Pressemeldung der Universität Wien vom 04.01.2017

ChemikerInnen erforschen vielfältige Stoffklasse für biologische und pharmazeutische Anwendungen

Annette Rompel und ihr Team vom Institut für Biophysikalische Chemie der Universität Wien erforschen so genannte Polyoxometallate. Diese weisen eine große Vielfalt auf und bieten den WissenschafterInnen damit ein breites Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten. In Wechselwirkung mit Enzymen können sie die Kristallisation von Proteinen ermöglichen. Andererseits stellen die Polyoxometallate selber Verbindungen mit großem Anwendungspotential in der Katalyse und den Materialwissenschaften dar.

Polyoxometallate (POM) sind eine Stoffklasse bestehend aus anionischen Metalloxidclustern, die eine große strukturelle Vielfalt aufweisen, herausragende Eigenschaften besitzen und deshalb auch ein breites Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten bieten. Eine der prominentesten POM-Strukturen ist die so genannte Anderson-Evans-Struktur, die von Rompels Arbeitsgruppe intensiv untersucht wird. Dazu gehört das Tellur-haltige Anderson-Polyoxowolframat (TEW), das Rompel erstmals als erfolgreichen Zusatzstoff in der Proteinkristallisation eingesetzt hat.

„Um die Wechselwirkung zwischen einem Protein und TEW zu verstehen, haben wir versucht, Proteinkristalle in Anwesenheit von TEW und auch ohne das TEW zu erhalten“, erklärt Rompel. Dies ist für das Enzym Auronsynthase gelungen. Dabei wurde eine neuartige Struktur erzielt, die erstmals eine Bindung zwischen dem TEW und dem Protein aufweist. Das Kristallisationsadditiv war flexibel und konnte sich den Gegebenheiten im Protein anpassen, was TEW als Zusatzstoff in der Proteinkristallisation besonders wertvoll macht. Mittlerweile ist es Annette Rompel gelungen, drei verschiedene Proteine mit Hilfe von TEW zu kristallisieren.

Darüber hinaus versucht die Chemikerin nun, funktionelle Gruppen an die Anderson-Grundstruktur zu knüpfen – mit dem Ziel, neue Materialien herzustellen. „Nach der Funktionalisierung des ersten Anderson-Polyoxowolframates wird es nun möglich sein, neuartige funktionale Materialien herzustellen“, so Rompel weiter.

Neben chemischen Anwendungen sind Rompels Erkenntnisse von hoher Relevanz für biologische, biochemische, medizinische und pharmazeutische Studien. Protein-Kristallographie stellt gegenwärtig die produktivste und am weitesten verbreitete Methode dar, um strukturelle Informationen über Proteine zu erhalten. Die strukturellen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis der Proteinfunktion, aber auch für die Entwicklung von Protein-Liganden-Molekülen, was kleine organische Stoffe und auch größere Moleküle wie Antikörper sein können, die die Proteinfunktion beeinflussen. „Unsere Untersuchungen zeigen die Bedeutung von TEW als Zusatzstoff in der Proteinkristallisation auf. Unsere vorgeschlagene Synthesestrategie öffnet einen Weg für neue multifunktionale organisch-anorganischen Hybridmaterialien“, schließt Annette Rompel.

Die Forschungsprojekte werden finanziert durch den FWF und ein OeAD-Stipendium der Stipendienstiftung der Republik Österreich.

Externer Link: www.univie.ac.at

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 20.12.2016

Metall-organische Gerüste (MOFs) mit fotoschaltbaren Azobenzol-Molekülen ermöglichen stufenlos einstellbare Trennung von Stoffgemischen – Publikation in Nature Communications

Neuartige Membranen, deren Selektivität sich dynamisch mit Licht schalten lässt, haben Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und an der Universität Hannover entwickelt: In die Membranen aus metall-organischen Gerüsten (MOFs) bauten die Forscher Azobenzol-Moleküle ein. Diese nehmen je nach eingestrahlter Wellenlänge eine gestreckte oder gewinkelte Form an. So lassen sich die Durchlässigkeit der Membran und der Trennfaktor bei der Trennung von Gasen oder Flüssigkeiten stufenlos einstellen. Die Forscher berichten in der Zeitschrift Nature Communications. (DOI:10.1038/ncomms13872)

Bei metall-organischen Gerüsten, kurz MOFs, handelt es sich um hochporöse kristalline Materialien aus metallischen Knotenpunkten und organischen Verbindungselementen. Sie lassen sich für viele verschiedene Anwendungen maßschneidern. Unter anderem besitzen sie ein enormes Potenzial als Membranen zur effizienten Trennung von Molekülen nach unterschiedlichen Parametern. Modifikationen der Porengröße und der chemischen Beschaffenheit der Porenwände erlauben es, die statische Selektivität der Membranen an die jeweiligen Anforderungen anzupassen. Nun präsentieren Wissenschaftler in der Zeitschrift Nature Communications erstmals Membranen, deren Selektivität sich dynamisch anpassen lässt – und zwar ferngesteuert mit Licht.

Die Forscher des KIT am Institut für Funktionelle Grenzflächen (IFG) sowie am Institut für Organische Chemie (IOC) haben gemeinsam mit Wissenschaftlern der Leibniz Universität Hannover Membranen aus MOFs mit Fotoschaltern versehen. „Dadurch erhalten die Membranen winzige Fenster, die sich je nach Lichteinstrahlung öffnen und schließen“, erklärt der Leiter des Instituts für Funktionelle Grenzflächen, Professor Christof Wöll.

Als ferngesteuerte Fotoschalter dienen Azobenzol-Moleküle. Diese bestehen jeweils aus zwei Phenyl-Ringen, die über eine Stickstoff-Doppelbindung zusammenhängen, und kommen in zwei verschiedenen Konfigurationen vor: eine gestreckte trans-Konfiguration und eine gewinkelte cis-Konfiguration. Durch Bestrahlen mit Licht lagert sich das Molekül um: Unter sichtbarem Licht streckt es sich, unter UV-Licht krümmt es sich. Die Umlagerung ist reversibel, lässt sich beliebig oft wiederholen und beeinträchtigt die kristalline Struktur der MOFs nicht.

Eine präzise Kontrolle des Verhältnisses zwischen cis- und trans-Azobenzol, beispielsweise durch genau bemessene Bestrahlungsdauer oder durch gleichzeitige Bestrahlung mit UV-Licht und sichtbarem Licht, ermöglicht es, die Durchlässigkeit der Membranen und den Trennfaktor bei der Trennung von gasförmigen oder flüssigen Stoffgemischen stufenlos und genau einzustellen. „Dass sich diese entscheidenden Eigenschaften über externe Stimuli, das heißt ohne direkten Kontakt mit der Membran, steuern lassen, stellt einen echten Durchbruch in der Membrantechnologie dar“, sagt Dr. Lars Heinke, der Leiter der IFG-Arbeitsgruppe „Dynamische Prozesse in porösen Systemen“.

Die Wissenschaftler demonstrierten die Funktion der neuartigen smarten Membranen anhand der Trennung eines Wasserstoff-Kohlendioxid-Gasgemisches. Dabei gelang es ihnen, den Trennfaktor stufenlos zwischen drei und acht zu regulieren. Das Konzept eignet sich auch zur Trennung anderer Gasgemische, beispielsweise von Stickstoff-Kohlendioxid-Gemischen. Ebenso ist es denkbar, MOF-Membranen mit Fotoschaltern einzusetzen, um die Erreichbarkeit der Oberflächen von Katalysatoren oder Sensoren zu kontrollieren oder die Freisetzung von eingekapselten Arzneimittelwirkstoffen zu steuern. (or)

Veröffentlichung:
Zhengbang Wang, Alexander Knebel, Sylvain Grosjean, Danny Wagner, Stefan Bräse, Christof Wöll, Jürgen Caro and Lars Heinke: Tunable Molecular Separation by Nanoporous Membranes. Nature Communications, 2016. DOI:10.1038/ncomms13872

Externer Link: www.kit.edu