Carbon Nanomembranen als Modellsystem zur Erforschung der nanoskaligen Heterogenität und vektoriellen Funktionalität von Proteinsystemen

• Antragsteller: Privatdozent Dr. André Beyer; Professor Dr. Karl-Josef Dietz
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 289861928

Carbon Nanomembranen (CNM) werden als Gerüst für die zwei- und dreidimensionale Anordnung von Proteinsystemen auf der Skala von Nanometern genutzt, ähnlich wie sie in biologischen Systemen realisiert ist. CNMs, die aus quervernetzten selbst assemblierenden Monolagen (SAMs) hergestellt wurden, weisen drei Eigenschaften mit Bedeutung für das Projekt auf: (i) Dicke von nur ca. 1 nm, (ii) Zugänglichkeit zur seitenspezifischen Funktionalisierung für die "Janus"-artige Bindung von Molekülen und (iii) ihre präferenzielle CO(2)-Permeabilität. Die Arbeiten basieren auf dem Konzept, dass diese Art von Protein/CNM-Systemen funktionelle Proteinsuperkomplexe mit spezifischen Eigenschaften von Nanokompartimenten nachbauen. Beispielhaft wird dies an biomimetischen Systemen für Reaktionen der CO(2)-Fixierung erfolgen. Zum Erreichen dieses Ziels werden CNM-Enzym-Modellsysteme und geeignete Nachweisverfahren entwickelt, um CO(2)-abhängige Prozesse im funktionalen Kontext der photosynthetischen CO(2)-Fixierung zu charakterisieren. Das Arbeitsprogramm gliedert sich in zwei Teile, wobei der erste Teil insbesondere die Messung und das "Tuning" der Permeabilität der CNM, sowie die Nutzung der CNM als Gerüst zur asymmetrischen Proteindeposition und deren Analyse umfasst. Im zweiten Teil werden diese Verfahren mit der gezielten Anordnung von Enzymen kombiniert und die CO(2)-Translokation und Effizienz der CO(2)-Fixierungsprozesse analysiert. Das "Tuning" wird die Erzeugung von Nanoporen und die asymmetrische Funktionalisierung umfassen. Zusammenfassend wird das Projekt neue Ansätze und Erkenntnisse darüber liefern, wie z. B. (i) physikochemische Prozesse durch unterschiedliche chemische Milieus, wie sie in der Nähe von Biomembranen auftreten, beeinflusst werden; (ii) sich vektorielle Flüsse ähnlich denen in Kohlenstoffkonzentrierungsmechanismen auf der Nanoskala etablieren lassen und (iii) ob und wie sich die relative Permeabilität von CNMs gegenüber CO(2) und Wasser einstellen lässt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen