Lipidmembranen über nanoporösen Sensoren

Unser Ziel ist die Entwicklung einer Chip-basierten Plattform zur Untersuchung von Funktion und Interaktion von Membranproteinen. Während der letzten Jahrzehnten hat das Wirkstoff-Screening mit zwei Problemen zu kämpfen: rasant steigende Kosten pro erfolgreich entwickeltem Medikament und sinkende Erfolgsraten in der Wirkstoffentwicklung. Teil dieses Problems ist die Tatsache, dass Arzneimittel zunehmend komplexe Funktionen zum Ziel haben, die an Membranproteine gekoppelt sind. Dafür fehlen Tools sowohl für effiziente Forschung als auch für Hochdurchsatz-Screening. Mehr als 50% aller Wirkstoffziele sind in Zellmembranen angesiedelt. Wir werden kürzlich erzielte Fortschritte auf dem Gebiet der Sensorherstellung mittels Nanotechnologie nutzen, die einen kontrollierten Aufbau artifizieller Zellmembranen inklusive Membranproteinen erlauben. Das ermöglicht uns, die Interaktion mit Wirkstoffen bis auf Einzelproteinniveau zu untersuchen. Das wird durch eine Zusammenarbeit führender Forscher sowohl der Technische Universität Brünn, welche die Nanosensoren herstellen, als auch der BOKU in Wien, die den molekularen Aufbau der Zellmembrankomponenten kontrollieren, ermöglicht. Durch die Entwicklung von Sensorelementen, welche Licht soweit einengen, dass es mit dem Maßstab von Molekülen und Zellmembranen korrespondiert, können wir diejenigen Veränderungen an Membran und Wirkstoffziel studieren, die durch die Interaktion mit dem Medikament und auch anderen Molekülen entstehen. Durch die Verwendung nanoporöser Chips können wir stabile artifizielle Membranen mit Zellkomponenten realer Zellen herstellen. Untersucht werden diese Membranen mit den sensitivsten Biosensoren, die für Forscher erhältlich sind. Diese liefern besonders viele Informationen, wie beispielsweise Daten über den Stromfluss durch Membranen. Wir sind bestrebt, sowohl schnelle Messungen an vielen Membrankomponenten, als auch sensitive und gezielte Messungen zur Untersuchung einzelner Proteine zu erzielen. Um dieses Ziel zu erreichen nutzen wir einen entscheidenden Vorteil. Wir sind in der Lage, Polymerschichten auf Nanosensorelemente aufzubringen und dadurch zu kontrollieren, wo Membranmoleküle binden und sich bewegen. Nur wenn Membrankomponenten in jene Bereiche geführt werden, in denen sie sich wie in einer realen Zellmembran verhalten und sich gleichzeitig nahe des Sensors befinden, kann die erforderliche Sensitivität und Vielseitigkeit erreicht werden. Die konvergierenden Forschungsfelder der Nanobiotechnologie erlauben uns diese gleichzeitige Entwicklung von Methoden zum Bau von Instrumenten der nächsten Generation für molekularbiologische Forschung und Wirkstoffanalyse.

Nanostrukturen werden zunehmend für Hightech-Anwendungen in der Medizin, Diagnostik, Wirkstoff-Freisetzung und medizinischen Forschung eingesetzt. Sie bieten Vorteile wie extrem empfindliche Sensoren, die in der Lage sind, einzelne Moleküle zu erfassen und zu identifizieren, gezielte Bildgebung bis auf die molekulare Ebene im Körper und intelligente Strukturen, die bei Bedarf Medikamente freisetzen oder Schadstoffe einfangen können. Um diese Funktionen zu erreichen, benötigen Nanostrukturen im Kontakt mit biologischen Systemen Beschichtungen, die verhindern, dass Biomoleküle wie Proteine und Lipide an sie binden. Wenn Biomoleküle ungehindert an ihre Oberflächen binden, werden die Nanostrukturen schnell aggregieren und ihre Empfindlichkeit und andere gewünschte Eigenschaften verlieren. Die Nanostrukturen mit molekularen Beschichtungen zu versehen, ist die beste uns bekannte Möglichkeit, die Adsorption von Biomolekülen zu verhindern. Diese Beschichtungen ahmen die Polymer- und Lipidbeschichtungen biologischer Oberflächen, wie z. B. Zellmembranen, nach. Von denen ist bekannt, dass sie die zufällige Adsorption von Biomolekülen verhindern, aber die spezifische Bindung von gezielten Biomolekülen ermöglichen. In diesem Projekt ist es uns gelungen, Methoden mit der bisher höchsten Empfindlichkeit anzuwenden, um im Detail zu erfassen, welche Art von Proteinen an polymerfunktionalisierte Nanostrukturen binden und warum sie das tun. Durch die Messung der Wärme, die benötigt wird, um Wasser von den Partikeloberflächen zu verdrängen, wenn Proteine binden, konnten wir herausfinden, welche Proteine am ehesten binden und wie die Polymerhülle am ehesten gestaltet sein muss, damit sie nicht binden. Dabei konnten wir zeigen, dass Polymere, die dicht auf die Oberfläche der Nanostruktur Schlaufen bilden, als einzige so genannte Polymerbürsten die Bindung von Proteinen vollständig verhindern können. In Zukunft wollen wir diese Erkenntnis nutzen, um Nanopartikel in einer neuen Sensorplattform zu funktionalisieren, die Licht in Nanoporen einfängt. Dieser Sensor wird es uns ermöglichen, Moleküle, die von Bakterien abgesondert werden, auch in "schmutzigen" Umgebungen zu detektieren, in denen solche Biosensoren heute nicht funktionieren, z. B. in Blut, Bioreaktoren oder anderen Bioflüssigkeiten. Unsere tschechischen Partner haben diese Sensorchips im Rahmen dieses Projekts entwickelt, aber sie wurden noch nicht für den Nachweis von Bakterien funktionalisiert und getestet. Darüber hinaus haben wir gezeigt, dass dieselben Plattformen und Methoden für verschiedene Anwendungen wie die Extraktion von Schwermetallverunreinigungen aus Lösungen und die Funktionalisierung von Oberflächen mit Membranen, die Zellmembranen nachahmen, sich aber die robusten Eigenschaften synthetischer Polymere ausleihen, verwendet werden können.