Lipidmembran Nanotechnologie mit schichtartigen Strukturen

Lebende Zellen konstruieren mittels eines universellen Baukastensystems Strukturen im Nanometermaßstab, die komplizierte Funktionen in regelbarer Weise ausführen. Das vorliegende Projekt greift ein Baukastenprinzip, das man in der Natur bei Zellmembranen von Archaea findet, auf und untersucht das Anwendungspotential dieser biomimetischen Membranen für die Herstellung von hoch spezifischen amperometrischen Sensoren. In der Nanobiotechnologie sind Membranproteine und Membran-aktive Peptide Bauelemente, die in Analogie zur Elektrotechnik den Detektoren entsprechen. Das zentrale Problem bei der Herstellung dieser Biosensoren ist, dass die Proteine in eine fluide Lipidmembran eingebettet sein müssen, um ihre native Konformation und somit Funktionalität beibehalten zu können. Zusätzlich muss die Lipidmembran eine Barriere für Ionen und kleine geladene Moleküle darstellen. Diese Eigenschaften sind für reproduzierbare und präzise Messungen unabdingbar. Der vorgeschlagene Lösungsansatz basiert auf der Anwendung von kristallinen Zellwandoberflächenschichten (S Schichten), die aus identischen Proteineinheiten aufgebaut sind. Rekristallisiert auf festen oder porösen Trägern stellen die S Schichten eine Nanometer-dicke Trennschicht zwischen den Lipidmembranen und anorganischen Trägeroberflächen dar, die zusätzlich die Lipidmembranen stabilisieren. Membranen, bestehend aus polymerisierbaren Lipiden können mittels UV-Licht strukturiert werden. Die vernetzten Lipide bilden eine dichte, rigide Isolationsschicht. Nicht-polymerisierte Lipide werden hingegen entfernt und durch Phospho- bzw. Tetraetherlipide ersetzt um funktionelle Bereiche für den Einbau von Membranproteinen zu erhalten. Dieses Baukastensystem erlaubt zusätzlich eine Verankerung einzelnen Schichten an die S Schicht Proteine, wodurch die mechanische Stabilität der Gesamtstruktur erhöht wird. Die Trägermaterialien können mit "Sekundären Zellwand Polymer (SCWP)" überzogen werden um Lektin-artige Bindungen zwischen dem SCWP und der S-Schicht einzuführen. Zusätzlich wird es möglich sein an Streptavidin-S-Schicht Fusionsproteinen biotinylierte Lipide oder Membranproteine zu koppeln. Das in diesem Projekt vorgeschlagene Konzept soll wesentlich zur Entwicklung von biomimetischen Festkörper-unterstützten Lipidmembranen beitragen. Praktische Anwendungen sind in der Herstellung von Biosensoren, die auf Membranproteine aufbauen (lipid chips) und bei Hochdurchsatz-Screening in der pharmazeutischen Wirkstoffentwicklung zu erwarten.

Lebende Zellen konstruieren mittels eines universellen Baukastensystems Strukturen im Nanometermaßstab, die komplizierte Funktionen in regelbarer Weise ausführen. Das vorliegende Projekt greift ein Baukastenprinzip, das man in der Natur bei Zellmembranen von Archaea findet, auf und untersucht das Anwendungspotential dieser biomimetischen Membranen für die Herstellung von hoch spezifischen Sensoren. In der Nanobiotechnologie sind Membranproteine und Membran-aktive Peptide Bauelemente, die in Analogie zur Elektrotechnik den Detektoren entsprechen. Das zentrale Problem bei der Herstellung dieser Biosensoren ist, dass die Proteine in eine fluide Lipidmembran eingebettet sein müssen, um ihre native Gestalt und somit Funktionalität beibehalten zu können. Zusätzlich sollten die Lipidmembranen zweierlei Funktionen, zum einen eine hohe Langzeitstabilität und zum anderen ein hohes Maß an Fluidität der Lipidmembran, vereinen. Der vorgeschlagene Lösungsansatz basiert auf der Anwendung von kristallinen Zellwandoberflächenschichten (S- Schichten), die aus identischen Proteineinheiten aufgebaut sind. Rekristallisiert auf festen oder porösen Trägern stellen S-Schichten eine Nanometer-dicke Trennschicht zwischen den Lipidmembranen und anorganischen Trägeroberflächen dar, die Lipidmembranen stabilisieren. Dieses Baukastensystem erlaubt zusätzlich eine Verankerung einzelnen Schichten an die S-Schicht Proteine, wodurch die mechanische Stabilität der Gesamtstruktur erhöht wird. Die Trägermaterialien können mit "Sekundären Zellwand Polymer (SCWP)" überzogen werden um Lektin-artige Bindungen zwischen dem SCWP und der S-Schicht einzuführen. Zusätzlich ist es möglich an Streptavidin-S-Schicht Fusionsproteinen Lipidstrukturen, die biotinylierte Lipide enthalten, zu koppeln. Zusätzlich kann eine zweite S-Schicht, die als molekulares Sieb wirkt, an der gegenüberliegenden Seite rekristallisiert werden um die Langzeitstabilität der Lipidmembran weiter zu erhöhen. Das in diesem Projekt vorgeschlagene Konzept soll wesentlich zur Entwicklung von biomimetischen Festkörper-unterstützten Lipidmembranen beitragen. Praktische Anwendungen sind in der Herstellung von Biosensoren, die auf Membranproteine aufbauen (z.B. lipid chips) und bei Hochdurchsatz-Screening in der pharmazeutischen Wirkstoffentwicklung zu erwarten.