MaxSynBio
Max Planck Research Network in Synthetischer Biologie
Im MaxSynBio-Konsortium vereint die Abteilung Physikalische Chemie der Polymere Fachkenntnisse zum Design von Nano- und Mikrokompartimenten für den Aufbau einer synthetischen Zelle. Die präzise Polymersynthese in Kombination mit modernsten Emulsionspolymerisationsstrategien wird eingesetzt, um auf Reize ansprechende, katalytische, enzymatische Module zu entwickeln, die Fracht befördern und freisetzen oder Materialien in einer begrenzten Umgebung produzieren.
Ein Schwerpunkt sind Stoffwechselreaktionen auf engstem Raum, die Schlüsselphänomene in lebenden Organismen sind. Wir haben Nanocontainer auf Polymerbasis entwickelt, die katalytische Reaktionen als Bausteine für synthetische Zellen durchführen. Wir sind daran interessiert, Prozesse mit enzymatischen Metabolismen, Energierückgewinnung und nützlicher Produktion nachzuahmen, um letztendlich Teile von Lebenssystemen und Anwendungen für biologische oder Umweltzwecke zu ersetzen. Unsere Leistung besteht nun darin, Module aus mit Enzymen beladenen Silica-Nanocontainern zu entwerfen. Diese ermöglichen enzymatische Kaskadenreaktionen zwischen Unterkompartimenten in Confinements, die Regeneration von Coenzymen zur Nachahmung des mitochondrialen Metabolismus und die Kontrolle reaktiver Sauerstoffspezies auf Autoxidationseffekte und Therapeutika.
Eine weitere Strategie zur Eingrenzung von Reaktionen basiert auf einem modularen Ansatz für polymere Vesikel, sogenannte Polymersomen, mit einer multifunktionalen Oberfläche, für die beispielsweise Hydroxyl-, Alkin- oder Acrylatgruppen etc. hergestellt wurden. Wir haben gezeigt, dass die Oberfläche des Polymersoms funktionalisiert werden kann, um die Abbbildung über fluoreszierende Farbstoffe zu erleichtern oder die spezifische Haftung an Oberflächen durch Verwendung einer Biotinfunktionalisierung zu verbessern. Diese allgemein anwendbare Multifunktionalität ermöglicht die kovalente Integration verschiedener Moleküle in die Membran einer synthetischen Zelle. Darüber hinaus suchen wir nach Wegen, um das Wachstum von Polymersomen zu induzieren, indem wir amphiphile Bausteine liefern, die mit der Membran verschmelzen und deren Oberfläche vergrößern können. Polymere, die unter Stimulation wachsen, könnten verwendet werden, um ein komplexes Zellverhalten in synthetischen Systemen zu implementieren.
Solche Module können ferner mit Photokatalyse kombiniert werden. Mit dieser Strategie haben wir ein Funktionsmodul entwickelt, das Nicotinamid-Adenin-Nucleotid-Coenzyme (NAD) bei Bestrahlung mit Licht regeneriert. Der Vorteil der Verwendung von Nanopartikeln (NPs) besteht darin, dass durch die Auswahl der NPs oder durch die Kombination verschiedener NPs verschiedene Funktionsmodule erhalten werden können. Dies eröffnet die Möglichkeit, eine Bibliothek von Modulen zu erstellen, die zusammen verwendet werden können, um ein zellähnliches Verhalten zu erzielen.
Als Gradientenpolymere bezeichnete stabile Molekülketten waren lange Zeit schwierig zu synthetisieren. Die Kompartimentierung ist eine einfache Methode, um sie zu erstellen. In einem Gradientenpolymer geht die Zusammensetzung allmählich entlang der Polymerlänge von einer Komponente zur anderen über. Die Herstellung von Gradientenpolymeren ist eine mühsame Aufgabe und erfordert häufig spezielle Dosiertechniken. Die Natur kann in lebenden Zellen multisegmentierte Copolymere herstellen. Wir haben zwei Arten von Monomeren in einer Emulsion maskiert, in der Tröpfchen eines Monomers über das zweite Monomer verteilt sind. Durch Ausnutzung des Löslichkeitsunterschieds der Monomere konnten wir die Polymerisation auf das Innere der Nanotröpfchen der Emulsion begrenzen. Als diese Verbindung allmählich verbraucht wurde, zog die Änderung der Konzentration immer größere Mengen des anderen Bestandteils in die Ketten und erzeugte einen Gradienteneffekt.