Inorganic nanoparticles as models for prebiotic enzymes
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Abstract
Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit Nanopartikeln als Enzymmimetika im Kontext der präbiotischen Evolution. Enzyme sind essentiell für alle Lebensformen und deshalb bei Fehlfunktionen auch häufig involviert in komplexe Krankheitsbilder. Da sie so bedeutend sind für das Leben wird neben der Isolierung und der Aufreinigung schon länger an ihrer Nachahmung geforscht. Neben beispielsweise metallorganischen Komplexen, Polymeren und Cyclodextrinen sind anorganische Nanopartikel immer mehr in den Fokus gerückt.
Anorganische Nanopartikel weisen im Vergleich zu natürlichen Enzymen Vorteile wie die Stabilität gegenüber Temperatur- und pH-Wert-Änderungen auf und sind zudem vergleichsweise günstig herstellbar. Im Hinblick auf die präbiotische Entwicklung der ersten Lebensformen könnten anorganischen Oberflächen eine zentrale Rolle gespielt haben. Während sich die ersten Lebensformen gebildet haben, deren strukturellen Eigenschaften noch sehr einfach gewesen sein müssen, könnten anorganische Oberflächen als Katalysatoren fungiert haben.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Nanopartikeln als Enzymmimetika im Hinblick auf die Darstellung einer Reaktionskaskade. Hierzu ist die Dissertation in drei Projekte unterteilt.
Das erste Projekt beschäftigt sich explizit mit der Nachahmung des Enzyms Peroxidase und dem Aktivitätsnachweise mittels verschiedener Untersuchungen. Es wurden Nanopartikel mit drei verschiedenen Zusammensetzungen untersucht: Hämatit-Nanopartikel, Magnetit-Nanopartikel und synthetisch neu entwickelte Pseudobrookit-Nanopartikel. Alle drei Nanopartikel wurden drei verschiedenen Untersuchungen – dem ABTS-, dem TMB- und dem AR-Assay – unterzogen und ihre katalytischen Eigenschaften bezüglich der ermittelten kinetischen Parameter, der Michaelis-Menten Konstante und der maximalen Reaktionsgeschwindigkeit, bewertet. Herausgearbeitet werden konnte, dass die Wahl der Untersuchungsmethode maßgeblich über den Nachweis der enzymanalogen Aktivität, aber auch über die kinetischen Parameter entscheidet.
Das zweite Projekt setzt sich intensiv mit der Synthese von heteromultimeren Nanopartikeln zur Nachahmung einer Reaktionskaskade mittels einer Nanostruktur auseinander. Die Reaktionskaskade beinhaltet die photokatalytische Produktion von Wasserstoffperoxid mithilfe eines Nanopartikels, das durch Diffusion zu einem Peroxidase-nachahmenden Nanopartikel gelangt, wo es mittels dessen katalytischen Aktivität zu Wasser umgesetzt wird. Die Darstellung heterotrimerer Nanostrukturen wie TiO2@Au@Fe3O4 und ZnO@Au@Fe3O4 wird diskutiert. Bei der Überprüfung der katalytischen Eigenschaften konnten Au@Fe3O4 Janus Partikeln bessere Eigenschaften nachgewiesen werden als den Fe3O4 Nanopartikeln des ersten Projektes. Ebenso zeigten Au@ZnO Janus Partikel hinsichtlich der photokatalytischen Produktion von Wasserstoffperoxid bessere Ergebnisse als reine ZnO Nanopartikel. Neben der Darstellung heteromultimerer Nanostrukturen mittels heterogener Nukleation und epitaxialem Wachstum wurde auch ein Ansatz über Oberflächenfunktionalisierung erprobt. Der bifunktionelle Ligand 4-(11-Mercaptoundecyl)benz-1,2-diol verfügt über eine Thiolgruppe, die sich zur Funktionalisierung von Gold-Nanopartikeln eignet, als auch über eine Katecholgruppe, die bekannt ist für ihre Fähigkeit Fe3O4 und TiO2 Nanopartikel zu funktionalisieren. Die Struktur des Liganden und aller Zwischenstufen wurden mittels NMR-Experimenten vollständig aufgeklärt bevor er zur Synthese von heterotrimeren Nanostrukturen genutzt wurde.
Das dritte Projekt beschäftigt sich mit der Synthese sogenannter Nanorasseln. Hier bilden Hämatit-Nanopartikel den Kern der Nanorasseln, die umhüllt sind von einer mesoporösen Silikahülle, in der die Hämatit-Nanopartikel frei schwimmen können. Die Silikahülle stellt hierbei ein Analogon zur Zellmembran von Archaeen dar, während der Hämatit-Nanopartikel ein Enzymmimetikum darstellt. Auf der Außenseite der Silikahülle sind Titan(IV)-oxid Nanopartikel ankondensiert die zur photokatalytischen Erzeugung von Wasserstoffperoxid genutzt werden können. Produziertes Wasserstoffperoxid gelangt mittels Diffusion durch die mesoporöse Silikahülle in das Innere der Nanorassel, wo es an der Oberfläche des Hämatit Nanopartikels umgesetzt werden kann. Mithilfe einer Farbreaktion kann dieser Umsatz nachgewiesen werden. Durch diese Nanorassel kann eine Reaktionskaskade anhand eines zellähnlichen anorganischen Modells dargestellt werden, das der Struktur einer sehr frühen Lebensform ähnelt.