Ulmer Forschende entwickeln autonomen molekularen Läufer mit chemischem Antrieb

Uni Ulm, 28.09.2026. Was sich im Labor nicht mit bloßem Auge erkennen lässt, kann trotzdem ordentlich Strecke machen: Forschende der Universität Ulm haben ein künstliches molekulares System entwickelt, das sich autonom entlang einer vorgegebenen Strecke bewegt. Der molekulare Läufer wird von chemischem Treibstoff angetrieben und braucht keine externe Steuerung für seine einzelnen Schritte.

Das klingt klein, ist wissenschaftlich aber ein ziemlich großer Schritt. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Chemistry veröffentlicht. Max von Delius hatte bereits 2010 während seiner Promotion die ersten Moleküle entlang einer molekularen Strecke bewegt. Im aktuellen Projekt gelang nun erstmals ein autonomer Ablauf: Der Läufer bewegt sich selbstständig, solange Treibstoff vorhanden ist.

Ein winziger Läufer mit zwei Füßen

Als Läufer dient eine Phosphatgruppe, bestehend aus einem Phosphoratom und vier Sauerstoffatomen. Die Forschenden testeten sie auf zwei verschiedenen Gleisen: Glycerin besitzt drei mögliche Bindungsstellen für die Phosphatgruppe, Inositol fünf.

Der Mechanismus wirkt fast wie ein vorsichtiges Umsteigen. Für einen Schritt löst die Phosphatgruppe eine Bindung zur Strecke und bildet an der nächsten Position eine neue. Normalerweise sind diese Bindungen äußerst stabil; ihre rechnerische Halbwertszeit beträgt etwa 140.000 Jahre. Die Ulmer nutzen jedoch ein Reaktionsprinzip, das auch aus der RNA bekannt ist: Die Phosphatgruppe bindet an zwei benachbarte OH-Gruppen. Dabei entsteht eine gespannte ringförmige Struktur, in der sich eine der beiden Bindungen innerhalb von Minuten wieder löst.

Den nötigen Anschub liefert wasserlösliches Carbodiimid, kurz EDC. Zunächst aktiviert EDC die Phosphatgruppe. Sie bindet daraufhin mit einem zweiten „Fuß“ an der nächsten Position. Wasser löst die hintere Bindung, während die vordere bestehen bleibt. So rückt der Läufer um eine Position vor, ohne das Gleis zu verlassen.

Ohne Treibstoff sammelten sich auf dem Glycerin-Gleis über Wochen 90 Prozent der Phosphatmoleküle am äußeren Rand. Mit EDC befanden sich nach ungefähr zwei Stunden dagegen 64 Prozent an der energetisch ungünstigeren mittleren Position. Auf dem längeren Inositol-Gleis bewegte sich die Phosphatgruppe ohne Treibstoff selbst nach acht Wochen nicht. Mit Treibstoff durchlief sie alle fünf möglichen Positionen und legte insgesamt vier Schritte zurück. Bei kontinuierlicher Treibstoffzufuhr blieb die Bewegung über Stunden erhalten.

Warum diese Bewegung nicht von allein passiert

Molekulare Maschinen oder Nanomaschinen sind aus Makromolekülen bestehende supramolekulare Strukturen, die mechanische Bewegungen und andere Funktionen ausführen können. Sie orientieren sich an biologischen Systemen oder übertragen Prinzipien der klassischen Mechanik auf die molekulare Ebene und gehören damit zur Nanotechnologie.

Auch auf dieser winzigen Skala gilt allerdings: Energie gibt es nicht gratis. Wie klassische Maschinen benötigen molekulare Maschinen Energie von außen; ein Perpetuum mobile ist nach den physikalischen Grundgesetzen unmöglich. Für nutzbare Arbeit muss zuvor ein Gradient vorhanden sein, etwa ein Konzentrationsgefälle, eine Temperaturdifferenz oder eine elektrische Potentialdifferenz. Molekulare Systeme können chemische oder mechanische Prozesse aus dem Gleichgewicht bringen, während Systeme grundsätzlich wieder zum Gleichgewicht streben – durch Diffusion entlang eines Konzentrationsgefälles oder durch Temperaturausgleich.

Beim Ulmer Läufer übernimmt der chemische Treibstoff diese Rolle. Die Forschenden beschreiben erstmals ein System, das drei Eigenschaften verbindet: Prozessivität, weil der Läufer mit seiner Strecke verbunden bleibt; Autonomie, weil er sich selbstständig bewegt, solange Treibstoff vorhanden ist; und kinetische Asymmetrie, weil die Energiezufuhr ihn aus seiner natürlichen Ruheverteilung verschiebt.

Hochgerechnet würden ein Mol Läufer, also etwa 200 Gramm, gemeinsam eine Nettostrecke von rund 8,3 Millionen Kilometern pro Sekunde zurücklegen. Bis zu 19 von 100 verbrauchten Treibstoffmolekülen führten zu einem erfolgreichen Schritt. Keine Rakete, klar – aber für ein Molekül ist das schon recht ordentlich.

Von der Brownschen Bewegung bis zum Nobelpreis

Ein historisches Gedankenexperiment hilft beim Einordnen: Feynmans Ratsche besteht gedanklich aus zwei über eine starre Achse verbundenen Rädern. Ein Schaufelrad befindet sich bei der Temperatur T1, ein Zahnrad bei T2. Eine Sperrklinke soll die Rückwärtsbewegung des Zahnrads verhindern. Bei höherer Temperatur T1 treffen Gasmoleküle mit größerer kinetischer Energie auf das Schaufelrad. Dadurch könnte die Achse bevorzugt in eine Richtung drehen und theoretisch ein Gewicht anheben.

Ein Perpetuum mobile entsteht daraus trotzdem nicht. Die notwendige Energie kommt aus dem Temperaturgefälle, das durch äußere Bedingungen erzeugt und aufrechterhalten werden muss. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik gilt auch auf molekularer Ebene. Die Brownsche Bewegung der Gasmoleküle liefert die Energie; das Temperaturgefälle richtet diese zufällige Bewegung. Entscheidend ist, ob ein Temperaturgradient auf molekularer Ebene erhalten bleibt oder durch molekulare Schwingungen ausgeglichen wird. Die beim Anheben des Gewichts gespeicherte potentielle Energie könnte anschließend für nanoskalige Aufgaben genutzt werden.

Auch Maxwells Dämon gehört zu den historisch wichtigen Gedankenexperimenten rund um solche Fragen. Den Chemie-Nobelpreis 2016 erhielten Jean-Pierre Sauvage, J. Fraser Stoddart und Bernard L. Feringa für das Design und die Synthese molekularer Maschinen.

Synthetisch werden zwei grundlegende Arten unterschieden: molekulare Schalter beziehungsweise Pendel und molekulare Motoren. Ein Schalter reagiert auf den Zustand eines Systems, ein Motor auf dessen Bewegung. Schalter werden durch eine Translationsbewegung betätigt; ihre Rückkehr in den Ausgangszustand kann Energie freisetzen. Ein Schalter kann ein chemisches System jedoch nicht wiederholt durch Energiezufuhr aus dem Gleichgewicht bringen – Motoren können das.

Schalter, Pinzetten und biologische Vorbilder

Viele synthetische Maschinen bestehen nicht aus einem einzelnen Molekül, sondern aus mechanischen molekularen Architekturen wie Rotaxanen und Catenanen. Auch Kohlenstoff-Nanomotoren wurden hergestellt. Ein synthetischer molekularer Motor ist ein Molekül, das durch externe Energie eine gerichtete Drehbewegung ausführt. Als Antrieb kommen Licht oder chemische Reaktionen infrage.

Ein molekularer Bohrer kann durch UV-Licht Zellwände perforieren, sodass kleine Moleküle, insbesondere Wasser, austreten. Das UV-Licht lässt sich dabei gezielt auf gewünschtes Gewebe richten. Ein molekularer Propeller kann wegen seiner propellerähnlichen Form Flüssigkeiten durch Drehbewegung antreiben; er besitzt mehrere schräg angeordnete Flügel an einer nanoskaligen Welle.

Molekulare Schalter können reversibel zwischen mindestens zwei stabilen Zuständen wechseln. Auslöser sind unter anderem pH-Wert, Licht, Temperatur, elektrischer Strom, die Mikroumgebung oder die Bindung eines Liganden. Ein molekulares Pendel beziehungsweise Shuttle transportiert Moleküle oder Ionen zwischen verschiedenen Orten. Es kann aus einem Rotaxan bestehen, dessen Makrozyklus sich zwischen zwei Stationen einer hantelförmigen Achse bewegt.

Molekulare Pinzetten umschließen Objekte in einem offenen Hohlraum. Die Bindung erfolgt nicht-kovalent, etwa durch Wasserstoffbrücken, Metallkoordination, hydrophobe Kräfte, Van-der-Waals-Kräfte, π-π-Wechselwirkungen oder elektrostatische Effekte. Es wurden auch molekulare Pinzetten und DNA-Maschinen aus DNA entwickelt.

Molekulare Sensoren weisen Konzentrationsänderungen bestimmter Stoffe nach. Sie verbinden molekulare Erkennung mit der Aufzeichnung oder Weiterleitung eines Signals. Molekulare Logikgatter verarbeiten eine oder mehrere logische Eingaben und erzeugen eine Ausgabe; anders als Sensoren geben sie nur bei einer bestimmten Kombination von Eingaben ein Signal aus.

Die komplexesten bekannten molekularen Maschinen sind biologische Proteine in Zellen. Myosin ist an der Muskelkontraktion beteiligt, Kinesin transportiert Organellen entlang von Mikrotubuli, Dynein bewegt Geißeln, und membranständige ATPasen wie die ATP-Synthase wandeln Energie um. In biologischen Zellen bewegen sich Motorproteine wie Kinesin und Myosin entlang von Proteinfasern, transportieren Stoffe und ermöglichen Muskelbewegungen sowie die Zellteilung.

Ihre Dynamik auf der Nanometerskala ist komplexer als