Zwei- und dreidimensional organisierte Strukturen biologisch-chemischer Hybridmaterialien
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projektes wurde der Einsatz von Purpurmembranen (PMs) aus Halobacterium salinarum, die aus Lipiden und Bakteriorhodopsin (BR) bestehen, als Templat zur Konstruktion zwei- und dreidimensionaler Hybridverbindungen erprobt. Sowohl chemische als auch molekularbiologische Techniken kamen zum Einsatz. Auf genetischem Wege wurden diverse funktionelle Polypeptidsequenzen in den C-Terminus von BR eingebaut. Obwohl der Einbau von Sequenzen auch großer Fusionsproteine wie z.B. der PCP-Domäne auf DNA-Ebene nachgewiesen werden konnte, wurden in den Hochsalzbedingungen von Halobacterium salinarum (3 M NaCl) nur kürzere Aminosäuresequenzen exprimiert, darunter eine Arg7-Sequenz, die spezifisch an entsprechende Arginin-Pinzetten bindet. Die selektive Anbindung von PM-Arg7 an mit Argininpinzetten belegte Oberflächen wurde mit spektroskopischen Mitteln nachgewiesen. Die seitenspezifische Anbindung von Purpurmembranen auf Goldoberflächen gelang mit der Mutante PM-Q3C, die über Thiol-Gruppen chemisch anbindet. Es wurde mit Hilfe von Einzelmolekül-Kraftspektroskopie gezeigt, dass in etwa 50% der Bakteriorhodopsinmoleküle tatsächlich an ein Goldatom der Oberfläche gebunden sind. Zur ortsspezifischen Anbindung von PM auf Oberflächen wurden selbstorganisierte Alkanthiol-Monoschichten (SAMs) auf Gold erprobt. Es wurde ein Verfahren entwickelt, mit dessen Hilfe Alkanthiol-Monoschichten auf Gold mikrostrukturiert werden können. Grundlage dieses Verfahrens ist der Austausch von Alkanthiolen durch die laserinduzierte Desorption von Alkanthiolen im ersten Schritt und die in-situ-Belegung der Leerstellen durch Alkanthiole aus der darüber befindlichen Lösung. Ein weiterer Schwerpunkt des Projektes bildete die dreidimensionale Strukturierung von PM. Es wurde gefunden, dass die laserinduzierte Mikrostrukturierung von PM-Filmen nur zu einem kleineren Teil auf eine Strukturänderung des BR und zu einem großen Teil durch sekundäre thermische Effekte von BR verursacht wird. Weiter konnten wir zeigen, dass Konformationsänderungen im Photozyklus des BR, bedingt durch den hohen Wechselwirkungsgrad im zweidimensionalen Kristallverband der PM, zu einer makroskopischen Krümmung der Gesamtmembran führen. Mit speziellen Mutanten, die den für die Krümmung der Membran verantwortlichen keilförmigen Zwischenzustand akkumulieren, konnten wir die Krümmung freisuspendierter Membranen erstmalig mit bildgebenden Verfahren nachweisen. Die entsprechende Veröffentlichung lieferte das Titelbild für Ausgabe 41/112 des Journal of Physical Chemistry B. Hybridverbindungen aus dem von biologischem Substrat Purpurmembran und anorganischen Komponenten wurde am Beispiel der Biomineralisation einzelner PMs sowie ganzer PM-Stapel gezeigt. Auf diese Weise wurden zwei- und dreidimensionale Hybridverbindungen erzeugt, in denen die Stabilität von PM gegenüber organischen Lösungsmitteln signifikant erhöht ist.
Publications
- Forming Micro Structured Alkanethiol Self-Assembled Monolayers on Gold by Laser Ablation. IEEE Trans. NanoBioscience 3, (2006) 188
D. Rhinow, N. Hampp
(See online at https://doi.org/10.1109/TNB.2006.880830) - Morphology of solid supported protein monolayers in dependence on substrate and protein surface properties. Langmuir 22, (2006) 7185-719
A. Schönafinger, A. Morbitzer, D. Kreß, L.-O. Essen, F. Noll, N. Hampp
(See online at https://doi.org/10.1021/la0530182) - Oriented Purple Membrane Monolayers Covalently Attached to Gold by Multiple Thiole Linkages Analyzed by Single Molecule Force Spectroscopy. Langmuir, 23 (2007) 11135-11138
M. Schranz, F. Noll, N. Hampp
(See online at https://doi.org/10.1021/la7019928) - Purple Membranes as Microscaled Nanopatterned Biosubstrates for Reversible Attachment of Biocomponents. Soft Matter, 3 (2007) 707-712
T. Fischer, N. Hampp
(See online at https://doi.org/10.1039/B618657B) - Solid-Supported Multi-Component Patterned Monolayers. Adv. Mat., 19 (2007) 1967-1972
D. Rhinow, N. Hampp
(See online at https://doi.org/10.1002/adma.200602387) - Bioinspired Nanoencapsulation of Purple Membranes. Soft Matter, 4 (2008) 1249-1254
A. Schönafinger, S. Müller, F. Noll, N. Hampp
(See online at https://doi.org/10.1039/B718150G) - Light- and pH-dependent conformational changes in protein structure induce strong bending of purple membranes - Active membranes studied by Cryo-SEM. J. Phys. Chem. B, 112 (2008) 13116-13120
D. Rhinow, N. Hampp
(See online at https://doi.org/10.1021/jp803510t) - Sugar Induced Blue Membrane: Release of Divalent Cations During PhaseTransition of Purple Membranes Observed in Sugar-Derived Glasses. J. Phys. Chem. B, 112 (2008) 4613-4619
D. Rhinow, N. Hampp
(See online at https://doi.org/10.1021/jp710694s) - Structure and Properties of Silicified Purple Membrane Thin Films. Biomacmmolecules, 10 (2009) 2767-2771
A. M. Collins, D. Rhinow, N. Hampp, S. Mann
(See online at https://doi.org/10.1021/bm900625u) - Assembly of Poly(methacrylate)/Purple Membrane Lamellar Nanocomposite Films by Intercalation and in situ Polymerization. J.MaterChem, 20 (2010) 9037-9041
A. M. Collins, N. H. M. Kaus, F. Speranza, W. H. Briscoe, D. Rhinow, N. Hampp, S. Mann
(See online at https://doi.org/10.1039/C0JM01358G) - Bending of Purple Membranes in Dependence on the pH Analyzed by AFM and Single Molecule Force Spectroscopy. Phys.Chem.Chem.Phys., 12 (2010) 4329-4335
R.-P. Baumann, M. Schranz, N. Hampp
(See online at https://doi.org/10.1039/B919729J) - Dynamics of Bacteriorhodopsin in Solid-Supported Purple Membranes Studied with Tapping-Mode Atomic Force Microscopy. J.Phys.Chem. B, 114 (2010) 9047-9053
M. Schranz, R.-P. Baumann, D. Rhinow, N. Hampp
(See online at https://doi.org/10.1021/jp102377c) - pH-Dependent Bending In and Out of Purple Membranes Comprising BR-D85T. Phys.Chem.Chem.Phys, 13 (2011) 21375-21382
R.-P. Baumann, J. Eussner, N. Hampp
(See online at https://doi.org/10.1039/C1CP22098E)
