EU SuperCol

Design von super-selektiven und responsiven kolloidalen Partikeln für Biosensoren

Auf kolloidalen Partikeln basierende Materialien kombinieren ein großes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen mit einer hervorragenden Kontrolle über die Größe, Form und biochemische Funktionalisierung der Bausteine. Die Wechselwirkungen kolloidaler Partikel mit ihrer lokalen Umgebung werden von der chemischen Organisation an ihrer Grenzfläche dominiert. Dies bietet einzigartige Möglichkeiten, partikelbasierte Sensoren zu entwickeln, um z.B. Biomoleküle in Immunoassays zu detektieren oder um Membranrezeptoren nachzuweisen und anschließend Fracht für die Arzneimittelabgabe abzugeben. Unsere Zellen nutzen solche Wahrnehmungsmechanismen kontinuierlich und zeigen eine bemerkenswerte Fähigkeit, molekulare Ereignisse auszunutzen, um komplexe Makroprozesse auszugleichen und zu steuern - weit über das hinaus, was wir uns jemals vorgestellt haben.

Bisher haben wir nur begrenzte Erfolge bei der Erfassung dieses einzigartigen Kontrollniveaus in auf künstlichen Partikeln basierenden Sensorsystemen erzielt. Mit anderen Worten: Um teilchenbasierte Sensoren mit der Empfindlichkeit, Selektivität und kinetischen Kontrolle ihrer biologischen Äquivalente zu realisieren, müssen Oberflächen mit einer quantifizierten und rational gestalteten Anzahl, Verteilung und Affinität bioaktiver Moleküle erzeugt werden.

In diesem gemeinsamen europäischen Projekt werden wir uns mit zwei Funktionen befassen, deren Erreichung nach wie vor eine Herausforderung darstellt. Reaktionsfähigkeit (d.h. die Fähigkeit, die Anzahl, Verteilung und Affinität bioaktiver Moleküle an der Partikelgrenzfläche als Reaktion auf externe Impulse anzupassen) und Superselektivität (d.h. die Nutzung multivalenter Wechselwirkungen, um eine stark nichtlineare Abhängigkeit der Bindungsstärke von der Rezeptordichte zu erhalten). Diese Funktionalitäten hängen von einer strengen und quantitativen Kontrolle der Anzahl, Verteilung und Aktivität der chemischen Grenzflächengruppen ab, was durch das Fehlen von Methoden zur Visualisierung dieser Gruppen mit chemischer Spezifität und auf Einzelmolekülebene erschwert wird. Dies verhindert eine rationale Optimierung von Funktionalisierungsprotokollen, die erforderlich sind, um Design-Kontrolle über die Partikelfunktionalität zu erreichen.

Das Aufkommen der hochauflösenden Mikroskopie und neuartiger Kryo-TEM-Ansätze bietet uns eine zeitnahe und einzigartige Gelegenheit, die sensorische Reaktion von Partikeloberflächen auf Einzelmolekülebene zu quantifizieren und zu kontrollieren. Insbesondere die aufkommende Fähigkeit, die chemische Grenzfläche des Partikels mithilfe von hochauflösender Mikroskopie zu quantifizieren, wird das Fenster zum rationalen Design empfindlicher, ansprechender und selektiver Sensoren mit quantitativer Funktionalität öffnen.

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