Steuerbare Nano-Kapseln dank Bioventil

 

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)

Die Gruppe um die Professoren Cornelia Palivan und Wolfgang Meier vom Departement Chemie der Universität Basel hat kürzlich synthetische Nano-Kapseln hergestellt, in denen sich enzymatische Umsetzungen von aussen steuern lassen. Die Wissenschaftler integrierten dazu Bioventile in die Membran der Kapsel, 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.

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 und 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 findet keine Reaktion in der Kapsel statt, 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 äusseren Impuls reversibel gesteuert werden kann. «Wir haben die Vorteile der robusten und variablen Polymer-Kapseln mit denen von natürlichen Kanalproteinen kombiniert, aber durch die Kombination mit dem Peptid einen vergleichsweise einfach zu realisierenden Ansatz gewählt», berichtet Cornelia Palivan. 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 in der analytischen Chemie.