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Forschungsfeld A
Synthese und Biofunktionalisierung von Sonden und Nanomaterialien
Koordinator: Markus Haase
Forschungsfeld A zielt auf die Bereitstellung eines breiten Spektrums maßgeschneiderter Sonden. Deren spezielle physikalische und biologische Eigenschaften erlauben ihre Verwendung für die biologische Untersuchung zellulärer Mikrokompartimente mittels Spektroskopie und Mikroskopie. Das Augenmerk liegt dabei insbesondere auf
- organischen Fluoreszenzfarbstoffen und lumineszenten Nanopartikeln mit maßgeschneiderten photophysikalischen Eigenschaften und biologischer Funktionalität
- Spinsonden zur Markierung von Proteinen in komplexen Umgebungen bis hin zu ganzen Zellen
- photoaktivierbaren/photomanipulierbaren Lipiden und Reagenzien.
Beteiligte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler:
Arbeitsgruppe Uwe Beginn, Chemie
Makromolekulare "Soft Interfaces" zwischen Zelle und synthetischen Nanomaterialien
Die AG Beginn synthetisiert makromolekulare Oberflächenmodifikatoren, die irreversibel auf anorganischen, harten Oberflächen binden und eine „weiche“, hydrophile und (bio-)chemisch funktionelle Grenzschicht ausbilden. Die Makromoleküle werden auf anorganische Nanomaterialien aufgebracht (=“geprimert“) und anschließend im Sinne der jeweiligen Aufgabenstellung optimal funktionalisiert. Ein so „geprimertes“ Nanomaterial kann aufgrund vorhandener, chemisch reaktiver Gruppen der Oberflächenmodifikatoren mit biologischen Signalen, Markern oder Tracerfunktionen versehen und so optimal für den biologischen Kontext eingestellt werden.
Arbeitsgruppe Markus Haase, Chemie
Sichtbare Lumineszenz unterschiedlicher Upconversion-Partikel bei Anregung mit 980 nm (l.) und elektronenmikroskopische Aufnahme (r.) (AG Haase, unveröffentlicht).
Synthese anorganischer Nanokristalle
Die AG Haase beschäftigt sich mit der chemischen Synthese von funktionalen anorganischen Nanokristallen und deren struktureller und optischer Charakterisierung. In jüngerer Zeit wurden vor allem Upconversion-Nanopartikel untersucht. Hierzu werden neue Synthesestrategien entwickelt, um Partikel mit enger Partikelgrößenverteilung und definiert einstellbaren Partikelgrößen herstellen zu können.
Einen weiteren Schwerpunkt stellen Partikel mit unterschiedlichen Kern-Schale-Strukturen dar, in denen sich die für die optischen Eigenschaften maßgeblichen Dotierungsatome in genau definierten Bereichen innerhalb der Partikel befinden.
Arbeitsgruppe Joost Holthuis, Biologie
Technologie der bifunktionalen Lipide zur Identifizierung von Lipid-Protein Wechselwirkungen am Beispiel eines Ceramid als Köderlipid (Haberkant et al., Angew. Chem., 2013).
Dynamik und Homöostase der Membranlipide
Die AG Holthuis untersucht die Grundprinzipien von Transport und Homöostase der Membranlipide.
Das Forschungsgebiet umfasst die zugrundeliegende Proteinma- schinerie aus Lipid-Konvertern, -Sensoren und -Flippasen mitsamt möglicher Fehlfunktionen, die systemische Ausfälle und letztlich Krankheiten bedingen.
In diesem Zusammenhang entwickelt die AG Methoden zum Visualisierung der lokalen Lipid- Pools im lebenden Zellen (Semisynthetische Lipid-Sensoren), Manipulation der Zellulare Lipid-Flusses (Umschaltbare Enzymen/Transporter), und Identifizierung von funktionellen Protein-Lipid Wechselwirkungen in Zellmembranen (Bifunktionale Lipid-Technologie).
Arbeitsgruppe Mirco Imlau, Physik
Durchstimmbare Lichterzeugung mit nichtlinear optischen Niobat-Nanokristallen (unveröffentlichte Ergebnisse)
Ultrakurzzeitphysik - Femtosekunden-Photophysik nichtlinear-optischer Nanomaterialien
Die Forschungsgruppe Imlau erforscht die photophysikalischen, speziell nichtlinear optischen Eigenschaften nanophotonischer Sonden für die höchstauflösende Bildgebung und Photomanipulation in Zellen. Hierzu werden Energietransfermechanismen innerhalb von lumineszierenden bzw. harmonischen Nanopartikeln sowie zu Biomolekülen an ihrer Grenzfläche oder ihrer unmittelbaren Umgebung mit Femtosekunden-Zeitauflösung untersucht, so dass eine schrittweise, präzise Modellierung und ein umfassendes Verständnis dieser Prozesse ermöglicht wird. Die Erkenntnisse sind wichtiger Ausgangspunkt für das weiterführende, maßgeschneiderte Design nichtlinear optischer Nanopartikel.
Arbeitsgruppe Jacob Piehler
Spezifische Anbindung von Nanopartikeln (rot) an Zielproteine auf Mitochondrien (grün) und die Trajektorien einzelner Membranproteinkomplexe (Liße et al., Angew. Chem., 2011)
Signalvermittlung über biologische Membranen - Funktionalisierung von Nanopartikeln
Die AG Piehler entwickelt Strategien zur Biofunktionalisierung von Nanopartikeln, die ortsspezifisch und stöchiometrisch definiert an Zielproteine in lebenden Zellen angeheftet werden können. Neben lumineszenten anorganischen Nanopartikeln (quantum dots, upconversion Nanopartikel) werden "Protein-Käfige" (zum Beispiel Ferritin) als Basis für Nanopartikel verwendet. Letztere können einerseits sehr effizient mit organischen Farbstoffen dotiert werden. Andererseits erlaubt ihre Beladung mit Magnetkernen die nichtinvasive Manipulation durch Magnetfelder.
Durch Funktionalisierung mit hochselektiven biochemischen Erkennungssystemen wird eine effiziente Anbindung an Proteine in Zellen erreicht.
Arbeitsgruppe Helmut Rosemeyer
Schematische Darstellung der Architektur und konformationellen Organisation von Nucleinsäure-Duplexstrukturen an artifiziellen Lipid-Doppelschichten (Werz & Rosemeyer, Beilstein J Org Chem 2014)
Synthese von Lipo-Oligonukleotiden und ihre Interaktion mit Lipidmembranen
Die AG Rosemeyer entwickelt Nukleinsäuren (DNA und RNA), die durch Einbau lipophiler Phosphoramidit-Bausteine terminal hydrophobisiert sind.
Die Duplexbildung zwischen derart veränderten DNA-Probeoligonucleotiden und komplementären DNA- bzw. siRNA-Sequenzen wird an Modellmembranen im Hinblick auf Geschwindigkeit, Stabilität sowie Membrandurchtritt untersucht und für die Anwendung pharmakologisch aktiver tnRNAs optimiert.
Arbeitsgruppe Heinz-Jürgen Steinhoff
Normierte ESR-Spektren verschiedener Gd-dotierter Nanopartikel (Komban et al., Angew. Chem. 2013)
Makromolekülstruktur - ESR-Spektroskopie an Nanomaterialien
Die Arbeitstechniken der AG Steinhoff beinhalten die ferromagnetische Resonanz und die Elektronenspinresonanz-Spektroskopie (ESR). Damit werden die magnetischen Eigenschaften von Nanomaterialien und dünnen Schichten charakterisiert. Über Abstandsabhängigkeiten zwischen paramagnetischen Zentren können Fernordnungen in Nanomaterialen und deren Wachstumsprozesse bestimmt werden. Zu den untersuchten Materialien gehören Lanthanoid-dotierte Nanokristalle und an biokompatible nanostrukturierte Oberflächen gebundene spinmarkierte Proteine.
