ERC Advanced Grant für Prof. Christian Ochsenfeld

Quantenchemische Untersuchung von Reaktionsnetzwerken

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Christian Ochsenfeld ist Professor für Theoretische Chemie an der Fakultät für Chemie und Pharmazie der LMU.

Um molekulare und katalytische Prozesse zu verstehen und zu kontrollieren, braucht es umfassende Einblicke in chemische und biochemische Reaktionsnetzwerke. Die Entschlüsselung dieser komplexen Mechanismen ist jedoch alles andere als trivial. Mit seinem Projekt QCexplore (Quantum Chemical Exploration of Reaction Networks: From Origins of Life to De Novo Enzyme Design) will Christian Ochsenfeld eine allgemein anwendbare Lösung für diese Herausforderung bereitstellen, indem er eine unabhängige quantenchemische Methode zur Erforschung von Reaktionsnetzwerken und ein hocheffizientes, vollständig automatisiertes Open-Source-Software-Framework entwickelt.

„Ausgangspunkt dafür ist unser 2024 vorgestellter Proof-of-Concept-Ansatz eines computergestützten Hyperreaktors“, erklärt der Chemiker. Indem man reaktivitätssteigernde Konzepte mit schnellen, linear skalierenden quantenchemischen Methoden zusammenbringe, ermögliche das Framework von QCexplore eine effiziente und zuverlässige Erforschung von Reaktionsnetzwerken unter vollständig kontrollierten und realistischen Bedingungen. „Die Einbindung neuartiger Data-Mining-Techniken in Verbindung mit effizienten Verfeinerungsverfahren erlaubt uns eine effektive Nutzung und Analyse der Daten zur Identifizierung relevanter Reaktionswege.“ Auf diese Weise überwinde QCexplore traditionelle manuelle und fehleranfällige Ansätze.

Die Leistungsfähigkeit des von QCexplore entwickelten Frameworks soll am Beispiel zentraler Fragen zur Entstehung des Lebens demonstriert werden, beispielsweise wie essenzielle molekulare Bausteine gebildet werden und sich zu größeren Aggregaten wie RNA-Strängen zusammenschließen. Darüber hinaus soll es eine solide Grundlage für das De-novo-Design künstlicher Enzyme schaffen, indem es die wesentlichen Schritte in katalytischen Prozessen genau identifiziert, dominante Reaktionswege ermittelt und Strategien zur Steigerung der enzymatischen Aktivität und Selektivität aufzeigt.