Die Struktur von supramolekularer Peptidassemblies

Muschelschalen, Zellwände von Kieselalgen (Diatomeen) und sogar Knochen werden von lebenden Systemen mit erstaunlicher Präzision gewachsen. Am Anfang steht kein Felsbrocken. Stattdessen setzen sie zunächst winzige Peptid-Bausteine kurze Proteinfragmente zu weichen Vorlagen (Templates) zusammen. Diese Vorlagen lenken anschließend Mineralsalze wie Silica in ganz bestimmte Formen und Größen. Das Projekt Structure of Supramolecular Peptide Self-Assemblies (Struktur supramolekularer Peptid-Selbstassemblate) will die atomare Struktur dieser Vorlagen entschlüsseln als Basis für das gezielte Design besserer, biologisch inspirierter Materialien. Biominerale werden seit Langem erforscht, doch die allerersten Schritte die Bildung der weichen Vorlagen in Lösung waren mangels geeigneter Methoden kaum zugänglich. Wir kombinieren hochaufgelöste Kernmagnetresonanz (NMR) die analytische Schwester der medizinischen MRT mit Computersimulationen, um diese Vorlagen auf Atomniveau zu rekonstruieren. Vereinfacht gesagt: Wir hören die winzigen magnetischen Stimmen der Peptide in Lösung, erstellen daraus 3D- Modelle und validieren sie anschließend mit Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) und Elektronenmikroskopie. Erzeugt die vorhergesagte Vorlage genau jene Silica-Partikelform, die wir im Mikroskop sehen, wissen wir: Die Struktur ist richtig entschlüsselt. Wer die Vorlagen-Regeln lesen kann, kann saubere, intelligente Materialien gezielt entwickeln: etwa Partikel für den Arzneistofftransport, die Wirkstoffe genau dorthin bringen, wo sie gebraucht werden, oder Katalysatoren, die Reaktionen schneller und ressourcenschonender machen. Weil diese Vorlagen biologisch inspiriert sind und unter milden, wasserbasierten Bedingungen entstehen, können die resultierenden Materialien biokompatibel und nachhaltiger sein. Als erstes werden spezialisierte NMR-Methoden die Signale kleiner Peptid-Cluster selbst dann lesen können, wenn sie sich in deutlich größeren Assemblaten verstecken. Diese Signale fließen danach in Molekulardynamik-Simulationen ein; der Computer wächst daraus realistische Vorlagen aus wenigen Peptideinheiten. Die vorhergesagten Formen prüfen wir schließlich mit SAXS und Elektronenmikroskopie zwei starke Methoden, um weiche Strukturen sichtbar zu machen, ohne sie zu zerstören. Am Ende wollen wir ein Werkzeug liefern, mit dem sich Peptid-Vorlagen entschlüsseln und entwerfen lassen, die zuverlässig die endgültigen Mineralformen vorhersagen, von Kugeln über Nadeln bis Plättchen, und klare Regeln teilen, die Peptidsequenz, Vorlage und Partikelmorphologie verbinden. Dieses Wissen hilft Forschenden, die nächste Generation umweltfreundlicher, leistungsstarker Materialien zu entwickeln.