Wie ent­ste­hen bio­re­le­van­te Nanomaterialien?

Die Wech­sel­wir­kun­gen von gela­de­nen bio­lo­gi­schen Makro­mo­le­kü­len wie Nuclein­säu­ren, Pro­te­inen und Polys­ac­cha­rid-Pro­te­in-Kon­ju­ga­ten las­sen sich durch künst­li­che Polyelek­tro­ly­te nach­ah­men. Sol­che syn­the­ti­schen polyio­ni­schen Kom­ple­xe könn­ten Wirk­stof­fe, Pro­te­ine oder Nuclein­säu­ren sta­bi­li­sie­ren und als Trä­ger­ma­te­ri­al zu ihrem Ziel brin­gen. Chi­ne­si­sche Wis­sen­schaft­ler beschrei­ben nun in der Zeit­schrift Ange­wand­te Che­mie eine viel­sei­tig ein­setz­ba­re, kom­mer­zi­ell anwend­ba­re Stra­te­gie zur Her­stel­lung von Polyi­on-Kom­ple­x­a­ggre­ga­ten mit vari­ier­ba­rer Gestalt. Damit lie­ßen sich Biblio­the­ken sol­cher nie­der­di­men­sio­na­len, bio­lo­gisch rele­van­ten Nano­struk­tu­ren herstellen.
DNA, Pro­te­ine und die vie­le Polys­ac­cha­rid-Kon­ju­ga­te sind natür­li­che, gela­de­ne Makro­mo­le­kü­le. Ihre kom­ple­xen Struk­tu­ren und beson­de­ren Funk­tio­nen sind Vor­aus­set­zung für das zel­lu­lä­re Leben. Syn­the­ti­sche polyio­ni­sche Aggre­ga­te kön­nen die Eigen­schaf­ten von bio­lo­gi­schen Makro­mo­le­kü­le nach­ah­men. Daher wären sie eine idea­le Platt­form für die Inter­ak­ti­on mit bio­lo­gi­schen Struk­tu­ren. Mit ihrer varia­blen Form und einem spe­zi­ell zuge­schnit­te­nen Ladungs­zu­stand könn­ten sie als akti­ve Trä­ger­ma­te­ria­li­en für Nuclein­säu­ren in der Gen­the­ra­pie oder für den ziel­ge­rich­te­ten Wirk­stoff­trans­port die­nen. Aller­dings ist die Ent­wick­lung von sol­chen maß­ge­schnei­der­ten syn­the­ti­schen Polyi­on-Kom­ple­xen (PICs) nicht tri­vi­al, denn Tau­sen­de von ther­mo­dy­na­mi­schen und kine­ti­schen Fak­to­ren beein­flus­sen ihre End­mor­pho­lo­gie und den tat­säch­lich ein­ge­nom­me­nen Ladungs­zu­stand. Häu­fig sind Form, Reak­ti­vi­tät und Sta­bi­li­tät nicht repro­du­zier­bar zu errei­chen. Yuan­li Cai und sei­ne Kol­le­gen an der Soo­chow-Uni­ver­si­tät in Suzhou (Chi­na) arbei­ten daher inten­siv an ratio­nal ent­wi­ckel­ten Syn­the­sen. Mit der Metho­de der „Poly­me­ri­sa­ti­ons-indu­zier­ten elek­tro­sta­ti­schen Selbst­or­ga­ni­sa­ti­on“ oder PIESA stel­len sie nun eine kos­ten­güns­ti­ge ska­lier­ba­re Syn­the­se für nie­der­di­men­sio­na­le PICs mit varia­bler Mor­pho­lo­gie vor, das für bio­me­di­zi­ni­sche Zwe­cke ver­wen­det wer­den könnte.

Für ihr Pro­to­koll erwei­ter­ten die Autoren die Metho­de der „Poly­me­ri­sa­ti­ons-indu­zier­ten Selbst­or­ga­ni­sa­ti­on“ (PISA), einer Syn­the­sestra­te­gie für Block­ko­po­ly­me­re in wäss­ri­gem Medi­um, indem sie ein posi­tiv gela­de­ne Mono­mer in der Gegen­wart eines syn­the­ti­schen Polyi­ons von ent­ge­gen­ge­setz­ter Ladung und eines wei­te­ren Makro­mo­le­küls als unge­la­de­nen Copo­ly­mer­blocks unter Ein­strah­lung von sicht­ba­rem Licht poly­me­ri­sier­ten. Das end­gül­ti­ge Nano­ma­te­ri­al bestand aus einem durch die elek­tri­sche Anzie­hungs­kraft defi­nier­ten Aggre­gat des gela­de­nen Poly­mers und der Kopo­ly­me­re­re. Es hat­te bemer­kens­wer­te Eigenschaften.
Je nach Fest­kör­per­kon­zen­tra­ti­on beob­ach­te­ten die Autoren struk­tu­rel­le Über­gän­ge der syn­the­ti­sier­ten PICs von der Ves­ik­el­form über kom­par­ti­men­tier­te Ves­ik­el bis hin zu fle­xi­blen ultra­dün­nen Fil­men von 10 Nano­me­tern Dicke. Je nach Lösungs­mit­tel ent­stan­den ent­we­der poren­rei­che Fil­me oder sehr lan­ge Nano­dräh­te, die die Pro­be gelie­ren lie­ßen. Nach Aus­sa­ge der Autoren ergibt das PIE­SA-Ver­fah­ren eine „hohe Repro­du­zier­bar­keit in einem kom­mer­zi­ell mach­ba­ren Maß­stab unter öko­lo­gisch und öko­no­misch anspre­chen­den Bedin­gun­gen bei 25 °C“. Anders gesagt könn­ten kom­ple­xe Nano­ma­te­ria­li­en mit maß­ge­schnei­der­ter Mor­pho­lo­gie und ein­stell­ba­rem Ladungs­zu­stand repro­du­zier­bar her­ge­stellt wer­den. Anwen­dun­gen in der Bio­me­di­zin als Trä­ger­ma­te­ri­al für DNA und ande­re gela­de­ne bio­lo­gi­sche Mole­kü­le, um die­se bis zum Ort ihrer Ver­wen­dung zu trans­por­tie­ren, kom­men in Fra­ge. Eben­so könn­te eine Biblio­thek von nie­der­di­men­sio­na­len Nano­ma­te­ria­li­en mit maß­ge­schnei­der­ter Mor­pho­lo­gie auf­ge­baut werden.