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Exakte Kraftfeldmodelle für ionische Lösungen

Den Ionenstrom zu durchschauen ist für Entwicklungen in der Biotechnologie- und Pharmaindustrie von entscheidender Bedeutung. Neuartige thermodynamische Modelle sollen zum besseren Verständnis beitragen und für mehr Gestaltungsraum sorgen.
Exakte Kraftfeldmodelle für ionische Lösungen
Den meisten hydrophoben polymeren Materialien fehlen an ihren Oberflächen funktionelle oder reaktive Gruppen. Dessen ungeachtet entwickeln sie an ihren Grenzflächen zu Wasserkörpern wie etwa physiologischer Kochsalzlösung eine beträchtliche negative Ladung. In den letzten Jahrzehnten ist es trotz intensiver Forschung nicht gelungen, eine Erklärung für dieses Phänomen zu finden. Dennoch sind die Konsequenzen dieser Erscheinungen insbesondere für elektrisch angetriebene Ströme wie beispielsweise den Ionentransport durch biologische Kanäle wichtig.

Das von der EU finanzierte Projekt EXCHARGEHYD untersuchte die Salzadsorption an derartigen Grenzflächen unter Berücksichtigung thermodynamisch konsistenter Kraftfelder für Ionen und setzte dabei auf Verfahren der Molekulardynamik. Die Definition genauer Kraftfelder ist eine echte Herausforderung. Man braucht ein Modell, das gleichzeitig das Verhalten mehrerer (thermodynamischer) Volumeneigenschaften ionischer Lösungen beschreibt. Jedoch basieren die meisten Kraftfeldparameter biologisch bedeutender zweiwertiger Kationen wie etwa von Magnesium (Mg2+), Kalzium (Ca2+), Barium (Ba2+) und Strontium (Sr2+) typischerweise auf Eigenschaften einzelner Ionen.

Die Forscher entwickelten Kraftfeldparameter der vorhergehend genannten Ionen im erweiterten einfachen Punktladungs-Wassermodell (SPC/E). Die optimierten Kraftfelder beschreiben genau die thermodynamischen Eigenschaften einzelner Ionen in Wasser. Um die Genauigkeit zu verbessern, wurden auch sämtliche im Experiment beobachteten Abweichungen vom idealen Verhalten in endlichen Ionenkonzentrationen in das Modell einbezogen. Man bewertete die Modellvorhersagen in Bezug auf die Eigenschaften von Wasser in Kontakt mit Luft und mit einer hydrophoben selbstorganisierten Monoschicht. Der Einfluss der Ionen auf die Proteinstabilität in reinem Wasser und in wässrigen Salzlösungen wurde erkundet, um Lösungen mit einem Denaturierungseffekt zu ermitteln.

Bis heute konnte aufgrund der komplexen Natur der Wechselwirkungen kein einzelnes molekulares dynamisches Modell in adäquater Weise ein breites Spektrum des Ionenverhaltens wiedergeben. Die von EXCHARGEHYD entwickelten exakten Simulationen bilden deshalb einen wichtigen Beitrag für die Biotechnologie und die Medikamentenentwicklung.

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