Presseinformation der LMU München vom 19.10.2011

Fundamentale Theorie erstmals experimentell bestätigt

Das sogenannte Ergodentheorem ist ein fundamentales naturwissenschaftliches Prinzip: Es besagt, dass sich in physikalischen Systemen alle Einzelteilchen genauso „chaotisch“ verhalten wie das gesamte Ensemble – vom Verhalten des Einzelnen also auf das Ganze geschlossen werden kann. Obwohl dieses Prinzip weitreichende Konsequenzen hat, war es bisher ein reines Gedankengebäude. Professor Christoph Bräuchle und seinem Team vom Department Chemie der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München gelang es nun gemeinsam mit Professor Jörg Kärger und dessen Arbeitsgruppe (Universität Leipzig) zum ersten Mal, durch die Messung des Diffusionsverhaltens einzelner Moleküle sowie ganzer Molekülensembles im selben System das Ergodentheorem experimentell zu bestätigen. Dazu nutzten die Forscher an der LMU fluoreszierende Moleküle, deren „Leuchtspuren“ den Weg jedes einzelnen Moleküls genau nachzeichneten, während die Leipziger Gruppe das entsprechende Molekülensemble untersuchte. „Nun wird es sehr interessant, Systeme genauer zu untersuchen, die sich nicht entsprechend des Ergodentheorems verhalten und herauszufinden, aus welchen Gründen das nicht der Fall ist“, sagt Bräuchle.

Diffusion ist die durch thermische Energie – das heißt Wärme – ausgelöste zufällige Bewegung von Teilchen, etwa von Atomen und Molekülen. Dieser physikalische Prozess ist essenziell für unzählige Abläufe in der Natur, aber auch für viele technische Verfahren. Bei fast jeder chemischen Reaktion ist Diffusion der entscheidende Mechanismus, damit sich die potenziellen Reaktionspartner überhaupt nahe genug kommen, um miteinander zu reagieren. Das Ergodentheorem ist für die dynamischen Prozesse der Diffusion ein allgemein anerkanntes zentrales Prinzip: Es besagt, dass die häufig wiederholte Messung einer Beobachtungsgröße – wie etwa der pro Zeiteinheit zurückgelegten Wegstrecke – an einem einzelnen Teilchen zum selben Mittelwert führt wie die gleichzeitige Messung dieser Größe an vielen Teilchen – zumindest, wenn sich die Systeme im Gleichgewicht befinden. „Obwohl bereits seit 150 Jahren Diffusionsmessungen durchgeführt werden, konnte das Ergodenprinzip bisher noch nicht experimentell überprüft werden“, erklärt Kärger. Dies lag daran, dass bisher Diffusionsmessungen nur als Ensemblemessungen – das heißt als gleichzeitige Messung vieler Teilchen – durchgeführt werden konnten. Eine wichtige Methode dazu ist die Pulsgradientenmethode der NMR (Kern-Spin-Resonanz), für deren Einsatz die Arbeitsgruppe von Kärger bekannt ist. Der konkrete Diffusionsweg eines einzelnen Teilchens dagegen entzog sich bisher den Beobachtungsmöglichkeiten der Wissenschaftler. „Mit der Entwicklung der Einzelmolekülspektroskopie und -mikroskopie können inzwischen aber auch die Spuren – und damit das Diffusionsverhalten – einzelner Moleküle untersucht werden“, erklärt Bräuchle. Bei den optischen Einzelmolekülmethoden wird das Molekül über seine Fluoreszenz beobachtbar und kann anhand seiner „leuchtenden Spuren“ bis auf wenige Nanometer genau lokalisiert und verfolgt werden.

Eine weitere Schwierigkeit bestand jedoch darin, dass beide Methoden sehr gegensätzliche Bedingungen für erfolgreiche Messungen erfordern. So sind für die NMR-Messungen hohe Konzentrationen und große Diffusionskoeffizienten der Moleküle erforderlich, während die Einzelmolekülspektroskopie extrem geringe Konzentrationen und kleine Diffusionskoeffizienten erfordert. Durch die Verwendung spezieller organischer Farbstoffmoleküle mit guter Fluoreszenz, die als Gastmoleküle in porösen Gläsern mit nanometergroßen Poren diffundieren, konnten die Forscher das Problem lösen und mit beiden Messmethoden unter gleichen Bedingungen sowohl Einzelmolekülmessungen als auch Ensemblemessungen durchführen.

Auf diese Weise gelang den Forschern der Nachweis, dass die durch die verschiedenen Methoden erhaltenen Diffusionskoeffizienten und damit das Diffusionsverhalten übereinstimmt – die erste experimentelle Bestätigung des Ergodentheorems in diesem Bereich. Als nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler solche Systeme genauer untersuchen, in denen das Ergodentheorem nicht gilt. „Die Diffusion von Nanoteilchen in Zellen scheint solch ein interessanter Fall zu sein“, sagt Bräuchle, „für uns ist es wichtig herauszufinden, aus welchen Gründen das Ergodentheorem hier nicht greift“.

Das Projekt wurde in München im Rahmen des Exzellenzclusters „Nanosystems Initiative Munich“ (NIM) sowie über den Sonderforschungsbereich 749 (Dynamik und Intermediate molekularer Transformationen) und durch das FOR 877 in Leipzig  (From local constraints to macroscopic transport) von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. (göd)

Publikation:
Single-particle and ensemble diffusivities – Test of ergodicity
F. Feil, S. Naumov, J. Michaelis, R. Valiullin, D. Enke, J. Kärger, C. Bräuchle
Angewandte Chemie/International Edition Angewandte Chemie, Online Publication 14.October 2011
DOI: 10.1002/ange.201105388

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Pressemeldung der Universität Wien vom 07.10.2011

Forschern am California Institute of Technology und am Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) an der Universität Wien ist es gelungen, erstmals kleine mechanische Objekte mithilfe von Laserlicht in ihren kleinstmöglichen Energiezustand zu kühlen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten sowohl für Anwendungen – etwa im Bereich extrem empfindlicher Sensoren – als auch für grundlegende Fragestellungen im Grenzbereich zwischen der Welt der Quantenphänomene und unserer Alltagswelt. Die Forschungsergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature“ publiziert worden.

Nur etwa ein tausendstel Millimeter breit und mehrere hundertstel Millimeter lang sind die mechanisch schwingenden Objekte, die das internationale Forschungsteam verwendet hat. Dabei handelt es sich um winzige mechanische Brücken aus Silizium. In diese wird Laserlicht einer bestimmten Frequenz eingebracht und – sobald es reflektiert wird – Wärmeenergie abtransportiert, wodurch das System gekühlt wird. „Wir haben ein mechanisches Objekt verwendet, das aus Milliarden von Atomen besteht, und dieses mit Laserlicht in einen Zustand versetzt, in dem es sich nach den Regeln der Quantenphysik verhält. Bislang ist das nur mit einzelnen Atomen oder Ionen gelungen“, erklärt Oskar Painter, Professor für angewandte Physik am California Institute of Technology (Caltech) und Leiter des Forschungsprojekts.

Dieses Kühlverfahren wurde 2006 von Wissenschaftern um Markus Aspelmeyer, Professor für Quantum Information on the Nanoscale an der Universität Wien, an mikroskopischen Sprungbrettern gezeigt. Die damals erreichten Temperaturen waren aber noch weit vom Quantenregime entfernt. Ein am Caltech entwickeltes Design der mechanischen Siliziumbrücken ermöglichte es den Forschern nun, diese Laser-Kühltechniken zu verwenden, um das System in den „Quanten-Grundzustand“ zu bringen. „In diesem Zustand sind mechanische Schwingungen auf ein absolutes Minimum reduziert; die verbleibende sogenannte ‚Nullpunkts-Schwingung‘ kann nur durch die Quantenphysik erklärt werden“, so Aspelmeyer.

Phononen aus dem System entfernt

Um zu zeigen, ob die bizarren Gesetze der Quantenphysik auch für massive Objekte wie mikromechanische Brücken gelten, etwa dass sich ein Objekt so verhält als wäre es an zwei Orten gleichzeitig, muss sich das mechanische Objekt dafür zunächst sehr nahe am „Quanten-Grundzustand“ befinden. Dafür mussten die Physiker die mechanische Brücke auf eine Temperatur unterhalb eines Zehntels eines Kelvins (-273,15°C) kühlen. Da die Frequenz der mechanischen Schwingung einige Gigahertz beträgt, das entspricht mehreren Milliarden Schwingungen pro Sekunde, ist bei Zimmertemperatur noch eine große Anzahl von Phononen vorhanden. Phononen sind die Quanten der mechanischen Schwingung – genauso wie die Photonen die Quanten des Lichts sind. „Um die Bewegung eines mechanischen Objekts in den ‚Quanten-Grundzustand‘ zu kühlen, müssen daher alle Phononen der Bewegung entfernt werden“, sagt Simon Gröblacher, Co-Autor der Studie.

Alternative Kühlstrategie

Zwar existieren bereits konventionelle Kühlmethoden, um derartig niedrige Temperaturen zu erreichen; diese sind aber sehr kostspielig und bergen Probleme bei der Messung des kalten mechanischen Objekts. Die Forscher wählten daher eine andere Kühlstrategie: „Wir haben die Photonen – das Lichtfeld – verwendet, um die Phononen aus dem System herauszubekommen“, so Jasper Chan, Erstautor des Papers. Kleine Löcher werden dafür an speziellen Stellen in die mechanische Brücke gebohrt. Wenn Laserlicht einer bestimmten Frequenz entlang der Brücke geführt wird, bilden die Löcher eine Art Spiegel, zwischen denen das Licht reflektiert wird. Dadurch kommt es zu einer starken Wechselwirkung zwischen dem Licht und den mechanischen Vibrationen der Brücke, also zwischen Photonen und Phononen.

Das aus der „Spiegel“-Anordnung entweichende Licht trägt aufgrund dieser Wechselwirkung neben der Energie der Phononen auch Information über das mechanische Objekt nach außen, etwa dessen Bewegung und Temperatur. Auf diese Weise schaffen die Forscher eine effiziente optische Schnittstelle zu einem mechanischen Element. Dieser „optische Signalwandler“ tauscht Informationen eines mechanischen Systems in Photonen um und könnte sich als äußerst hilfreich bei der Verknüpfung verschiedener Quantensysteme erweisen – beispielsweise zwischen optischen und Mikrowellen-Systemen.

Meilenstein – und doch erst am Anfang

Das Team von Caltech und der Universität Wien/VCQ ist zwar nicht das erste, das nanomechanische Objekte in den Grundzustand kühlt: eine Gruppe rund um Andrew Cleland und John Martinis an der University of California in Santa Barbara hat dies bereits 2010 mittels konventioneller Kühltechniken geschafft, und in diesem Jahr konnte eine Gruppe um John Teufel vom National Institute of Standards and Technology in Boulder, Colorado, ein mikromechanisches Objekt mittels Mikrowellenstrahlung in den Grundzustand kühlen. Die jetzige Arbeit ist jedoch die erste, die Laserlicht verwendet, um ein nanomechanisches Objekt in den Grundzustand zu kühlen.

„Die angewandte Methode, nanomechanische Objekte in den Grundzustand zu kühlen, ist ein Meilenstein, weil es so viele etablierte Verfahren zur Manipulation und Messung von Quanteneigenschaften mit Hilfe von Laserlicht gibt“, sagt Painter. Durch die Laserkühlung können Experimente bei weit höheren Temperaturen durchgeführt werden und den Grundzustand bei einer Anfangstemperatur erreichen, die nur etwa zehn Mal kühler als die Raumtemperatur ist.

„Die derzeitigen Entwicklungen auf dem Gebiet der Quantenphysik mit massiven mechanischen Objekten sind atemberaubend“, konstatiert Markus Aspelmeyer. „Durch die Kooperation von Forschern am Caltech mit Kollegen an der Universität Wien generieren wir einen einzigartigen Mix an Know-how: völlig neue nanomechanische Strukturen kombiniert mit den Werkzeugen der Quantenoptik und mit spannenden Fragen der Quantenphysik. Dabei sind wir mit der Erforschung dieser Quantensysteme erst am Anfang.“

Publikation:
Laser cooling of a nanomechanical oscillator into its quantum ground state
Jasper Chan, T. P. Mayer Alegre, Amir H. Safavi-Naeini, Jeff T. Hill, Alex Krause, Simon Gröblacher, Markus Aspelmeyer, Oskar Painter. In: Nature 478, 89-92 (2011).
DOI: 10.1038/nature10461

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Pressemeldung der Universität Wien vom 21.07.2011

In der Nanotechnologie sind in den letzten Jahren neue Werkstoffe mit einer Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten entstanden, wie beispielsweise Kohlenstoffnanoröhren. Es handelt sich dabei um zylindrische Werkstoffe aus Kohlenstoff mit einem Durchmesser von wenigen Nanometern – ein Nanometer ist der millionste Teil eines Millimeters. Diese Nanoröhren besitzen außergewöhnliche elektronische, mechanische und chemische Eigenschaften und können u.a. zur Reinigung von kontaminiertem Wasser verwendet werden. WissenschafterInnen der Universität Wien publizierten dazu in der renommierten Fachzeitschrift „Environmental Science & Technology“.

Neben vielen anderen Anwendungsmöglichkeiten können Nanoröhren zur Reinigung von kontaminiertem Wasser eingesetzt werden. Viele wasserverunreinigende Stoffe haben eine hohe Affinität für Kohlenstoffnanoröhren. Deshalb können Schadstoffe aus kontaminiertem Wasser entfernt werden, indem sie durch dieses Material gefiltert werden, wie z.B. wasserlösliche Medikamente, die mit Aktivkohle kaum von Wasser getrennt werden können. Da Nanoröhren eine sehr große Oberfläche (ca. 500 m2 pro Gramm) aufweisen und dadurch hohe Mengen an Schadstoffen fixieren, kommt es zu keiner schnellen Filtersättigung. „Wartungsarbeiten und Abfälle im Zusammenhang mit der Reinigung von kontaminierten Gewässern könnten so minimiert werden“, zeigt sich Thilo Hofmann, Vizedekan der Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie der Universität Wien, optimistisch.

Kohlenstoffnanoröhren auf Umweltverträglichkeit prüfen

In den vergangenen zehn Jahren wurde bereits viel zum Thema Kohlenstoffnanoröhren geforscht; die Untersuchungen gestalten sich jedoch aufgrund der besonderen Eigenschaften der Nanoröhren als schwierig und Standardmethoden liefern nur begrenzt Ergebnisse. So ist das Verhalten von Kohlenstoffnanoröhren in der Umwelt noch weitgehend unerforscht. „Innovative Technologien sind jedoch immer mit Vor- und Nachteilen für Mensch und Umwelt behaftet. Daher sind – bevor diese Filter zum Einsatz kommen – ein gutes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Schadstoffen und Kohlenstoffnanoröhren sowie das Wissen um ihr Verhalten unter natürlichen Bedingungen essentiell“, erklärt Mélanie Kah, die zusammen mit Xiaoran Zhang das Forschungsprojekt bearbeitet.

Ein Team des Departments für Umweltgeowissenschaften der Universität Wien erforscht derzeit die Umweltverträglichkeit von Nanoröhren mit einer neu entwickelten Methode, mit der auch sehr niedrige Schadstoffkonzentrationen, wie sie in der Umwelt vorkommen, analysiert werden können. Mit den bisherigen, klassischen Verfahren konnte das Verhalten der Schadstoffe nur bei höheren Konzentrationen untersucht werden.

Die für die Publikation im Fachmagazin „Environmental Science & Technology“ notwendigen Experimente dauerten über ein Jahr. Die WissenschafterInnen entwickelten zunächst eine passive Probenahme-Methode, die es erlaubt, die Affinität von krebserregenden Schadstoffen – nämlich von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAKs) – für Kohlenstoffnanoröhren zu bestimmen. „Das Verfahren entwickelten wir unter Verwendung von analytischer Chemie und Elektronenmikroskopie gemeinsam mit Wissenschaftlern der Universität Utrecht in den Niederlanden“, erklärt Thilo Hofmann. Auf Basis dieser Methode untersuchten die NanowissenschafterInnen die Absorptions- und Adsorptionseigenschaften von mehreren Schadstoffen (PAKs) für die Kohlenstoffnanoröhrchen.

Schadstoffe kämpfen um Plätze auf den Nanoröhren

Ein weiterer Aspekt der untersucht wurde, ist das Phänomen der Konkurrenz unter Schadstoffen. In der Umwelt – insbesondere in kontaminierten Gewässern – liegt eine Vielzahl von unterschiedlichen Chemikalien vor. Bei einem Schadstoffgemisch konkurrieren die einzelnen Komponenten um die Adsorptionsplätze an den Kohlenstoffnanoröhren. Für die Verwendung der Nanoröhren als Filtermaterialien ist dieser „Konkurrenzkampf“ jedoch von Nachteil, da die Wirksamkeit des Filters nach der Menge und der Art der Verunreinigung variieren würde. Durch das Erforschen der Konkurrenzverhältnisse unter Schadstoffen um Adsorptionsplätze könnten dann auch Fragen bezüglich des Sorptionsmechanismus beantwortet werden.

Unter Verwendung der klassischen Methoden mit relativ hohen Schadstoffkonzentrationen konnte nachgewiesen werden, dass die Konkurrenz unter drei PAKs um die Adsorptionsplätze sehr stark ist. Im Gegensatz dazu zeigten die neuen Experimente mit dem passiven Probenahme-Verfahren bei Schadstoffkonzentrationen von 13 PAKs, die in der Umwelt wahrscheinlich sind, dass keine Konkurrenz auftritt. Dieses Beispiel unterstreicht die Bedeutung der Entwicklung und Verwendung von experimentellen Methoden, die Ergebnisse für umweltrelevante Fragestellungen liefern können. Allerdings sind noch einige offene Fragen zu beantworten, bevor Kohlenstoffnanoröhren zur Wasserreinigung eingesetzt werden können. „Wir arbeiten an diesem Thema und werden bald weitere Ergebnisse auf internationalen Konferenzen vorstellen können“, so Umweltgeowissenschafter Hofmann.

Publikation:
Measuring and Modeling Adsorption of PAHs to Carbon Nanotubes Over a Six Order of Magnitude Wide Concentration Range: Melanie Kah, Xiaoran Zhang, Michiel T.O. Jonker, and Thilo Hofmann. In: Environmental Science & Technology, 2011, 45 (14), pp 6011-6017. DOI: 10.1021/es2007726

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 20.06.2011

Zelluläre Maschinen zeigen eine faszinierende Raffinesse in ihrer Funktion, die auch technologisch gesehen unerreicht ist. Der Forschungsgruppe von Prof. Roderick Lim, Argovia-Professor am Biozentrum und am Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel, ist es in Zusammenarbeit mit Forschern der Technischen Universität Delft gelungen, ein Nano-Modell des biologischen Kernporenkomplexes (NPC) und dessen Funktionsweise künstlich nachzustellen. Damit konnten sie den selektiven Transport von Proteinen zwischen Zytoplasma und Zellkern einer Zelle nachbilden. Lims Gruppe konnte zudem zeigen, wie sich die Vorgehensweise des NPC-Transportsystems chemisch imitieren lässt, um Biomoleküle aus biologischen Flüssigkeiten nanometer-genau zu sortieren. Die Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe des Journals Nature Nanotechnology sowie im Journal ACS Nano publiziert.

Die Relevanz des biologischen Kernporenkomplexes (nuclear pore complex, NPC) liegt in der Art, wie er den Transport von Proteinen in und aus dem Zellkern regelt. NPCs selektieren wie eine Art Schleuse aktiv Moleküle für den Transport und erleichtern so den schnellen Austausch von bestimmten Proteinen mit höchster Präzision und in einer hochselektiven Art und Weise. Jede im Durchmesser nur 50nm grosse «NPC-Schleuse» öffnet oder schliesst sich dabei, je nachdem, ob ein Stoff als „molekularer Gast“ erkannt wird oder nicht. „NPCs lassen sich mit den Löchern in einem Kaffeefilter vergleichen, wenn der Filter so funktionieren würde, dass er die Bestandteile des Kaffees erkennt und nur Hochwertiges durchlässt“, so Lim.

Rätsel um den NPC-Mechanismus

Da es bislang keine technische Vorrichtung gibt, die das NPC-Schleusensystem nachstellt, ist dessen genaue Funktionsweise für Forscher ein langjähriges Rätsel geblieben. Bereits 2006 schlug Lim eine Möglichkeit vor, dem Rätsel näher zu kommen, nämlich die NPC-Proteine mit technisch hergestellten Nanostrukturen und Nanoporen zu verbinden. Und jetzt, rund fünf Jahre später, ist Lims Gruppe in Zusammenarbeit mit der Forschergruppe von Prof. Cees Dekker von der Technischen Universität Delft der Nachweis gelungen, dass ein nachgebautes NPC-Modell tatsächlich mit der Leistung und Präzision eines natürlichen NPCs in der Zelle mithalten kann: Sowohl die Genauigkeit der molekularen Selektivität als auch die Transportzeit innerhalb von Millisekunden entsprechen der eines biologischen NPCs. Diese in «Nature Nanotechnology» gezeigten Ergebnisse ermöglichen wichtige neue Ansätze für die Forschung, um die Grundprinzipien der NPC-Funktion auf der Ebene einzelner Moleküle zukünftig genauer untersuchen und verstehen zu können.

Biologische Grundlagen als Wegweise für zukünftige Anwendungen

Um ihre Erkenntnisse weiter zu führen, zeigen die Forschenden um Lim in dem Journal ACS Nano, wie sie die Prinzipien der NPC-Funktionalität anwenden, um spezifische Proteine aus natürlicher biologischer Umgebung selektiv und mit molekularer Präzision an ihr Ziel zu befördern. Dabei wurden die Bausteine der natürlichen NPC-Schleuse durch synthetische Polymere ersetzt. Das Ersetzen der biologischen durch künstliche Bausteine ist insofern von Bedeutung, als hochkomplexe technologisch-molekulare Transportsysteme eines Tages genauso elegant aufeinander abgestimmt werden könnten, wie es in einer lebenden Zelle bereits der Fall ist.

Originalartikel:

Kowalczyk et al.
Single-molecule transport across an individual biomimetic nuclear pore complex.
Nature Nanotechnology, Advance Online Publication, DOI: 10.1038/Nnano.2011.88

Hyotyla et al.
Synthetic Protein Targeting by the Intrinsic Biorecognition Functionality of Poly(ethylene glycol) Using PEG Antibodies as Biohybrid Molecular Adaptors
ACS Nano, DOI: 10.1021/nn201327y

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 09.06.2011

Forschende der Universität Basel haben ein intelligentes Nanoträgersystem auf Basis von Peptiden geschaffen. Aufgrund ihres besonderen Aufbaus organisieren sich die Peptide im Wasser selbst zu Hohlkörperstrukturen im Nanometerbereich, sogenannten Vesikel. Voraussetzung dafür ist die Ausbildung einer Membran, die nun erstmals mit reinen Peptiden erzeugt werden konnte. Das neue Nanoträgersystem kann für den Transport und Schutz unterschiedlicher Gastmoleküle wie Medikamente verwendet werden. Durch die Verwendung von Peptiden baut sich das Trägersystem nach seinem Einsatz im Körper vollständig ab. Die Forschungsergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins «Small» beschrieben.

Aminosäuren sind natürliche Grundbausteine von Peptiden, Proteinen und Enzymen und bieten ein breites Feld an Funktionalitäten. Einige von ihnen können je nach vorherrschenden pH-Wert ihren Ladungszustand ändern und damit strukturelle Veränderungen in einem Peptide hervorrufen und somit ein unterschiedliches Löslichkeitsverhalten auslösen. Mit diesen wandelbaren Eigenschaften bieten sich Peptide als ideale Materialien zur Herstellung von funktionellen Medikamententrägersystemen im Nanometerbereich an. Nanostrukturen können durch das Zusammenlagern sogenannter Amphiphile entstehen, die in einem Molekül einen wasserliebenden (hydrophil) und einen wasserabstossenden (hydrophob) Bereich vereinen. Ein Knackpunkt im Design solcher Materialien mittels rein peptidischen Amphiphilen stellte bisher die Herstellung des hydrophoben Bereichs dar, um eine klare Trennung in hydrophil und hydrophob zu erlangen. Das Forschungsteam von Prof. Wolfgang Meier vom Departement Chemie und NCCR Nano der Universität Basel verwendete als hydrophoben Bereich Teile eines in der Natur vorkommenden Membranproteins, das dank seiner Sekundärstruktur nach Aussen hydrophob erscheint. Für den hydrophilen Bereich wurde eine kurze Abfolge von hydrophilen Aminosäuren gewählt.

Je kürzer ein amphiphiles Molekül ist, desto sensibler und flexibler kann es auf Umwelteinflüsse reagieren, aber umso geringer sind die Möglichkeiten zur Wechselwirkung zwischen den Peptiden, um stabile Nanostrukturen aufzubauen. Deshalb wurden die Peptide so gestaltet, dass zwischen ihnen eine gezielte Wechselwirkung stattfinden kann. Dieser Mechanismus wurde als grundlegend identifiziert, um Peptidvesikel mit einer stabilen Membranstruktur auszubilden. Dabei kam den Forschenden zu Nutze, dass der verwendete hydrophobe Teil von Natur aus reich an der Aminosäure Tryptophan ist und somit in Wechselwirkung mit anderen Tryptophanen zu einer stabilisierenden Wirkung zwischen den Peptiden treten kann. Zudem wurde das hydrophobe Ende so optimiert, dass dort eine spezifische Wechselwirkung ermöglicht wurde. Der Einbau der Aminosäure Glutaminsäure im hydrophilen Bereich sorgt für das Entstehen von intermolekularen Wasserstoffbrücken und somit zu weiteren spezifischen Wechselwirkungen.

Peptidevesikel können als Trägersystem fungieren indem im Innern wasserlösliche Gastmoleküle eingeschlossen werden. Gleichzeitig können in der hydrophoben Membranschicht wasserunlösliche Stoffe eingelagert werden. Die Forschenden veranschaulichten dies erfolgreich mit Fluoreszenzfarbstoffen.

Das vorgestellte, innovative System kann für den Transport und Schutz von unterschiedlichen Gastmolekülen wie z.B. Medikamente verwendet werden. Der Einsatz von Glutaminsäure birgt zusätzlich den Vorteil, dass das System sensibel auf Umwelteinflüsse wie beispielsweise pH-Wert-Änderungen reagieren kann. Dieses Verhalten kann optimiert werden, um eine gezielte Medikamentenfreisetzung zu bewirken. Durch die Verwendung von Peptiden ist auch der vollständige Abbau nach potentieller Medikamentendarreichung gewährleistet, um Anreicherungen des Trägersystems im Körper zu verhindern.

Originalbeitrag:
Thomas B Schuster, Dirk de Bruyn Ouboter, Nico Bruns und Wolfgang Meier
Exploiting dimerization of purely peptidic amphiphiles to form vesicles
Small, published online: 31 MAY 2011, DOI: 10.1002/smll.201100701

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