Von biomimetischen Oberflächen aus Molekular-Pelzen

Ob Verträglichkeit von Kontaktlinsen oder Anwachsen von Muscheln an Schiffen: In beiden Fällen bilden Proteine beim Erstkontakt einen Biofilm aus - ein komplexer Prozess, der sich nur schwer untersuchen lässt. Eine neue Methode soll das ändern: Forscher lassen dazu einen maßgeschneiderten "molekularen Pelz" auf Oberflächen wachsen, dessen "Haare" aus Peptiden bestehen.

Mit selbstassemblierender Monoschichten (SAMs) hergestellte biokompatible Oberfläche. Durch die spezielle Wahl der Moleküle wurde erreicht, dass die Oberfläche sich proteinabweisend verhält.

Durch die Wahl des Peptids lässt sich steuern, welche Proteine sich an den molekularen Pelz anlagern und welche nicht. Mit einem speziellen Peptid lässt sich sogar eine komplett proteinabweisende Oberfläche generieren.

Beim ersten Kontakt von körperfremdem Material mit den Körperflüssigkeiten heften sich sofort Proteine an die Oberfläche an. Dabei nehmen sie allerdings Schaden, verlieren ihre Funktion und bilden einen Biofilm aus. Die genaue Beschaffenheit dieses Biofilms - die von der Oberfläche des Materials und der Vorbehandlung abhängt - bestimmt dann, ob das Material vom Körper abgestoßen wird oder einwächst. Ein genaues Verständnis dieser Vorgänge wird dadurch erschwert, dass die adsorbierten Proteinschichten sehr komplex sind und sich einer sorgfältigen Untersuchung entziehen.

Peptidpelz wächst auf Goldtablett. Um solche Schichten näher zu untersuchen haben Forscher der Ruhr-Uni Bochum eine neue Klasse von Molekülen entwickelt, mit der sich Biofilme mit maßgeschneiderten Eigenschaften herstellen lassen. Dazu versehen sie zuerst kurze Eiweißketten (Peptide) aus wenigen Aminosäuren mit einem molekularen Anker.

Kommen diese Molekülhybride in Kontakt mit Gold, verankern sie sich auf der Oberfläche und bilden einen Pelz aus, dessen Dicke der Länge der Moleküle entspricht. Die Goldoberfläche ist extrem flach und dient dann als "Tablett", auf dem die Peptidpelze mit verschiedenen Methoden genau untersucht werden können. Besonders gut eignet sich dieses Tablett dafür, das Anheften von Proteinen zu untersuchen.

Via Oberflächenplasmonenspektroskopie (SPR, Surface Plasmon Resonance) lässt sich schnell feststellen, welche Proteine wie stark am Petpidpelz haften. So lassen sich Vorhersagen zu einer eventuellen Abstoßung durch das menschliche Immunsystem treffen.

Kein Protein lagerte sich an. Um die große Flexibilitat der Herstellungsmethode dieser Haftanker-Peptide zu demonstrieren, verwendeten die Forscher eine Peptidsequenz, die sich möglichst proteinabstoßend verhalten sollte. Ein Test der so erzeugten Biobeschichtung erbrachte ein überraschendes Resultat: Schon für die erste untersuchte Sequenz war die Proteinabstoßung schon fast so stark wie die der bisher besten Substanz, die für diesen Zweck eingesetzt wird. Etwas verwundert über diesen Überraschungserfolg erzählt Christian Wöll: "Wir haben bei der Wahl der ersten Peptidsequenz lediglich berücksichtig, dass hydrophile, also benetzende Beschichtungen eher proteinabstoßend wirken, genauso wie Peptide mit einer Windung."

Das Resultat war eine Oberfläche, an die sich kein Protein anlagern konnte. Solche Eigenschaften wünscht man sich etwa für Schiffsrümpfe, an denen sonst gern Muscheln haften, die den Widerstand erhöhen und somit auch den Treibstoffverbrauch. Auch für Kontaktlinsen wäre diese Eigenschaft wünschenswert - die tägliche Reinigung könnte dann vielleicht entfallen. Bei der Entwicklung von Implantatmaterialien geht es aber eher darum, Oberflächen zu erzeugen, an die sich nur bestimmte Proteine anlagern, damit ein festes Einwachsen in den Körper erfolgt. "Unsere Methode wird dabei mithelfen, solche Materialien maßzuschneidern", meint Wöll.

SAMs bauen sich selbst. Eine der Grundlagen für die Entwicklung dieser biokompatiblen Beschichtungen sind durch Selbstassemblierung aufwachsende Monoschichten aus Organothiolen, die auch als SAMs bezeichnet werden (Self Assembled Monolayers). Diese ultradünnen, aber strukturell sehr gut definierten molekularen Schichten werden in Bochum bereits seit mehr als 10 Jahren intensiv untersucht und im Hinblick auf eine ganze Reihe von Einsatzmöglichkeiten weiterentwickelt. Wichtig dabei ist die intensive Zusammenarbeit der Physikalischen Chemie mit synthetisch arbeitenden Chemikern, die die entsprechenden Organothiole herstellen können. Für die Haftanker-Peptide wurde eine erst kürzlich entdeckte und von Nils Metzler-Nolte weiterentwickelte Methode, die "Klick"-Chemie eingesetzt. Damit lassen sich ganz unterschiedliche Moleküle - in diesem Fall das Peptid und der Haftanker - einfach "zusammenklicken".

Chelmowski, Rolf; Koester, David; Prekelt, Andreas; Terfort, Andreas; Winkler, Tobis; Kerstan, Andreas; Grunwald, Christian, Metzler-Nolte, Nils; Wöll, Christof: Peptide-based SAMs that resist the adsorption of proteins. Journal of the American Chemical Society. S. 14952 Nr. 130, 2008
Von biomimetischen Oberflächen aus Molekular-Pelzen