Forschung

Protein-basierte Nanomaterialien

Die AG Beck arbeitet auf dem Gebiet der proteinbasierten Nanomaterialien. Wir verwenden Proteincontainer, um anorganische Nanopartikel zu hochstrukturierten Materialien zu assemblieren. Dabei kommen verschiedene Techniken zum Einsatz: Proteindesign mit Hilfe von computergestützten Methoden, Proteinproduktion und -aufreinigung, Synthese von Nanopartikeln und Assemblierung von Nanopartikeln mit Kristallisationsmethoden. Die Charakterisierung der Materialien erfolgt durch Röntgenkristallographie, Elektronenmikroskopie und Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS).

Selbstassemblierung von neu gestalteten Proteincontainern

Für die Konstruktion funktioneller Nanomaterialien ist die Selbstorganisierung ein wichtiger Schritt. Wir haben kürzlich eine neue Methode für die Selbstorganisierung von biomolekularen Bausteinen und Nanopartikeln entwickelt. Dabei bilden Proteincontainer mit entgegengesetzter Oberflächenladung atomar-präzise Ligandenhüllen, die für die Assemblierung anorganischer Nanopartikel dienen. Die Assemblierung dieser Protein-Nanopartikel-Komposite führt zu hoch geordneten Nanopartikel-Supergittern mit bisher unerreichter Präzision. Die Struktur des Proteingerüsts kann durch äußere Stimuli wie die Metallionenkonzentration beeinflusst werden. Außerdem bieten die als Gerüst verwendeten Proteincontainer einen vielversprechenden Ansatz zur Herstellung von erneuerbaren Materialien.

Katalytische Nanomaterialien

Vor der Assemblierung können die Hohlräume der Proteincontainer mit Metalloxid-Nanopartikeln beladen werden. Die Kristallisation von entgegengesetzt geladenen Proteincontainern mit Nanopartikel-Cargo führt zu hochgeordneten Nanopartikel-Übergittern als freistehende Kristalle mit einer Größe von bis zu einigen hundert Mikrometern. Darüber hinaus kann die Proteinmatrix durch Fixierung der Kristalle mit Glutaraldehyd stabilisiert werden, ohne dass sich die ursprüngliche Kristallstruktur ändert. Das Anwendungspotenzial dieser Biohybridmaterialien in der Katalyse wurde untersucht. Unitäre Ceriumoxid-Nanopartikel-Übergitter zeigen oxidase-ähnliche und peroxidase-ähnliche Aktivität. Die Kombination von zwei verschiedenen Nanopartikeltypen im Protein-Gerüst beeinflusst nicht die Aktivität des einzelnen Nanopartikeltyps.

Effiziente Nanopartikel Einkapselung

Wir konnten zeigen, dass der hochspezifische Cargo-Lademechanismus des bakteriellen Nanokompartments Encapsulin für die Einkapselung von Cargo wie anorganischer Nanopartikel genutzt werden kann. Hierbei wurden goldhaltige Nanopartikel mit wenigen Encapsulin-Ladungspeptiden (CLP: cargo-loading peptide) dekoriert, welche durch eine Schloss-und-Schlüssel-Interaktion mit den Peptidbindetaschen auf der inneren Oberfläche des Containers mit hoher Effizienz in Encapsulin eingekapselt werden. Aufgrund seiner starren Struktur passt sich Encapsulin nicht der Größe der Nanopartikel-Ladung an. Besonders bemerkenswert ist die Peptidbindung, die unabhängig von externen Faktoren wie der Ionenstärke ist. CLPs können als universelles Tool für eine effiziente und spezifische Einkapselung von Cargo-Molekülen in einem Protein-Nanokompartiment dienen.

Previous work: Protein structure determination with halogenated ligands