Aufklärung des Bildungsmechanismus von Eumelaninpartikeln und gezielte Isolierung von Zwischenstufen
Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der durch Tyrosinase katalysierte Aufbau von Eumelaninpigmenten erfolgt gemäß dem aktuellen Stand der Forschung nach einem vierstufigen Prozess. Im ersten Schritt polymerisiert L-Dopa, katalysiert durch Tyrosinase, zu flachen Oligomeren aus Indolderivaten als den Grundbausteinen. Die Oligomere assoziieren zu Protopartikeln und diese wiederum in einem dritten Schritt zu sphärischen A-Teilchen, welche sich schließlich über eine letzte Assoziation zu wiederum sphärischen B-Teilchen zusammenlagern. Der gesamte Aufbau wird durch eine Alterung begleitet und/oder abgeschlossen. Wichtigstes Ziel des Projektes war die Isolierung möglichst vieler Zwischenstufen der Pigmentbildung sowie der Aufklärung möglichst umfangreicher Teile des Bildungsmechanismus mit Hilfe der UV-vis Spektroskopie und zeitauflösender Lichtstreuung. Durch eine detaillierte Untersuchung der Reaktionsbedingungen gelang eine gezielte Darstellung von A-Teilchen bei pH > 6.2. Ihren Einsatz zum weiteren Aufbau von B-Teilchen nach Bedarf belegt eindrucksvoll die erfolgreiche Stabilisierung dieser Zwischenstufe. Der Bildungsmechanismus von B-Teilchen aus A-Teilchen konnte weitgehend aufgeklärt werden. Um die Bildung von B-Teilchen in Gang zu setzen, ist eine Mindestkonzentration an A-Teilchen erforderlich. Erst wenn diese kritische Konzentration überschritten ist, setzt das Wachstum zu B-Teilchen ein. Der Bildungsmechanismus erfolgt je nach pH-Wert nach einem Monomer-Additions-Mechanismus, mit den A-Teilchen als Monomerbausteine, oder nach einem Stufenwachstum, bei welchem sich jedes Intermediat mit jedem anderen Intermediat zum entsprechenden Assoziationsprodukt zusammenlagern kann. Eine Rückbildung von A-Teilchen aus einmal gebildeten B-Teilchen ist nur während eines kurzen Zeitraums nach Start der Reaktion möglich. Die Reversibilität wird also durch Alterungsprozesse in den gebildeten Teilchen langsam aufgehoben. Die im Rahmen des vorliegenden Projektes erarbeiteten Ergebnisse befördern eine gezielte Entwicklung neuer Materialien aus Nanopartikeln z. B. mit besonderen optischen oder magnetischen Eigenschaften.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Building mechanism and controlled synthesis of eumelanin particles. 17th Zsigmondy Colloquium 2022 of the German Colloid Society
Kollmann, F.; Büngeler, A.; Strube, O.I. & Huber, K.
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Gezielte Synthese definierter Eumelanin-Pigmentpartikel. 2022, Tagungsbeitrag: Jahrestagung GDCh Fachgruppe Lackchemie, Würzburg, Deutschland
Hense, D.; Büngeler, A. & Strube, O. I.
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Structural Analysis of early Eumelanin intermediates and their growth mechanisms. 2022, ESRF, Grenoble, Experiment number SC-5172
Kollmann, F.; Büngeler, A. & Huber, K.
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Targeted Synthesis of the Type-A Particle Substructure from Enzymatically Produced Eumelanin. Biomacromolecules, 23(3), 1020-1029.
Büngeler, Anne; Kollmann, Fabian; Huber, Klaus & Strube, Oliver I.
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Targeted Synthesis of Eumelanin Pigment Particles. 2023, Tagungsbeitrag: Coatings Science International (CoSI), Noordwijk, Niederlande
Hense, D.; Büngeler, A.; Huber, K. & Strube, O. I.
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Analysis of the Growth Mechanism of Eumelanin Particles by Time-Resolved Static and Dynamic Light Scattering. Biomacromolecules, 26(5), 3104-3112.
Kollmann, Fabian; Büngeler, Anne; Splett, Miriam; Strube, Oliver I. & Huber, Klaus
