Nanoreaktoren für Reaktionskaskaden

Nanoskopische Bläschen mit Kunststoffmembran und eingebauten Enzymen für mehrstufige Eintopfreaktionen

21.08.2007

Lebende Zellen sind hochkomplexe Synthesemaschinen: Zahlreiche mehrstufige Reaktionen laufen gleichzeitig nebeneinander und das mit unglaublich hoher Effizienz und Spezifität. Damit diese zumeist enzymatischen Reaktionen in ihrer Gesamtheit so prima laufen können, bedient sich Mutter Natur mehrerer Konzepte. Eines der wichtigsten ist die Aufteilung in Kompartimente. Enzyme werden dabei nicht nur räumlich getrennt, sondern auch an spezifischen Stellen innerhalb der Zelle positioniert. Niederländische Forscher um Jan C. M. van Hest und Alan E. Rowan haben nun einen Ansatz entwickelt, um dieses Konzept abzukupfern: Durch gesteuerte Positionierung zwei verschiedener Enzyme im zentralen Wasserreservoir bzw. in der Kunststoff-Membran künstlicher nanoskopischer Bläschen konstruierten sie Nanoreaktoren. Im Kombination mit einem dritten Enzym in der umgebenden Lösung gelang es, drei verschiedene Enzymreaktionen gleichzeitig ohne gegenseitige Störungen als "Eintopfreaktion" ablaufen zu lassen.

Um eine zelluläre Umgebung nachzuahmen, stellten die Wissenschaftler nanoskopische Bläschen her, die von einer Membran aus einem speziellen Kunststoff umgeben sind. Der Kunststoff ist ein Blockcopolymer und entspricht in seinem prinzipiellen Aufbau Lipiden, den natürlichen Membranbausteinen, mit einer wasserfreundlichen Kopfgruppe und einem wasserabweisenden Schwanz. In Analogie zu den aus Lipiden gebildeten Liposomen nennt man diese Bläschen Polymersomen. Dank einer schier unbegrenzten Freiheit bei der Herstellung solcher Kunststoffmembranen kann man das Eigenschaftsspektrum der Polymersomen regelrecht maßschneidern. Die Forscher stellten ihre Polymersomen so her, dass diese für kleine Moleküle durchlässig sind, für große dagegen eine Barriere bilden. So lassen sich z.B. Enzyme im Inneren der Polyersomen, dem so genannten Wasserreservoir, einschließen, die kleineren Substrat- oder Produktmoleküle können ungehindert passieren.

Um die Leistungsfähigkeit ihrer "Nanoreaktoren" zu demonstrieren, bauten die Forscher das Enzym Meerrettichperoxidase fest in die Membran ein. Ins Wasserreservoir schlossen sie das Enzym Glucoseoxidase ein. Der umgebenden Lösung setzten sie das Enzym Lipase B zu. Mit vier Acetylgruppen verknüpfte Glucosemoleküle wurden als Substrat zugegeben. Im ersten Schritt spaltet die Lipase B die Acetylgruppen ab. Die entstehende Glucose durchtritt die Membran, wo sie auf die Glucoseoxidase trifft und von ihr oxidiert wird. Dabei entsteht Wasserstoffperoxid. Darauf hat die in der Membran verankerte Meerrettichperoxidase nur gewartet, denn sie braucht es, um das - ebenfalls in der Lösung enthaltene - Beispielsubstrat ABTS (2,2'-Azinobis(3-ethylbenzothiazolin-6-sulfonsäure)) in sein Radikal-Kation zu überführen.

Originalveröffentlichung: Jan C. M. van Hest et al.; "Positional Assembly of Enzymes in Polymersome Nanoreactors for Cascade Reactions"; Angewandte Chemie 2007.

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