Lichtsteuerbare Systeme zur Extraktion/Freisetzung von Ionen

Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung einer universellen Plattform für die lichtgesteuerte Extraktion oder Freisetzung von ionischen Spezies für intrazelluläre Anwendungen. Nach der erfolgreichen Entwicklung von Methoden zur Herstellung von irreversiblen und reversiblen PRIONERS wird sich das Projekt der Anwendung dieses Prinzips für die Entwicklung von neuartigen optischen Sensorkonzepten widmen. Die Ergebnisse dieses Projektes sollen die Basis für die weiteren Arbeiten in diesem neuen Forschungsgebiet bilden. Im ersten Teil des Projektes wird der Fokus auf irreversiblen PRIONERS liegen, die auf photoaktiven Substanzen (PAS) beruhen, die sich bei Belichtung zersetzen. Wir werden demonstrieren, dass ein Komplex von einem geladenen Farbstoff mit einer gegenteilig geladenen PAS (z.B. einer Photosäure) durch UV-Licht zerstört und der Farbstoff freigesetzt wird. Der Farbstoff erlaubt die Visualisierung der Freisetzung mit optischen Verfahren. Im nächsten Schritt wird versucht durch den Einsatz von Photosensibilisatoren UV-Licht durch sichtbares Licht zu ersetzen um die Biokompatibilität zu erhöhen. Schlussendlich werden Ionophore eingesetzt und am Beispiel von Calcium gezeigt, dass es so möglich ist spezifische Ionen zu Extrahieren. Hierfür werden auch verschieden Methoden zur Partikelherstellung evaluiert. PAS, die sich durch Belichtung weder zersetzen noch irreversibel umwandeln, jedoch trotzdem fähig sind, in Abhängigkeit ihrer Konformation, Protonen zu binden oder freizusetzen, verwandeln irreversible PRIONERS in dynamische, regenerierbare Systeme. Als ersten Schritt werden wir eine Methode entwickeln, die es zulässt, den pKs-Wert der PAS unter Belichtung mit verschiedenen Wellenlängen zu messen. Diese Methode wird dazu verwendet werden um verschieden Azo- und Spiropyranfarbstoffe zu charakterisieren. Mit den erfolgversprechendsten Kandidaten hinsichtlich pKs Änderung werden im Anschluss weitere Optimierungen durchgeführt. So werden, z.B. Ionophore eingesetzt um einen selektiven Ionenaustausch zu gewährleisten. Darüber hinaus werden Parameter wie die Rerversibilität, die Reproduzierbarkeit und die Photostabilität untersucht. Schlussendlich werden die besten PAS für die Herstellung von PRIONERS in Partikelform verwendet und für die reversible Extraktion und Freisetzung von Calcium genutzt. Diese Prozesse sollen durch dreidimensionale bildgebende Verfahren auf Basis von Calciumindikatoren visualisiert und quantifiziert werden. Während der Rückkehrphase werde ich versuchen die Erkenntnisse aus den vorangegangenen Experimenten für die Entwicklung von neuartigen optischen Ionensensoren zu nutzen. Durch die dynamische, kontrollierte Veränderung der Gleichgewichtskurve von optischen Ionensensoren können bisher undenkbare Sensoren realisiert werden. Als Beispiel werden wir Sensoren herstellen, die mit Licht ein bzw. ausgeschaltet werden können, wobei es nur im eingeschalteten Zustand zu einer Interaktion mit dem Analyten kommen kann.

Das Projekt Lichtsteuerbare Systeme zur Extraktion/Freisetzung von Ionen beschäftigte sich mit dem Einsatz von lichtaktiven Substanzen für neuartige Werkzeuge von Biologen und Analytikern. Die lichtaktiven Substanzen spielten hierbei eine zentrale Rolle. In ihrer Eigenschaft verändern sie die Affinität zu geladenen Substanzen unter dem Einfluss von Licht einer bestimmten Wellenlänge. So verwendeten wir beispielsweise Farbstoffe, die unter der Belichtung mit ultraviolettem Licht Protonen anzogen, während die Belichtung mit sichtbarem Licht die Affinität zu Protonen verringerte. Diese Eigenschaft lässt sich nun durch die Kombination mit fettlöslichen, ionenbindenden Substanzen (sog. Ionophoren) ausnutzen um Werkzeuge für die gezielte, lichtgesteuerte Extraktion bzw. Freisetzung von geladenen Spezies herzustellen. Obwohl lichtsteuerbare Farbstoffe (photochrome Substanzen) schon relativ lange bekannt sind, blieb ihr Anwendungszweck bisher hauptsächlich auf den Einsatz in lichtsensitiven Schichten, in z.B. Sonnenbrillen oder aber auch als potentieller Datenspeicher mit sehr hoher Datendichte, beschränkt. Die reversible Änderung der Säurestärke in Abhängigkeit der Belichtung blieb bisher ungenutzt. In diesem Projekt konnten wir nun erfolgreich Materialien herstellen, die es erlauben, spezifische Ionen an bestimmten Stellen und zu bestimmten Zeiten freizusetzen oder aus ihrer Umgebung zu extrahieren. Solche Materialien resultierten vorerst in optischen Ionensensoren, die unter der Belichtung mit UV Licht eingeschaltet, d.h. aktiv, wurden. In diesem Zustand konnte nun über die Gleichgewichtseinstellung mit der Umgebung Information über die Konzentration von bestimmten Ionen akquiriert werden. Nach erfolgter Messung konnten die Sensoren mit sichtbarem Licht wieder ausgeschaltet werden. Ein potentiell vielversprechendes Anwendungsgebiet solcher Materialien, im Speziellen in Form von Mikro- und Nanopartikeln, ist die Biologie. Durch die vielfältige Rolle von verschiedenen Ionen und deren Konzentration in biologischen Materialen wäre es äußerst interessant ein Werkzeug zur Verfügung zu haben, welches diese Konzentration gezielt und reversibel beeinflusst. Bisher konnte dies nur irreversibel mit sogenannten photocaged compounds durchgeführt werden, wobei ein in einem Käfig eingeschlossenes Molekül oder Ion durch Licht freigesetzt wird. Durch die irreversible Zerstörung des Käfigs kann der Prozess jedoch nicht rückgängig gemacht werden. Hier sind die neuartigen Materialien von Vorteil, denn eine Umkehr der Affinität zu Protonen mit Licht spezieller Wellenlänge sollte auch die Umkehr der Freisetzung spezifischer Ionen ermöglichen. Die Ergebnisse dieses Projektes werden die Weiterentwicklung von derartigen, hochfunktionellen Materialien wesentlich erleichtern und Wissenschaftler dazu inspirieren sich weiterhin auf diesem aktuellen Forschungsgebiet zu betätigen.