NHC-Basierte Biomimetische Membranen

Biologische Membranen bestehen aus Lipiddoppelschichten und erfüllen in Zellen als äußere Abgrenzung selektive Trenn- und Verbindungsfunktionen. Membranproteine, welche in diese Lipiddoppelschicht integriert sind, erlauben es solche Transportvorgänge zu steuern. Die Forschung an Protein-Lipid-Interaktionen wird durch die Komplexität in Struktur und Funktion natürlicher Membranen erschwert. Will man das Verhalten biologischer transmembraner Funktionen untersuchen, so kann die natürliche Zellmembran mit Hilfe von synthetisch hergestellten Molekülen nachgebildet werden. Durch die Kombination von solchen biomimetischen immobilisierten Membranarchitekturen und natürlichen Lipiden lassen sich geeignete Plattformen für den Einbau von membranaktiven Peptiden und Transmembranproteinenherstellen. Jedochsind solche Modellsysteme nur begrenzt ein Abbild natürlicher Membranen, da durch die Immobilisierung die natürliche Lipidmobilität stark einschränkt wird. Im Rahmen dieses Projekts werden biomimetische Membransysteme entwickelt, welche eine optimierte Membranfluidität aufweisen und somit die Integration von Membranproteinen erleichtern sollen. Basis hierfür liefern synthetische selbstorganisierende Monoschichten, welche sich spontan in Form einer Lipidschicht auf einer biologisch inerten Goldoberfläche anordnen. Die Wahl von neu designten N-heterocyclischen Carbenen (NHCs) als Ankergruppen soll zudem zur Stabilität dieser immobilisierten biomimetischen Systeme auf Goldträgern beitragen und Nachteile früherer Ankergruppen minimieren. Weiters bestimmt das hier vorgeschlagene Design der NHC-basierten Membranbausteine entscheidend die laterale Oberflächenmobilität und -dichte der gebildeten Lipiddoppelschicht. Eine Optimierung der Architektur der biomimetischen Membranen in Zusammensetzung und Organisation soll die Integration von Membranproteinen und somit die Studie von transmembranen Prozessen erlauben. Hierfür wird die Integration von a-Hämolysin-Nanoporen in die hergestellten biomimetischen Membranen untersucht und die Bindungskinetik, Stabilität, sowie Aktivität des Proteins mittels Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie sowie elektrochemischer Methoden erforscht. Diese Resultate dienen nicht nur als Grundlage für die Untersuchung von Protein-Lipid-Interaktionen, sondern können auch für die Entwicklung von protein-basierten bioelektronischen Systemen sowie für pharmazeutische Screenings verwendet werden.

Biologische Membranen bestehen aus Lipiddoppelschichten und erfüllen in Zellen selektive Trenn- und Verbindungsfunktionen. Membranproteine, welche in diese Lipiddoppelschicht integriert sind, erlauben es solche Transportvorgänge zu steuern. Die Forschung an Protein-Lipid-Interaktionen wird durch die Komplexität in Struktur und Funktion natürlicher Membranen erschwert. Will man das Verhalten biologischer transmembraner Funktionen untersuchen, so kann die natürliche Zellmembran mit Hilfe von synthetisch hergestellten Molekülen nachgebildet werden. Durch die Kombination solcher biomimetischen immobilisierten Membranarchitekturen und natürlichen Lipiden lassen sich geeignete Plattformen für den Einbau von membranaktiven Peptiden und Transmembranproteinen herstellen. Jedoch sind solche Modellsysteme nur begrenzt ein Abbild natürlicher Membranen, da vor allem die Langzeitstabilität dieser Modelle nicht gegeben ist. Im Rahmen dieses Projekts wurden biomimetische Membransysteme entwickelt, welche eine besonders hohe Stabilität aufweisen und damit eine lange Funktionsfähigkeit der Modellsysteme erlauben. Basis hierfür liefern synthetische selbstorganisierende Monoschichten, welche sich spontan in Form einer Lipidschicht auf einer biologisch inerten Goldoberfläche anordnen. Die Wahl von neu designten N-heterocyclischen Carbenen (NHCs) als Ankergruppen trägt hier zur Langlebigkeit dieser immobilisierten biomimetischen Systeme auf Goldträgern bei und minimiert damit Nachteile früherer Ankergruppen. Weiters bestimmt das hier vorgeschlagene Design der NHC-basierten Membranbausteine entscheidend die laterale Oberflächenmobilität und -dichte der gebildeten Lipiddoppelschicht. In diesem Projekt konnten Materialien entwickelt werden, die es erlauben die Oberflächenmobilität solcher selbstorganisierender Monoschichten durch Quervernetzung zu reduzieren, was zur Stabilität der Nanostrukturen auf Goldoberflächen beiträgt. Hierfür wurde eine Strategie zur zweidimensionalen Klick-Vernetzung auf der Oberfläche entwickelt. Eine Optimierung der Architektur der biomimetischen Membranen in Zusammensetzung und Organisation erlaubte die Integration des Ionophors Valinomycin, welches den reversiblen selektiven Kalium-Ionen Transport durch die hergestellten biomimetischen Membranen erlaubte. Diese Resultate dienen als Grundlage für die Untersuchung von Protein-Lipid-Interaktionen und können auch für die Entwicklung von protein-basierten bioelektronischen Systemen sowie für die Herstellung von membran-basierten Sensoren verwendet werden.