Molekulardesign

Molekulardesign

 

[-dɪzaɪn], englisch Molecular Modeling ['mɔlɪkjuːlə 'mɔdlɪȖ], Computer-aided molecular design [kəm'pjuːtə 'eɪdɪd 'mɔlɪkjuːlə dɪ'zaɪn ; englisch »computergestütztes Molekulardesign«], Abkürzung CAMD [sieɪæm'di], Bezeichnung für die Entwicklung von chemischen Substanzen, in erster Linie organische Moleküle, mithilfe von Hochleistungsrechnern. Bei jeder chemischen Substanz besteht ein enger Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion der Moleküle, sodass aus bekannten Strukturen zu erwartende Reaktionen abgeleitet werden können beziehungsweise umgekehrt aus bekannten Reaktionen auf die Struktur geschlossen werden kann. Dies ist die Grundlage für das Molekulardesign. Hat man z. B. über physikalische Methoden (Röntgenstrukturanalyse, Massenspektroskopie, NMR-Spektroskopie u. a.) die Atomkoordinaten eines Moleküls erhalten und gibt sie in den Rechner ein, so produziert dieser das Bild der dreidimensionalen Struktur dieses Moleküls, das in alle Richtungen gedreht sowie verkleinert oder vergrößert werden kann und dessen chemischen und physikalischen Eigenschaften vom Computer simuliert werden können. Anhand dieses Modells kann z. B. festgestellt werden, an welchen Stellen bevorzugt chemische Reaktionen ablaufen und welche Art von Reaktionen wahrscheinlich sind. In den letzten Jahren hat sich v. a. in der Pharmazie das struktur- und computergestützte Wirkstoffdesign (englisch »drug design«) zur Entwicklung neuer Arzneimittel herausgebildet. Während bisher meist die Methode des Versuchs und Irrtums, oft verbunden mit Zufällen, neue Arzneimittel hervorbrachte, wird beim Molekulardesign ausgehend vom bestehenden Wissen mit vorhandenen Technologien versucht, vor der eigentlichen chemischen Synthese eine Vorhersage über Eigenschaften und Wirkungen einer Substanz zu treffen. Die bei der Entwicklung von Arzneimitteln erforderlichen Tierversuche und klinischen Testungen am Menschen werden damit eingeschränkt. Möglich wurde ein rationales Molekulardesign mit den Fortschritten der Hard- und Software bei Rechenanlagen und den strukturanalytischen Verfahren besonders in der Proteinchemie und Molekulargenetik. Mithilfe von Computern lassen sich die räumlichen Strukturen von Proteinen berechnen, die als Ziel für einen Arzneistoff in Betracht kommen (z. B. Rezeptoren, Enzyme). In solche simulierten Raumstrukturen werden dann Moleküle nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip eingepasst und optimiert.

 

Seit den 1990er-Jahren ist den Computerchemikern das Modellieren makroskopischer Werkstoffeigenschaften bei Kunststoffen und Fasern sowie das Modellieren von Katalysatoren mit spezifischen Eigenschaften gelungen. Derzeit werden chemische Reaktionen auf Molekülebene, Strömungen (z. B. in Reaktoren) sowie Werkstofffestigkeiten simuliert. Künftig wird an der Simulation großtechnischer chemischer Prozesse und molekularer Strukturen mit über 100 000 Atomen gearbeitet.