Steuerbare Proteinschleusen

Künstliche Nanobläschen lassen sich bei Bedarf öffnen

Forschern der Universität Basel ist es gelungen, Proteinschleusen für künstliche Nanobläschen zu konstruieren, die nur unter bestimmten Bedingungen durchlässig werden – sie öffnen sich bei einem sauren pH-Wert.

Nanobläschen mit geschlossenen Proteinschleusen (rot). (Bild: Uni Basel)

Dadurch wird eine Reaktionskette in Gang gesetzt und Wirkstoffe können am gewünschten Ort freigesetzt werden. Dies zeigt eine Studie im Journal „Nano Letters“.

Winzige Nanobläschen können Wirkstoffe schützen, bis sie am Zielort im Körper angekommen sind. Um dort eine chemische Reaktion auszulösen und den Inhalt freizugeben, muss die Hülle der synthetisch hergestellten Bläschen zum richtigen Zeitpunkt durchlässig werden.

Forscher des Swiss Nanoscience Institutes Institutes und des NCCR Molecular Systems Engineering um Prof. Cornelia Palivan haben nun eine Schleuse für die Membranen entwickelt, die sich bei Bedarf öffnet. So werden die Enzyme im Innern einer Nanokapsel genau unter den richtigen Bedingungen aktiv und wirken unmittelbar am erkrankten Gewebe.

Reaktion auf pH-Veränderungen
Die Schranke besteht aus dem chemisch veränderten Membranprotein OmpF, das auf bestimmte pH-Werte reagiert. Beim neutralen Wert im menschlichen Körper ist die Membran undurchlässig – trifft sie aber auf einen sauren pH-Bereich, öffnet sich die Proteinschleuse und Stoffe aus der Umgebung können in die Nanokapsel eintreten. Es kommt zu einer Reaktion von Kapselinhalt und eintretendem Substrat. Das Produkt dieser Reaktion wird anschließend durch die geöffnete Schleuse freigegeben. Dieses Vorgehen könnte zum Beispiel bei entzündetem oder krebsbefallenem Gewebe zur Anwendung kommen, da diese oftmals einen leicht sauren pH-Wert aufweisen.

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Bisher wurden für die Durchlässigkeit von Nanobläschen natürliche Proteine verwendet, die wie Poren in der Schutzmembran funktionierten, durch die das Substrat und das Produkt der Enzymreaktion ein- und austreten konnten. In Bereichen wie der Medizin oder der kontrollierten Katalyse braucht es aber eine präzisere Ausschüttung, um eine möglichst große Effizienz des Wirkstoffs zu erreichen. In Zusammenarbeit mit Prof. Wolfang Meiers Team gelang es den Chemikern um Prof. Palivan erstmals, ein chemisch verändertes Membranprotein in eine künstlich hergestellte Nanokapsel zu integrieren, die sich nur bei bestimmten pH-Werten öffnet.

Die Experimente sind Teil des Nationalen Forschungsschwerpunkts Molecular Systems Engineering sowie des Swiss Nanoscience Institutes (SNI) an der Universität Basel.

Originalbeitrag:
T. Einfalt, R. Goers, I.A. Dinu, A. Najer, M. Spulber, O. Onaca-Fischer, C. G. Palivan: Stimuli-triggered activity of nanoreactors by biomimetic engineering polymer membranes. Nano Letters, DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b03386.

Weitere Auskünfte:
Tomaz Einfalt
Universität Basel, Departement Chemie, Swiss Nanoscience Institute
E-Mail: tomaz.einfalt@unibas.ch

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