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Peptid-Nanotechnologie ebnet den Weg für organische Elektronik

Die in medizinischen Implantaten wie Herzschrittmachern und Insulinpumpen verwendeten Materialien können für den Körper gefährlich sein. Das EU-finanzierte Projekt BISON strebt mit selbstorganisierenden Peptid-Bausteinen eine Alternative an. Diese organische Elektronik bietet den Menschen sicherere Implantate, die vom Körper selbst mit Energie versorgt werden könnten.

© utah51 #365765671, source: stock.adobe.com 2021

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Peptide bestehen aus einigen wenigen Aminosäure-Bausteinen und sind die kleinsten Fragmente von Proteinen. Wie die Proteine selbst haben sie spezielle Funktionen entwickelt, wie z. B. antimikrobielle, signalisierende und hormonelle Aktivität.

Das EU-finanzierte und vom Europäischen Forschungsrat (ERC) unterstützte Projekt BISON erforschte die kleinstmögliche selbstorganisierende Peptidanordnung, die für eine Reihe funktioneller Anwendungen, einschließlich biobasierter Elektronik, interessante physikalische Eigenschaften aufweisen kann.

„Unsere gut geordneten und bei hohen Temperaturen stabilen Anordnungen tragen dazu bei, dass das Zeitalter der organischen Elektronik näher rückt. Dieser Bereich steckt noch in den Kinderschuhen, doch unsere Ergebnisse tragen bereits dazu bei, ihn zu gestalten“, sagt Projektkoordinator Ehud Gazit von der Universität Tel Aviv, dem Projektträger.

Die Peptideigenschaften erkunden

Das BISON-Team konzentrierte sich auf Anordnungen von Peptiden, die nur aus zwei oder drei Aminosäuren bestehen, und nutzte die Röntgenkristallographie, um den Prozess der Selbstorganisation von Peptiden zu charakterisieren. Außerdem wurde eine Mikrofluidik-Plattform eingesetzt, um erstmals die Ausdehnung und Kontraktion von Peptid-Nanostrukturen zu demonstrieren, was Einblicke in ihre physikalischen Veränderungen erlaubt.

Das Team hat zudem Elektronenmikroskopie, Rasterkraftmikroskopie, Spektrometrie und Spektroskopie – ergänzt durch Computertechniken – genutzt, um die Selbstorganisation der Peptidbausteine in Echtzeit zu untersuchen.

Damit ging eine Reihe bahnbrechender Entdeckungen einher, wie z. B. die höchste Quantenausbeute (Effizienz der Lichtemission), die bisher für Peptidanordnungen gemeldet wurde. Davon inspiriert entwickelte das Team Mikrosphären-Antennen, die in der Lage sind, Sonnenlicht für die künstliche Photosynthese zu absorbieren. Es demonstrierte damit das Potenzial der Peptid-Nanotechnologie, Energie zu sammeln und zu speichern.  

Auf dem Gebiet der Medizin wurde ein neues Tripeptid entdeckt, das sich wie Kollagen verhält. „Das war paradox, denn alle anderen Peptide bilden blattartige, gestapelte Anordnungen“, erklärt Gazit. „Wir haben diese überraschende Fähigkeit ausgenutzt und das Peptid so eingestellt, dass es starre Anordnungen mit hohen piezoelektrischen Eigenschaften entstehen lässt.“

Diese Piezoelektrizität, die Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Ströme, stellt sich als außerordentlich vielversprechend heraus. Da die meisten piezoelektrischen Materialien auf Bleibasis hergestellt werden, sind sie für den menschlichen Körper giftig, wodurch ihre Verwendung in implantierten biomedizinischen Geräten ausgeschlossen ist. Die Peptidanordnungen von BISON könnten mechanische Energie aus Körperbewegungen in elektrische Energie umwandeln, um medizinische Geräte wie Herzschrittmacher, Insulinpumpen und künstliche Herzklappen sicher mit Strom zu versorgen.

Es wurden auch Anordnungen identifiziert, die für leitfähige Hydrogele relevant sind. Daraus resultierte ein Dipeptid-Design mit der niedrigsten kritischen Gelierkonzentration (die Mindestkonzentration, bei der eine gelöste Substanz ein Gel bilden kann), die jemals berichtet wurde. Bei BISON war sie mit 0,002 Gew.-% 3 500 Mal niedriger als bei Gelatine. Dieses Ergebnis eröffnet Möglichkeiten für Anwendungen im Bereich der Gewebezüchtung und der Regeneration.

Entscheidend für alle Anwendungen war die Entdeckung, dass die Peptidanordnungen bei Temperaturen über 400 °C stabil blieben. „Man geht immer davon aus, dass bioinspirierte Materialien von Natur aus instabil sind, aber unsere Anordnungen könnten sich sogar als stabiler als anorganische erweisen“, fügt Gazit hinzu.

Ebenfalls entscheidend für künftige Anwendungen ist die Möglichkeit, eine Vielzahl von strukturellen Anordnungen zu schaffen. Zu diesem Zweck hat das Team einen Tripeptid-Baustein entwickelt, der Nanodrähte, Nanofasern und Nanokugeln bilden kann.

Auf dem Weg zu noch kleineren Bio-Bausteinen

Bei den meisten von der optoelektronischen Industrie angefertigten Produkten werden metallische Werkstoffe eingebunden, die den Planeten schädigen, da sie bei ihrer Herstellung und Gewinnung Umweltverschmutzung verursachen und als Abfall nicht abbaubar sind. Die kontinuierliche Arbeit von BISON bietet umweltfreundliche Alternativen, die zu einer grüneren Wirtschaft beitragen.

Das Team hat bereits EU-Mittel für zwei Folgeprojekte zum Nachweis des Konzepts erhalten, um die vielversprechenden biologischen Anwendungen voranzubringen: PiezoGel soll zur Verbesserung von 3D-Zellkulturen, insbesondere für die Geweberegeneration, und PepZoSkin zur Erforschung der Herstellung von elektronischer Haut beitragen.

„Der nächste Schritt besteht darin, unsere Erkenntnisse auf die Metabolit-Nanotechnologie anzuwenden und mit noch kleineren bioorganischen Molekülen wie Aminosäuren, Vitaminen und Nukleobasen zu arbeiten, um die Leistung der Peptid- und DNA-Nanotechnologien zu kombinieren und eine Peptid-Nukleinsäure-Technologie zu entwickeln“, so Gazit.

Das Team hat sich mit der Johannes Kepler Universität Linz in Österreich und dem Technion Israel Institute of Technology zusammengetan, um die Technologie zur Marktreife zu bringen.

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Einzelheiten zum Projekt

Kurztitel des Projekts
Bison
Projekt-Nr.
694426
Projektkoordinator
Israel
Projektteilnehmer:
Israel
Aufwand insgesamt
€ 3 003 125
EU-Beitrag
€ 3 003 125
Laufzeit
-

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