Grünes Gel: Hybridmaterial aus Polymeren und Proteinen fluoresziert und reagiert auf pH-Wert und Temperatur

23.04.2008

Forscher von der University of California in Berkeley (USA) haben eine neue Strategie zum Aufbau von Hybridmaterialien aus künstlichen Polymeren und Proteinen entwickelt. So gelingt eine Fusion spezifischer biologischer Funktionen von Proteinen mit den günstigen Feststoff- und Verarbeitungseigenschaften von Kunststoffen. Polymer-Protein-Hybridmaterialien könnten beispielsweise als Werkstoffe für Sensoren, Teile von Nanomaschinen oder Wirkstoff-Transportsysteme interessant sein. Wie Aaron P. Esser-Kahn und Matthew B. Francis in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, gelang ihnen die Synthese eines grün fluoreszierenden bioabbaubaren Gels, das auf Änderungen des pH-Werts und der Temperatur reagiert.

Bisherige Ansätze zur Herstellung von Hybridmaterialien gingen von sehr spezifischen Verknüpfungen aus, die für spezielle Proteinseitengruppen ausgelegt waren. Die neue Methode der Berkeley-Forscher ist dagegen breit anwendbar, da sie sich im Prinzip für jedes Protein eignet. Denn die Verknüpfung erfolgt über die beiden Endgruppen der Proteinkette - und die sind bei jedem Protein die gleichen: eine Amino- und eine Carbonsäurefunktion. In zwei parallel, aber voneinander unabhängig ablaufenden ("orthogonalen") Reaktionen werden diese beiden Kettenenden zunächst aktiviert. Anschließend werden sie an spezielle chemische "Ankerstellen" des Polymers geknüpft. So sorgen die Proteine für eine Quervernetzung der einzelnen Polymerketten zu einem dreidimensionalen Netzwerk unter Bildung eines so genannten Hydrogels. Ein Hydrogel ist eine feste, gallertartige Masse, in deren polymerem Netzwerk Wasser eingelagert ist. Ein bekanntes Beispiel für ein Hydrogel sind weiche Kontaktlinsen.

Francis und Esser-Kahn wählten ein grün fluoreszierendes Protein zur Vernetzung der Polymerketten. Da das Protein auch nach der Verknüpfung mit dem Kunststoff in seinem normalen Faltungszustand vorliegt, bleibt auch seine Fluoreszenz erhalten: Das ganze Gel fluoresziert grün.

Das Besondere an diesem neuen Hybridmaterial: Die Quervernetzungen der Polymerstränge werden ausschließlich durch Proteine geknüpft. Da das Protein durch Proteasen, proteinauflösende Enzyme, angegriffen wird, ist ein solches Gel rasch biologisch abbaubar. Die grüne Fluoreszenz des Proteins ist pH-abhängig. Auch das Gel reagiert entsprechend auf eine pH-Änderung: Es fluoresziert nur im basischen Bereich, nicht jedoch im leicht sauren Milieu. Auch eine Temperaturerhöhung löst eine Antwort des Gels aus: Das Protein denaturiert bei etwa 70 °C, die Fluoreszenz geht dabei verloren, und das Gel beginnt zu schrumpfen.

Originalveröffentlichung: Matthew B. Francis et al.; "Protein-Cross-Linked Polymeric Materials through Site-Selective Bioconjugation"; Angewandte Chemie 2008, 120, No. 20, 3811-3814.

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