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Nanopartikel-Protein Interaktionen : Quantifizierung struktureller und funktioneller Aspekte des Adsorptionsprozesses

Malissek, Marcelina

Der Fokus dieser Arbeit lag auf der Untersuchung der Wechselwirkung von Proteinen mit Nanopartikel-Oberflächen. Das Ziel bestand in grundlegenden qualitativen und quantitativen Untersuchungen des Adsorptionsprozesses und den damit verbundenen strukturellen und funktionellen Änderungen von Proteinen. Basierend auf der Circulardichroismus (CD)-Spektroskopie wurde eine neue Meßmethode entwickelt und validiert, mit der sich erfolgreich leichgewichtskonstanten (KD) für den Adsorptions-/Desorptionsprozess von Proteinen auf Nanopartikel-Oberflächen bestimmen lassen. Es konnte gezeigt werden, dass verschiedene Proteine eine unterschiedliche Affinität zur Nanopartikel-Oberfläche besitzen. Die Proteine Serum-Albumin (BSA) und Insulin zeigen eine starke Affinität zu Silber-Nanopartikel-Oberflächen. Dieses äußert sich in einer Gleichgewichtskonstante (KD) im kleinen nanomolaren Bereich. Für die Proteine Lysozym und Immunoglobulin (IgG) wurden höhere KD-Werte ermittelt. Es stellte sich heraus, dass die Oberflächenladung einen entscheidenden Faktor im Adsorptionsverhalten von Proteinen darstellt. Bei metallischen Gold- und Silber-Nanopartikeln konnte kein Unterschied im Adsorptionsverhalten von BSA festgestellt werden. Dieses konnte verändert werden, wenn Nanopartikel Polymer-funktionalisiert wurden. Für die Untersuchung des Einflusses einer Polymerfunktionalisierung wurden im Rahmen einer Kooperation Gold- und Silber-Nanopartikel mit dem Polymer (Poly)vinylpyrrolidon (PVP) funktionalisiert. Untersuchungen von BSA mit Citrat-stabilisierten metallischen Nanopartikeln zeigen KD-Werte im kleinen nanomolaren Bereich, während für Polymere und Polymer-funktionalisierte Nanopartikel Gleichgewichtskonstanten im kleinen mikromolaren Bereich bestimmt wurden. In dieser Arbeit wurde erstmalig die Abhängigkeit der Nanopartikel-Größe im Interaktionsprozess mit BSA untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Nanopartikel-Größe bis zu einem Durchmesser von 40 nm relevant ist. Hier kann wahrscheinlich aufgrund der gleichen Größenverhältnisse von BSA und der Silber-Nanopartikel-Oberfläche das Protein mit weniger funktionellen Gruppen mit der Nanopartikel-Oberfläche interagieren. Diese geringere Affinität zeigt sich in größeren KD-Werten. Bei einem Nanopartikel-Durchmesser von über 40 nm interagiert das BSA, aufgrund der stärker ausgeprägten Größenverhältnisse gegenüber dem Nanopartikel, nur noch mit einer „flachen“ NP-Oberfläche. Hier ist nur noch die vorhandene Gesamt-Oberfläche verantwortlich für die Denaturierung des BSA. Demnach konnten für große Nanopartikel keine Unterschiede in der Gleichgewichtskonstante ermittelt werden. Neben dem strukturellen Einfluss wurde die Funktionshemmung von Enzymen im Interaktionsprozess mit PVP-funktionalisierten Gold-Nanopartikeln untersucht. Die Enzyme Trypsin, Chymotrypsin und Lysozym zeigen eine konzentrationsabhängige Hemmung der Enzymaktivität im Interaktionsprozess mit PVP-funktionalisierten Gold-Nanopartikeln. Die Funktionshemmung von Trypsin wurde in Gegenwart von Gold-Nanopartikeln mit unterschiedlicher Oberflächenladung untersucht. Es konnte in Gegenwart dieser Nanopartikel eine stärkere Hemmung der Enzymaktivität bestimmt werden, wenn die Oberflächenladung negativ war (- 30 mV), als für eine positive Oberflächenladung (+ 30 mV). Ursächlich für dieses Verhalten ist die überwiegend positive Oberflächenladung des Trypsins, welches eine stärkere Adsorptionsaffinität zu negativ geladenen Nanopartikeln besitzt. CD-Messungen belegen zudem einen Strukturverlust des Enzyms im Interaktionsprozess mit Gold-Nanopartikel-Oberflächen. Dieser Strukturverlust kann ebenfalls im Bereich des aktiven Zentrums stattfinden, was den Verlust der Funktion des Enzyms erklärt. In weiteren Experimenten konnte gezeigt werden, dass sich Trypsin-Moleküle wieder von der Nanopartikel-Oberfläche desorbieren lassen, diese dann allerdings keine Enzymaktivität mehr aufweisen.

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Malissek, Marcelina: Nanopartikel-Protein Interaktionen. Quantifizierung struktureller und funktioneller Aspekte des Adsorptionsprozesses. 2013.

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