Wirkung von Kunststoffpartikeln auf Zellmembranen
Jährlich gelangen Millionen Tonnen von Plastikabfällen in die Umwelt, die dann zu mikro- und nanoskaligen Partikeln abgebaut werden und in die Nahrungskette übergehen. Diese Kunststoffpartikel enthalten mitunter toxische Substanzen, deren Auswirkungen auf lebende Organismen aber noch nicht hinreichend erforscht sind. Die erste Barriere, die Kunststoffnanopartikel in lebenden Organismen überwinden müssen, ist die Zellmembran. Das EU-finanzierte Projekt NANOPLAST (A computational study of the interaction between nanoplastic and model biological membranes) untersuchte daher mögliche physikalische Mechanismen, durch die die Zellmembran bei der Interaktion mit Plastikpartikeln geschädigt wird. Die Forscher entwickelten neue Computermodelle für die Wechselwirkung zwischen Nanopartikeln aus gängigen Polymeren und Lipidmembranen, u.a. neue molekulare grobkörnige Modelle für die beiden gängigen hydrophoben Polymere Polypropylen (PP) und Polyethylen (PE). An diesen Modellen wurde dann die Wechselwirkung zwischen Polymernanopartikeln und einer homogenen Membran untersucht, die aus einem einzelnen Lipidmolekül sowie einer lateral heterogenen Membran aus verschiedenen gemischten Lipiden besteht. Letztere lieferte das realistischste Modell einer Plasmamembran mit sehr komplexer Lipidzusammensetzung. NANOPLAST charakterisierte auch das Verhalten dreier hydrophober Polymere in Lipid-Doppelschicht-Modellen: Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und Polystyrol (PS), deren Wechselwirkung mit homogenen Membranen jeweils unterschiedlich war. So wurden etwa PP und PS in dem Kern der Doppelschicht gelöst, PE hingegen bildete flüssige Aggregate. Zudem unterschied sich das Verhalten der drei Polymere in heterogenen Membranen. Veränderungen der Membranstruktur und lateralen Lipidstruktur können die Funktion von Membranproteinen und anderen Komponenten nachhaltig schädigen, was wiederum die Gesamtfunktion der Zelle verändert. Analysen der Wechselwirkung von Kunststoffpartikeln mit Zellmembranen können daher neue Erkenntnisse zu chemischen Grundlagen ihrer Toxizität in allen lebenden Organismen liefern. Kunststoffpartikel sind überall und weltweit in der Umwelt zu finden. NANOPLAST warnt damit vor den globalen Effekten und verdeutlicht, wie wichtig es ist, Kunststoffabfälle effizient zu reduzieren.
Schlüsselbegriffe
Zellmembran, Nanopartikel, NANOPLAST, hydrophobes Polymer, Lipid