Protein container scaffolds for the assembly of structured nanomaterials

  • Proteincontainergerüste für den Aufbau von strukturierten Nanomaterialien 

Künzle, Matthias; Simon, Ulrich (Thesis advisor); Schwaneberg, Ulrich (Thesis advisor)

Aachen (2019, 2020)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Kurzfassung

Bei strukturierten Nanomaterialen handelt es sich um eine neuartige Materialklasse, welche aus individuellen, nanoskaligen Bausteinen aufgebaut ist. Die jeweiligen Materialeigenschaften können durch eine vorprogrammierte Anordnung der Bausteine abgestimmt werden. Hierfür muss die strukturelle Organisation des Materials präzise kontrolliert werden. Biomoleküle können als vielseitiges Grundgerüst für die Anordnung von anorganischen Komponenten zu einem hochgeordneten Supergitter dienen. Zusätzlich ergänzen sie das entstehende Biohybridmaterial um biologische Eigenschaften und Funktionalitäten. Insbesondere Proteincontainer eignen sich als perfekte Bausteine wegen ihrer hochsymmetrischen Form und der Fähigkeit Frachtmoleküle einzukapseln. In dieser Arbeit wird eine neue Strategie für die präzise Anordnung von anorganischen Nanopartikeln zu einem kristallinen Supergitter mittels eines Proteincontainergerüstes vorgestellt. Zuerst wurden zwei Varianten des Ferritin-Proteincontainers mit gegensätzlich geladener Oberfläche sowie der native Encapsulin-Container von Thermotoga maritima biochemisch produziert und mit hoher Reinheit aufgereinigt. Als nächstes wurden die Proteincontainer mittels zweier verschiedener Beladungsansätzen mit anorganischen Nanopartikeln beladen. Im Nanoreaktoransatz wurden drei Sorten Metalloxidnanopartikel direkt im Hohlraum der Container synthetisiert. Dabei fungierte die Proteinhülle als größenbegrenzendes Reaktionsgefäß für das Nanopartikelwachstum. Im zweiten Ansatz wurden bereits synthetisierte Nanopartikel mittels des hochspezifischen Beladungsmechanismus des Encapsulin-Nanokompartiments eingekapselt. Zu diesem Zweck wurden Goldnanopartikel mit einer kleinen Anzahl Encapsulin-Beladungspeptide (CLP) versehen. Durch Schlüssel-Schloss-Interaktion zwischen den Peptiden und den Peptidbindestellen auf der inneren Containeroberfläche wurden die Nanopartikel mit hoher Effizienz eingekapselt. Zusätzlich war die peptidgelenkte Einkapselung unabhängig von der Ionenstärke der Lösung. Dies im Gegensatz zur Einkapselung von kationischen Nanopartikeln, welche elektrostatisch mit negativ geladenen Bereichen auf der inneren Containeroberfläche interagierten. Nach dem Beladen mit Nanopartikeln wurden gegensätzlich geladenen Ferritin-Container in einem hochgeordneten Supergitter mit verschiedenen Nanopartikelkombinationen kristallisiert. Wegen günstiger elektrostatischer Wechselwirkungen nahmen die binären Proteinkristalle ein tetragonales Gitter in einer ungewöhnlichen CuAu-ähnlichen Struktur ein. Der Strukturtyp konnte durch Erhöhung der Magnesiumkonzentration in der Kristallisationsbedingung verändert werden, was zu einem unitären Supergitter führte, welches einzig aus negativ geladenem Ferritin bestand. Wie mittels Röntgenstrahlstrukturanalyse gezeigt werden konnte, spielen Magnesiumionen durch Komplexbildung zwischen angrenzenden Proteinuntereinheiten eine zentrale Rolle im Kristallinterface von unitären Kristallen. Bemerkenswerterweise hatte das Beladen mit Nanopartikeln keinen Einfluss auf die Kristallstruktur, da der Proteincontainer sämtliche Unregelmäßigkeiten der Nanopartikel überschrieb.

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