Die Fakultät für Chemie und Mineralogie hat in ihrem Zukunftskonzept 2021 - 2025 vier Forschungsschwerpunkte ausgewiesen.
Beteiligte Arbeitskreise
DFG-Forschergruppe
Graduiertenkolleg
Überblick
Die Untersuchung und gezielte Ausnutzung chemischer Prozesse im mikroskaligen Raum (Mikro-Raum) stellt einen der jüngeren thematischen Schwerpunkte der Fakultätsforschung dar. Er lässt sich sowohl den strategischen Forschungsfeldern „Intelligente Methoden und Materialen“ sowie „Nachhaltige Grundlagen für Leben und Gesundheit“ zuordnen. Im Rahmen des Leipziger Wegs verbindet Chemie im Mikro-Raum insbesondere die „Emerging Fields“ Mikrofluidik und Strömungschemie auf dem Weg zur Etablierung interdisziplinärer Forschungsverbünde. Der Schwerpunkt wird zurzeit gezielt in der DFG-Forschungsgruppe 2177 und der ESF-Nachwuchsgruppe „Heterogen-katalysierte Syntheseprozesse in Durchfluss-Systemen“ weiterentwickelt.
Miniaturisierung und Systemintegration haben die Labortechnik grundlegend verändert. Während in den Lebenswissenschaften die Entwicklung von biochemischen Assays-on-chip und Organ-on-chip-Geräten weit fortgeschritten ist, lässt ein ähnlicher Fortschritt in der Chemie noch auf sich warten. Die Erforschung und Durchführung chemischer Prozesse im mikroskaligen Raum eröffnet der modernen Chemie ganz neue Einblicke und Anwendungsmöglichkeiten. Grundlage hierfür sind sogenannte „Enabling Technologies“ wie integrierte chemische Mikrolaboratorien, mit denen die Verfolgung chemischer Prozesse in geringsten Dimensionen bezüglich Raum, Zeit, Ort und Stoffmenge gelingt. Dies ermöglicht nicht nur die Entschlüsselung chemischer Reaktionen, sondern auch die Entwicklung portabler Diagnoselabore bis hin zu nachhaltigen chemischen Mikromaschinen, die sich durch den optimalen Einsatz von Ressourcen und den minimalen Anfall von Abfällen auszeichnen.
Die an der Fakultät zentrierte DFG-Forschungsgruppe „Integrierte chemische Mikrolaboratorien“ (In-CheM, FOR 2177) hat sich zum Ziel gesetzt, durch Kombination und Integration chemischer Mikroreaktoren mit maßgeschneiderter Mikroanalytik eine neuartige Technologie zu schaffen, die neue Einblicke in chemische Prozesse ermöglicht. FOR 2177 baut auf der lokalen Expertise, insbesondere an den Instituten für Analytische, Organische und Physikalische Chemie auf. Wichtige lokale Kooperationspartner sind das Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) und das Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung (IOM). Zahlreiche weitere enge Kooperationen bestehen darüber hinaus mit überregionalen (insbesondere im Berliner Wissenschaftsraum) und internationalen Partnerinstituten.
Die Chemie im Mikro-Raum spielt auch in der ESF-Nachwuchsforschergruppe „Heterogen-katalysierte Syntheseprozesse in Durchfluss-Systemen“ eine zentrale Rolle, welche sich mit der Forschung, Weiterbildung und Nachwuchsförderung im Themenbereich zwischen stereoselektiver Synthese, heterogener Katalyse und spektroskopischer Reaktionsuntersuchung befasst. Ein wichtiger Aspekt liegt hierbei im Aufbau von Industriekooperationen mit den umgebenden Industriestandorten des mitteldeutschen Chemiedreiecks sowie auch der Chemieregion im Raum Freiberg-Dresden-Schwarzheide.
Perspektiven
In den nächsten Jahren soll in diesem Forschungsforum der DFG-Sonderforschungsbereich „Chemistry in Microspace“ beantragt werden. Chemische Reaktionen im Mikroraum bedeutet dabei die Umsetzung im Sinne einer Synthese, insbesondere z.B. Organokatalyse und Biokatalyse (s. Forschungsforum 3 „Nachhaltige Multifunktionale Katalyse“). Ein besonderer Fokus liegt auf der Beobachtung und Steuerung der Selektivität chemischer Reaktionen unter Ausnutzung von Effekten im Mikroraum in Anlehnung an die Forschergruppe FOR 2177. Ein weiteres Ziel bildet die Synthese und Charakterisierung von nano- bzw. mikrostrukturierten Materialien für Anwendungen als „sustained release“-Systeme in der Arzneimitteltherapie. Dies kann über die Dimension der Systeme, deren innere Struktur sowie chemische Modifizierungen erreicht werden. Die Expertisen der Fakultät liegen dabei auf der gezielten Synthese und Modifizierung der nano- und mikrostrukturierten Trägersysteme, deren umfassender Charakterisierung sowie der Analyse von Freisetzungsprozessen. In Bezug auf die geplante SFB-Initiative werden besonders enge Kooperationen mit den Fakultäten für Lebenswissenschaften und Medizin und unter Einbindung außeruniversitärer Forschungseinrichtungen (z.B. UFZ, IOM, BBZ) angestrebt. Die SFB-Initiative wird darüber hinaus gezielt durch Infrastrukturmaßnahmen aus Mitteln des Europäischen Strukturfonds EFRE („Aufstockung der Geräte-Ausstattung des strategischen Forschungsfeldes ´Intelligente Methoden und Materialien` zur Stärkung der anwendungsorientierten Forschung“) durch die Universität Leipzig unterstützt.
Diese SFB-Initiative profitiert auch vom DFG-Graduiertenkolleg Wasserstoffisotope 1,2,3H, das an der Fakultät zentriert ist und die Expertise der Institute für Analytische, Anorganische, Organische, Technische, Physikalische und Theoretische Chemie, der Fakultät für Physik und Geowissenschaften, des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR, Außenstelle Leipzig) und des IOM auf den Gebieten der Laserspektroskopie, den Materialwissenschaften, der Lab-on-a-Chip-Technologie, der organischen Synthese und der Radiochemie vereint.
Ein wichtiger Fokus liegt auch auf der vielfältigen chemiedidaktischen Forschung. Im Rahmen der Curricularen Innovationsforschung, die unter anderem aktuelle chemische Forschung für Schülerinnen und Schüler nach dem Modell der Didaktischen Rekonstruktion aufarbeitet, soll insbesondere die Kooperation mit verschiedenen Vertreterinnen und Vertretern der chemischen Forschungsfelder im Rahmen der oben genannten Initiativen ausgebaut werden.
Beteiligte Arbeitskreise
Graduiertenkolleg
Beteiligte Projekte
ErUM (BMBF) 05K2022 Profile Reactor for Operando Neutron Diffraction – studying heterogeneous catalytic reactions by spatially-resolved diffraction-, spectroscopy-, concentration-, and temperature-profiling (PRONTO)
Überblick
Das Forschungsgebiet Materialien und Energie ist interdisziplinär ausgerichtet und befasst sich mit der Entwicklung von funktionalen Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften für die Nutzung im Zusammenhang mit der Energiewende. Die Palette von Materialien reicht von porösen Materialien wie Zeolithen, Gläsern, kohlenstoffbasierten Strukturen oder Metal-Organic Frameworks (MOFs, poröse Koordinationspolymere) mit einstellbaren Porenweiten, über borhaltige Verbindungen bis zu exakt definierten (Halbleiter-)Schichten, von komplexen Materialsystemen mit thermoelektrischen Eigenschaften bis zu definierten Festkörperverbindungen, die reversibel Wasserstoff aufnehmen und freisetzen können. Die materialorientierte Forschung an der Fakultät für Chemie und Mineralogie umfasst somit ein sehr breites Spektrum von Materialien zur Erzeugung, Speicherung, Umwandlung und effizienteren Nutzung regenerativer Energien. Dazu gehören Materialien für die Photovoltaik, die aus molekularen Vorstufen erhalten werden, als dünne Schichten abgeschieden werden oder als Modellsysteme dienen. Thermoelektrika oder thermochemische Speichermaterialien dienen der reversiblen Umwandlung von Wärme in elektrische Energie und sind zur Nutzung von Abwärme ebenso interessant wie für Kühltechnologien. Materialien zur Wasserstoffspeicherung und innovative energiesparende Leuchtstoffe bilden weitere, aktuelle Schwerpunkte mit hohem Effizienzsteigerungspotential. Zu den Forschungsthemen sind umfangreiche Erfahrungen und tragfähige Vorarbeiten auf dem Gebiet dieser sog. Energiematerialien innerhalb der Fakultät vorhanden, aber auch in Kooperation mit der Fakultät für Physik und Geowissenschaften. Insgesamt ist im Bereich der Materialforschung an der Fakultät der stark methodische Ansatz hervorzuheben, der einen universell anwendbaren Charakter der Erkenntnisse und Entwicklungen bedingt. Dieser Ansatz ist nicht etwa auf bestimmte Substanzklassen gerichtet, sondern ist vielmehr für eine breite Vielfalt von Materialien mit vielfältigen Funktionen anwendbar. Sie strahlen mit ihren Anwendungsperspektiven über das Feld der Energie hinaus und sind u.a. auch für den Klimaschutz von Bedeutung. Mit dem Forschungsforum „Materialien und Energie“ leistet die Fakultät für Chemie und Mineralogie damit einen wichtigen Beitrag zu einem der drängendsten Probleme unserer zukünftigen Gesellschaft.
Die Forschung an der Fakultät für Chemie und Mineralogie zu Materialien und Energie wird aktuell in mehreren DFG-Projekten u.a. im Rahmen des Schwerpunktprogramms SPP2080 „Katalysatoren und Reaktoren unter dynamischen Betriebsbedingungen für die Energiespeicherung und -wandlung“, des SFB-Transregios 102 „Polymere unter Zwangsbedingungen: eingeschränkte und kontrollierte molekulare Ordnung und Beweglichkeit“ (gemeinsam mit der Martin-Luther Universität Halle-Wittenberg), der Forschungsgruppe FOR 2857 „Copper Iodide as Multifunctional Semiconductor” sowie einer Nachwuchsforschergruppe im Bereich anwendungsnahe öffentliche Forschung (EFRE InfraPro) „In situ-Untersuchungen an energierelevanten Materialien“ gefördert. Weitere BMBF-Projekte werden bereits durchgeführt oder befinden sich in der Beantragungsphase. Aus diesen Aktivitäten wird auch eine Förderung im Rahmen eines Verbundprojekts angestrebt.
Perspektiven
Die Entwicklung, Synthese und Optimierung von Energiematerialien stellt eine attraktive Herausforderung dar, die sich thematisch in den Forschungsprofilbereichen „Komplexe Materie“ im strategischen Forschungsfeld „Intelligente Methoden & Materialien“ der Universität unmittelbar eingliedert. Mit Blick auf die komplexen, physikalisch-chemischen Materialeigenschaften kommt modernen analytischen und spektroskopischen Methoden eine ganz besondere Bedeutung zu. An der Fakultät sind insbesondere die Methoden der Röntgenbeugung, Elektronenmikroskopie sowie verschiedene spektroskopische Methoden auf hohem Niveau in der Forschung etabliert und bilden, auch in der Lehre, einen überregional charakteristischen Schwerpunkt. Mehrere Arbeitsgruppen nutzen darüber hinaus Großforschungseinrichtungen wie Synchrotron-Strahlungsquellen und Forschungsreaktoren (Neutronenquellen). In situ- und in operando-Untersuchungen geben entscheidende Impulse für das Verständnis der Synthese, der Funktion und der Alterung von Energiematerialien. Diese sollen daher in der Zukunft gezielt an der Fakultät weiterentwickelt und etabliert werden.
Als Emerging Field im Sinne des Leipziger Wegs, das in unmittelbarem Bezug zu dem strategischen Forschungsfeld „Intelligente Methoden & Materialien“ steht, soll die zielgerichtete, rationale Synthese neuer Materialien im Mittelpunkt stehen. Dafür soll die an der Fakultät für Chemie und Mineralogie im methodischen Bereich bereits vorhandene Expertise in folgenden Schwerpunkten ausgebaut und zu Verbundforschungsinitiativen entwickelt werden:
Aufklärung von Reaktionspfaden in Festkörpern mit in situ-Methoden
Im Gegensatz zur Synthese von Molekülen (sowohl in organischer als auch in anorganischer Chemie) ist über Reaktionsmechanismen in der Festkörperchemie wenig bekannt. Mit in situ-Untersuchungen können die Elementarschritte solcher Reaktionsmechanismen untersucht werden, was dann eine Steuerung der Prozesse und eine rationale Syntheseplanung möglich macht. Durch die rasante Verbesserung von vielen Strahlungsquellen (Synchrotron, Freie-Elektronen-Laser, Neutronen, aber auch Laborquellen) wurden Zeitauflösung, Verfügbarkeit und Aussagekraft solcher in situ-Untersuchungen deutlich verbessert. Dadurch kann ihre Nutzung in Anwendungskontexten, etwa bei wiederaufladbaren Batterien, Gas- und Wärmespeichermaterialien oder Thermoelektrika erreicht werden. An der Fakultät für Chemie und Mineralogie beschäftigen sich bereits einige Arbeitsgruppen mit in situ-Methoden, die für die Untersuchung und das rationale Design von energierelevanten Materialen genutzt werden können.
Computergestütztes Materialdesign
In diesem Gebiet soll mit quantenchemischen Methoden in der Bandbreite vom Molekül über Oberfläche hin zum Festkörper komplementiert durch Machine Learning oder Deep Learning das Design neuartiger Funktionsmaterialien ermöglicht werden. Durch computergestützte ab initio-Verfahren, die ohne experimentelle Parameter auskommen, ist eine rasche Übersicht zur Stabilität hypothetischer neuer Festkörper möglich, was als Vorauswahl für Synthesekandidaten dienen kann. Die Vorhersage von Kristallstruktur und Eigenschaften (elektronische Struktur) erlaubt somit ein vertieftes Verständnis und gesteuerte Synthese von Funktionsmaterialen. Dabei wird eine Vernetzung mit dem Forschungsprofilbereich „Mathematische und Computergestützte Wissenschaften“ angestrebt.
Funktionale Oberflächen durch Abscheidung molekularer Gasphasenionen
Oberflächenschichten, welche durch die Deposition von molekularen Ionen erzeugt werden, sollen in Kooperation mit dem IOM grundlegend charakterisiert und Anwendungen im Bereich von Energiespeicherung und Festphasenelektrolyten untersucht werden. Die Gründung einer Forschungsplattform mit dem IOM, die insbesondere der Kooperation, Synergie in Exzellenzprojekten der Grundlagenforschung und zur Einwerbung von Drittmitteln aus der Industrie an neuen Materialien im Bereich Energiespeicherung und Umwandlung dient, ist geplant.
Bor-basierte Materialien
Basierend auf umfassenden Vorarbeiten zu Bor-basierten Verbindungen in den Instituten für Physikalische, Theoretische und Anorganische Chemie soll eine in der Fakultät verankerte Forschungsgruppe mit Kollegen aus Wuppertal, Würzburg und Dresden initiiert werden, die sich mit Grundlagenforschung relevant für die Wasserstoffspeicherung und Katalyse beschäftigt.
Das Forschungsforum soll durch eine Tenure-Track-Juniorprofessur im WISNA-Programm mit der Denomination „Funktionale Nanomaterialien“ gestärkt werden. Diese Professur soll das Gebiet der funktionalen nanoskaligen Materialien (z.B. Nanopartikel, niedrigdimensionale Materialen, Hybridmaterialien oder deren computergestützte Untersuchung) abdecken. Für Synthese, Charakterisierung und Anwendung sollen z.B. mikro- und mesoskopische Flow-Systeme bzw. Flüssigstrahltechnologien genutzt werden. Darüber hinaus prüft die Fakultät, in naher Zukunft eine Honorarprofessur für einen externen Experten auf dem Gebiet der „Digitalisierung in Katalyse und Materialwissenschaft“ einzurichten. Diese Professur erweitert dieses und das nachfolgend beschriebene Forschungsforum insbesondere um Aspekte der Generierung, der Speicherung und der Nutzung von Forschungsdaten.
Beteiligte Arbeitskreise
Beteiligte Projekte
TRR 325 "Kontrolle der chemischen Photokatalyse durch Molekülverbände"
ErUM (BMBF) 05K2022 Profile Reactor for Operando Neutron Diffraction – studying heterogeneous catalytic reactions by spatially-resolved diffraction-, spectroscopy-, concentration-, and temperature-profiling (PRONTO)
Überblick
Das Forschungsforum Nachhaltige Multifunktionale Katalyse beschäftigt sich mit konzeptionell neuen katalytischen Transformationen, die zur effizienten Herstellung von Bulk- und Feinchemikalien, Arznei- und Pflanzenschutzmitteln sowie Kunststoffen eingesetzt werden. Als Katalysatoren werden dazu anorganische und organische Verbindungen und Materialien sowie auch biologische Systeme genutzt. Ein wichtiger Schwerpunkt liegt dabei auf der Nutzung nachhaltiger Rohstoffe. Mit diesem Ziel leistet die Fakultät in diesem Forschungsforum einen wesentlichen Beitrag zu einer nachhaltig agierenden Gesellschaft, zum Umweltschutz und zur Etablierung einer kohlenstoffneutralen Kreislaufwirtschaft. Mehrere Arbeitsgruppen der Fakultät, u.a. an den Instituten für Analytische, Bioanalytische, Organische, Physikalische und Technische Chemie, haben langjährige Erfahrung in der Entwicklung, Präparation, Charakterisierung und Nutzung von einer breiten Palette an Katalysatoren. Dies umfasst molekulare Katalysatoren, Feststoff- und Biokatalysatoren, so dass eine breite stoffliche und methodische Grundlage für den Auf- und Ausbau dieses Forschungsforums in interdisziplinäre Verbundforschungsprojekte gegeben ist.
Auch wurden und werden ESF-Nachwuchsforschergruppen im Bereich der Katalyse gefördert. Das laufende von der Sächsischen Aufbaubank geförderte Forschungsvorhaben „Heterogen-katalysierte Syntheseprozesse in Durchfluss-Systemen“ beabsichtigt, neue Prozesse für die stereoselektive Synthese von Feinchemikalien zu entwickeln, die gegenwärtig genutzten Verfahren ökonomisch und auch ökologisch erheblich überlegen sind. Dazu sollen chirale Katalysatoren an feste Träger gebunden und anschließend in kontinuierlich betriebenen Durchfluss-Systemen eingesetzt werden und die Reaktionen auch spektroskopisch verfolgt werden. Durch den permanenten und exakt steuerbaren Fluss der Reaktionsmischung über den immobilisierten Katalysator sollen die Prozesse insgesamt besser gesteuert, die Reaktionszeit verkürzt, die Reaktionsausbeute erhöht und die Standzeit der Katalysatoren verlängert werden. Das langfristige Ziel dieser Untersuchungen ist es, einen wesentlichen Beitrag zu einer nachhaltigen, zeitgemäßen und ressourcenschonenden Feinchemikalienherstellung zu leisten.
Die Kooperation mit außeruniversitären Forschungseinrichtungen des Leipziger Raumes (UFZ, IOM, TROPOS, DBFZ) sind für die Arbeit in diesem Feld nicht zuletzt hinsichtlich der Anwendungsperspektive von zentraler Bedeutung. Darüber hinaus werden mehrere Projekte z.T. mit industriellen Partnern oder in anwendungsorientierten Verbundforschungsprojekten durchgeführt.
Perspektiven
An der Fakultät kann Katalyseforschung in der ganzen Breite ihrer Subdisziplinen betrieben werden. Damit können katalytische Funktionalitäten aus den Bereichen der molekularen und enzymatischen Katalyse und der Katalyse an Feststoffoberflächen miteinander kombiniert und in innovativen Kontexten verstanden und genutzt werden. Das Alleinstellungsmerkmal lässt sich dem Forschungsschwerpunkt „Multikatalyse“ zuordnen, in dem Konzepte der kooperativen, synergistischen oder modularen Katalyse zu neuartigen Anwendungen in der nachhaltigen Chemie führen sollen. Die umfassende Charakterisierung von Katalysatoren, besonders von Feststoffkatalysatoren durch moderne (oberflächen-) spektroskopische Techniken, unterstützt das Forschungsfeld und ermöglicht Einblicke in das grundlegende Verständnis katalytischer Umsetzungen. Eine interessante Verknüpfung molekularer und festkörperbasierter reaktiver Stoffe ergibt sich durch die Abscheidung von Clustern und Ionen an Oberflächen, wodurch beispielsweise kationische Teilchen vermehrt für die Katalyse zugänglich werden. Cluster als solche dienen als wichtiges Bindeglied zwischen Experiment und Theorie, weil sie genau definierte Modellsysteme darstellen, anhand derer z.B. gezielt die Teilchengröße als Parameter zur Untersuchung reaktiver Eigenschaften genutzt werden kann. Die Kombination mit theoretischen Untersuchungen ermöglicht zum einen die Validierung der theoretischen Methoden durch hochgenaue experimentelle Messungen und bietet zum anderen die Möglichkeit, aus ab initio-Methoden heraus Voraussagen zu treffen. Dies kann dann etwa Eingrenzungen potenziell interessanter Stoffkombinationen basierend auf einem tiefen detaillierten Verständnis der Reaktionsmechanismen ermöglichen.
Weitere Schwerpunkte, die an der Fakultät im Bereich der Katalyse eine wesentliche Rolle spielen und zukünftig in Kooperation weiterentwickelt werden sollen, schließen ein:
- Katalyse in Durchfluss-Systemen (ESF-Nachwuchsforschergruppe „Heterogen-katalysierte Syntheseprozesse in Durchfluss-Systemen“; enger Bezug zur Initiative DFG-Sonderforschungsbereich „Chemistry in Microspace“, s. Forschungsforum „Chemie im Mikro-Raum“)
- Biomimetische Katalyse, wobei hier ein vollumfassender Ansatz verfolgt wird, der von der Aufklärung katalytischer Prinzipien in der Natur bis hin zum Verständnis und der Anwendung biomimetischer, niedermolekularer Katalysatoren (Enzyme Mimicking) reicht.
- Enantioselektive Organokatalyse mit Hilfe chiraler Brønsted-Säuren, N-heterocyclischer Carbene und chiraler Amine für die Synthese pharmazeutisch relevanter und biologisch aktiver Wirkstoffe mit definierter dreidimensionaler Struktur.
- Enzymatische Katalyse für die Synthese von Feinchemikalien
- Photokatalyse, z.B. in der synthetischen organischen Chemie (Assembly Controlled Photocatalysis) oder in der heterogenen Photokatalyse (Wasserspaltung).
Eine Vernetzung des Forschungsforums „Nachhaltige multifunktionale Katalyse“ mit den anderen Forschungsforen der Fakultät etwa im Bereich „Chemie im Mikro-Raum“, in dem die Katalyse als Enabling Technology eine wesentliche Rolle spielt, ist bereits sichtbar und soll zur gegenseitigen Stärkung weiter verfolgt und intensiviert werden. Umgekehrt können aus dem Forschungsforum „Materialien und Energie“ interessante, potentiell katalytisch aktive Materialien hier untersucht und genutzt werden. Die oben bereits erwähnte Honorarprofessur „Digitalisierung in Katalyse und Materialwissenschaft“ würde die Verbindung der Forschungsfelder stärken und im Bereich des Forschungsdatenmanagements maßgeblich erweitern.
Die Aktivitäten und Expertise der Fakultät in diesem zukunftsträchtigen Bereich sollen in den nächsten Jahren zu einem kohärenten Forschungsfeld im Sinne eines Emerging Fields auf dem Leipziger Weg zusammengeführt und weiterentwickelt werden, so dass mittelfristig die Antragsstellung einer Forschungsgruppe oder eines Sonderforschungsbereichs möglich ist.
Verbundforschung
Überblick
Im Forschungsforum der chemischen Theranostik werden neue Verfahren und chemische Werkzeuge in Synthese wie Analytik für die Wirkstoffentwicklung und Diagnostik entwickelt. Viele dieser Entwicklungen dienen dem engeren Fokus der Theranostik, der frühzeitigen Diagnose molekularer Ursachen von Krankheiten für eine zielgerichtete, insbesondere auch patientenspezifische, Therapie, einer besseren Verzahnung von Diagnose und Therapie, oft auch als Präzisionsmedizin bezeichnet. Das Forschungsforum ist von hoher Relevanz für die universitären strategischen Forschungsfelder „Nachhaltige Grundlagen für Leben und Gesundheit“ und darin für die Profilbereiche „Zivilisationskrankheiten“ und „Molekulare und zelluläre Kommunikation“.
Ein Schwerpunkt der biomolekularen Forschungsaktivitäten der Fakultät liegt im Wirkstoffdesign. Diese Thematik spiegelt sich bereits in zahlreichen Forschungsschwerpunkten von Gruppen der Fakultät für Chemie und Mineralogie wider und hat großes Potential für den Aufbau von Verbundprojekten. An der Universität Leipzig sind wesentliche Zentren oder Verbundforschungsprojekte angesiedelt, in denen pharmazeutisch relevante Proteine auf molekularer und zellulärer oder organismischer Ebene untersucht werden, z.B. der SFB 1423 („Structural Dynamics of GPCR Activation and Signal Transduction“; GPCR: G-Protein-gekoppelte Rezeptoren) oder die Forschergruppe 2149 („Elucidation of Adhesion GPCR signaling“). Mehr als 1/3 aller auf dem Markt befindlichen Wirkstoffe binden an GPCR und diese Rezeptoren besitzen somit außerordentlich große pharmakologische Relevanz. Aber auch in dem stärker medizinisch orientierten SFB 1052 „Mechanismen der Adipositas“ sind mehrere Projekte mit der Zielsetzung einer Entwicklung molekularer Wirkstoffe enthalten. Die Entwicklung von Agonisten und Antagonisten zur Beeinflussung der Signalwirkung dieser Rezeptoren ist wichtiger Bestandteil der Verbundprojekte. Auch durch die Neustrukturierung der Pharmazie und den Aufbau eines Instituts für Wirkstoffentwicklung in der medizinischen Fakultät ergeben sich Synergien und Möglichkeiten für eine Beteiligung an größeren Forschungsverbünden. Die Fakultät für Chemie und Mineralogie kann zu diesen Entwicklungen insbesondere durch ihre Synthese-Expertise in der organischen, anorganischen und biologischen Chemie beitragen. Zudem wurden mit der Etablierung des Biotechnologisch-Biomedizinischen Zentrums 2002 zwei bioanalytisch ausgerichtete Professuren an der Fakultät besetzt, die sich ebenfalls in wesentlichen Teilen ihrer Forschungstätigkeit mit der Wirkstoffentwicklung beschäftigen.
Neben der Spin-Chemie und Magnetresonanz sind Moleküle und chemische Tools auch die Grundlage für viele andere diagnostische Verfahren. Hier ist insbesondere die Expertise der Fakultät in der Synthese von kleinen organischen Molekülen, anorganischen Molekülverbindungen, sowie Peptiden und Proteinen von zentraler Bedeutung. Ein Beispiel ist die Möglichkeit, diagnostisch einsetzbare Sonden mit Molekülen für ein zellspezifisches oder krankheitsspezifisches Targeting zu koppeln und so an den Ort des Interesses (Tumor, Entzündung, etc.) zu bringen. Auch die (bio)analytische Expertise der Fakultät im Bereich der antikörperbasierten Verfahren oder der (bio)chemischen Mikroanalytik (siehe Forschungsforum Chemie im Mikro-Raum) besonders relevant für diesen Schwerpunkt. Ein aktuelles Beispiel ist die Diagnostik von SARS-CoV-2-Infektionen über antikörperbasierte Verfahren.
Perspektiven
Zentrales Entwicklungsziel des Forschungsforums ist die Stärkung der methodischen Möglichkeiten und der Ausbau von gemeinsamen Projekten mit dem Ziel, weitere sichtbare interdisziplinäre Verbundprojekte einzuwerben und die Bereiche Wirkstoffe, Diagnostik, Theranostik und Präzisionsmedizin zu stärken. Für die Einwerbung eines größeren Verbundprojektes im Umfeld der Wirkstoffentwicklung ist eine weitergehende Fokussierung auf abgrenzbare und innovative Themen notwendig. Diese wird im „biomimetischen Wirkstoffdesign“ gesehen. Darunter werden Strategien der naturinspirierten Wirkstofffindung verstanden, die in einem akademischen Umfeld praktizierbare, innovative und effektive Wege zur Entwicklung pharmakologisch aktiver Moleküle darstellen. Dazu zählt zum einen die Verwendung von Naturstoffen, Peptiden, Proteinen (Antikörper, „Biologicals“) und natürlichen, funktionell relevanten Signalmolekülen oder Substraten als Ausgangssubstanzen für die weitere Entwicklung zu Leitstrukturen als hochaffine Binder oder Wirkstoffe mit veränderter Aktivität (z.B. Agonisten/Antagonisten/inverse Agonisten von Rezeptoren oder Modulatoren von Protein-Protein-Wechselwirkungen).
Diese größtenteils etablierten Ansätze klassischer Wirkstoffentwicklung werden nun mit innovativen Methoden in Design und Synthese kombiniert. Hier sind ebenfalls naturinspirierte Verfahren zu nennen, beispielsweise die Verwendung von Enzymen für die regio- und stereospezifische Molekülsynthese oder in vitro-Evolutionsverfahren für die Generierung von Substanzbibliotheken von Proteinen und Peptiden. Diese in ähnlicher Weise in der Natur vorkommenden Verfahren können jedoch auch computergestützt genutzt werden, also in virtuellen Screening-Verfahren der Einpassung von Molekülen in Bindetaschen (Docking) oder der Generierung von virtuellen Substanzbibliotheken einschließlich Konformationsanalyse.
Ein weiteres Ziel im Bereich Wirkstoffforschung bildet die Synthese und Charakterisierung von nano- bzw. mikrostrukturierten Materialien (Nanopartikel, angepasste Formkörper, Folien, Gewebe etc.) für Anwendungen als Sustained-Release-Systeme in der Arzneimitteltherapie. Wesentliche Vorteile gegenüber anderen Applikationsformen und -arten bestehen beispielsweise in der Erreichung gleichmäßiger Wirkstoffspiegel über einen längeren Zeitraum durch eine verzögerte/kontrollierte Freisetzung (sustained/controlled release). Dies kann über die Dimension der Systeme, deren innere Struktur sowie chemische Modifizierungen erreicht werden. Die Expertisen der Fakultät liegen dabei auf der gezielten Synthese und Modifizierung der nano- und mikrostrukturierten Trägersysteme, deren umfassender Charakterisierung sowie der Analyse von Freisetzungsprozessen. Im Hinblick auf Wirkstoffauswahl und Umsetzung sollen dabei bestehende Kontakte zur medizinischen Fakultät weiter ausgebaut werden. In diesem Schwerpunkt trägt auch eine enge Verzahnung mit dem Forschungsforum Materialien und Energie zur zusätzlichen gegenseitigen Inspiration und Unterstützung bei.
Der Bereich Wirkstoffforschung des Forschungsforums Chemische Theranostik soll mit dieser Entwicklung und Fokussierung insbesondere die bereits aufgeführten laufenden Verbundprojekte SFB 1423 und SFB 1052 weiter stärken und ein neues Verbundprojekt zur Biomimetischen Wirkstoffentwicklung ermöglichen. Zudem ist dieser Bereich von zentraler Bedeutung für die universitäre Initiative „Intelligent Therapeutic Strategies for Integrated Precision Medicine“ für die Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder.
Ein zweiter Schwerpunkt der biomolekularen Forschung innerhalb der Fakultät besteht im Bereich der Diagnostik. Hier ist zum einen die Entwicklung analytischer chemischer und physikalischer Tools für diagnostische Anwendungen in der Medizin zu nennen, zum Beispiel in der Spin-Chemie und in innovativen Methoden der Magnetresonanz. Mittels Magnetresonanz-Tomographie (MRT) können nicht nur hoch aufgelöste dreidimensionale Abbildungen der inneren Organe erstellt werden, sondern es wird eine ortsaufgelöste nicht-invasive chemische Analyse ermöglicht. Ein Weg zur Erhöhung von Empfindlichkeit und Selektivität sind Hyperpolarisierungsmethoden wie DNP (Dynamic nuclear polarization), ONP (Optical nuclear polarization) und CIDNP (chemically induced dynamic nuclear polarization). Eine Weiterentwicklung dieser Methoden wird zum einen durch die Kompetenz der Fakultät in der Synthese molekularer Spinsysteme ermöglicht, die der Signalverstärkung in der Magnetresonanz dienen. Weiterhin werden innovative Messtechniken entwickelt. Gemeinsam mit Arbeitsgruppen aus der Biochemie, der Medizin und der Physik ist ein Netzwerk entstanden, das diese verschiedenen neuen Ansätze vorantreibt. Diesem Netzwerk sind zwei aktuelle Initiativen zu verdanken: „Spin for Living Matter“ (S4L), mit dem Ziel der Etablierung eines Großforschungszentrums im Leipziger Raum und ein SFB-Antrag zum Thema „Hyperpolarization in Molecular Systems“.