In vielen Bereichen der Medizin, der chemischen Katalyse oder der Umweltwissenschaften herrscht eine grosse Nachfrage nach neuen Systemen, die mehreren Herausforderungen gewachsen sein sollen: etwa schnell und spezifisch biologische Substanzen zu identifizieren, stabile und multifunktionale Membranen zu generieren und funktionelle Strukturen im Nanometerbereich zu bilden. Wegen ihrer Dicke von nur einigen Nanometern und der Vielfalt eingelagerter, funktioneller Einheiten spielen biologische Membranen eine wichtige Rolle bei der Separation einzelner Zelleinheiten, der Stabilisierung einer Zelle, dem Transport von Nährstoffen, der Weitergabe von Informationen und bei der Erkennung von Molekülen oder anderen Zellen.

Membranbildende Polymere
Inspiriert von diesen biologischen Prinzipien, wurden vor einigen Jahren erste synthetische, membranbildende Polymere entwickelt. Sie erlauben inzwischen die Einlagerung von Membranproteinen, die Immobilisierung und den Schutz von Biomolekülen wie etwa Enzymen oder DNA. So ist es möglich, Vorteile aus beiden Welten zu vereinen: einerseits die Spezifität und Effizienz biologischer Stoffe und anderseits die Stabilität und Erzeugung kontrollierter, physikalisch- chemischer Eigenschaften von synthetischen Polymermembranen. Der Vorteil von Polymermembranen gegenüber klassischen Lipidmembranen basiert unter anderem auf ihrer kontrollierbaren hohen Stabilität und Flexibilität sowie der Möglichkeit, chemische Modifikationen durchzuführen, ohne ihre immunogene Aktivität zu erhöhen. Verschiedene Methoden zur Herstellung von Polymermembranen wurden in den letzten Jahren entwickelt. Dies reicht von planaren Membranen durch Polymerisation, Aufpfropfen oder Ausbreiten von Monoschichten an Oberflächen über freie, sphärisch in sich geschlossene Membranen, also Vesikel (Bläschen), die sich durch Selbstorganisation von hydrophil-hydrophoben Block-Copolymeren bilden. Die Erhaltung der natürlichen Struktur und Funktion eines biologischen Moleküls in einer synthetischen Polymermembran hängt von einer Vielzahl komplexer Faktoren ab. Dies limitiert stark die Wahl der chemischen Zusammensetzung des Polymersystems, des Lösungsmittels und der Umweltverhältnisse. Unsere Gruppe ist an der Entwicklung neuer «biomimetischer » (die Natur nachahmender) Membranstrukturen wie sphärischer Vesikel oder planarer Membranen aus Polymeren interessiert. Dabei versuchen wir, Biomoleküle auf die Oberflächen der Membranen zu fixieren, funktionell darin einzubetten oder in den wässrigen Hohlraum der Polymervesikel einzuschliessen. Wir synthetisierten eine Vielzahl von symmetrischen und asymmetrischen Copolymeren, die sich durch Selbstorganisation zu verschiedenen supramolekularen Strukturen wie Mizellen (Klümpchen) und Vesikeln (Bläschen) zusammenlagern. Chemische Modifikationen erlauben es, die Eigenschaften und die Funktionalität dieser supramolekularen Strukturen zu optimieren. Diese erlauben beispielsweise eine hohe Beladungseffizienz von Biomolekülen, die Möglichkeit des gleichzeitigen Transports hydrophiler und hydrophober Wirkstoffe, das selektive Induzieren intelligenter Reaktionen unter spezifischen Bedingungen und bei selektiver biologischer Verabreichung.

Biologische Wechselwirkung
Die molekulare Erkennung spielt bei natürlichen, biologischen Wechselwirkungen eine zentrale Rolle, wobei Moleküle als Substrat und Rezeptor eine spezifische Bindung eingehen. Die Forschung nutzt diese Bindung aus, um gezielt Makromolekülmembranen mit Rezeptoren auszustatten, wie zum Beispiel mit Biotin, Polyguanosinmonophosphat oder Metallkomplexen. Dies erlaubt eine genaue Untersuchung der molekularen Erkennung an künstlichen Membranen. In einer Forschungsarbeit konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, die Oberfläche einer Vesikelmembran mit Metallionen zu versehen und Proteine über molekulare Erkennung spezifisch an diese zu binden. Damit lassen sich die Proteine sehr dicht packen und sogar geordnet positionieren. Solche Makromolekülmembranen, die mit Metallbindungsstellen ausgestattet sind, versprechen neue Möglichkeiten in der 2-D-Proteinkristallisation und Sensortechnologie. In einem richtungweisenden Experiment konnten wir zudem zeigen, dass ein Membranprotein, das aus einer natürlichen Membran extrahiert wurde, wieder in eine Polymermembran eingefügt werden konnte. Dies zeigte, dass unsere künstlichen Membranen die nötigen Voraussetzungen mitbringen, damit das Protein nach der Insertion seine natürliche Gestalt einnehmen kann. Zusätzlich ist das Protein fähig, Elektronen durch die Membran zu schleusen, was für zukünftige Anwendungen, etwa im Bereich biomimetischer Batterien oder Brennstoffzellen, genutzt werden kann. Es ist erstaunlich, dass es trotz der Dicke und mechanischen Stabilität von Makromolekülmembranen möglich ist, Proteine darin einzufügen und damit ihre Durchlässigkeit zu kontrollieren. Wir haben dies dazu genutzt, um neue, hoch selektive und wasserdurchlässige Membranen zu entwickeln. Die Vielzahl der verschiedenen Proteine, die verwendet werden konnten, um die Membran durchlässig zu machen, zeigt, dass sich die stabile und vielseitige Kunststoffmembran äusserst gut dazu eignet, eine natürliche Membran nachzuahmen, sodass erstmalig intra- und transmembrane Prozesse kontrolliert werden konnten.

Künstliche Organellen
Vor einigen Jahren führten wir das Konzept von sogenannten Nanoreaktoren ein, wo Vesikel aus Polymeren zur Verkapselung von Enzymen und Proteinen, unter Erhalt ihrer Aktivität, benützt wurden. Um kontinuierliche Reaktionen im Innern von Nanoreaktoren durchführen zu können, müssen ihre Aussenmembranen eine selektive Durchlässigkeit für den Austausch von Substraten und Produkten mit der Umgebung aufweisen. Dies konnte durch selektiven Einbau von Kanalproteinen – ursprünglich isoliert aus Bakterien – in die Membran erreicht werden. Zudem konnten erst kürzlich solche aktiven Nanoreaktoren auch selektiv und räumlich kontrolliert an Glasoberflächen gebunden werden. Interessanterweise wurde dabei ihre Aktivität direkt, durch mikroskopische Beobachtung der selektiven Bildung fluoreszierender Farbstoffe im Innern der immobilisierten Nanoreaktoren, nachgewiesen. Solche Polymervesikel mit Membrankanälen erlauben einen kontrollierten Austausch von Substanzen und daher auch potenziell therapeutische Anwendungen fragiler, biologischer Komponenten, wie etwa Enzymen. Deshalb haben wir Nanoreaktoren entwickelt, die Enzyme einschliessen, die Zellen entgiften können, indem sie Superoxide – Auslöser von «oxidativem Stress» – abbauen. Ein weiterer Schritt wurde gemacht, indem zwei Enzyme gleichzeitig in die Nanoreaktoren eingeschlossen wurden und so eine mehrstufige Reaktion ausgenützt werden konnte, um die Bildung giftiger Nebenprodukte zu vermeiden. Neuste Experimente zeigten, dass Polymervesikel mit eingebauten Kanalproteinen und verkapselten Enzymen als eigentliche «Biomaschinen» von Zellen aufgenommen werden. Überraschenderweise bleiben solche Biomaschinen über mehrere Tage in den Zellen aktiv und können so beispielsweise Zellen unter oxidativem Stress kontinuierlich entgiften. Solche «künstlichen Organelle» haben ein grosses Potenzial für Therapien, da sie selektiv inaktive Moleküle in aktive Wirkstoffe umwandeln können. Spezifische Wechselwirkungen zwischen Biomolekülen – wie Enzymen, Peptiden oder Membranproteinen – mit verschiedenen Arten von Polymermembranen konnten schon in verschiedensten Kombinationen und Anwendungen gezeigt werden. Diese Wechselwirkung und die Funktionalität solcher komplexen Systeme müssen quantitativ charakterisiert werden. Alle bekannten Systeme, wenn auch nur als Modellversuche, sind von grossem Interesse für die Grundlagenforschung, aber auch für potenzielle medizinische Anwendungen.