معهد ماكس بلانك للغرويات والأسطح البينية

يختص قسم كيمياء الغرويات، برئاسة ماركوس أنتونيتي، بتصنيع هياكل غروية متنوعة في نطاق النانومتر. ويشمل ذلك الجسيمات النانوية غير العضوية والمعدنية، والبوليمرات، والوحدات البنائية الببتيدية، ومذيلاتها، وأطوارها المنظمة، بالإضافة إلى المستحلبات والرغوات. تُمكّن كيمياء الغرويات من ابتكار مواد ذات بنية هرمية من خلال غرويات وظيفية مناسبة، مما يُضفي خصائص جديدة بفضل التفاعل بين المجموعات الوظيفية. وبفضل البنية المناسبة، تستطيع هذه الغرويات أداء مهام متخصصة للغاية، وهو ما لا تستطيع الأنظمة الجزيئية المفردة القيام به لافتقارها إلى التعقيد. ومن الأمثلة على ذلك الجلد: فلا توجد مادة اصطناعية تتميز بنعومة الجلد ومقاومته للتمزق في آن واحد، ومع ذلك فهي تتكون أساسًا من الماء. ويكمن سر ذلك أيضًا في التفاعل بين ثلاثة مكونات (الكولاجين، وحمض الهيالورونيك ، والبروتيوغليكان). ولا يُمكن تحقيق هذا المزيج الفريد من الخصائص إلا من خلال تكوين بنية فائقة "بشكل جماعي". ^{[ 2 ]}

يركز قسم المواد الحيوية، برئاسة بيتر فراتزل ، على البحوث متعددة التخصصات في مجال المواد البيولوجية والمحاكية للطبيعة. وينصبّ التركيز على فهم كيفية تحكم البنية والتركيب في الخصائص الميكانيكية أو الفيزيائية الأخرى، وكيفية تكيفها مع الظروف البيئية. علاوة على ذلك، فإن للبحوث المتعلقة بالمواد الطبيعية (مثل العظام أو الخشب) تطبيقات محتملة في العديد من المجالات. أولًا، يمكن تحسين مفاهيم تصميم المواد الجديدة من خلال التعلم من الطبيعة. ثانيًا، يفتح فهم الآليات الأساسية التي يتم من خلالها تحسين بنية العظام أو الأنسجة الضامة الطريق لدراسة الأمراض، وبالتالي المساهمة في التشخيص وتطوير استراتيجيات العلاج. ثالثًا، يتمثل الخيار في استخدام البنى التي تنمو في الطبيعة وتحويلها، من خلال المعالجة الفيزيائية أو الكيميائية، إلى مواد ذات أهمية تقنية (القوالب الحيوية). ونظرًا لتعقيد المواد الطبيعية، تبرز الحاجة إلى مناهج جديدة لتوصيف البنية. ويجري تطوير بعض هذه المناهج في القسم، لا سيما لدراسة البنى الهرمية. ^{[ 3 ]}

يُعنى قسم النظرية والأنظمة الحيوية، برئاسة راينهارد ليبوفسكي، بدراسة بنية وديناميكية الجزيئات والغرويات والجسيمات النانوية في الأنظمة البيولوجية والمحاكاة الحيوية. تتجمع الوحدات البنائية الجزيئية لهذه الأنظمة "تلقائيًا" لتشكل مجموعة متنوعة من البنى النانوية فوق الجزيئية، والتي تتفاعل بدورها لتكوين بنى وشبكات أكبر. تمثل هذه العمليات المعقدة أبعادًا خفية للتنظيم الذاتي، نظرًا لصعوبة رصدها على النطاقات المكانية والزمنية المناسبة.

تركز الأبحاث الحالية على التعرف الجزيئي، وتحويل الطاقة ونقلها بواسطة المحركات الجزيئية، وديناميكيات النسخ والترجمة، بالإضافة إلى التنظيم الذاتي للخيوط والأغشية. ^{[ 4 ]}

يركز قسم الواجهات، برئاسة هيلموت موهوالد، بشكل أساسي على فهم الواجهات الجزيئية وربطها بالأنظمة الغروانية التي تتميز بطبيعتها بنسبة سطح إلى حجم كبيرة. ونتيجة لذلك، تعززت قدرة القسم على توصيف الواجهات المستوية أو شبه المستوية، كما نجح في تطبيق هذه المعرفة على الواجهات المنحنية. ومن خلال ذلك، اكتسبنا فهمًا أعمق للواجهات المستوية، إذ أصبح بالإمكان دراسة الأسطح باستخدام تقنيات تتطلب مساحة سطح كبيرة (مثل الرنين المغناطيسي النووي، والمسعر التفاضلي الماسح). ^{[ 5 ]}

يستخدم الباحثون في قسم الأنظمة الجزيئية الحيوية، برئاسة بيتر إتش. سيبرغر، أساليب جديدة لتخليق سلاسل السكر. وحتى وقت قريب، كانت معظم السكريات الطبيعية المعروفة هي تلك التي تمد الكائنات الحية بالطاقة، مثل السكروز (سكريات منزلية) والنشا (في النباتات). إلا أن جزيئات السكر المعقدة، التي تنتمي إلى الكربوهيدرات، تشارك أيضًا في العديد من العمليات البيولوجية. فهي تغطي جميع خلايا جسم الإنسان، وتلعب دورًا حاسمًا في تحديد هوية أسطح الخلايا على المستوى الجزيئي، على سبيل المثال في حالات العدوى، والاستجابات المناعية، وانتشار السرطان. وتنتشر السكريات المعقدة في الطبيعة كأغلفة للخلايا، وبالتالي يمكن استخدامها أيضًا في تطوير اللقاحات، مثل لقاح الملاريا. ولذا، تُعد الكربوهيدرات ذات أهمية بالغة في الطب؛ ولم يُدرك الدور المحوري لبقايا السكر على أسطح الخلايا في علم الأحياء والطب إلا خلال العشرين عامًا الماضية تقريبًا. ^{[ 6 ]}

حتى وقت قريب، كانت هناك حاجة ماسة إلى طريقة للتخليق الكيميائي لإنتاج الكربوهيدرات ذات الأهمية البيولوجية، ذات البنية المعروفة، بكميات كبيرة، ولأغراض البحث البيولوجي والصيدلاني والطبي. أما الآن، فقد تم سد هذه الثغرات بفضل تطوير أول جهاز تخليق آلي قادر على ربط جزيئات السكر بسكريات أخرى أو حتى بجزيئات أخرى.

يتناول برنامج IMPRS للأنظمة الحيوية متعددة المقاييس المستويات الأساسية للأنظمة الحيوية ، بدءًا من الجزيئات الكبيرة في المحاليل المائية، مرورًا بالتعرف الجزيئي بين هذه الوحدات البنائية، وانتهاءً بتحويل الطاقة الحرة بواسطة الآلات الجزيئية ، فضلًا عن تكوين البنية ونقلها في الخلايا والأنسجة. وتركز الأنشطة البحثية على أربعة مجالات رئيسية:

• التعرف الجزيئي على الكربوهيدرات
• تفاعل الجزيئات الحيوية مع الضوء
• العمليات الخلوية الموجهة
• تغييرات شكلية موجهة للأنسجة