Projekt
AFM based characterization of fuel-driven materials
Projektbeschreibung
Das Leben ist alles andere als ein Gleichgewicht: Eine durch einen Rückkopplungsmechanismus regulierte, ständige Energiedissipation treibt es an. Aktive und anpassungsfähige molekulare Systeme verwenden Chemikalien, um ihre Strukturen in einem dissipativen Gleichgewichtszustand zu halten. Sobald die Energie verbraucht ist, entspannt sich das System und kehrt in den Anfangszustand zurück. Hieraus ergeben sich vorübergehende stationäre Zustände mit ungewöhnlicher Dynamik, Anpassungsfähigkeit und autonomen Systemlebensdauern. Mein Ziel ist es, ein Rasterkraftmikroskop (AFM) zur Charakterisierung von Nicht-Gleichgewichts-Materialsystemen über Zeit- und Längenskalen hinweg einzusetzen.
Projektergebnis
DNA- und Peptidstrukturen sind programmierbar und eignen sich für die Herstellung von Materialien, die reagieren und sich anpassen können. Im Gegensatz zu herkömmlichen Materialien, die versuchen, im Gleichgewicht zu bleiben, sind diese neuen Materialien so konzipiert, dass sie ständig mit ihrer Umgebung interagieren.
Diese Strukturen untersuchten wir mit dem Rasterkraftmikroskop (AFM). Um dynamische Prozesse und Bruchkräfte einzelner Moleküle auf der Nano- und Mesoskala zu überwachen und zu untersuchen, nutzten wir die Bildgebung und die Einzelmolekül-Kraftspektroskopie (SMFS). Dabei begannen wir mit einfachen reaktionsfähigen Systemen auf der Nanoskala. Später gingen wir zu komplexen reaktionsfähigen Systemen auf der Nano- und Makroskala über, die den molekularen Treibstoff beeinflussen.
Wir untersuchten, wie die DNA mit verschiedenen Ionen in Lösungen interagiert. Dabei fanden wir heraus, dass die Stärke der Wechselwirkung von der Art des Ions abhängt. Zudem erforschten wir, wie verschiedene Arten von Bindungen zur Festigkeit von Materialien beitragen. Wenn wir diese Bindungen verstehen, können wir hoffentlich Materialien mit stärkerer Haftung herstellen.
Uns interessierte zudem, wie bestimmte Proteine und Moleküle die Bildung von Amyloid-beta-Fibrillen beeinflussen, die mit der Alzheimer-Krankheit in Verbindung gebracht werden. Durch ein besseres Verständnis dieses Prozesses hoffen wir, mehr über die Krankheit zu erfahren.
Außerdem erforschten wir, wie DNA mithilfe spezieller Enzyme und Treibstoff zusammengesetzt und zerlegt werden kann. Dabei ging es um die Frage, wie sich Aminosäuren zu Peptiden und größeren Strukturen zusammensetzen können. Diese Studien helfen uns zu verstehen, wie Materialien von Grund auf aufgebaut werden können.
Schließlich entwickelten wir ein Hydrogel aus einer einzigen DNA-Haarnadel. Wir konnten zeigen, wie diese Struktur auf verschiedene Auslöser reagieren kann. Diese Forschung eröffnet Möglichkeiten zur Entwicklung neuer Materialien, die sich anpassen und ihre eigene Energie erzeugen können.
Insgesamt ebnet diese Forschung den Weg für die Entwicklung innovativer Materialien aus DNA und Peptiden. Diese Materialien besitzen das Potenzial, aktiv, anpassungsfähig und selbsterhaltend zu sein. Durch die Untersuchung ihres Verhaltens und ihrer Wechselwirkungen hoffen wir, Materialien zu schaffen, die in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden können.
Erstbetreuer und Dissertation
Prof. Dr. Thorsten Hugel
Max Lallemang schloss seine Dissertation im April 2023 ab.
Dissertation: AFM based characterization of fuel-driven materials
Derzeitige Position
Max arbeitet derzeit am Lycée Hubert-Clément Esch/Alzette in Luxembourg.
Publikationen in livMatS
- Hierarchical Mechanical Transduction of Precision-Engineered DNA Hydrogels with Sacrificial Bonds*
Lallemang, M., Akintayo, C. O., Wenzel, C., Chen, W., Sielaff, L., Ripp, A., Jessen, H. J., Bizan N., Walther, A. & Hugel, T. (2023). Hierarchical Mechanical Transduction of Precision-Engineered DNA Hydrogels with Sacrificial Bonds. ACS Applied Materials & Interfaces. doi: 10.1021/acsami.3c15135
- Angle-dependent strength of a single chemical bond by stereographic force spectroscopy*
Cai, W., Bullerjahn, J. T., Lallemang, M., Kroy, K., Balzer, B. N., & Hugel, T. (2022). Angle-dependent strength of a single chemical bond by stereographic force spectroscopy. Chemical Science. doi: 10.1039/D2SC01077A
- Study of repellence on polymeric surfaces with two individually adjustable pore hierarchies*
Goralczyk, A., Zhu, M., Mayoussi, F., Lallemang, M., Tschaikowsky, M., Warmbold, A., Caliaro, S., Tauber, F., Balzer, B. N., Kotz-Helmer, F., Helmer, D., & Rapp, B. E. (2022). Study of repellence on polymeric surfaces with two individually adjustable pore hierarchies. Chemical Engineering Journal, 437, 135287. doi: 10.1016/j.cej.2022.135287
- Multivalent non-covalent interactions lead to strongest polymer adhesion*
Lallemang, M., Yu, L., Cai, W., Rischka, K., Hartwig, A., Haag, R., Hugel, T., and Balzer, B. N. (2022). Multivalent non-covalent interactions lead to strongest polymer adhesion. Nanoscale. doi: 10.1039/d1nr08338d
- ATP Impedes the Inhibitory Effect of Hsp90 on Aβ40 Fibrillation*
Wang, H., Lallemang, M., Hermann, B., Wallin, C., Loch, R., Blanc, A., Balzer, B. N., Hugel, T., & Luo, J. (2020). ATP impedes the inhibitory effect of Hsp90 on Aβ40 fibrillation. Journal of Molecular Biology. doi: 10.1016/j.jmb.2020.11.016
* Funded by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) under Germany's Excellence Strategy – EXC-2193/1 – 390951807