pH betriebene artifizielle hybride Architekturen als Modellsysteme für direktionale Bewegung und Transport

• Antragsteller: Dr. Friedrich Stricker
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 520766332

Grundbausteine von biologischen Systemen sind Materialien und Systeme, die sich ihrer Umgebung anpassen beziehungsweise diese beeinflussen. Um dies zu erzielen, ist ein Zusammenspiel von physischen und chemischen Stimuli nötig, die Rollen und Funktionen kontrollieren und betreiben. Materialwissenschaften beschäftigen sich mit diesen Materialien, um diese zu verstehen und letztendlich zu imitieren. Einer dieser komplexen Prozesse ist die Umwandlung von chemischer Energie in mechanische Bewegung durch Motorproteine. Diese sind für den Transport von Proteinen und Molekülen innerhalb von Zellen als auch für die makroskopische Bewegung von Muskeln verantwortlich. Ein biomimetischer Ansatz zu Motorproteinen ist für Soft Robotics oder für die Kontrolle von Lokalisierung und Transport in out-of-equilibrium Systemen interessant. In meinem Projekt werde ich ein bereits von Prof. Aizenberg und Ihrer Arbeitsgruppe etabliertes hydrogel-betriebenes integriertes responsives System (HAIRS) mit einem Bindungs- und Freigabeprozess kombinieren, um die Funktion von Motorprotein zu imitieren. HAIRS verwenden das Stimulus induzierte Aufschwellen von Hydrogelen, um eingebettete steifere Nanosäulen aus Polymeren zu biegen. Um nun diese Biegung in Transport von sekundären Partikeln oder Objekten umzuwandeln, müssen sich die Nanosäulen vor der Beugung an ein zweites Objekt oder Partikel binden, diese nach der Beugung wieder freigeben und erst nach Relaxation der Beugung erneut binden. Das Ausmaß der Schwellung des Hydrogels – und somit die Richtung und Ausmaß der Beugung der Nanosäulen – kann mit externen Stimuli wie zum Beispiel Licht oder pH-Wert/Umgebung kontrolliert werden. In diesem Projekt werden Änderungen des pH-Werts die Bewegung und durch pH responsive kovalente Bindungen den Bindungs-/Freigabeprozess auslösen, um beide Prozesse durch denselben Stimulus in der korrekten zeitlichen Reihenfolge ablaufen zu lassen. Dieser Prozess führt zu Bereichen mit erhöhter Konzentration von Partikeln analog zum Transport von Energieträgern oder Proteinen in Organismen. Diese Bereiche können dann durch die Verwendung eines orthogonalen Stimulus in Licht in situ kontrolliert werden. Um diese Prozesse zu demonstrieren, werden die Partikel mit einem Katalysator für eine visualisierbare Reaktion beschichtet. Dies ermöglicht die kontrollierbare Lokalisierung von Reaktivität, eine der Grundprinzipien von biologischen Prozessen. Wenn dieses System an einen chemischen pH-Oszillator gekoppelt wird, führt dies zu von einem chemischen Energieträger betriebener, autonomer Bewegung. Der pH-Oszillator hält dann das out-of-equilibrium System und die Lokalisierung kontinuierlich aufrecht, bis keine neuen Chemikalien mehr zugeführt werden. Dieses proof-of-principle Projekt ebnet den Weg für die Lokalisation von mehreren Reaktionen in einem komplexen System durch einen biomimetischen Ansatz zu zellulärem Transport und biologischen Muskeln.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeberin: Professorin Dr. Joanna Aizenberg