Project Details
Projekt
Koordination der Forschungsgruppe 1145
Applicant
Professor Dr. Jörg Kreßler
Subject Area
Biological and Biomimetic Chemistry
Term
from 2010 to 2018
Project identifier
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 80053741
Nachdem in der ersten Förderperiode der Forschergruppe bewiesen werde konnte, dass neuartige polyphile Moleküle bzw. Nanopartikel in Lipidmono- und –doppelschichten eingebaut werden können (proof of concept), sollen nun polyphile Moleküle bzw. Makromoleküle synthetisiert werden, die eine gezielte Funktionalität hervorrufen können. Für die Lipidmembranen werden im Wesentlichen wieder die typischen Vertreter DPPC, DMPC und DOPC ausgewählt, wobei auch deren Chiralität variiert werden soll bzw. es kommen racemische Mischungen zum Einsatz. Im TP1 werden T- und X-förmige Polyphile synthetisiert, um allgemeingültige Zusammenhänge zwischen Molekülstruktur und den Wechselwirkungen mit Lipidmembranen zu erforschen. Insbesondere sollen die Aspekte der Kompartimentierung, Membranstabilisierung und Porenbildung sowie der Membranfragmentierung (z.B. der Bildung von Bizellen) untersucht werden. Diese Fragestellung gilt analog auch für das TP2 und das TP3, wobei es sich bei den polyphilen Molekülen um funktionalisierte Nanopartikel handelt bzw. um Blockcopolymere mit s.g. Beta-turns oder perfluorierten Einheiten. Für alle synthetisch arbeitenden Projekte (TP1 bis 3) gilt, dass natürlich das Selbstaggregationsverhalten der polyphilen Moleküle bzw. Makromoleküle in Wasser charakterisiert werden muss, da dieses in Konkurrenz zum Einbau in und an Membranen steht. Da auch die Chiralität der Phospholipide in den Modellmembranen gezielt variiert werden kann, soll der Einfluss der Polymerchiralität auf die Membraneigenschaften im Detail untersucht werden (chiral recognition). Diese Arbeiten werden durch entsprechende Arbeiten mit Hilfe der 19F-NMR Spektroskopie im TP5 und mit Simulationen im TP7 begleitet. Das Selbstaggregtionsverhalten der polyphilen Moleküle des TP1 wie z.B. A6/6 soll neben der Cryo-TEM auch mit Röntgenstreuuntersuchungen aufgeklärt werden. An den polyphilen Molekülen, die bisher in Monoschichten an der Wasser-Luft Grenzfläche mit Hilfe der Bestimmung der Lagmuir-Isothermen, der Brewsterwinkel- Mikroskopie und der Epifluoreszenz-Mikroskopie untersucht wurden, sollen zusätzliche Röntgenreflexions-Messungen durchgeführt werden. Nachdem bereits mit Hilfe der IRRAS Strukturmodelle entwickelt wurden, kann die Information der Schichtdicke zu einer weiteren Verfeinerung der Strukturmodelle dienen. Detaillierte mikroskopische, spektroskopische und Streuuntersuchungen werden an GUVs und Bizellen aus Lipiden und polyphilen Molekülen der AG Tschierske durchgeführt. In Zusammenarbeit mit der AG Kressler (TP3) und Tschierske (TP1) werden thermodynamische Daten zu den Wechselwirkungen Lipid/Polyphil mit Hilfe von DSC- und ITC Messungen erhalten. Nachdem die ATR-FTIR- und besonders die IRRAS-Methode in der ersten Förderperiode erfolgreich etabliert wurden und erste Veröffentlichungen vorliegen, sollen diese Methoden detaillierte Aufschlüsse zu den Wechselwirkungen der Lipidkopfgruppen und der Fettsäurereste mit den Polyphilen liefern. Mit den oben erwähnten Methoden werden weiterhin Substanzen der AG Binder (TP2) untersucht. Zusätzlich zu diesen Ansätzen werden Methodiken der AG Saalwächter (TP5) und der AG Bacia (TP6) eingesetzt. Die AG Sebastiani (TP7) wird die Messungen durch Computersimulationen unterstützen und theoretische Modelle zu den Daten anpassen. Da in der beantragten Förderperiode die polyphilen Moleküle im TP1 (AG Tschierske) z.B. systematisch in der Größe der hydrophilen Kopfgruppe variiert werden und im TP3 (AG Kressler) Blockcopolymere mit unterschiedlichen Längen der hydrophilen und lipophilen Blöcke synthetisiert werden, besteht jetzt die Möglichkeit, ihre Wechselwirkungen mit Phospholipiden (z.B. DMPC; DPPC und DOPC) systematisch zu untersuchen. Außerdem sollen bisher beobachte Inhomogenitäten der Trans19 membrandiffusion untersucht werden. Letztendlich wird es dann möglich sein, ein Verständnis für Wasser- bzw. Protonenpermeabilität der Lipid/Polyphil-Membranen zu erhalten. Im Zusammenhang mit dem Neuantrag TP6 ist geplant, quantitative Informationen zur Orientierung von Bolaamphiphilen der AG Tschierske und Nanopartikel/ Blockcopolymer-Systemen der AG Binder in GUVs durch Untersuchung der Fluoreszenzpolarisation zu erhalten. Dazu wird die Herstellung von GUVs (z.B. durch Elektroformation) optimiert. In einem weiteren Arbeitsgebiet ist vorgesehen, die Deformierbarkeit der Membranen unter Einfluss von Proteingerüsten zu untersuchen. Auch die AG Sebastiani (Professur für Physikalische Chemie an der Martin-Luther- Universität Halle-Wittenberg seit September 2012) soll mit dem TP7 neu in die Forschergruppe integriert werden. Die Expertise der AG Sebastiani der Elektronenstrukturrechnungen und der ab-initio Molekulardynamiksimulation von supramolekularen Systemen passt hervorragend in das Arbeitsgebiet. Speziell ist vorgesehen, den Einbau der triphilen Blockcopolymere (TP3) und der X-förmigen Bolaamphiphile (TP1) in Lipidmembranen mit Hilfe von Molekulardyanmik (MD)- Simulationen auf atomistischer Ebene zu betrachten. Insbesondere die Lokalisierung der fluorierten Segmente der triphilen Blockcopolymere und der X-förmigen Bolaamphiphile an/in der Membran soll untersucht werden. Dazu wird auch das Verhältnis von Selbstaggregation in Wasser zum Einbau in die amphiphilen Membranen berücksichtigt. Weiterhin sollen das Diffusionsverhalten der Phospholipide sowie lokale Dichtefluktuationen unter Einfluss der Polyphilen simuliert werden. Diese Daten können direkt mit den Ergebnissen der NMR-Messungen im TP5 (AG Saalwächter) verglichen werden. Zusätzlich sollen Informationen über die innere Konformationsverteilung in Blockcopolymeren mit schaltbaren Beta-turns (TP2, AG Binder) erhalten werden.
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