Steuerbare Nano-Kapseln dank Bioventil

Einem interdisziplinären Team des Swiss Nanoscience Institutes und Departement Chemie der Universität Basel ist es gelungen, synthetische Nano-Kapseln herzustellen, in denen sich enzymatische Umsetzungen von aussen steuern lassen. Die Wissenschaftler haben dazu Bioventile in die Membran der Kapsel integriert, die sich erst bei Erreichen eines bestimmten pH-Werts reversibel öffnen oder schliessen. Sie schaffen damit die Voraussetzungen eine kontrollierte enzymatische Reaktion im Inneren ein- und auszuschalten. Diese erstmals angewendete Technik hat grosses Potenzial für medizinische Anwendungen, für die Katalyse und in der analytischen Chemie. Die Studie wurde kürzlich in «Nano Letters» veröffentlicht.

Bei einem pH-Wert von 7.4 öffnen sich die Ventile und es kann zur Umsetzung des Substrates kommen. Bei einem saureren pH-Wert von 6 sind die Bioventile geschlossen, das Substrat gelangt nicht ins Innere der Kapsel und die Reaktion findet nicht statt (Bild: Departement Chemie, Universität Basel)

 

Zellen höherer Organismen sind in zahlreiche Kompartimente (z.B. Mitochondrien, Zellkern) unterteilt, die bestimmte Funktionen erfüllen. Diese Kompartimente sind durch Membranen vom Zellplasma getrennt. Proteine, die in die Membranen integriert sind, regeln die aktive oder passive Passage von chemischen Verbindungen in und aus den verschiedenen Kompartimenten. Häufig wird der Transport durch Reize wie pH-Wert, Membranpotenzial, chemische Verbindungen oder Licht stimuliert.

Die Natur als Vorbild
Die Wissenschaftler um die Professoren Cornelia Palivan und Wolfgang Meier haben sich die Natur zum Vorbild genommen. Sie haben zunächst robuste, künstliche Kompartimente hergestellt, in denen natürliche Enzyme von synthetischen Membranen umschlossen sind. In diese Polymer-Membranen wurden dann genetisch modifizierte Kanalproteine integriert, die mit einem Peptid kombiniert wurden, dass sensitiv auf den pH-Wert der Umgebung reagiert. Bei einem neutralen pH-Wert öffnet sich nun das Bioventil. Chemische Verbindungen gelangen in die Nano-Kapsel und werden durch die Enzyme im Inneren umgesetzt. Die Produkte der chemischen Reaktion können die Kapsel anschliessend wieder verlassen. Ändert sich der pH-Wert in der Umgebung und wird leicht sauer, schliesst sich das Bioventil. Es kommt nicht zu einer Reaktion in der Kapsel, da das benötigte Substrat nicht ins Innere gelangen kann.

Voraussetzungen für zahlreiche Anwendungen
Mit dieser Methode entwickeln die Wissenschaftler aus Basel synthetische Nano-Kapseln, deren enzymatische Aktivität durch einen äussern Impuls reversibel gesteuert werden kann. Sie kombinieren die Vorteile der robusten und variablen Polymer-Kapseln mit denen von natürlichen Kanalproteinen, wählten aber durch die Kombination mit dem Peptid einen vergleichsweise einfach zu realisierenden Ansatz. Die Herstellung der Kapseln erfolgt durch Selbstorganisation und ist bestens untersucht. Da sich die im Inneren eingeschlossenen, gut geschützten Enzyme beliebig variieren lassen und auch die Beschaffenheit der Polymer-Kapsel je nach Anwendung verändert werden kann, schaffen die Forscher mit dieser neuen Methode die Möglichkeit für zahlreiche Anwendungen in der Medizin, der Katalyse und analytischen Chemie.

Swiss Nanoscience Institute
Das Swiss Nanoscience Institute (SNI) an der Universität Basel ist ein Exzellenzzentrum für Nanowissenschaften und Nanotechnologie. Es wurde 2006 vom Kanton Aargau und der Universität Basel gegründet, um Forschung, Ausbildung und Technologietransfer in den Nanowissenschaften und der Nanotechnologie in der Nordwestschweiz zu fördern. Im SNI-Netzwerk wird grundlagenwissenschaftliche Forschung in ganz unterschiedlichen Bereichen betrieben. Zudem werden im Rahmen des Nano-Argovia-Programmes zahlreiche angewandte Forschungsprojekte in Zusammenarbeit mit Unternehmen aus der Nordwestschweiz unterstützt. Grossen Wert wird am SNI auch auf die Ausbildung des wissenschaftlichen Nachwuchses gelegt und sowohl ein Bachelor- wie auch ein Masterstudium in Nanowissenschaften sowie eine Doktorandenschule angeboten (www.nanoscience.ch).

 

Originalbeitrag:
Nano Letters., 2017, 17 (9), pp 5790–5798
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.7b02886?src=recsys

Weitere Auskünfte:
Prof. Dr. Cornelia G. Palivan, Department Chemie, Universität Basel, email: cornelia.palivan@unibas.ch, Tel: +41 (0)61 207 38 39
Prof. Wolfgang Meier, Departement Chemie, Universität Basel, email: wolfgang.meier@unibas.ch, Tel: +41 (0)61 207 38 02