this paper by Mendelejeff in 1869. Where he realized that the element which had been discovered can be put in a table and this table is a regular table. He even went a step further and said in this table where there are empty spaces one will find something to fill the space. It was done and this periodic table element now is this. Look at it. Why? Because this is the table which tells you what all our universe, the visible matter in our universe is made of, not just planet earth everything from the planet earth to the end of the universal is on this. There's no empty hole in here. Why is there no empty hole? In the same way as in the series of numbers, one, two, three, four, five there's nothing between three and four. One proton nucleus, three protons, four protons, the elements are just a numbering of the number of protons. And you have nothing between two and three or five or six or seven and eight. So it's full and it is THE table which gives you everything that exists in the universe. Everything is made of that. Consider that, it's quite fantastic step in science. Now there are two elements this year which are of special importance, pollium and radium. Why? Because of Marie Curie and she got a Nobel Prize in chemistry in 1911 this is why the year 2011 is considered, has been named the year of chemistry. The bricks are these table and then chemists have used the bricks to build houses. And this playground of chemistry was then used to understand what had been produced in natural evolution, I mean in the universe evolution. Before life existed there was also of course a chemical revolution. And then molecular chemistry was built using bricks to build houses. Taking atoms to make molecules. And this was to organise matter on the basis of the strong bones which links elements together. The next step was to try to understand what molecules do when they get together and this is done, a chemistry of things of entities which are beyond the single isolated molecule and this is what we have worked on which is called supramolecular chemistry. A chemistry beyond molecular chemistry. And which if I might express it in very general terms it's like a sociology of molecules. Molecules are individuals, what do they do when they are together? And this is so to say in very broad terms the field of supramolecular chemistry dealing with how molecules recognize each other; how molecules act on each other; how molecules can carry each other around. We have a very nice lecture about how molecules go through to membranes, water molecules in the talk by Peter Agre. Now the basic process which happens in special living organisms, all living organisms as you are sitting here in your body, many, many processes occur and all start with the recognition between the entities which do something. This recognition requires interaction, no interaction they can't talk to each other. There is an interaction but very importantly it needs information for selection. The processes are selective therefore there's information present. This information can be expressed in most simple terms but saying that there's a complementary in geometry of the objects and in interactions and this was expressed already in 1894 by one of the greatest chemists Emil Fischer when he said and I guess you are biologists most of you, you must know this already. The lock and the key, Schloss and Schlüssel, is the basic concept of how molecules fit together. We now know that the lock has become soft, the key has become soft they can adapt but basically that's correct. So one has started in supramolecular chemistry to try to understand how you can make locks for keys or keys for locks. Design pre-organized matter. Now this also points to the fact that chemistry is that piece of science which deals with the structure and transformation of non-living as well as living matter but not just that. This is the usual definition. From what I told you already you already I guess understand that it is also a science of informed matter. This is very important, chemistry is the science of the structure of matter, how it is made. Transformation how you can transform as Professor Negishi has shown you some very nice developments in the way you can transform matter by catalytic processes. But the basis of it also is there's information science, molecular objects carry and possess information. The storage is in the shape of the molecules, in the interactions in the molecule and the processing of this information is by the interactions between them. The way they touch, the way they feel each other. So, that means that beyond supramolecular chemistry we can perhaps go a step further. Knowing or beginning to understand better how recognition occurs we may say all right let's study how entities and systems we can build up can undergo self-organization. In other words spontaneous but continuous information control generation of architectures of supramolecular nature through what you might call recognition patterns. In terms of information science that would be information algorithms. Indeed these chemical systems are like a program, you put in information that's contained in the molecule and you process it by the interactions between the entities through algorithms which are the recognition algorithms. That begins the recognition patterns so to say. Let me just give you an example of the type of things one does in the lab, again don't worry too much about the detailed structures but just see the outcome. We'll take one specific case the brick will be a molecule, the cement to bring them together to build your house will be a mid-line which binds them together. And when I say the mid line is processing the information which is in the ligand for generating the final entity. For instance you can make double helixes, nothing to do with DNA but it was just a way to show okay can we make double helixes, which has nothing to do with DNA? Yes, you take a molecular strand like this one here, you treat it with copper ions and you get a double helix. I don't tell you why and how but that is the outcome. And you can make triple helixes so you can design molecules which will automatically but in a very controlled fashion give double helix and nothing else. Another type of structure which I just show you because it reminds us of something else, if molecules look like this, like little stick with slots here to put something in. Like a mid-line some of the dynamic principles make these to generate this type of grid entities when molecules are held perpendicular and each crossing you have one of these red dos which is the mid-line. The reason why I show that is first of all that it is a nice regular area of entities you get again in a very controlled fashion. The other reason is of course that it also makes you think about electronic devices and this may be a way of maybe the future generating spontaneously the chips we need from the bottom. In other words to have self-fabrication of the chips. This multitude of entities, multi-molecules, many of those red dots, mid-lines different ones perhaps this leads to the emergence of properties, of optical electronic magnetic features. That's another one and then nanocylinder which just shows you that you can make rather complicated things and many others around the world have not been done, where you generate this interesting cylinder by taking three red molecules, linear, four flat ones, twelve combinations, you mix the whole thing and you build this up, nineteen components going together in one shot. Now this was self-organisation which you can study by design. You think it out, you try to understand how they can go together and you get by informing the structures and by programming it you get the final object. But there's another approach and now we come back again, I'm very happy in fact to talk after Werner Arber, what about self-organization with selection? Can we have systems which we select from the environment what it needs to build itself up. For that you need diversity, you need many types of bricks and you need dynamics. The possibility to explore. If molecules get together they shouldn't stick too strongly. If they make a wrong collision they will stick there so they have to be able to explore what one calls the hyper-surface of energy and structure. And this then opens the door to the possibility of having system which adapt. How did we come to this? Again forget about the detailed structures but just look at this. What I show you here is the system which gives double helixes. Now we add to this the system which give triple helixes and then we ask the system what are you going to do? Are you going to know what you should do? In other words is it this you get? That seems to be the case. In other words in a system where you mix together the molecules giving double helixes, the molecules giving triple helixes and the cementing units copper and nickel they automatically sort themselves out and generate the double helix, the triple helix the correct one. So that is a design system but it chooses what it needs. Similarly we had studied a system like this molecule on the left and then you add an ion salt. The salt can be chloride and then you get a pentagon. I don't go into details because of time. Then why do you get a pentagon? You might ask that question and then you do what chemists often do you change a little bit something. We change the chloride for sulphate and you get a hexagon. So the same starting materials except the fact you change from chloride to sulphate gives you either a pentagon or a hexagon. That makes you think that in fact you have a system which you can call a library of possible entities. From these bricks on the left you can generate a square or a pentagon or a hexagon. So this opens the door to the idea that chemical systems when they are able to adapt to change depending on the circumstances built up a potential, a virtual system, which can express the types of entities which some conditions like environmental will require. It came back then to the idea in fact something which was already there, always all the time, that supramolecular chemistry is in fact a dynamic chemistry. The chemistry which is not a static one because the connections between the molecular entities are rather weak, labile so they can fall apart and reform and fall apart and reform. But the advantage of that is that it gives also the ability to change itself if it is needed. And then we can go one step further, back to the future, go from the supramolecular chemistry which teaches us that these systems are labile and this might be an advantage in terms of adapting and try to import this ability into molecules. How can you do that. By introducing into molecules the bonds, usually as you know the bonds are strong, kept holding things together. But making bonds which can break and reform and break and reform. This then leads to a dynamic chemistry which deals with the constitution of your object. Not the rate at which things change, not the dynamics of motions, but the constitution. How the entity molecular or supramolecular can fall apart and reform. Select something else from the environment, incorporate something, throw other things out and so on. We call this constitutional dynamic chemistry. That of course enables adaptation by variations in constitution. What is it good for? There may be many things but of course these dynamics generate diversity. And therefore you can do selection, that can be of interest for having an approach to getting biologically active substances, I will give you quick examples. Dynamic nanostructures, no time and dynamic materials I will give you two examples. So, how can you search for biologically active substances? What is a biologically active substance, let's say a drug? A drug is a key for a biological lock. You want to make a small molecule, some kind of molecule which will find its way to a biological target and inhibit it or amplify its action. Do something to it. This idea of blocks and keys if you go back to the simple idea you want to make a key for the lock but that may be very inefficient because you have to know how the lock looks, you have to know how to build the key and so on. So the approach which you can get out of what I just told you is the following. Don't make such a single key, don't make millions of keys. Take only fragments of keys which can reversibly dynamically get together and generate all possible combinations of all the fragments. So if accessed to a virtual library, a virtual set of all the possible combinations. Which means you combine the advantage of combinatorics, making all the combinations with the fact that once this is done you can now use recognition to select the best key. In other words the law of mass action, Le-Chatelier's principle tells you if you add the lock to this potential mixture you get the binding of the best key, the lock assembles the key. In this way you combine the goodies of information, combinatorics and the goodies of recognition which does the assembly. And that's a way to get drug discovery and a dynamic combinatorial chemistry. Just one example briefly, here's an enzyme carbonic anhydrase. And very good inhibitor of that is this one, this molecule. Now you can think out a system where you would like to have the enzyme favour a molecule which would be very close to this very good inhibitor. I don't go into details as I said. So you take four components which can connect with three others by making an imine for the chemists around. Three times four is twelve combinations. So if you mix together these four and these three you get the twelve shown in this table. They were chosen in such a way that one of the combinations, the one in red here is very close to this very good inhibitor. So what's the conclusion? The conclusion is you mix three times four you get twelve, in absence of the enzymes you have a given distribution of the twelve. Maybe statistical, could be, not necessarily. You add the enzyme, if what I tell us is correct the enzyme should favour one of them, the one which is closest to the good inhibitor. That's indeed what happens, let me just compare two components, two of these twelve constituents, this one which is the good one so to say, the close one. That one which is another one but which shares this common component. In absence no carbonic anhydrase to have about the same size in the fraction, say you add carbonic anydrase, this is much stronger than this now so indeed the system does what it has to do. It amplifies what binds best. It does the choosing for itself and it assembles the best. What about materials? Just very briefly, I don't want to insist further on the drug design or the drug generation or degeneration in drug design aspect it has been applied to other enzymes, to other receptors. And it has still a lot of developments which may be possible, which are presently being studied by a number of labs. What about materials? At first sight you would say it is stupid to try to make materials which fall apart. My shirt would fall apart, why should I make materials like that? But there may be some very interesting things these materials may have. We call dynamers, polymers which are dynamic. Dynamic that means where the polymer as for a monomer you connect them by chemical bonding but we connect them now in such a way that they can fall apart and reform, fall apart and reform. So this dynamers may have properties normal polymers don't have. And especially even on the bio side can we make dynamic analogues of the usual bio-polymers. First example, just one example, can we make polymeric materials which show optical properties which are dynamic? Suppose you have two films, one AB and the other one A prime - B prime, two types of polymer, two films. You superimpose them, at the interface where they superimpose you will be able to generate two new combinations, A with A prime, and B with A prime. If one of those new combinations have a colour or a florescence we will see it and it will prove that it works. Furthermore it might also generate a florescence at that point. Here is the picture, a cat, head and ears is one of the polymers, the moustache and the eyes and the inside of the ears is the other polymer. You superimpose them and now you heat, colour appears. Florescence appears at the superimposed position, which means indeed at the interface between the two films. The dynamics, the fact that molecules can recombine generates the two new combinations showing therefore that at interface new entities are formed, which are florescent. And that of course is what's interesting for instance information storage if you make a stack of those things you can write in three dimensions with a heating laser for instance at each position. What about biodynamers. I have no time to get into details. But let me say the idea is to take analogues of the constituents of the biopolymers, link these components together by reversal bonds and let them run. Let them do something, let them assemble. One can therefore make what we call DyNAs, dynamic nucleic acids where the basis are linked to a molecule which can assemble with another one and then generate polymerized entities which are analogues of a polymer which pairs nucleobase groups. One can try to make dynamic peptoids where starting from animo acids making derivates which can then make the amino acids connecting reversibly together then you can make analogues of peptides and proteins which are dynamic as has just been studied, very interesting problems one can ask about that. And also why not the series, the carbohydrates. Making glycodynamers where units, sugar, carbohydrate type units are linked together reversibly. So this is just a very brief sort of line out of the kind of things one can do but you can probably imagine many things of interest. Dynamic nucleic acids could well self-select if you put a template of a normal acid then peptides may well self-select those entities which give the best folded forms of a given somewhat dynamic structure, somewhat dynamic feature. And then of course the glycodynamers, you could imagine when it is on the same surface you will generate because the system is dynamic the epitope which is just a good one for a given other molecule to attach to it. I could have given you examples of this adaption, this dynamic that leads to the possibility of adaptation. I have unfortunately no time to give you more about this adaptive phenomena because there are plenty of those one can have, has already been generated and many of them which can still be studied. First of all the systems I showed you where things are reversible can respond to for instance a change in medium from water to organic solvents. Or a change in face from a solution to a solid, or a physical effector, temperature, pressure, electric fields. Or chemical effectors putting protons, putting ions which will change the molecule make it adapt to what you add. Even a shape change may lead to the possibility of the molecules to adapt. And this can be then put into what you might call a network, I had some examples but I think it would have been too long. Networking making that all these constituents, resulting from the reversible combinations of components are interrelated by agonistic relationships one helps the other, antagonistic relationships one decreases the other and these relationships make almost an eco system a molecular ecosystem where anything done to one of them influences all the others. I haven't time to get further into it I wanted to just make you sense what can be done and the fact that this networks of different interchanging entities built up a very complex interconnection of systems. And in some ways it resembles for instance those people who analyze telephone networks or the networks of airlines and all that where everything is interconnected. When a plane leaves some place and goes somewhere else it has to determine what happens at that place and so on. So just to summarize constitutional dynamic chemistry is therefore a step towards this adaptive chemistry where these chemical systems undergo, have the ability to continuously recompose. To recombine, to reorganize, to incorporate entities from the outside or to push out others which will then go out in the medium. This meets possible constitutional variation and of course selection and that of course opens the door to variation. So we can see the future chemistry developing more and more these adaptive systems making adaptive materials which will change with conditions. And adaptive technologies. So self-organization the steps towards more and more control, better and better understanding, self-organization starts with making molecules from atoms. Taking atoms and organizing them into molecules. Beyond that molecules can be organized into larger entities of supramolecular nature and this is by design the way in which you want to make a molecule, you designed the strategies to make it, and then you do the same at the supramolecular level. Introducing dynamics in the system which is normal in supramolecular entities but intentional in molecular entities these dynamics lead to this constitutional dynamic chemistry which then allows selection and leads to adaptive chemistry. In other words the evolution, at leads one important part of chemistry, especially the one on this threshold where chemical evolution has led to biological evolution is a threshold of life which one still has to understand. But I think progress is being made and it will be done, towards adaptive evolutive chemistry and as we heard a lot about Darwinian why not call it Darwinian chemistry. Because after all it's an evolution, it is far from the biological evolution but think about what Werner Arber told you, at the end of it it's a mutation. It's somewhere a little piece of organic molecule, it is one of those four letters which is a trivial chemical group which drives, which makes the changes and so in that respect also with this flavour of adaptivity, evolutive power that chemistry is going forward and generating systems which are closer and closer to what we think is the Darwinian evolution but which in fact all of it is underlined by a chemical evolution. Thank you very much.

Ich freue mich sehr, wieder hier zu sein und all diese Leute aus der ganzen Welt zu treffen, die die Wissenschaft der Zukunft betreiben werden. Ich möchte natürlich auch den Organisatoren danken - sie haben über die Jahre hervorragende Arbeit geleistet, die Veranstaltung wird von Mal zu Mal besser. Und die Idee verbreitet sich auf der ganzen Welt, das ist das Allerwichtigste. Ich möchte Werner Arber meinen Dank aussprechen; ich bewundere stets die Klarheit seiner Präsentationen. Er hat in seinem Vortrag über Evolution gesprochen und jetzt beginnen wir ganz am Anfang. Weil wir das internationale Jahr der Chemie haben, werde ich Ihnen ein wenig Chemie präsentieren. Ich weiß, dass viele von Ihnen keine Chemiker sind, ich habe mich gestern Abend mit ein paar von Ihnen unterhalten, aber ich bin mir sicher, dass Sie ein wenig davon verstehen. Dennoch werde ich versuchen, die Dinge möglichst allgemein zu formulieren, damit Sie die Konzepte, auf denen die, ich möchte sagen, Entwicklungen der heutigen Chemie basieren, nachvollziehen können. Wir brauchen uns die Strukturen nicht anschauen, wichtig sind nicht die Details der Moleküle, sondern das, was dahinter steht. Um die Perspektiven der Chemie hin zu einer mit den Worten von Werner Arber ausgedrückt adaptiven und evolutionären Chemie zu untersuchen, müssen Sie ganz von vorne beginnen. Das hier ist der Ausgangspunkt, der eigentliche Anfang von uns allen. Nach dem Urknall gab es keine Chemie, keine Biologie, nur Physik. Für die Existenz von Molekülen oder dergleichen war es viel zu heiß. Doch das Universum kühlte sehr rasch ab, und nach dem Zeitalter der Physik kam die Ära der Chemie, etwa zu diesem Zeitpunkt. Dann wurde die Materie durch Prozesse, die wir zu verstehen versuchen, zunehmend komplexer. Mit der Bildung von Molekülen aus Atomen begann das Zeitalter der Chemie. Diese Moleküle wurden immer komplexer und bildeten Kompartimente, durch Prozesse, die wir, wie ich bereits sagte, noch nicht verstehen. Eines Tages aber werden wir verstehen, wie das Leben entstanden ist. Jetzt begann das Zeitalter der Biologie. Doch das ist nicht das Ende, noch komplizierter ist das Zeitalter des Denkens. Darüber kann man natürlich lange diskutieren; de facto hat sich der Mensch schon seit 2500 Jahren darüber Gedanken gemacht. Doch wir sollten uns jetzt einmal überlegen, was die große Frage ist. Was ist die große Frage. Wie wird Materie komplex. Wie kann unser Universum auf der Grundlage der in ihm herrschenden physikalischen Gesetze aus einem Elementarteilchen so etwas wie einen denkenden Organismus erzeugen. Oder sogar eine höhere Form komplexer Materie als wir es sind - möglich, wir können nicht sagen, dass so etwas nicht existiert. Man muss also eine Brücke zwischen den physikalischen Gesetzen des Universums einerseits und der nach unseren Erkenntnissen auf unserem Planeten komplexesten Form dieser sich ständig weiter entwickelnden Straße, nämlich der Biologie und den Regeln des Lebens andererseits bauen. Diese Brücke zwischen den beiden ist die Chemie. Natürlich geht es in der Biologie auch um Moleküle, doch Moleküle in lebenden Organismen sind ein Sonderbereich. Die Chemie kann versuchen Ihnen verständlich zu machen, wie man von der einen zur anderen Seite kommt. Die Antwort auf diese Frage - wir kennen sie. Nun fragen Sie sich vielleicht: Was sagt uns das. Wie kommt es, dass wir die Antwort kennen. Nein, wir kennen nicht die Antwort, aber den Begriff, der die Antwort beschreibt, den Weg, der die Entwicklung von verstreuten Materieteilchen zu kondensierter Materie und ihre Organisation in einer Weise, dass sie zu leben und schließlich zu denken beginnt, beschreibt. Das ist Selbstorganisation. Materie entwickelte sich von selbst auf der Grundlage dessen, wie unser Universum konstruiert ist. Wir müssen natürlich verstehen, wie es zu dieser Selbstorganisation kommen kann. Man könnte denken und darüber diskutieren, dass Selbstorganisation ein kosmischer Imperativ ist. In unserem Universum gelangt man am Ende zur Selbstorganisation, keiner gezielten, darin stimme ich mit Werner Arber vollkommen überein. Sie ist nicht gezielt, sondern zufällig, wird aber immer besser und komplexer. Kommen wir nun zu einem ganz bedeutenden Schritt in der Chemie, den ich gerne hervorheben möchte, obwohl ich auch viele andere hätte nehmen können; ich möchte sagen, DER wichtigste Schritt in der Chemie. Der Beitrag zur Wissenschaft ist dieses Paper von Mendelejeff aus dem Jahr 1869, in dem er erkannte, dass das entdeckte Element in eine Tabelle eingeordnet werden kann und diese Tabelle eine reguläre Tabelle ist. Er ging sogar noch einen Schritt weiter und sagte, dass man etwas finden würde, was die Leerstellen in der Tabelle füllen würde. Und so kam es, dass aus seiner Tabelle das Periodensystem der Elemente wurde. Schauen Sie das Periodensystem an. Warum. Darin steht, woraus unser gesamtes Universum, die sichtbare Materie in unserem Universum besteht; nicht nur unser Planet, sondern alles, von der Erde bis zum Ende des Universums. Es gibt keine leere Stelle darin. Warum nicht. Genauso wenig wie es in der Zahlreihe eins, zwei, drei, vier, fünf nichts zwischen drei und vier gibt. Ein Proton im Kern, drei Protonen, vier Protonen, die Elemente sind nur eine Aufzählung der Anzahl der Protonen. Es gibt nichts zwischen zwei und drei oder fünf und sechs oder sieben und acht. Das Periodensystem ist komplett; es enthält alles, was im Universum existiert. Alles besteht daraus. Überlegen Sie einmal, ein fantastischer Schritt in der Wissenschaft. Dieses Jahr sind zwei Elemente von besonderer Bedeutung, Pollium und Radium. Warum. Wegen Marie Curie - sie erhielt 1911 den Nobelpreis für Chemie; daher wurde das Jahr 2011 zum Jahr der Chemie ernannt. Das Periodensystem sind die Ziegel und die Chemiker bauten mit diesen Ziegeln Häuser. Dieser Spielplatz der Chemie diente dazu zu verstehen, was sich in der natürlichen Evolution, also in der Evolution des Universums entwickelt hatte. Bevor Leben existierte, gab es natürlich auch schon eine chemische Revolution. Die Molekularchemie entstand, indem man Häuser aus Ziegeln baute, sprich Moleküle aus Atomen. Das bedeutete, Materie auf der Basis der starken Streben, die die Elemente verknüpfen, zu organisieren. Der nächste Schritt war zu verstehen, was Moleküle tun, wenn sie aufeinander treffen; dadurch entstand eine Chemie der Entitäten jenseits des isolierten Einzelmoleküls. Daran haben wir gearbeitet, an der sogenannten supramolekularen Chemie, einer Chemie jenseits der Molekularchemie. Dabei handelt es sich, um es ganz allgemein auszudrücken, um eine Art Molekülgesellschaft. Moleküle sind Individuen, was tun sie, wenn sie zusammentreffen. Das ist im weitesten Sinne das Gebiet der supramolekularen Chemie; wie erkennen sich Moleküle, wie verhalten sie sich untereinander, wie können sie sich gegenseitig transportieren. Peter Agre hält einen sehr schönen Vortrag zu dem Thema, wie Wassermoleküle Membranen passieren. Der grundlegende Prozess, der in allen lebenden Organismen so wie Sie es sind, stattfindet....also es finden sehr viele Prozesse statt und sie alle beginnen mit der Erkennung zwischen den Entitäten, die etwas tun. Diese Erkennung erfordert Interaktion; ohne Interaktion können sie nicht miteinander sprechen. Neben der Interaktion ist Information für die Selektion ganz wichtig. Da die Prozesse selektiv sind, liegen Informationen vor, die ganz einfach durch eine komplementäre Geometrie der Objekte und komplementäre Interaktionen ausgedrückt werden können. Schon einer der größten Chemiker, Emil Fischer, sagte 1894, dass das Schlüssel-Schloss-Prinzip die Grundlage dafür bildet, wie Moleküle zusammenpassen. Ich denke, Sie sind Biologen, dann wissen Sie das bestimmt. Nach heutigem Wissen sind das Schloss und auch der Schlüssel flexibel, sie können sie anpassen; grundsätzlich aber stimmt die Aussage. Man versuchte also in der supramolekularen Chemie zu verstehen, wie sich Schlösser für Schlüssel bzw. Schlüssel für Schlösser herstellen lassen und wie man vororganisierte Materie entwickelt. Das betont noch einmal, dass die Chemie derjenige Teil der Wissenschaft ist, der sich mit der Struktur und Umwandlung von nicht lebender und lebender Materie beschäftigt, jedoch nicht nur damit. Das ist die übliche Definition. Ich denke, dass Sie ausgehend von dem, was ich Ihnen bereits erzählt habe, verstehen, dass die Chemie auch eine Wissenschaft der informierten Materie ist. Das ist sehr wichtig, Chemie ist die Wissenschaft von der Struktur der Materie, ihrer Entstehung und Umwandlung. Professor Negishi hat Ihnen ja einige sehr schöne Entwicklungen bezüglich der Umwandlung von Materie durch katalytische Prozesse gezeigt. Grundlegend ist aber, dass die Chemie eine Informationswissenschaft ist; molekulare Objekte transportieren und besitzen Informationen. Gespeichert werden die Informationen in der Molekülform, ihre Verarbeitung erfolgt durch Interaktionen zwischen den Molekülen, die sich gegenseitig kontaktieren und erfühlen. Das bedeutet, dass wir jenseits der supramolekularen Chemie vielleicht noch einen Schritt weiter gehen können. Jetzt wo wir wissen oder allmählich besser verstehen, wie die Erkennung vor sich geht, könnten wir sagen, also gut, untersuchen wir, wie es bei den Entitäten/Systemen, die wir herstellen können, zur Selbstorganisation, mit anderen Worten zur spontanen, informationsgesteuerten Entstehung einer supramolekularen Architektur mit Hilfe von Erkennungsmustern kommt. Informationswissenschaftlich ausgedrückt wären das Informationsalgorithmen. In der Tat ähneln diese chemischen Systeme Programmen. Man füttert sie mit Informationen, die in dem Molekül enthalten sind, und verarbeitet diese Informationen durch Interaktionen zwischen den Entitäten mit Hilfe von Erkennungsalgorithmen, sozusagen den Erkennungsmustern. Ich möchte Ihnen ein Beispiel dafür geben, was wir im Labor machen. Machen Sie sich auch hier nicht allzu viele Gedanken über die genauen Strukturen, sondern achten Sie auf das Ergebnis. Wir schauen uns einen speziellen Fall an. Der Ziegel ist ein Molekül und der Zement, der die Moleküle zusammenhält, damit daraus ein Haus wird, ist eine sie verbindende Mittellinie. Man könnte sagen, die Mittellinie verarbeitet die Informationen in dem Liganden, um die endgültige Entität zu erzeugen. Man kann z.B. Doppelhelices herstellen, die nichts mit DNA zu tun haben. Es war für uns einfach eine Möglichkeit zu zeigen: Wir können Doppelhelices herstellen, die nichts mit DNA zu tun haben. Man nimmt einen Molekülstrang wie diesen hier, behandelt ihn mit Kupferionen und erhält eine Doppelhelix. Ich werde Ihnen nicht erzählen, warum und wie, doch das ist das Ergebnis. Es können auch Dreifachhelices erzeugt werden. Man kann also Moleküle entwerfen, die automatisch, aber sehr kontrolliert zu einer Doppelhelix werden und zu nichts anderem. Das hier ist eine andere Art von Struktur, die ich Ihnen zeigen möchte, weil sie uns an etwas erinnert; die Moleküle sehen aus wie kleine Stifte mit einem Schlitz, durch den man etwas hineinstecken kann, wie eine Mittellinie. Bestimmte dynamische Gesetze bewirken, dass bei senkrecht stehenden Molekülen diese Art Gitterentitäten entstehen. An jedem Schnittpunkt befindet sich einer dieser roten Punkte, die die Mittellinie darstellen. Ich zeige Ihnen das in erster Linie, weil man auch dieses schöne reguläre Entitätenareal auf sehr kontrollierte Weise erhält, aber natürlich auch, weil es dazu anregt, über elektronische Vorrichtungen nachzudenken. Basierend auf diesen Erkenntnissen wären wir vielleicht in Zukunft in der Lage, spontan die benötigten Chips zu produzieren, spricht die Chips würden sich selbst herstellen. Diese vielen verschiedenen Entitäten, Multimoleküle, roten Punkte, Mittellinien - sie alle führen zur Entstehung von optischen elektromagnetischen Eigenschaften. Das ist eine andere Struktur, ein Nanozylinder. Man sieht, dass sich relativ komplizierte Dinge herstellen lassen. Überall auf der Welt wurden solche Strukturen inzwischen erzeugt. Dieser interessante Zylinder besteht aus drei roten Molekülen, linear, vier flachen, zwölf Kombinationen. Man mischt das Ganze zusammen und baut daraus diese Struktur aus neunzehn Komponenten. Das war die Selbstorganisation, die man nach Plan untersuchen kann. Man entwirft eine Struktur, versucht zu verstehen, wie sie sich zusammensetzt, und erhält das endgültige Objekt durch Information und Programmierung der Strukturen. Es gibt aber noch einen anderen Ansatz, und jetzt kommen wir wieder darauf zurück. Ich freue mich sehr, meinen Vortrag im Anschluss an Werner Aber zu halten. Wie steht es mit der Selbstorganisation bei der Selektion. Können wir Systeme aus der Umgebung selektieren. Was ist notwendig, damit sie sich selbst aufbauen. Dafür benötigt man Vielfalt, viele Arten von Ziegeln, und Dynamik, die Möglichkeit auszuprobieren. Wenn Moleküle aufeinander treffen, sollten sie nicht zu stark aneinander haften. Bei einer falschen Kollision bleiben sie aneinander hängen; sie müssen also die sogenannte Hyperoberfläche der Energie und Struktur erforschen können. Das eröffnet dann die Möglichkeit, adaptive Systeme zu erhalten. Wie kamen wir dazu. Vergessen Sie wieder die detaillierten Strukturen und schauen Sie sich das hier an. Was ich Ihnen hier zeige, ist das System, das die Doppelhelix produziert. Wir fügen jetzt das System, das die Dreifachhelix produziert, hinzu und fragen das System: Was wirst du jetzt tun. Weißt du, was du tun sollst. Mit anderen Worten, machst du das hier. Das scheint der Fall zu sein. Anders ausgedrückt, in einem System, in dem man die Moleküle, die Doppelhelices produzieren, mit Molekülen, die Dreifachhelices produzieren, und den Verbindungseinheiten Kupfer und Nickel vermischt, erfolgt eine automatische Sortierung, so dass die Doppelhelix, die Dreifachhelix, d.h. die richtige Helix entsteht. Das ist ein geplantes System, das sich jedoch wählt, was es braucht. In ähnlicher Weise haben wir ein System wie das Molekül hier links untersucht und ein Ionensalz zugesetzt. Das Salz kann Chlorid sein, dann erhält man ein Fünfeck. Ich werde das aus Zeitgründen nicht näher erläutern. Warum erhält man ein Fünfeck. Man könnte sich das fragen und dann das tun, was Chemiker häufig tun, nämlich eine Kleinigkeit verändern. Wir ersetzen Chlorid durch Sulfat und erhalten ein Sechseck. Dasselbe Ausgangsmaterial - mit Ausnahme der Tatsache, dass Chlorid durch Sulfat ersetzt wurde - führt also entweder zu einem Fünfeck oder einem Sechseck. Das vermittelt den Eindruck, dass man tatsächlich ein System hat, das man als Bibliothek möglicher Entitäten bezeichnet könnte. Aus diesen Ziegeln hier links können Sie ein Quadrat oder ein Fünfeck oder ein Sechseck bauen. Das legt nahe, dass chemische Systeme, die in der Lage sind sich entsprechend den Umständen an eine Veränderung anzupassen, zu potentiellen, virtuellen Systemen werden, die die verschiedenen Entitäten, die manche Bedingungen, z.B. Umweltbedingungen erfordern, exprimieren können. Man kam wieder auf eine Idee zurück, die im Prinzip die ganze Zeit über da gewesen war, dass nämlich supramolekulare Chemie eigentlich dynamische Chemie ist. Eine Chemie, die nicht statisch ist, weil die Verbindungen zwischen den molekularen Entitäten relativ schwach und labil ist, so dass sie auseinander brechen und sich erneut bilden, wieder auseinander brechen und sich erneut bilden können. Der Vorteil besteht darin, dass wenn nötig auch die Möglichkeit zur Selbstveränderung besteht. Dann können wir ausgehend von der supramolekularen Chemie, die uns lehrt, dass diese Systeme labil sind und dies bezüglich der Anpassung von Vorteil sein kann, einen Schritt weiter gehen, sozusagen zurück in die Zukunft, und versuchen diese Fähigkeit in Moleküle zu importieren. Wie geht das. Indem man in die Moleküle Bindungen einbaut - Bindungen sind, wie Sie wissen, für gewöhnlich stark und halten die Dinge zusammen - allerdings Bindungen, die auseinander brechen und sich wieder neu bilden, auseinander brechen und sich wieder neu bilden können. Dies führt zu einer dynamischen Chemie, bei der es um den Aufbau Ihres Objektes geht, nicht um die Geschwindigkeit der Veränderung, die Dynamik der Bewegungen, sondern den Aufbau, d.h. wie die molekulare oder supramolekulare Entität auseinander fallen und sich wieder neu bilden kann. Man wählt etwas aus der Umgebung aus, baut es ein, entfernt andere Sachen und so weiter. Wir bezeichnen das als konstitutionell-dynamische Chemie. Dies ermöglicht natürlich die Anpassung mittels unterschiedlicher Strukturen. Welchem Zweck dient dies. Da gibt es viele Möglichkeiten, aber natürlich erzeugt diese Dynamik Vielfalt. Auf diese Weise ist Selektion möglich. Dies ist auch insofern von Interesse, da es einen Ansatz darstellt, um biologisch aktive Substanzen zu erhalten, beispielsweise dynamische Nanostrukturen und dynamische Materialien. Ich werden Ihnen zwei Beispiele geben. Wie lässt sich nach biologisch aktiven Substanzen suchen. Was ist eine biologisch aktive Substanz, sagen wir ein Medikament. Ein Medikament ist der Schlüssel für ein biologisches Schloss. Sie möchten ein kleines Molekül herstellen, das sich seinen Weg zu einem biologischen Ziel bahnt und dessen Wirkung hemmt bzw. verstärkt, d.h. etwas an ihm verändert. Diese Vorstellung von Schlössern und Schlüsseln geht auf die einfache Idee zurück, dass man, wenn man einen Schlüssel für das Schloss herstellen möchte, wissen muss, wie das Schloss aussieht, wie man den Schlüssel bauen muss, und so weiter, sonst ist das Ganze völlig ineffizient. Der Ansatz, der sich aus dem ergibt, was ich Ihnen gerade gesagt habe, sieht folgendermaßen aus: Man stellt nicht einen einzelnen Schlüssel her, auch nicht Millionen davon. Man nimmt nur Bruchstücke von Schlüsseln, die sich reversibel dynamisch zusammenschließen können, und erzeugt aus diesen Fragmenten alle möglichen Kombinationen. Auf diese Weise hat man Zugriff auf eine virtuelle Bibliothek, einen virtuellen Satz aller möglichen Kombinationen, was bedeutet, dass man den Vorteil der Kombinatorik, d.h. die Erzeugung von Kombinationen damit kombiniert, dass man danach mit Hilfe der Erkennung den besten Schlüssel auswählen kann. Mit anderen Worten, das Massenwirkungsgesetz, das Prinzip von Le-Chatelier sagt Ihnen, dass es bei Zusatz des Schlosses zu diesem potentiellen Gemisch zur Bindung des besten Schlüssels kommt, das Schloss den Schlüssel einbaut. Auf diese Weise kombinieren Sie die Vorteile der Information und Kombinatorik mit denen der Erkennung, die für den Zusammenbau zuständig ist. Dies führt zur Entdeckung von Wirkstoffen und zur dynamischen kombinatorischen Chemie. Nur kurz ein Beispiel. Das ist das Enzym Carboanhydrase. Ein sehr guter Inhibitor dieses Enzyms ist dieses Molekül. Jetzt kann man sich ein System überlegen, in dem das Enzym ein Molekül bevorzugt, das diesem hervorragenden Inhibitor sehr nahe kommt. Ich werde nicht näher darauf eingehen, wie ich bereits sagte. Man nimmt also vier Komponenten, die sich mit drei anderen zusammenschließen und ein Imin bilden, für die Chemiker unter Ihnen. Drei mal vier sind zwölf Kombinationen. Mischt man also diese vier hier und dieser drei dort, erhält man die in dieser Tabelle dargestellten zwölf Kombinationen. Sie wurden so ausgewählt, dass eine davon, die rote hier, dem hervorragenden Inhibitor ähnelt. Was lässt sich daraus schließen. Die Schlussfolgerung ist, man mischt drei mal vier und erhält zwölf Kombinationen. In Abwesenheit des Enzyms liegt eine bestimmte Verteilung dieser zwölf Kombinationen vor, vielleicht eine statistische, möglich, aber nicht notwendigerweise. Dann gibt man das Enzym hinzu. Wenn das, was ich Ihnen gesagt habe, stimmt, sollte das Enzym eine der Kombinationen favorisieren, nämlich diejenige, die dem guten Inhibitor am ähnlichsten ist. Und genau das geschieht. Vergleichen wir zwei dieser zwölf Elemente, dieses hier, das gute, das dem Inhibitor am nächsten kommt, und dieses hier, eine andere Kombination, die aber ebenfalls die gemeinsame Komponente aufweist. In Abwesenheit von Carboanhydrase haben sie bezüglich der gemeinsamen Komponente etwa dieselbe Größe. Gibt man Carboanydrase hinzu, die natürlich eine viel stärkere Wirkung hat, tut das System tatsächlich, was es tun soll, es amplifiziert den Schlüssel, der am besten bindet. Es wählt ihn selbst aus und baut ihn ein. Wie steht es mit den Materialien. Nur ganz kurz, ich möchte mich nicht weiter bei der Medikamentenentwicklung bzw. ihrer -entartung aufhalten. Der Ansatz kommt auch bei anderen Enzymen und Rezeptoren zur Anwendung, und es sind noch viele Entwicklungsmöglichkeiten offen, die derzeit in einer Reihe von Labors untersucht werden. Wie steht es also mit den Materialien. Auf den ersten Blick würde man sagen, dass es Unsinn ist, Materialien herzustellen, die sich auflösen. Mein Hemd würde zerfallen, warum sollte ich solche Materialien herstellen. Solche Materialien hätten jedoch einige äußerst interessante Eigenschaften. Wir bezeichnen sie als Dynamere, also dynamische Polymere. Dynamisch bedeutet, dass Monomere durch chemische Bindung zu Polymeren verbunden werden, dies aber in einer Weise geschieht, dass sie immer wieder auseinander brechen und sich neu zusammenschließen können. Diese Dynamere können Eigenschaften haben, die normale Polymere nicht haben. Insbesondere auch im biologischen Bereich lassen sich dynamische Analoge der gewöhnlichen Biopolymere herstellen. Ein Beispiel: Können wir Polymermaterialien erzeugen, deren optische Eigenschaften dynamisch sind. Angenommen Sie haben zwei Filme, A-B und A'-B', zwei Arten von Polymeren, zwei Filme. Sie überblenden sie und erhalten an der Schnittfläche, wo sich die Filme überlagern, zwei neue Kombinationen, nämlich A-A' und B-A'. Weist eine dieser neuen Kombinationen eine Farbe oder eine Fluoreszenz auf, wird sie sichtbar und beweist, dass es funktioniert. Außerdem kann an dieser Stelle auch eine Fluoreszenz erzeugt werden. Hier ist eine Abbildung, eine Katze. Kopf und Ohren stellen eines der Polymere dar, die Schnurrbarthaare, die Augen und das Innere der Ohren sind das andere Polymer. Jetzt überlagert man sie, erwärmt das Ganze und Farbe erscheint. An der Überblendungsstelle, d.h. an der Schnittfläche zwischen den beiden Filmen wird eine Fluoreszenz erzeugt. Die Dynamik, die Tatsache, dass sich Moleküle neu zusammenschließen können, lässt zwei neue Kombinationen entstehen, was zeigt, dass sich an Schnittflächen neue farbige oder fluoreszierende Entitäten bilden. Das ist natürlich z.B. für die Speicherung von Informationen von Interesse; stapelt man diese Abbildungen, ist dreidimensionales Schreiben mit einem Wärmelaser an jeder Position möglich. Wie steht es mit den Biodynameren. Ich habe leider keine Zeit, sie näher zu erörtern, möchte Ihnen aber erklären, worum es dabei geht. Man nimmt Analoge zu den Bestandteilen von Biopolymeren und verknüpft diese Komponenten mittels reversibler Bindungen. Dann überlässt man sie sich selbst; sie können dann etwas tun, z.B. sich zusammenschließen. Auf diese Weise kann man sogenannte DyNAs, dynamische Nukleinsäuren herstellen, deren Basen mit einem Molekül vernetzt sind, das sich mit einem anderen zusammenschließen und dann polymerisierte Entitäten bilden kann, die Analoge eines Polymers mit Nukleobasengruppen sind. Man kann auch versuchen dynamische Peptoide herzustellen. Ausgehend von Aminosäuren, die Derivate bilden, die dann den reversiblen Zusammenschluss der Aminosäuren bewirken, lassen sich dynamische Analoge von Peptiden und Proteinen herstellen. Hier wurde bereits geforscht, ein sehr interessantes Thema. Warum nicht die ganze Serie, die Kohlenhydrate. Die Herstellung von Glycodynameren, in denen Kohlenhydrat-Einheiten reversibel zusammengeschlossen werden. Das ist nur ein kleiner Überblick über das, was man machen kann, aber Sie können sich bestimmt viele interessante Dinge vorstellen. Dynamische Nukleinsäuren könnten bei Zugabe einer Vorlage der normalen Nukleinsäure selbst die Wahl treffen, genau wie Peptoide diejenigen Entitäten aussuchen können, die die beste Faltstruktur einer bestimmten dynamischen Struktur liefern. Und da sich die Glycodynamere auf ein- und derselben Oberfläche befinden, können Sie sich vorstellen, dass sich infolge der Dynamik des Systems für jedes Molekül, das daran binden möchte, genau das richtige Epitop herstellen lässt. Ich könnte Ihnen noch weitere Beispiele für diese Anpassung, die Dynamik, die zur potentiellen Anpassung führt, zeigen, aber ich habe leider keine Zeit, Ihnen mehr über diese Adaptionsphänomene zu erzählen. Es wurden bereits viele erzeugt, und viele sind noch zu untersuchen. Erstens können alle Systeme, die ich Ihnen gezeigt habe und deren Vorgänge reversibel sind, zum Beispiel auf einen Wechsel des Mediums von Wasser zu organischen Lösungsmitteln oder auf einen Wechsel der Phase von einer Lösung zu einem Feststoff oder auf physikalische Effektoren - Temperatur, Druck, elektrische Felder - bzw. chemische Effektoren, die Protonen, Ionen liefern, die das Molekül verändern und bewirken, dass es sich anpasst, reagieren. Selbst eine Formänderung kann dazu führen, dass sich das Molekül anpasst, was dann in eine Art Netzwerk einfließt. Ich habe ein paar Beispiele, aber ich fürchte, das dauert zu lang. Die sich aus den reversiblen Kombinationen der Komponenten ergebenden Bestandteile sind durch agonistische Beziehungen miteinander verknüpft; einer hilft dem anderen. In antagonistischen Beziehungen verdrängt einer den anderen. Diese Beziehungen stellen beinahe schon ein molekulares Ökosystem dar, in dem Veränderungen an einer Stelle Auswirkungen auf das Ganze haben. Ich habe nicht die Zeit näher darauf einzugehen, aber ich möchte Ihnen ein Gefühl dafür vermitteln, was man machen kann, für die Tatsache, dass dieses Netzwerk aus verschiedenen, sich miteinander austauschenden Entitäten ein äußerst komplexes, untereinander verschaltetes System bildet. In gewisser Weise ist das ähnlich wie bei Leuten, die Telefonnetze oder Netze von Fluglinien analysieren usw. Alles ist miteinander verbunden. Startet ein Flugzeug an einem Ort und fliegt an einen anderen, muss es die Lage an diesem anderen Ort eruieren und so weiter. Fassen wir zusammen: Die konstitutionell-dynamische Chemie ist ein Schritt in Richtung dieser adaptiven Chemie, bei der solche chemischen Systeme die Fähigkeit besitzen, sich immer wieder neu zusammenzuschließen, umzuorganisieren, Entitäten von außerhalb einzubauen oder andere Entitäten zu entfernen, so dass sie in das Medium wandern. Das ermöglicht eine konstitutionelle Vielfalt und natürlich Selektion; sie bereitet der Vielfalt den Boden. Wir können also sehen, wie in Zukunft in der Chemie immer mehr dieser adaptiven Systeme und Technologien, die adaptive, sich mit den Bedingungen wandelnde Materialien erzeugen, entwickelt werden. Die Selbstorganisation ist also ein Schritt hin zu einer immer stärkeren Kontrolle, einem zunehmend besseren Verständnis. Selbstorganisation beginnt mit der Herstellung von Molekülen aus Atomen. Man nimmt Atome und schließt sie zu Molekülen zusammen. Darüber hinaus lassen sich Moleküle zu größeren supramolekularen Entitäten organisieren. Auf diese Weise erzeugt man ein Molekül nach Plan. Sie haben die Strategien für seine Herstellung entwickelt und machen jetzt dasselbe auf der supramolekularen Ebene. Die Einführung der Dynamik in das System - was bei supramolekularen Einheiten normal, bei molekularen Einheiten jedoch beabsichtigt ist - diese Dynamik resultiert in der konstitutionell-dynamischen Chemie, die dann eine Selektion erlaubt und in die adaptive Chemie mündet. Mit anderen Worten, die Evolution, zumindest ein wichtiger Bereich der Chemie, insbesondere der Chemie an der Schwelle von der chemischen zur biologischen Evolution ist die Schwelle zum Leben, das muss man verstehen. Meiner Ansicht nach werden aber derzeit und auch in Zukunft Fortschritte hinsichtlich der adaptiven evolutionären Chemie erzielt. Wir haben schon so viel vom Darwinismus gehört, man könnte diese Art Chemie also ruhig als darwinistisch bezeichnen, schließlich handelt es sich um eine Evolution, wenn auch keine biologische. Doch denken Sie daran, was Werner Aber Ihnen gesagt hat: Am Ende ist es eine Mutation, ein kleines Stückchen eines organischen Moleküls, einer dieser vier Buchstaben, dieser trivialen chemischen Gruppe, der die Veränderungen bewirkt. Diesbezüglich macht diese Chemie auch hinsichtlich der Adaptionsfähigkeit und Evolutionskraft Fortschritte und erzeugt Systeme, die dem, was wir als darwinistische Evolution bezeichnen, dem aber de facto eine chemische Evolution zugrunde liegt, immer näher kommen. Vielen Dank.


Supramolecular chemistry lies beyond molecular chemistry. It aims at implementing highly complex chemical systems from molecular components held together by non-covalent intermolecular forces and effecting molecular recognition, catalysis and transport processes. A further step consists in the design of systems undergoing self-organization, i.e. systems capable of spontaneously generating well-defined functional supramolecular architectures by self-assembly from their components, thus behaving as programmed chemical systems.
Supramolecular chemistry is intrinsically a dynamic chemistry in view of the lability of the interactions connecting the molecular components of a supramolecular entity and the resulting ability of supramolecular species to exchange their components. The same holds for molecular chemistry when the molecular entity contains covalent bonds that may form and break reversibility, so as to allow a continuous change in constitution by reorganization and exchange of building blocks. These features define a Constitutional Dynamic Chemistry (CDC) on both the molecular and supramolecular levels.
CDC takes advantage of dynamic constitutional diversity to allow for variation and selection in response to either internal or external factors to achieve adaptation.
The implementation of selection in chemistry introduces a fundamental change in outlook with respect to the usual molecular chemistry. The combination of dynamics and reversibility with constitutional and structural diversity points towards the emergence of Adaptive and Evolutive Chemistry.
Illustrations from applications of this approach to biochemical systems will be given.