S-Schichtprotein und Kohlenstoffnanoröhren Bausatz

Kohlenstoffröhren (engl. carbon nanotubes (CNTs)) sind zylinderförmige Nanostrukturen, die rein aus Kohlenstoffatomen aufgebaut sind. Auf Grund ihrer herausragenden mechanischen und elektrischen Eigenschaften, sowie thermischen Leitfähigkeit, werden CNTs bereits als Zusätze in neuen Werkstoffen eingesetzt. CNTs wurden in letzter Zeit aber auch für Anwendungen in der Medizin näher betrachtet, da sie auf Grund ihres geringen Durchmessers Zellen und Gewebe durchdringen können. Nachdem CNTs chemisch inert sind und sich z.B. in Wasser nicht lösen, muss ihre Oberfläche chemisch oder durch Binden von Biomolekülen angepasst werden, um so mit weiteren Molekülen beladen zu werden oder mit ihrer Umgebung in Wechselwirkung treten zu können. Dazu werden bevorzugt Proteine verwendet, da diese meistens gut biokompatibel sind und funktionelle Gruppen zum weiteren Binden anbieten. Aber, die Proteine - und somit deren funktionelle Gruppen - sind auf der CNT-Oberfläche meist nur unregelmäßig und auch nicht dicht gebunden. Eine Alternative zur Funktionalisierung von CNTs mit zudem geschlossenen und hoch geordneten - Proteinschichten bieten S-Schichtproteine (engl. surface layer - Oberflächenschicht), die bereits seit langem zum Modifizieren von Oberflächen in der Nanobiotechnologie eingesetzt werden. S- Schichtproteine umschließen bei vielen Bakterienstämmen und bei allen Archaeen die Zellen vollständig und können als eine der häufigsten Biopolymere der Erde angesehen werden. S-Schichten zeigen Gitterparameter im Nanometerbereich, wobei sich auf Grund ihrer Struktur chemisch funktionelle Gruppen und genetisch eingebrachte funktionelle Domänen an streng definierten Positionen und in gleicher Orientierung wiederholen. Eine wesentliche Eigenschaft von S- Schichtproteinen liegt aber in ihrer Fähigkeit, von selbst wieder zweidimensionale Gitter in Lösung und an Grenzflächen, wie z.B. an festen Trägern, auszubilden. Das Projektziel liegt in der Erforschung der Rekristallisation von S-Schichtproteinen auf Kohlenstoffröhren und in der Anwendung der Erkenntnisse zur Herstellung neuartiger Materialien, wie z.B. für die Biosensorik. Der Schlüssel dazu liegt in den Eigenschaften der S-Schichtproteine selbst, die eine hochspezifische Funktionalisierung der CNT Oberfläche erlauben. Im weiteren sollen neuartige Hybridstrukturen, wie z.B. Container zum Transport von Wirkstoffen, auf der Grundlage der Biomineralisation an S-Schichten entwickelt werden. Weiters sollen metallische Nanopartikel in den Poren der S-Schicht, also direkt auf dem Kohlenstoffgitter, abgelagert und somit die elektronischen Eigenschaften der ein-dimensionalen Kohlenstoffröhren direkt beeinflusst werden. Diese Beispiele eines Bausatzes aus S-Schicht und Kohlenstoffröhren zeigen, dass dieses Projektes zu einer neuen Technologie zur biologischen Funktionalisierung von Kohlenstoffröhren führen kann.

Kohlenstoffröhren (engl. carbon nanotubes (CNTs)) sind zylinderförmige Nanostrukturen, die rein aus Kohlenstoffatomen aufgebaut sind. Auf Grund ihrer herausragenden mechanischen und elektrischen Eigenschaften, sowie thermischen Leitfähigkeit, werden Kohlenstoffröhren als Grundwerkstoffe in der Nanotechnologie eingesetzt. Kohlenstoffröhren wurden aber auch in letzter Zeit für Anwendungen in der Medizin näher betrachtet, da sie auf Grund ihres geringen Durchmessers Zellen und Gewebe durchdringen können. Nachdem Kohlenstoffröhren chemisch inert sind und sich z.B. in Wasser nicht lösen, muss ihre Oberfläche chemisch oder durch Binden von Molekülen angepasst werden, um so mit ihrer Umgebung in Wechselwirkung treten zu können. Dazu sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, die aber oft den Nachteil haben, dass die sog. Funktionalisierung der Oberfläche der Kohlenstoffröhren meist nur sehr unregelmäßig oder unvollständig möglich ist. Einen neuen Weg zur Funktionalisierung von Kohlenstoffröhren bieten S-Schichtproteine (engl. surface layer - Oberflächenschicht), die bereits seit langem zur Modifikation von Oberflächen in der Nanotechnologie eingesetzt werden. S-Schichtproteine bilden zwei-dimensionale Gitter aus, welche die Zellen vieler Bakterienstämme und aller Archaeen vollständig umschließen. Entscheidend für die Anwendung von S-Schichtproteinen in der Nanotechnologie und somit in diesem Projekt ist ihre Eigenschaft, von selbst wieder zweidimensionale Gitter in Lösung und an Grenzflächen, wie z.B. an Kohlenstoffröhren, auszubilden. Das Projektziel lag in der Erforschung der Rekristallisation von S-Schichtproteinen auf Kohlenstoffröhren und in der Anwendung der gewonnenen Erkenntnisse zur Herstellung neuartiger Materialien, wie z.B. für die Biosensorik. Dies konnte erfolgreich mit sog. S-Schicht-Fusionsproteinen, die eine hochspezifische Funktionalisierung der Oberfläche durch genetisch eingebrachte funktionelle Gruppen erlauben, erreicht werden. Aufbauend auf diesen grundlegenden Arbeiten konnten neuartige Hybridstrukturen, wie z.B. Nano-Container zum Transport von Wirkstoffen, auf der Grundlage der Biomineralisation an S-Schichten entwickelt werden. Entscheidend für den Erfolg des Projektes war aber auch die Entwicklung eines völlig neuen Präparationsprotokolls, das auch die Beschichtung von unbehandelten Kohlenstoffröhren erlaubt. Die mit S-Schichtprotein beschichteten Kohlenstoffröhren waren über mehrere Monate stabil, was für deren technologische Verwendung äußerst wichtig ist. Es sei noch erwähnt, dass auch Graphen, das aus einem einlagigen bienenwabenförmigen Muster von Kohlenstoffatomen besteht und in der Nanotechnologie heute von größter Bedeutung ist, mit S-Schichtproteinen beschichtet werden konnte. Durch den Einsatz verschiedener S-Schichtproteine und Kohlenstoffröhren konnte ein Bausatz entwickelt werden, der in einem breiten Anwendungsfeld in der Nanotechnologie eingesetzt werden kann.