TP1 Engineering von Festkörperporen
Im Teilprojekt 1 werden Verfahren erarbeitet, mit denen man Nanoporen in Polymerfilme in einer Kombination aus Ionenstrahltechnik und chemischem Ätzen einbringt. Diese synthetischen Nanoporen sollen unterschiedlichen organisch-chemischen Modifikationen unterworfen werden, so dass sie bereits sensorische Eigenschaften aufweisen, insbesondere aber als Plattform für biologische Poren mit hoher Selektivität dienen können. Die so gewonnenen Membranen sollen durch Mikro-Nano-Integration (MNI)-Technik in ein Lab-on-Chip Device integriert werden.
Herstellung, Charakterisierung und Modifizierung von Festkörperporen mittels Schwerionentechnologie
Projektleiterin Christina Trautmann
Ein Teil des Projektes beruht auf der Fabrikation und Modifikation von Nanoporen in Polymerfilmen. Die AG Trautmann (GSI / Materialwissenschaft) verfügt dazu über langjährige Erfahrung zur Herstellung von Nanostrukturen mittels der Ionenspur-Nanotechnologie. Die synthetischen Nanoporen werden hergestellt, indem Ionen eines schweren Elements durch eine Polymerfolie hindurch geschossen werden. Entlang der geradlinigen Ionenspur entstehen Strahlenschäden, die durch einen chemischen Ätzprozess entfernt werden, so dass man Nanoporen erhält.
Dafür bedarf es eines Hochenergie-Ionenbeschleunigers für schwere Ionen wie an der GSI in Form des UNILAC vorhanden. In der Polymer-basierten Nanoporenforschung sichert uns dieses Alleinstellungsmerkmal bestmögliche Arbeitsbedingungen und damit auch eine Weltführer-Position auf diesem Gebiet.
Modifizierte Poren in Polymerfolien für Sensorik und als Plattform für biologische Poren
Projektleiter Wolfgang Ensinger
Die AG Ensinger (Materialwissenschaft) arbeitet auf dem Gebiet der künstlichen Nanoporen auf Polymerbasis. Folien aus gängigen Polymeren wie Polycarbonat (PC) und Polyethylenterephthalat (PET), welche in großem Maßstab, z. B. in Getränkeflaschen, technologisch eingesetzt werden und damit günstig verfügbar sind, werden durch Ionenbestrahlung und chemische Ätzung in Kooperation mit der AG Trautmann mit Nanoporen versehen.
Hierbei werden sowohl zylindrische als auch konische Nanoporen in die Folien eingebracht. Diese verfügen an den Nanoporen-Oberflächen über chemisch reaktive Gruppen, die durch geeignete Kopplungschemie mit funktionellen Gruppen oder mit einer Funktional-Polymer-Schicht modifiziert werden.
Oberflächenfunktionalisierung von Polymermembranen mit schaltbaren Polymerfilmen zur Modulation des Ionentransports
Projektleiter Markus Biesalski
Die AG Biesalski (Chemie) verfügt über Synthesemethoden zum Abscheiden und Imprägnieren funktioneller Polymere mit stimuli-gesteuerter Funktionalität. Dies lässt sich mit den Polymer-Nanoporen der AGs Trautmann und Ensinger koppeln. Die dünnen Polymerfolien, welche mit nanoskaligen Poren versehen sind, werden mit Hilfe von oberflächengebundenen Polymerfilmen modifiziert.
Letzteres soll den Transport durch die Poren über maßgeschneiderte Eigenschaften der Porenwände erlauben und langfristig durch den Einsatz von „schaltbaren“ Polymerfilmen (z. B. Schaltung durch Temperatur, pH-Wert, Elektrolytgehalt der Lösung oder Licht) modulierbar gestalten.
Untersuchung des pH-Werts im räumlichen Confinement
Projektleiterin Annette Andrieu-Brunsen
Die Nachwuchsgruppe von Annette Andrieu-Brunsen (Chemie) beschäftigt sich mit der Polymerfunktionalisierung im räumlichen Confinement von Poren mit dem Ziel molekularen Transport in Poren zu steuern. In diesem Kontext ist der „pH“ Wert im räumlichen Confinement ein bestimmender Parameter zur Kontrolle der Porenzugänglichkeit.
In dem hier verfolgten Projekt entwickeln wir Strategien zur Untersuchung des „pH“ Wertes im räumlichen Confinement von Poren auf Basis von pH-sensitiven Farbstoffen, Fluoreszenzspektroskopie und Einzelmolekülspektroskopie.
Redox-schaltbare Nanoporen
Projektleiter Markus Gallei
In der Nachwuchsgruppe von Markus Gallei (Chemie) werden redox-schaltbare Oligomere und Polymere auf Basis von metallorganischen Verbindungen in die Nanoporen eingebracht. Diese sogenannten Stimulus-responsiven Einheiten werden über milde chemische Oxidations- und Reduktionsmittel oder direkt über den elektrischen Strom hinsichtlich ihrer Konformation und ihrer Polarität geschaltet, um die Eigenschaften der funktionalisierten Nanoporen gezielt und reversibel zu steuern.
TP 2 Engineering von biologischen Poren
Im Teilprojekt 2 werden Proteine mittels gentechnischer Verfahren und Proteinengineering so verändert, dass sie neue Sensor- und Schalteigenschaften aufweisen. Ein Austausch zwischen den beiden Teilbereichen soll dazu führen, dass biologische Poren stabil in Festkörperporen integriert werden und/oder dass Proteinkomponenten zum Schalten oder Sensieren in Festkörperporen verwendet werden können.
Kleine Ionenkanäle mit neuen Schalteigenschaften als selektive Poren in Festkörperfolien
Projektleiter Gerhard Thiel
Die AG Thiel (Biologie) arbeitet an sehr kleinen und extrem robusten biologischen Poren (Ionenkanälen), die sich als ideale Bausteine für Nanosensoren anbieten. Ihre besondere Eignung beruht auf ihrer hohen Hitzeresistenz, ihrer hohen Ionenleitfähigkeit, ihrer genetischen Manipulierbarkeit und ihrem sehr einfachen Aufbau. Diese robusten Kanalproteine sollen in miniaturisierte Membran-Bilayer, die über Nanoporen in Polymeren gespannt werden, integriert und auf ihre Stabilität getestet werden.
Als Fernziel sollen damit schaltbare Elemente geschaffen werden, die in technischen Mikro-Devices zur Analytik von medizinisch relevanten Molekülen verwendet werden können.
Kopplung von modifizierten Bindeproteinen an biologische und künstliche Nanoporen
Projektleiter Bodo Laube
Die AG Laube (Biologie) untersucht die Fähigkeit von Bindeproteinen einzelne Analyt-Moleküle spezifisch zu erkennen (extreme Selektivität) und ihre verstärkende Wirkung (hohe Sensitivität). Bindeproteine repräsentieren eine riesige Protein-Superfamilie von bakteriellen Rezeptorproteinen, die die selektive Bindung von Liganden wie Kohlenhydrate, Aminosäuren, Peptiden, Anionen, Schwermetallkationen etc. bedingen und in idealer Weise alle Anforderungen an einen Biosensor erfüllen.
Die bemerkenswerte evolutionäre Anpassungsfähigkeit und die funktionelle Verknüpfung dieser Superfamilie in eine Vielzahl biologischer Rezeptoren ist wahrscheinlich auf die Positionierung der Bindungsstelle an der Schnittstelle zwischen zwei Domänen und der resultierenden Liganden-vermittelten Konformationsänderung zurück zu führen. Dies ermöglichte evolutiv die vielfältige funktionelle Verknüpfung der Bindeproteine an andere Proteindomänen durch konformative Kopplung. So findet sich dieses Struktur-Funktionsprinzip der Bindeproteine in herausragender Weise in eukaryontischen Proteinen als selektiver Sensor für komplexe Moleküle und bei der Informationsverarbeitung neuronaler Systeme wieder. Die Vielfalt der Ligandenbindungseigenschaften und die funktionelle Anpassungsfähigkeit der Superfamilie sollen ausgenutzt werden, um durch Computational Design und die Kopplung an biologische und künstliche Nanoporen gezielt Biosensoren mit neuen Eigenschaften im medizinisch/pharmazeutischen Bereich und in der Umweltanalytik zu generieren.
In Silico Design und Optimierung von Komposit-Ionenkanälen
Projektleiter Kay Hamacher
Komplementär dazu arbeitet die AG Hamacher (Biologie) auf der großskaligen Analyse der Struktur-Funktions-Beziehung in Proteinen und ihren Komplexen. Hierzu werden coarse-graining Modelle, insbesondere elastische Netzwerkmodelle, eingesetzt. Damit werden systematische Untersuchungen der dynamisch-funktionale Auswirkungen von Mutationen auf Ionenkanälen durchgeführt.
Die kleinen, viralen Ionenkanäle, die in der AG Thiel analysiert werden, eignen sich sehr gut als Ausgangsbasis für das gerichtete, ingenieur-orientierte Design von neuen Funktionen und Schalteigenschaften in Ionenkanälen. Allerdings können bei der Fusion von bisher nicht zusammenarbeitenden Domänen unerwünschte Effekte die Funktion reduzieren oder gar verhindern. Die Aufklärung der mechanistischen Vorgänge ist dabei ein wichtiger Schritt zum Ableiten rationaler Regeln für das zielgerichtete Design von neuen Elementen.
Chemische Synthese von schaltbaren protein-basierten Nanoporen
Projektleiterin Alesia Tietze
Das Ziel des der Nachwuchsgruppe von Alesia Tietze (Chemie) ist die chemische Synthese von schaltbaren (pH, Ionenselektivität, Ligandenbindung), Protein-basierten Nanoporen nach dem Vorbild biologischer Ionenkanäle und Poren-bildender, helikaler Strukturen. Die Fmoc-basierte Festphasen-Peptidsynthese solcher Poren-bildender Membranproteine wird mit Hilfe neuer, in unserer Arbeitsgruppe entwickelten Methoden, realisiert.
Für die Einbettung solcher Strukturen als funktionelle Poren in Polymer-basierte Gerüste ist eine chemische Modifizierung der Polymer-zugewandten Aminosäuren notwendig.
Protein Engineering von ionenleitenden Nanoporen
Projektleiter Viktor Stein
Ziel der AG Stein ist natürlich vorkommende proteinbasierte Ionenkanäle zu modifizieren und in hochspezifische Biosensoren umzuwandeln um biotechnologisch und biomedizinisch relevante Moleküle zu detektieren. Ionenkanäle mit maßgeschneiderten Sensoreigenschaften werden mittels strukturbasiertem Protein Engineering und Hochdurchsatz Screening Verfahren konstruiert. Diese werden anschlieβend biophysikalisch charakterisiert um die molekulare Basis ihrer Schalt- und Sensorfunktionen zu verstehen.
TT 3 Transport durch poröse Materialien
Im Teilprojekt 3 werden mit hochauflösenden NMR-Methoden und theoretischen Ansätzen die grundlegenden physikochemischen Gesetzmäßigkeiten für den Ionentransport in porösen Materialien und die Interaktion von Ionen mit Materialgrenzflächen ermittelt. Die Erkenntnisse aus diesem Teilprojekt werden in den Bereichen 1 und 2 bei dem Design von Poren Verwendung finden.
Festkörper-NMR an Wasser und Natrium in Ionenporen
Projektleiter Gerd Buntkowsky
Information für die Konstruktion von Poren ergibt sich aus experimentellen Daten über Ionentransport in porösen Systemen auf atomarer Ebene. Die AG Buntkowsky (Chemie) untersucht das Verhalten kleiner fluider Probenmoleküle im Confinement komplexer mesoporöser Systeme mittels Festkörper-NMR-Spektroskopie. Die Arbeiten zeigen, dass eine Charakterisierung der fluiden Eigenschaften mittels Festkörper-NMR möglich ist.
Es wird versucht das dynamische Verhalten von Wasser und Natriumionen in den Poren aufklären. Es soll ebenso versucht werden, durch Kombination von Festkörper-NMR und DNP-Hyperpolarisationsverfahren das Poreninnere der Ionenkanäle aus Teilprojekt 2 zu detektieren.
Teilchentransport in oberflächenmodifizierten Festkörperporen
Projektleiter Michael Vogel
Der Teilchentransport in Nanoporen ist in der Natur und Technologie gleichermaßen von enormer Bedeutung. In der Regel unterscheidet sich die Beweglichkeit eines Teilchens (Molekül oder Ion) im Confinement allerdings substanziell von der Mobilität im Bulk. Hierfür sind insbesondere die Wechselwirkungen mit den Porenwänden verantwortlich, die eine starke Verlangsamung der Teilchendynamik bewirken können.
Für die Untersuchungen kommen verschiedene NMR-Methoden zum Einsatz. Insbesondere wird ausgenutzt, dass NMR-Experimente ein Studium sowohl mikroskopischer Dynamik als auch mesoskopischer Diffusion ermöglichen, so dass sich die Effekte der Ortsabhängigkeit der Teilchenbeweglichkeit, insbesondere der Verlangsamung an den Porenwänden, auf den langreichweitigen Teilchentransport erforschen lassen. Diese Untersuchungen sind auf ideale Weise komplementär zu den Arbeiten in anderen Teilprojekten, in denen peptidfunktionalisierte Festkörperporen hergestellt und hinsichtlich der strukturellen Eigenschaften charakterisiert werden.
Molekulare Simulation des Ionentransports in funktionalisierten Nanoporen
Projektleiter Nico van der Vegt
Information und Inspiration zum Design von Poren ergeben sich ebenfalls aus theoretischen Ansätzen. Die AG van der Vegt (Chemie) beschäftigt sich mit der statistischen Thermodynamik und molekularen Simulation von Solvatationsprozessen und ionen-spezifischen Effekten in weicher Materie, um die Wechselwirkung zwischen Ionen, Proteinen und synthetischen Makromolekülen in wässriger Lösung zu verstehen.
Kombiniert mit methodischen Weiterentwicklungen im Bereich der Multiskalen-Modellierung weicher Materie bietet sich nun die Möglichkeit ionenselektive, schaltbare Poren auf Basis funktionalisierter Porenoberflächen theoretisch gezielt vorherzusagen.
TP4 Mikro-Nano-Interfacing
Im Teilprojekt 4 werden schon vorhandene Porensysteme und neue Systeme, die in den Teilprojekten 1 und 2 entstehen, an mikroelektronische Systeme gekoppelt, um so im Miniaturmaßstab robuste elektrische Signale registrieren zu können.
Integration von Nanoporen in Lab-on-Chip Systeme
Projektleiter: Helmut F. Schlaak
Die AG Schlaak (Elektrotechnik) arbeitet seit mehreren Jahren auf dem Gebiet der Mikro-Nano-Integration. Insbesondere die Vor-Ort-Erzeugung metallischer Drähte mit einem Durchmesser von weniger als 1 μm stellt hierbei einen Schwerpunkt dar. Als Zwischenschritt muss hierzu bereits eine ionenspurgeätzte Polymermembran in ein Mikrosystem integriert werden.
Daher sind die nötigen Prozessschritte und Handling-Abläufe bekannt und können in dem Projekt angewendet werden. Innerhalb des Projektes soll ein mikrofluidisches System realisiert werden, in welchem die ionenspurgeätzte Membran integriert ist. Zudem sind Elektrolytvolumina und Strömungskanäle sowie die nötigen Elektroden mit in dem Mikrosystem integriert. Das vorgestellte Konzept vereint klassische mikrotechnische Fertigungsverfahren, die zur Herstellung von Lab-on-Chip Systemen üblicherweise eingesetzt werden, mit den in der AG Schlaak entwickelten Integrationstechnologien für ionenspurgeätzte Folien.
