Morphologie, Stabilität und kontrollierte Dissoziation DNA-haltiger Polyelektrolytkomplexmizellen: Ein koordinierter Ansatz aus Experiment und Theorie

• Antragsteller: Professor Dr. Arash Nikoubashman
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und Theoretische Polymerphysik ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 566821156

Das Aufkommen von DNS und RNS als Wirkstoffe für Therapeutika und Impfstoffe hat einen dringenden Bedarf an Materialien geschaffen, die in der Lage sind, diese geladenen Biopolymere für eine effektive Zellaufnahme zu kondensieren und zu verkapseln. Polyelektrolytkomplexmizellen (PKM), die durch die Kombination von DNS-Konjugaten mit kationischen Polymeren gebildet werden, stellen eine vielversprechende Plattform für diesen Zweck dar. Die DNS-Konjugate werden durch eine einfache Kopplungsreaktion synthetisiert, bei der die negativ geladene DNS mit einem neutralen hydrophilen Polymer verknüpft wird. Diese Konjugate werden anschließend mit Polykationen kombiniert, um nanometergroße PKM zu bilden, die aus einem Polyelektrolytkomplex-Kern und einer neutralen hydrophilen Korona bestehen. PKM schützen die DNS-Moleküle effektiv vor Degradation, und ihre einstellbare Größe sowie ihre Oberflächeneigenschaften sind gut geeignet, um die Transfektion über die negativ geladene Zellmembran zu erleichtern. Trotz ihres vielversprechenden Potenzials fehlt es noch an einem grundlegenden Verständnis darüber, wie makromolekulare Eigenschaften die Morphologie, Stabilität und Reaktivität von PKM bestimmen. Um diese Wissenslücke zu schließen, werden wir in diesem Projekt grundlegende Designprinzipien für die Bildung und Dissoziation von PKM etablieren, indem wir Experimente mit vergröberten Molekularsimulationen kombinieren. Konkret werden wir systematisch untersuchen, wie die Länge und Architektur der Einzelstrang-DNS-Poly(ethylenglycol) (ssDNS-PEG)-Konjugaten sowie der Polykationen die PKM-Morphologie und -Stabilität beeinflussen. Darüber hinaus werden wir die Kondensation großer DNS-Moleküle durch eine modifizierte PKM-Strategie erforschen, die die Hybridisierung kleiner DNS-Konjugat-Hilfsmoleküle an große DNS-Ziele nutzt, um pseudo-Blockcopolymere für eine effektive Komplexbildung mit Polykationen zu erzeugen. Ein zentrales Ziel besteht darin, die Balance zwischen Duplexstabilität und PKM-Integrität zu optimieren sowie den Einsatz mehrerer Hilfsmoleküle zu untersuchen, um den PKM-Kern zu verdichten. Schließlich werden wir die stimuli-responsiven Dissoziationsmechanismen von PKM analysieren, indem wir Umweltreize wie den pH-Wert, die Ionenkonzentration und die Temperatur ausnutzen. In diesem Zusammenhang werden wir die morphologischen Veränderungen der PKM während des Dissoziationsprozesses quantifizieren und das Verhalten der dissoziierten Polyelektrolytketten bestimmen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Südkorea
• Partnerorganisation: National Research Foundation of Korea, NRF
• Kooperationspartnerin: Professorin Dr. Sheng Li