Interaktion und Bewegung von Lipidmembranen mit magnetischen Nanopartikeln.

Zellmembranen beinhalten einen Großteil der heiklen Maschinerie des Lebens und umfassen jene Barrieren, welche den Zugang in das Innere der Zelle und daraus heraus kontrollieren. Mit der zunehmenden Nutzung von Nanopartikel (NP) in den Bereichen medizinische Bildgebung, Drug Delivery, Kosmetik und Materialwissenschaften steigt auch das Bedürfnis zu wissen, die NP physikalisch mit Zellmembranen interagieren. Struktur und Funktion biologischer Membranen inspirieren die Entwicklung biomimetischer "Smart Materials" für biotechnologische Anwendungen. Zwar nutzen diese Materialien biologische Membranen oder haben sie zum Vorbild, verfügen aber durch den Einbau funktionalisierter NP über eine gesteigerte Funktionalität und die externe Kontrolle ihrer Eigenschaften. Das Ziel der vorgeschlagenen Arbeit liegt darin, Einsicht in die biophysikalischen Interaktionen funktionalisierter NP mit Lipidmembranen zu gewinnen. Insbesondere soll der NP-Einbau in und das Durchdringen von Lipidmembranen durch NP studiert werden. Die Ansteuerung dieser NP und die Kontrolle der physikalischen Eigenschaften ist ein weiteres Ziel im Streben nach neuartigen biomimetischen, smarten Materialien und zellulären Analysemethoden. Jüngste Fortschritte in Design und Synthese von NP schaffen Möglichkeiten, mit diesen NP sowohl biologische Materialien im Nahbereich der molekularen Auflösung zu erforschen, als auch im selben Maßstab damit zu interagieren und diese funktional zu beeinflussen. Aufbauend auf diesen Fortschritten werde ich superparamagnetische NP im Größenbereich von Proteinen mit wichtigen physikalischen Eigenschaften wie Morphologie, Größe, mechanische Energie (weiche Hülle, harter Kern) und Oberflächenenergie unter detaillierter Kontrolle im Subnanometer-Maßstab verwenden. Das ist durch die Kombination hochmoderner Fe3O4-NP-Synthese mit submolekularer Kontrolle der Hülleneigenschaften durch eine Palette an nitrokatechol-verankerten Dispersantien gewährleistet. Die Bindung von NP, deren Penetration durch und Integration in Lipidmembranen ist ein hochkomplexer Prozess, der durch Extraktion detaillierter Informationen über variierende physikalische Eigenschaften sowohl der Partikel als auch der Membranen aufgeklärt werden kann. Dieses Maß an Kontrolle ist durch die Verwendung unserer Fe3O4-NP-Plattform zusammen mit oberflächenbasierten und vesikulären Membran-Modellsystemen abgestimmter Zusammensetzung möglich. Diese Kombination ermöglicht auch den Einsatz der vollen Bandbreite oberflächenbasierter Sensorik und bildgebender Techniken, die von mir und anderen während der letzten Dekade zur Erforschung von Membransystemen entwickelt wurde ebenso wie kolloidale Charakterisierungs- und Bildgebungsmethoden, entwickelt für NP und Zellcharakterisierungen. Indem ich einen Schritt weiter gehe, werde ich die mechanische Manipulation bzw. das Aufheizen maßgeschneiderter und präzise in Lipidmembranen positionierter NP durch externe Magnetfelder mit den Fähigkeiten der Selbstorganisation, der Ansteuerbarkeit und der Biokompatibilität von Lipidmembranen verbinden. Daraus werden bahnbrechende Konzepte für biomimetische "Smart Materials" mit spezifischen Anwendungen in Drug Delivery, Zellmanipulation, intrazelluläres Targeting und Materialtransport im Nanometermaßstab sein.