S-Schicht-Proteine als Bausteine für supramolekulares Engine

Für neue Entwicklungen im Bereich der Nanobiotechnologie, wie der Herstellung von Biochips, Biosensoren, biomimetischen Vakzinen oder Kunstviren, werden Moleküle benötigt, die in definierter Weise spontan miteinander in Wechselwirkung treten, und daher Selbstorganisationssysteme oder Self-Assembly Systeme darstellen. Der Aufbau von supramolekularen Strukturen aus einer oder mehreren Arten von Molekülen wird als "bottom up" - Strategie bezeichnet, die vor allem für die Herstellung von Strukturen mit einer Größe > 100 nm von Relevanz ist, und die der klassischen "top-down" Strategie, die im Wesentlichen mikrolithographische Techniken umfasst, gegenüber steht. Die Verwendung von natürlichen Self-Assembly Systemen zum Aufbau von supramolekularen Strukturen hat den Vorteil, dass die Moleküle im Zuge der Evolution optimiert wurden, und die Präzision von biologischen Systemen mit sich bringen. S-Schicht-Proteine, die als äußerste Zellgrenzfläche von vielen Bakterien und Archaea im Reich der Prokaryonten weit verbreitet sind, stellen ein Self-Assembly System erster Ordnung dar, was bedeutet, dass zum Aufbau eines monomolekularen Proteingitters nur eine einzige Protein- oder Glykoproteinspezies erforderlich ist. S-Schicht-Gitter weisen entweder schräge, quadratische oder hexagonale Symmetrie auf. Im Falle der Bakterien sind die S-Schicht-Subeinheiten miteinander, bzw. mit der darunter liegenden Zellgrenzfläche über nicht kovalente Bindungen assoziiert, sodass sie von der Zelloberfläche oder von Zellwandfragmenten abgelöst werden können. Isolierte S-Schicht-Subeinheiten besitzen häufig die Fähigkeit, an festen Oberflächen, wie Gold, Silizium, Glas oder Kunststoffe, an Lipidfilmen oder Liposomen in monomolekulare Proteingitter zu rekristallisieren. Ob die S-Schicht-Subeinheiten mit der Außen- oder Innenseite binden, hängt von den physikochemischen Eigenschaften des verwendeten Trägermateriales ab. Um eine einheitliche Orientierung zu erzielen, wurde sekundäres Zellwandpolymer, das natürliche Ankermolekül für S-Schicht-Proteine gram-positiver Bakterien in der Zellwand, an feste Oberflächen gebunden. Untersuchungen mit dem Atomkraftmikroskop zeigten, dass S-Schicht-Proteine an derartig beschichtete Träger nicht nur in der richtigen Orientierung binden, sondern dass durch die Bereitstellung einer möglichst natürlichen Oberfläche eine Reduktion der Korngrenzflächen und Gitterstörungen erzielt, und damit ein einheitlich kristallines monomolekulares Proteingitter aufgebaut werden konnte. Zur Funktionalisierung von orientiert kristallisierten S-Schicht-Gittern stehen prinzipiell zwei Wege offen, nämlich die Möglichkeit der chemischen Kopplung, was einer Funktionalisierung durch Immobilisierung von Enzymen, Antikörpern oder Liganden gleichkommt, bzw. die Möglichkeit der Verwendung von rekombinant hergestellten S-Schicht-Fusionsproteinen. Dabei handelt es sich zumeist um C-terminal verkürzte S-Schicht- Proteine, die nur mehr jene Domänen besitzen, die das sekundäre Zellwandpolymer erkennt und jene, die die Fähigkeit zur Selbstorganisation trägt. An der S-Schicht-Außenseite liegende Sequenzen von S-Schicht-Proteinen können deletiert und durch funktionelle Sequenzen ersetzt werden. So wurden assemblierende S-Schicht-Proteine, die die Sequenz von Streptavidin, die ZZ-Domäne zur Fc-Bindung von Antikörpern, die hypervariable Region von heavy-chain Kamelantikörpern zur Antigenbindung oder das Hauptbirkenpollenallergen tragen, hergestellt. Alle Fusionsproteine waren funktionell und bildeten auf festen Trägern, bzw. auf Liposomen monomolekulare Proteingitter aus. Kristallisiert auf festen Oberflächen stellen sie die Basis für die Entwicklung von Biochips dar. Mit S-Schicht-Fusionsproteinen belegte Liposomen sollen als Targetting und Delivery Systeme Anwendung finden.