Die Wissenschaft hat über die letzten beiden Jahrzehnte eine große Wandlung und Öffnung durchgemacht. Der Wissenszuwachs in den naturwissenschaftlichen Fachrichtungen lässt sich nicht nur in der zunehmenden Anzahl der publizierten Artikel messen, sondern schlägt sich auch direkt in der Vielfalt neuer Fachdisziplinen nieder. Diese Fachrichtungen sind meist im Spannungsfeld von Physik, Biologie, Chemie und Informatik angesiedelt und zeichnen sich meist durch eine stark interdisziplinäre Ausrichtung aus, was sich auch in der Nomination der entsprechenden Fachrichtungen wie Biochemie, Biophysik, Bioinformatik oder Biomedizin niederschlägt. Das wird im ersten Jahr des neuen Jahrtausends auch dadurch ausgedrückt, dass das Bundesministerium für Bildung und Forschung das Jahr 2001 der "Lebenswissenschaft" gewidmet hat. Die seit dem letzten Jahr sprunghaft angewachsenen Börsengänge junger Biotech-Startup-Unternehmen sowie der kürzlich von der Bundesregierung neu eingesetzte Ethikrat zeigen dabei ebenfalls, dass eine wissenschaftliche Vernetzung nicht nur in naturwissenschaftlicher Hinsicht erfolgt, sondern sich auch auf einer ökonomischen und wissenschaftlich-ethischen Ebene abspielt.

Diese Wandlung und Öffnung ist letztendlich die Konsequenz eines Paradigmenwechsels in den Naturwissenschaften, bei dem gewisse Denkmuster und Vorstellungen von Struktur, Funktion und hierarchischer Organisation im Lichte fachübergreifender Zusammenarbeit neue Bedeutung erlangen. Beispielhaft ist hier die Nanotechnologie [1] zu nennen, die als Disziplin die Untersuchung und Manipulation einzelner Objekte im Nanometermaßstab umfasst, keinen Unterschied mehr zwischen physikalischen, chemischen oder biologischen Objekten macht, da die molekularen Mechanismen und Phänomene sich nicht mehr in eindeutiger Weise einer einzelnen Wissenschaftsdisziplin zuordnen lassen. Das bietet nun die Möglichkeit, komplexe wissenschaftliche Fragestellungen unter Miteinbezug des fachübergreifenden komplementären Wissens unterschiedlicher Fachrichtungen anzugehen.

Dieser Sachverhalt wird natürlich nicht nur durch eine Bewusstseinsveränderung und den Zuwachs an Wissen ermöglicht, sondern auch methodisch durch die Entwicklung neuer höchstempfindlicher Instrumentierungen und Schlüsseltechnologien gefördert:

• Molekulare biotechnologische Methoden und Konzepte ermöglichen die Trennung, Analyse, Identifizierung, Design, Herstellung sowie Vervielfältigung molekularer Systeme und Konstrukte und sind für den eigentlichen Wissensschub auf dem Gebiet der Molekularbiologie verantwortlich [2].
• Die problemspezifische Weiterentwicklung neuer Untersuchungsmethoden wie der Rastersondenmikroskopie bieten die Möglichkeit, einzelne Moleküle und Molekülprozesse detailliert unter funktionellen Umgebungsbedingungen mit submolekularer Präzision zu untersuchen [3].
• Die Verfügbarkeit empfindlicher Photodetektoren (Photomultiplier, Avalanche-Photodioden, Back-Illuminated CCD-Sensoren) sowie von leistungsstarken Lichtquellen (fs-gepulsten Lasern, Halbleiter-Laserdioden) ermöglichen die mikroskopische und optisch-spektroskopische Untersuchungen einzelner Biomoleküle sowie deren Dynamik [4] und leiten eine eigentliche Renaissance der Optik und Photonik ein [5].
• Neue molekulare Marker, wie organische Fluorophor-Moleküle oder durchstimmbare Halbleiter-Quantendots mit hoher Quantenausbeute und photochemischer Stabilität revolutionieren die selektive Markierung von molekularen Individuen und ermöglichen bioanalytische Trennverfahren und optische Lokalisierung in Zellen und Geweben [6]. Fluoreszierende Protein-Farbstoffe (z.B. Green-Fluorescent-Protein) können in Expressionsstudien als intrinsische Markierungen für Untersuchung subzellulärer Strukturen eingesetzt werden [7, 8].
• Neue Erkenntnisse zu Quanteneffekten im Bereich der Materialwissenschaften werden extrem schnell im Bereich der Mikroelektronik und Biochip-Technologie eingesetzt [9].
• Rechnergestützte Modellierungs- und Simulationsverfahren profitieren von einer stetig wachsenden Computerleistung, bei der Workstation-Systeme in quantenchemischen Verfahren quantitative Voraussagen zulassen. Obwohl die verfügbare Leistung immer noch weit hinter den Bedürfnissen von ab-initio Modellierungen großer Makromoleküle liegt, lassen Methoden der statistischen Mechanik neue Ansätze einer Problemlösung erkennen [10].

Ein Beispiel für die Untersuchung interdisziplinärer Fragestellungen ist das Zusammenspiel von Struktur und Wirkung oder Struktur und Funktion. So besitzen Proteine eine mit ihrer gefalteten Struktur untrennbar verknüpfte Funktion (Aufgabe), welche ihnen nicht von der sie produzierenden Zelle mitgegeben wird, sondern häufig das Resultat eines allgemeingültigen übergeordneten entropischen Prinzips ist. Die durch die Proteinfaltung erzielte strukturelle Vielfalt nutzt die Natur, um effizient und zielgerichtet Funktionen selektiv und höchstspezifisch auszuführen. Dieses Prinzip der molekularen Erkennung, dessen Grundzüge von Emil Fischer bereits im ausklingenden vorletzten Jahrhundert bei der Untersuchung enzymatischer Aktivität (Funktion) in Abhängigkeit der geometrischen Struktur bei Substrat-Enzym-Systemen beschrieben wurde [11], ist die Basis für Auslese und Evolution in der Natur. Im Rahmen der Betrachtung einzelner Nanoobjekte lassen sich nun ebenfalls chemischen oder physikalischen Molekülsystemen im Sinne von neuen Eigenschaften Funktionen oder Funktionalitäten zuordnen. Diese können im Gegensatz zu den intrinsischen biologischen Funktionen (intrinsisch im Sinne von: von der Natur mitgegeben) als extrinsisch (im Sinne von: von außen bestimmt) bezeichnet werden. Beispiele für extrinsische Funktionen sind die selektive Affinität synthetischer supramolekularer Gast-Wirt-Systeme (Biosensoren) oder die Eigenschaft kettenartiger Biopolymere Ladung zu transportieren (molekulare Drähte).

Funktion und Funktionalität können nun dazu benutzt werden, um gezielt übergeordnete Strukturen aus homogenen oder heterogenen molekularen Bausteinen aufzubauen (Zellwandverbände in Bakterien, Motorproteine wie Protonenpumpen, biomimetische Hybridschichten), oder übergeordnete Funktionen (Proteinregulation, Signal-Transduktion) auszuführen. Die Untersuchung dieser übergeordneten Phänomene auf einem einzelmolekularen Niveau verbindet die daran beteiligten Fachgebiete, ermöglicht die für das tiefere Verständnis nötigen Einsichten und erweitert dadurch den Horizont etablierter Wissenschaftdisziplinen mit faszinierenden Fragestellungen [12, 13].

Die Hoffnungen und Visionen des skizzierten wissenschaftlichen Umfeldes sind genauso vielfältig wie die daran beteiligten Fachdisziplinen. Während die Molekularbiologen sich durch diese Experimente Einblicke in die tieferen Mechanismen und Abläufe der zellulären Organisation erhoffen (wie, wann, wo und warum), erwarten Chemiker und Physiker ein tieferes Verständnis für das Wechselspiel größerer molekularer Bauteile und deren Konsequenzen für übergeordnete strukturbildende Mechanismen (Mustererkennung und Selbstorganisation). Die Umsetzung dieser Erkenntnisse in mögliche biologisch-medizinische oder technische Anwendungen ist wiederum ein fachübergreifender Aspekt, der dieses lebendige Forschungsgebiet zusätzlich stimuliert.

1. National Science and Technology Council (NSTC)
   National Nanotechnology Initiative
   USA (2000)
   

2. B. R. Glick, J. J. Pasternak
   Molekulare Biotechnologie
   Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg (1995), ISBN 3-860-25383-2
   

3. R. Wiesendanger
   Scanning Probe Microscopy
   Springer Verlag (1999), ISBN 3-540-63815-6
   

4. T. Basché, W.E. Moerner, M. Orrit, U.P. Wild
   Single Molecule Optical Detection, Imaging and Spectroscopy
   Verlag VCH (1996), ISBN 3-527-29316-7
   

5. G. Huber
   Laserphysik und Quantenoptik sind die Grundlagen einer Renaissance der Optik. Das zu Ende gehende Jahrhundert war das Jahrhundert des Elektrons. Ich bin überzeugt, dass das 21. Jahrhundert das des Photons wird.
   Institut für Laser-Physik, Universität Hamburg
   

6. M. Bruchez, M. Moronne, P. Gin, S. Weiss, P.A. Alivisatos
   o. A.
   Science 281, 2013-2016 (1998)
   

7. O. Shinomura, F.H. Johnson, Y. Saiga, J. Cell.
   o. A.
   Comp. Physiol. 59, 223-239 (1962)
   

8. R.Y. Tsien
   o. A.
   Ann. Rev. Biochem. 67 , 509-544 (1998)
   

9. M.M. Miller, P.E. Sheehan, R.L. Edelstein, C.R. Tamanaha, L. Zhong, S. Bounnak, L.J. Whitman
   A DNA array sensor utilizing micromagnetic beads and magnetoelectronic detection
   J. Magnet. Mater. 225, 138 (2001)
   

10. Landau, S. P. Lewis, H. B. Schüttler
    Computer Simulation Studies in Condensed Matter Physics XIV Eds. P.
    Springer Verlag, Heidelberg/Berlin, (2001)
    

11. E. Fischer
    o. A.
    Chem. Ber. 27, 2985 (1894)
    

12. D. Bensimon
    Single Molecule Biophysics
    EMBO-Workshop,, Tours, Frankreich, 8.-15. Juli 1999
    

13. o. A.
    Frontiers in Chemistry - Single Molecules
    Special Issue in Science 283, 1593 (1999)