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Zwei- und dreidimensional organisierte Strukturen biologisch-chemischer Hybridmaterialien

Subject Area Biological and Biomimetic Chemistry
Term from 2003 to 2009
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5469960
 
Final Report Year 2014

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.

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