Kartierung von Oberflächenladungen mittels AC-KFM in Wasser

In diesem Projekt beabsichtigen wir, ein neues Verfahren zu entwickeln zur Erkennung und zur Untersuchung von elektrischen Ladungen auf der Oberfläche von biologischen Geweben und auf mikroskopischer Skala. Solche Ladungen spielen eine entscheidende Rolle in vielen biologischen Prozessen und bestimmen die Eigenschaften einer Vielzahl von biomolekularen Strukturen, wie zum Beispiel Proteinfibrillen. In diesem Zusammenhang gibt es eine seit langem bestehende Hypothese, daß Ladungen auf Proteinfibrillen verändert werden, wenn sie für längere Zeiträume Zucker ausgesetzt sind. Dies tritt oft in fortgeschrittenem Alter oder bei Erkrankungen wie Diabetes auf. Wir werden daher zunächst eine neue Methode zur Bestimmung der Ladungsverteilung auf mikroskopischerSkalaunter natürlichen Bedingungen entwickeln und testen. Dann werden wir diese Methode einsetzen, um die Hypotheseeiner zuckerbedingten Ladungsveränderungzu testen undmögliche Einflussfaktoren wie Dauer der Zuckereinwirkung, Zuckerkonzentration, Temperatur, etc, zu bestimmen. Wir erwarten, genügend Fundamentaldaten zu erhalten, die dann dazu beitragen können, zukünftige medizinische Forschung in der Entwicklung von neuen Arzneimitteln oder Behandlungen von vielen alters- oder zuckerbedingten Krankheiten zu unterstützen. Diese Forschung ist gerade für alternde, westliche Gesellschaften sehr wichtig, wo ein Großteil der Bevölkerung davon betroffen ist.

Das Projekt "Oberflächenladungskartierung mittels AC-KFM in Wasser" befasst sich mit der Messung elektrischer Oberflächenladungen im Nanobereich in Wasser im Bereich der Rasterkraftmikroskopie (AFM). Elektrostatische Ladungen von Biomolekülen wie Proteinfasern sind bei verschiedenen biologischen Phänomenen von großer Bedeutung. Die Kartierung dieser Ladungen mit hoher räumlicher Auflösung unter normalen Bedingungen (in Luft) wird routinemäßig durch herkömmliche Methoden, wie der Kelvin-Sonden-Kraftmikroskopie (KFM), durchgeführt. Diese Methode kann jedoch nicht in wässrigen Lösungen - der natürlichen Umgebung biologischer Materie - eingesetzt werden, was ihre wissenschaftliche Anwendbarkeit und Nützlichkeit einschränkt. AC-KFM umgeht einige Nachteile von konventionellem KFM durch einen innovativen Anregungsmechanismus des AFM-Cantilevers. Ein zwischen Messonde (=AFM-Cantilever) und Probe gleichspannungsfreier Betrieb ermöglicht den Einsatz in polaren Flüssigkeiten (z.B. Wasser) und somit die Untersuchung von Biomolekülen in ihrer natürlichen Umgebung, was von großem wissenschaftlichen Wert ist. Wesentliche Teile des Projekts befassten sich mit der Evaluierung des AC-KFM-Prinzips und der Ermittlung möglicher Einschränkungen in Bezug auf der Untersuchung von Proben in polaren ionischen Flüssigkeiten. Mehrere Abwandlungen von AC-KFM wurden entwickelt, um die quantitative Messung der Oberflächenladung nanoskaliger Objekte bei physiologisch relevanter Ionenkonzentration zu ermöglichen. Hierbei konnte die Oberflächenladungsverteilung von Kollagenfasern (dem am häufigst auftretenden Protein in Säugetieren) erfolgreich in wässriger Umgebung kartiert werden. Darüber hinaus demonstrieren weitere Untersuchungen bzgl. pH-abhängiger Ladung verschiedener Thiole (terminiert durch Carboxy-, Methyl-, oder Aminogruppen) und der Ladungsinjektion/-dissipation einer dünnen poly-(methyl methacrylat) (PMMA) Oberfläche die nützliche Anwendung von AC-KFM auf ein breites Spektrum wissenschaftlich interessanter Phänomene. Mit dem im Rahmen dieses Projekts gewonnenen Wissens sind viele wichtige Anwendungsfälle in der Biologie oder verwandten Gebieten, wie die Glykierung von Kollagenfasern oder der Histonacetylierung, machbar.