Synthese langkettiger symmetrischer Bolaphospholipide und physiko-chemische Charakterisierung ihrer Aggregatstrukturen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Untersuchung der Selbstaggregation von langkettigen symmetrischen Bolalipiden ergab eine Reihe von interessanten und neuartigen Ergebnissen, die sich von vornherein nicht hätten vorhersagen lassen. Der erste Punkt ist dabei die Tatsache, dass diese Verbindungen eine neue Aggregationsstruktur in der Form von helikalen Nanofasern zeigen, die vorher nicht bekannt war. Diese helikalen Strukturen müssen als Racemat vorliegen, da die Verbindungen selber nicht chiral sind. Durch hochauflösende AFM und durch Cryo-EM konnten diese helikalen Strukturen und ihre Periodizität nachgewiesen und durch ein coarse-grained-Modell simuliert werden. Die Fasern bilden Netzwerke, die zu einem Hydrogel mit bisher nicht bekannten Eigenschaften führen. Die rheologischen Untersuchungen zeigten, dass es sich um ein viskoelastisches Gel handelt, dessen Eigenschaften zwischen denen von Gelen aus amphiphilen Stoffen, die sich zu Wurmmizellen zusammenlagern, und denen von Gelen aus biologischen Materialien, die relativ steife Netzwerke bilden, liegt. Veränderung der Temperatur führt bei einer ganz bestimmten Temperatur zu einem Zerfall der Nanofasern in Nanopartikel bzw- Mizellen. Diese Temperatur hängt von der chemischen Struktur des Bolalipids ab. Beim Zerfall in Mizellen bricht auch die Gelstruktur zusammen. Der Zerfall ist hoch kooperativ und sein Mechanismus bisher noch nicht verstanden. Der Zerfall ist auf jeden Fall zumindest teilweise bedingt durch eine Fluidisierung der Ketten. Des Weiteren beobachtet man in vielen Fällen eine Umwandlung zwischen zwei verschiedenen Arten von Mizellen, die sich in der Fluidität der Ketten der Bolalipide unterscheiden, während die Größe der Mizellen nahezu unverändert bleibt. Die Natur dieser Mizell-Mizell-Umwandlung und das Packungsmuster der Moleküle in den Mizellen sind weiterhin ungeklärt und bedürfen weiterer Untersuchungen. Die Variation der chemischen Struktur bezüglich der Größe der Kopfgruppe und der Länge der Alkylkette zeigt, dass die Nanofasern bei Raumtemperatur für viele Bolalipide die stabile Aggregatform sind. Eine Verkürzung der Kette führt zu einer Erniedrigung der Umwandlungstemperatur für den Zerfall der Fasern in Mizellen. Eine Verkleinerung der Kopfgruppe führt in der Regel zur Ausbildung von lamellaren Strukturen, dies wird dann gleichzeitig auch durch eine Verlängerung der Kette begünstigt. Störungen in der Alkylkette durch Einbau von Heteroatomen oder Dreifachbindungen führen zu einer Verringerung der Stabilität der Fasern. Bei Bolalipiden mit dissoziierbaren Protonen in der Kopfgruppe lässt sich die Faserstabilität durch pH und Salzzusatz verändern. Dadurch entstehen neben der Schaltbarkeit der Gele durch Temperatur auch solche, die durch den pH und den Salzgehalt schaltbar werden. An die Bolalipide lassen sich auch Gold- Nanopartikel binden, so dass lineare Anordnungen von Gold-Nanopartikeln erhältlich sind. In weiteren Versuchen, die noch nicht publiziert sind, konnten die Nanofasern als Template für die Silifizierung benutzt werden. Auch an diese silifizierten Nanofasern lassen sich Gold-Nanopartikel binden. Außerdem können diese Systeme auch calciniert werden, so dass möglicherweise sehr dünne Kieselgelhohlfasern mit einem Innendurchmesser von nur 5 nm hergestellt werden können. Die Wandstärke der Fasern beträgt dabei nur 2-3 nm. Versuche Bolalipide mit zwei mittelständigen Dreifachbindungen zur Bildung von Nanofasern einzusetzen, die dann polymerisiert werden können, waren nur teilweise erfolgreich. Dies lag daran, dass die Einführung von Dreifachbindungen die Aggregation stört, d.h. die Nanofasern sehr schnell und bei niedriger Temperatur in Mizellen zerfallen. Polymerisationsversuche ergaben dann nur einen geringen Polymerisationsgrad, da die sterische Anordnung der Ketten für die Polymerisation nicht optimal war. Versuche, Bolalipide zur Stabilisierung von Liposomen aus normalen Lipiden einzusetzen, waren nicht erfolgreich, da die Systeme Entmischungserscheinungen zeigten auf Grund von sterischen Packungsproblemen innerhalb der Lipiddoppelschichten. Zusammenfassend kann man sagen, dass das Projekt neue Prinzipien der Selbstassoziation von amphiphilen Molekülen in wässriger Lösung aufgezeigt hat. Offene Fragen bestehen bei der Aufklärung der Natur der Umwandlung von Nanofasern in Mizellen, der Ursache der Mizell-Mizell- Umwandlung und bei der möglichen Verwendung der Hydrogele und der mizellaren Systeme. Letztere könnten als mizellare Drug-Delivery-Systeme mit sehr niedriger kritischer Aggregationskonzentration dienen, bei denen sich die Bolalipide auch nur schlecht in Membranen einbauen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Self-Assembly in a Bipolar Phosphocholine-Water System: The Formation of Nanofibers and Hydrogels. Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 245-247 und Angew. Chem. 2004, 116, 247-249
K. Köhler, G. Förster, A. Hauser, B. Dobner, U. F. Heiser, F. Ziethe, W. Richter, F. Steiniger, M. Drechsler, H. Stettin, and A. Blume
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Temperature-Dependent Behavior of a Symmetric Long-Chain Bolaamphiphile with Phosphocholine Headgroups in Water: From Hydrogel to Nanoparticles. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 16804-16813
K. Köhler, G. Förster, A. Hauser, B. Dobner, U. F. Heiser, F. Ziethe, W. Richter, F. Steiniger, M. Drechsler, H. Stettin, and A. Blume
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Conformational and thermal behavior of a pH-sensitive bolaform hydrogelator. Soft Matter 2006, 2, 77-86
K. Köhler, A. Meister, G. Förster, B. Dobner, S. Drescher, F. Ziethe, W. Richer, F. Steininger, M. Drechsler, G. Hause, and A. Blume
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Temperature-Dependent Aggregation Behavior of Symmetric Long-Chain Bolaamphiphiles at the Air-Water Interface. Langmuir 2006, 22, 2668-2675
K. Köhler, A. Meister, B. Dobner, S. Drescher, F. Ziethe, and A. Blume
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Evidence for a Reverse U-Shaped Conformation of Single-Chain Bolaamphiphiles at the Air-Water Interface. Langmuir 2007, 23, 6063-6069
A. Meister, M. J. Weygand, G. Brezesinski, A. Kerth, S. Drescher, B. Dobner, and A. Blume
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General Synthesis and Aggregation Behaviour of a Series of Single-chain 1,ω-Bis(phosphocholines). Chem. Eur. J. 2007, 13, 5300-5307
S. Drescher, A. Meister, A. Blume, G. Karlsson, M. Almgren, and B. Dobner
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Mixing Behavior of a Symmetrical Single-Chain Bolaamphiphile with Phospholipids. Soft Matter 2007, 3, 1025-1031
A. Meister, K. Köhler, S. Drescher, B. Dobner, G. Karlsson, K. Edwards, G. Hause, and A. Blume
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Self-assembly of bipolar amphiphiles. Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 2007, 12, 138-147
A. Meister, and A. Blume
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Structure-Property Relationship in Stimulus-Responsive Bolaamphiphile Hydrogels. Langmuir 2007, 23, 7715-7723
A. Meister, M. Bastrop, S. Koschoreck, V. M. Garamus, T. Sinemus, G. Hempel, S. Drescher, B. Dobner, W. Richtering, K. Huber, and A. Blume
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General Synthesis and Aggregation Behaviour of Novel Single-chain Bolaphospholipids: Variations in Chain and Headgroup Structures. Chem. Eur. J. 2008, 14, 6796-6804
S. Drescher, A. Meister, G. Graf, G. Hause, A. Blume, and B. Dobner
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Helical Nanofibers of Self-Assembled Bipolar Phospholipids as Template for Gold Nanoparticles. J. Phys. Chem. B 2008, 112, 4506-4511
A. Meister, S. Drescher, I. Mey, M. Wahab, G. Graf, V. M. Garamus, G. Hause, H.-J. Mögel, A. Janshoff, B. Dobner, and A. Blume
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Temperature-dependent Self-assembly and Mixing Behavior of Symmetrical Single-chain Bolaamphiphiles. Langmuir 2008, 24, 6238-6246
A. Meister, S. Drescher, V. M. Garamus, G. Karlsson, G. Graf, B. Dobner, and A. Blume
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Amino-functionalized single-chain bolalipids: Synthesis and aggregation behavior of new basic building blocks. Biophys. Chem. 2010, 150, 136-143
S. Drescher, G. Graf, G. Hause, B. Dobner, and A. Meister
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Formation of Square Lamellae by Self-Assembly of Long-Chain Bolaphospholipids in Water. Soft Matter 2010, 6, 1317-1324
A. Meister, S. Drescher, G. Karlsson, G. Hause, U. Baumeister, G. Hempel, V. M. Garamus, B. Dobner, and A. Blume
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Synthesis of Novel Symmetrical, Single-chain, Diacetylene-modified Bolaamphiphiles with Different Alkyl Chain Lengths. Monatsh. Chem. 2010, 141, 339-349
S. Drescher, K. Helmis, A. Langner, and B. Dobner
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Self-Assembled Bolaamphiphile Fibers have Intermediate Properties between Crystalline Nanofibers and Wormlike Micelles: Formation of Viscoelastic Hydrogels Switchable by Changes in pH and Salinity. J. Phys. Chem. B 2011, 115, 10478-10487
G. Graf, S. Drescher, A. Meister, B. Dobner, and A. Blume
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Synthesis of Optical Pure Diglyceroltetraether Model Lipids with Non-Natural Branching Pattern. Eur. J. Org. Chem. 2011, 5894-5904
T. Markowski, S. Drescher, A. Meister, G. Hause, A. Blume, and B. Dobner
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Bis-Sonogashira Cross-Coupling: An Expeditious Approach towards Long-Chain, Phenylene- Modified 1,ω-Diols. RSC Advances 2012
S. Drescher, S. Becker, B. Dobner, and A. Blume
