Nanopartikel mit enzymatischer Aktivität
Enzyme entfalten ihre Wirkung nur unter bestimmten physiologischen Bedingungen, sodass veränderte Temperaturen und pH-Werte ihre Struktur beeinflussen und sie inaktiv machen können. Dies ist ein wesentlicher Nachteil, wenn sie in technologischen Prozessen wie etwa der Lebensmittelverarbeitung eingesetzt werden sollen. Um Enzyme flexibler für die technische Synthese zu machen, "suchte das EU-finanzierte Projekt ARTEN nach möglichen Enzymanaloga, die unempfindlicher auf veränderte Bedingungen reagieren und bei großtechnischen katalytischen industriellen Prozessen eine höhere Ausbeute ermöglichen", erklärt Projektkoordinator Dr. Knez. Anorganische NP als molekulare Biomimetika Bislang lag der Schwerpunkt auf nur wenigen Arten anorganischer NP - meist verschiedenen Metallen, Metalloxiden und –legierungen, und viele Aspekte katalytischer Reaktionen von Enzymanaloga sind bei anorganischen Teilchen noch weitgehend ungeklärt. Die Wissenschaftler von ARTEN entdeckten, dass einige Standardkatalysatoren wie Platin und Gold ähnliche Eigenschaften aufweisen wie bestimmte Enzymreaktionen. Interessant für die Forscher waren vor allem Enzyme wie Katalasen, Superoxid-Dismutasen und Ferroxidasen, die zum Teil bereits in Kosmetika verwendet werden und Redoxreaktionen beeinflussen. Redoxenzyme kommen in der Natur sehr häufig vor und stehen in Zusammenhang mit oxidativem Stress und entzündlichen Prozessen. Zudem entdeckten sie Inhibitoren, die selektiv einzelne katalytische Reaktionen verhindern, ohne dabei andere, parallel ablaufende Reaktionen zu beeinflussen. Nach einer detaillierten Charakterisierung der katalytischen Aktivität der anorganischen NPs entdeckten die Wissenschaftler Veränderungen am pH-Wert, die die Umwandlungseffizienz verbesserten. Zudem lassen sich diese NPs, anders als herkömmliche Enzyme, nach der Reaktion zurückgewinnen. Insgesamt erweitern die entwickelten NP das Anwendungsspektrum bestimmter enzymähnlicher Reaktionen im Hinblick auf Betriebstemperaturen und pH-Werte, die für Enzyme normalerweise unerwünscht sind. Verkapselung von NP in Proteinen Durch Verkapselung anorganischer NP mittels kontrollierter Synthese in spezifischen Proteinhüllen entstanden bioanorganische Verbundenzyme. Bei diesen in Proteinen eingeschlossenen NP war die katalytische Aktivität höher und die aktive Oberfläche größer als bei herkömmlichen Enzymen. Weiterhin demonstrierten die Forscher, dass physikalische und chemische Eigenschaften wie Größe und Oberflächenstruktur so verändert werden können, dass sich die katalytische Aktivität dem Bedarf anpassen lässt. Da die anorganischen NP in Proteintemplaten synthetisiert wurden, mussten die Forscher insbesondere Probleme durch Wechselwirkung zwischen organischem und anorganischen Teil dieser Enzymanaloga ausräumen. Ein interessantes Ergebnis dabei war, dass die Proteinhülle die NP schützt und weitere synergistische Aktivitäten zulässt. Die Proteinkomponente selbst könnte als effektive Arzneimittel- und Genfähre dienen, was für die Biomedizin spannende Forschungsmöglichkeiten bietet. Anwendungen für anorganische synthetische Enzyme Mit den ersten Ergebnissen von ARTEN zeichnet sich hohes wissenschaftliches wie auch technologisches Innovationspotential ab. Zur klinischen Anwendung des Systems erklärt Knez: "Noch ist es zu früh, um reale Anwendungen konkret zu planen, gelänge es aber, die selektive Bindung an Zellen oder Gewebe zu verbessern, könnten die Partikel künftig für spezifische Therapien zum Einsatz kommen." Angesichts der wichtigen Rolle katalytischer Umwandlung im Biotech-Sektor sind die von ARTEN entwickelten anorganischen Enzym-Analoga eine gangbare Alternative für Hochdurchsatzkatalysen. Die Partner wollen nun mithilfe weiterer Fördermittel die Forschung und das Spektrum an verfügbaren künstlichen Enzymen in den kommenden Jahren erweitern."
Schlüsselbegriffe
ARTEN, Enzym, anorganische Nanopartikel, Protein, katalytische Reaktion