Biomimetische Blockcopolymermembranen zur Rekonstitution von Transmembranproteinen

Abb 1: Aufnahme eines giant unilamellar vesicles aus amphiphilen Blockcopolymeren mit konfokaler Fluoreszenzmikroskopie.

Abb. 2: Lichtmikroskopische (oben) und elektronenmikroskopische Aufnahme (unten) von unterschiedlichen Blockcopolymer-Aggregaten.

Warum biomimetische Blockcopolymermembranen?

Transmembranproteine haben vielfältige Aufgaben in Lebewesen. Sie kontrollieren und regeln den Stoffaustausch der Zellen mit der Umgebung oder Sorgen beispielsweise für die Regeneration von chemischer Energie in der Zelle. Manche Membranproteine zeigen dabei Selektivitäten für bestimmte Ionen oder kleine Moleküle wie beispielsweise H₂O. Diese Selektivitäten machen die entsprechenden Transmembranproteine auch für technische Anwendungen wie beispielsweise die Nanofiltration interessant.

Hierfür ist die natürliche Lipid-Doppelschicht der Zellmembran aber zu instabil. Eine Alternative zu Lipid-Doppelschichten bieten amphiphile Blockcopolymere, die bei bestimmten Blockverhältnissen und Molekulargewichten eine biomimetische Doppelschicht in Wasser ausbilden.

Gelingt es, Blockcopolymere und Membranproteine unter Funktionserhalt zu vereinen, sind zum Beispiel neue Filtrationsverfahren möglich.

Dazu werden am IGVP amphiphile Blockcopolymere mit Hilfe der anionischen Polymerisation synthetisiert und deren Selbstassemblierung zu biomimetischen Doppelschichten in Wasser untersucht.

Abhängig von der Polymerzusammensetzung lassen sich verschiedene Strukturen aus den Polymeren erzeugen. Es können sowohl sogenannte giant unilamellar vesicles mit bis zu 80 µm Durchmesser (Abbildung 1) als auch kleinere, vielfältigere unilamellare Strukturen erhalten werden (Abbildung 2).

Abb. 3: Schematische Darstellung der Charakterisierung von planaren Blockcopolymer-Membranen (oben) und Messung zur Bestimmung der Membrankapazität und des Membranwiderstands (unten).

Membrancharakterisierung

Die Charakterisierung dieser Doppelschichten stellt einen weiteren Schwerpunkt der Forschungsarbeit dar – die funktionelle Integration von Membranproteinen in die Blockcopolymer-Membranen stets als Ziel.

Dazu werden planare Blockcopolymer-Membranen mit elektrochemischen Methoden charakterisiert und zum Beispiel deren Dicke daraus ermittelt.

Die hier untersuchten Membranen weisen abhängig vom Molekulargewicht Dicken von 8 bis 20 nm auf.

Abb. 4: Leitfähigkeitsprofil einer Blockcopolymermembran bei Rekonstitution von OmpF (oben) und Verteilung der ermittelten Leitfähigkeiten (unten).

Proteinrekonstitution

Zur Untersuchung, ob ein funktioneller Einbau von Membranproteinen möglich ist, wird das Porin OmpF aus E. coli verwendet.

Ein funktioneller Einbau ist nicht selbstverständlich, da die Blockcopolymer-Membranen eine höhere Dicke als die natürlichen Lipid-Doppelschichten aufweisen.

Trotzdem ist es für das verwendete Blockcopolymer zum ersten Mal gelungen, OmpF erfolgreich in den Blockcopolymer-Membranen zu Rekonstitutieren.

Dabei können für OmpF charakteristische Sprünge der Leitfähigkeit über die Membran beobachtet werden (Abbildung 4).

Förderung

Kekulé-Stipendium des Fonds der Chemischen Industrie
Fraunhofer-Systemforschung „Zellfreie Bioproduktion“
BMBF

Projektpartner

Dieses Projekt wird in regem Austausch mit folgenden Partnern durchgeführt:

Dr. Thomas Schiestel und Dr. Michaela Müller, Fraunhofer IGB Abteilung GTM
Dr.-Ing. Christina Kohl, Fraunhofer IGB Abteilung MBT
Prof. Dr. Stephan Nußberger, Abteilung Biophysik des Institut für Biomaterialien und biomolekulare Systeme
Universität Stuttgart Dr. Eric Nebling, Fraunhofer ISIT, Abteilung Biotechnische Systeme

Projektdauer:

2012 bis 2015