Erforschung der Bioaktivität von Polyoxometallaten

Applikantin: Nadiia Gumerova, PhD (Lise-Meitner-Stipendiatin, Institut für Biophysikalische Chemie, Universität Wien, Österreich) Nationaler Kooperationspartnerin: Prof. Annette Rompel (Vorständin des Instituts für Biophysikalische Chemie, Universität Wien, Österreich) Polyoxometallate (POMs), eigenständige polynukleare Metall-Oxoanionen mit einer faszinieren-den Strukturvielfalt sowie einzigartigen physikochemischen Eigenschaften. Ihr volles Potential kann durch die Er-höhung ihrer Biokompatibilität über organische Funktionalisierung mit bioaktiven Struktureinhei-ten optimiert werden. In den letzten Jahren haben sich POMs als vielversprechende Additive in der Proteinkristallisation herausgestellt. Diese Methode ist die am weitesten verbreitete zur molekularen Strukturaufklärung von Proteinen und Protein-Ligand- Komplexen auf atomarer Ebene. Auf der Maßgeblichkeit der Proteinstruktur für Funktionen und Eigenschaften gründet die immense Bedeutung der Kristallographie für alle biochemischen Forschungsgebiete. Allgemeines Ziel des Projektvorhabens ist die Synthese und Charakterisierung polynuklearer anorganischer und organisch-anorganischer Hybridstrukturen von Metall- Oxoanionen zur Unter-suchung ihrer Anwendung in der Proteinkristallographie und als antibakterielle Wirkstoffe sowie zur mechanistischen Aufklärung ihrer Wechselwirkung mit Biopolymeren. Die Innovationskraft und Einzigartigkeit dieses Projekts liegt im zielgerichteten Design neuartiger Hybrid-POMs mit erhöhter Stabilität und biologischer Aktivität zum Einsatz in verschiedenen biologischen Systemen. Die Kombination aus organi-schen Funktionen mit teilweise variablen Konformationen und anorganischen Polyanionen mit relativ starren käfigartigen Strukturen sollte die Wechselwirkung zwischen Makromolekülen sta-bilisieren, was meist der Ausgangspunkt für eine erfolgreiche Kristallbildung ist.

Polyoxometallate (POM) - molekulare Metall-Oxid-Koordinationsverbindungen aus W, Mo, V und Hauptgruppenelementen - bieten eine außergewöhnlich gut programmierbare Plattform an der Schnittstelle von Chemie, Biologie und Materialwissenschaft. Dieses FWF-Projekt hat die POM-Forschung vom empirischen Finden hin zu Regeln, Karten und frei zugänglichen Datenressourcen geführt, die Verhalten vorhersagbar und gestaltbar machen. Wir kombinierten Lösungsspeziations-Screenings, Strukturchemie und Bio-Interfaces mit offenen Datensätzen und datengetriebenen Perspektiven, um breit nutzbare Einsichten und Werkzeuge bereitzustellen. Zentral ist der "Speciation-first"-Ansatz: Systematische Experimente und Kooperationen zeigen, wie Säuregrad, Konzentration, Ionenstärke und Pufferidentität bestimmen, welche POM-Spezies im Wasser tatsächlich vorliegt - und damit welche Funktion möglich ist. Höhepunkte sind der Speciation Atlas of polyoxometalates in aqueous solutions (Science Advances, 2023) sowie mechanistische Fallstudien zu Puffer- und Kokokristallisationseffekten, darunter TRIS-stabilisierte Minimal-Polyoxotungstate und die Kokokristallisation von Übergangsmetall-substituierten Keggin-Silicotungstaten mit Proteinase K (Inorg. Chem., 2021). Anschlussarbeiten kartierten das Zusammenspiel von Konzentration, Ionenstärke und Pufferzusammensetzung (Frontiers in Chemical Biology, 2024); zugängliche kristallographische Berichte schufen verlässliche Strukturanker (Acta Cryst. C/E, 2021-2022). Diese Grundlagen wurden in Funktion übersetzt. Biologisch zeigten wir, wie definierte POM-Spezies Membranen und Proteine adressieren: Hemmung von SERCA/PMCA-Ca-ATPasen und Übersichtsarbeiten zu Polyoxidovanadat-Protein-Wechselwirkungen (J. Inorg. Biochem.; Coord. Chem. Rev., 2021-2022), agonistische Effekte Preyssler-Typ-POTs an purinergen P2-Rezeptoren (J. Inorg. Biochem., 2024), Tyrosinase-Inhibition durch Wells-Dawson-Phosphotungstate mittels speciation-bewusster Gestaltung (Scientific Reports, 2021) sowie Anti-Quorum-Sensing-, Antibiofilm- und antivirale Aktivitäten (Biology, 2022). Zudem fungieren rein anorganische POMs als superchaotrope Membran-Carrier und passieren Lipidbarrieren ohne organische Anhängsel (Advanced Materials, 2023). In Material- und Energiekontexten immobilisierten wir Co-haltige POMs für die photokatalytische O-Entwicklung (ACS Materials Au, 2022) und entwickelten Ni-substituierte, aminosäure-funktionalisierte Sandwich-Tungstobismuthate mit antibakterieller Aktivität (Inorg. Chem., 2023). Für Reproduzierbarkeit und Entdeckung stellten wir den Curated Polyoxometalate Formula Dataset bereit (Data, 2024) und formulierten in Data-Driven Polyoxometalate Chemistry (Chem. Eur. J., 2025) einen zukunftsgerichteten Rahmen: Community-Datensätze + Speziationskarten + mechanistisch geleitete Gestaltung. Begleitende Reviews (Inorg. Chem.; ACS Org/Inorg Au; Coord. Chem. Rev.) konsolidierten Best Practices und Terminologie. Das Ergebnis sind praktische Designregeln - zuerst Lösung/Medium wählen, die operative Spezies verifizieren, dann Struktur zur Aufgabe matchen - sowie offene Ressourcen, die den Einstieg senken. Das Projekt hinterlässt Karten, Methoden und Daten, die Forschende in Katalyse, Medizin und Materialien unmittelbar nutzen können, um sicherere und wirksamere POM-Lösungen zu entwickeln.