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Dr. Svenja Morsbach
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Prof. Dr. Katharina  Landfester
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Engineering Proteins at Interfaces: From Complementary Characterization to Material Surfaces with Designed Functions

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Proteine an Grenzflächen: Aktueller Review

4. Juni 2018

In ihrem Übersichtsartikel über Proteindesign an Grenzflächen legen die Forscher des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) den Fokus auf die am häufigsten verwendeten Charakterisierungsmethoden für Adsorptionsprozesse an planaren und gekrümmten Grenzflächen. Sie fassen die wichtigsten Ergebnisse der aktuellen Forschung auf diesem Gebiet zusammen, benennen die gegenwärtigen Herausforderungen und diskutieren mögliche Entwicklungen. Der Artikel ist als Aufsatz (Review) in dem renommierten wissenschaftlichen Journal Angewandte Chemie erschienen.
<p>Ein Verständnis der Adsorptionsvorgänge von Proteinen an Grenzflächen erlaubt ein gezieltes Design der auf diesem Weg modifizierten Materialien.</p> Bild vergrößern

Ein Verständnis der Adsorptionsvorgänge von Proteinen an Grenzflächen erlaubt ein gezieltes Design der auf diesem Weg modifizierten Materialien.

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Die Medizin bietet ein ambitioniertes Anwendungsfeld für Nanomaterialien: Sie gelten als Hoffnungsträger für neue Behandlungsmöglichkeiten. Es werden zum Beispiel enorme Anstrengungen unternommen, um Nanomaterialien erfolgreich als Trägersysteme für Wirkstoffe in Therapeutika oder in der Diagnostik einzusetzen. Bei dem Einsatz von Nanopartikeln in der Medizin kommt deren gekrümmte Oberfläche automatisch mit Proteinen aus extrazellulären Flüssigkeiten wie Speichel oder Blut oder mit der intrazellulären Flüssigkeit, dem Zytoplasma, in Berührung. Eine weitere Kontaktmöglichkeit von biologischen Flüssigkeiten und somit Proteinen besteht mit planaren Oberflächen wie Membranen oder Beschichtungen in unterschiedlichen Bereichen - von Implantaten in der Medizin bis zu Antifouling-Anstrichen von Schiffsrümpfen.

Sobald Materialien mit einer biologischen Flüssigkeit in Kontakt kommen, die Proteine enthält, werden diese Proteine in der Regel von der Oberfläche des Materials angezogen und adsorbiert – ob gewünscht oder nicht. Dieser spezifische oder unspezifische Prozess der Proteinadsorption tritt an vielen verschiedenen Grenzflächen auf und ist in der Natur sehr komplex. Gewünscht werden kontrollierte Proteininteraktionen für Materialien in einer biologischen Umgebung, um Prozesse zu steuern und die Wirksamkeit zu erhöhen. Es ist grundlegend wichtig zu verstehen, wie diese Prozesse ablaufen. Die erhaltenen Informationen können genutzt werden, um gezielt den Effekt der Proteinadsorption auszunutzen und so Oberflächen mit maßgeschneiderten Funktionen zu versehen.
Siebzehn Wissenschaftler des MPI-P haben ihre Expertise gebündelt und einen Überblick über die am häufigsten verwendeten Charakterisierungsmethoden zusammengestellt, die zu einem besseren Verständnis der Adsorptionsprozesse an gekrümmten und planaren Oberflächen führen. Dieser Übersichtsartikel, der 234 Fachveröffentlichungen zitiert, ist in dem renommierten Fachjournal Angewandte Chemie erschienen. Ziel ist es, einen Weg zu ebnen für die Entwicklung funktioneller Materialien, die in vorbestimmter Weise mit den Proteinen interagieren. Es wird der Vorteil der Kombination der verschiedenen Methoden aufgezeigt, um auf unterschiedliche Oberflächengeometrien zuzugreifen. Bisher erfolgte nur wenig Austausch zwischen den Analysemethoden für die verschiedenen Grenzflächenformen gekrümmt und planar, obwohl der Transfer der erhältlichen Informationen die Forschung wesentlich voranbringen kann. Deshalb wird besonders hervorgehoben, welche in Bezug auf planare Oberflächen existierenden Techniken sich auf die Charakterisierung von Nanopartikeln anwenden lassen und umgekehrt. Außerdem werden einige Entwicklungen von proteinabstoßenden Oberflächen aufgezeigt sowie moderne Strategien zur Herstellung funktioneller Proteinbeschichtungen diskutiert.

Das Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P) fokussiert seine Forschung auf weiche Materie und makromolekulare Materialien mit einer weltweit einzigartigen Ausrichtung. Die Mission des MPI-P ist die Kontrolle weicher Materie auf molekularer Ebene, um Funktionen zu verstehen, zu entwickeln und zu designen.
Jede der sechs Abteilungen, die jeweils von einem Direktor oder einer Direktorin geleitet wird, forscht auf einem spezifischen Arbeitsgebiet. Zusätzlich haben sich aus der Gesamtheit der Forschungsaktivitäten am MPI-P sechs Schwerpunktthemen herausgebildet, an denen verschiedene Forschungsgruppen des Instituts fächerübergreifend zusammenarbeiten. Eines dieser Forschungsschwerpunkte ist „Proteine an Grenzflächen“. Ein Resultat dieser Zusammenarbeit ist der vorgestellte Übersichtsartikel, für den als Autoren unter anderem fünf Direktoren sowie zwei unabhängige Nachwuchsgruppenleiter verantwortlich zeichnen. Katharina Landfester, korrespondierende Autorin des Artikels, fasst die Relevanz für das Institut zusammen: „Die Ausnutzung und Kontrolle der Proteinadsorption stellt einen wesentlichen Aspekt für die aktuelle Entwicklung von Materialien am MPI-P dar, z.B. für smarte Nanocarrier zum Wirkstofftransport, Biosensoren oder der Verbesserung von Oberflächen medizinischer Geräte“.

 
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