Neue Nanozymvariante hergestellt

Metallische Nano-Katalysatoren ahmen Enzymstrukturen nach

Ein internationales Forscherteam hat Strukturmerkmale von natürlichen Enzymen, die für eine besonders hohe katalytische Aktivität sorgen, auf metallische Nanopartikel übertragen.

Diesen Metallpartikeln in Lösung haben Forscherinnen und Forscher eine besondere Eigenschaft verpasst. © RUB, Marquard

Die Natur ist bei der Katalyse teils effizienter als künstliche Systeme. Einen der Tricks haben sich Forscher abgeschaut: In ihrem metallischen Katalysator fand die gewünschte chemische Reaktion nicht wie üblich an der Partikeloberfläche statt, sondern in Kanälen im Inneren der Metallpartikel – und zwar mit dreifach höherer katalytischer Aktivität. Über diese sogenannten Nanozyme berichtet ein Team der University of New South Wales, Australien, und der Ruhr-Universität Bochum im "Journal of the American Chemical Society".

Aktive Zentren in Kanälen
Bei Enzymen liegen die aktiven Zentren, an denen die chemische Reaktion stattfindet, im Inneren. Die reagierenden Substanzen müssen durch einen Kanal aus der umgebenden Lösung zum aktiven Zentrum gelangen, wo aufgrund der räumlichen Struktur besonders günstige Reaktionsbedingungen herrschen. "Es wird vermutet, dass in den Kanälen zum Beispiel ein lokal veränderter pH-Wert herrscht und dass auch die elektronische Umgebung in den aktiven Zentren für die Effizienz natürlicher Enzyme verantwortlich ist", sagt Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann, Leiter des Bochumer Zentrums für Elektrochemie.

Kanäle in Nickel-Platin-Partikeln erzeugt
Um die Enzymstrukturen künstlich nachzuahmen, erzeugten die Forscher Partikel aus Nickel und Platin von rund zehn Nanometern Durchmesser. Durch chemisches Ätzen entfernten sie das Nickel anschließend wieder, wodurch sich Kanäle bildeten. Im letzten Schritt inaktivierten sie die aktiven Zentren an der Partikeloberfläche. "So konnten wir sicherstellen, dass nur die aktiven Zentren in den Kanälen an der Reaktion teilnehmen", erklärt Patrick Wilde, Doktorand am Zentrum für Elektrochemie. Die katalytische Aktivität der so hergestellten Partikel verglichen die Forscher mit der Aktivität von herkömmlichen Partikeln mit aktiven Zentren an der Oberfläche.

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Dreifach höhere Aktivität
Für den Test nutzte das Team die Sauerstoffreduktionsreaktion, die unter anderem die Grundlage für den Betrieb von Brennstoffzellen bildet. Aktive Zentren am Ende der Kanäle katalysierten die Reaktion dreimal effizienter als aktive Zentren an der Partikeloberfläche. "Die Ergebnisse zeigen das enorme Potenzial der Nanozyme", resümiert Dr. Corina Andronescu, Gruppenleiterin am Zentrum für Elektrochemie. Die Wissenschaftler wollen das Konzept nun auf andere Reaktionen, zum Beispiel die elektrokatalytische CO2-Reduktion, ausweiten und die Grundlagen der erhöhten Aktivität detaillierter untersuchen. "In Zukunft möchten wir die Arbeitsweise der Enzyme noch besser nachahmen können", ergänzt Schuhmann. "Letztendlich soll das Konzept zu industriellen Anwendungen beitragen, um Energieumwandlungsprozesse unter Nutzung von regenerativ erzeugtem Strom effizienter zu machen."

Förderung
Die Studie wurde finanziell unterstützt vom ARC Centre of Excellence in Convergent Bio-Nano Science and Technology (CE140100036), durch das ARC-Laureate-Fellowship-Programm (FL150100060), einen Grant des National Health and Medical Research Council (APP1075628), die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Exzellenzclusters Resolv (EXC1069), das Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen des Projekts "Nemezu" (03SF0497B) sowie den Fonds der Chemischen Industrie.

Publikation:
Tania M. Benedetti, Corina Andronescu, Soshan Cheong, Patrick Wilde, Johanna Wordsworth, Martin Kientz, Richard D. Tilley, Wolfgang Schuhmann, J. Justin Gooding: Electrocatalytic nanoparticles that mimic the three-dimensional geometric architecture of enzymes: nanozymes; in: Journal of the American Chemical Society, 2018. DOI: 10.1021/jacs.8b08664

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