PUB - Publikationen an der Universität Bielefeld

Die Begriffe Nanowissenschaften und Nanotechnologie bezeichnen einen aktuellen Forschungsbereich, der zu industriell und gesellschaftlich relevanten Technologien und Produkten geführt hat und weiterhin führen wird. Die Bezeichnung als Zukunftstechnologie basiert darauf, dass Materialien mit Dimensionen auf der Nanometer-Ebene die Eigenschaften bestehender Produkte optimieren oder gänzlich neue Effekte hervorrufen können. Diese haben nicht nur Bedeutung für die Materialwissenschaften sondern können auch gezielt (Pharmazie) oder zufällig (Toxikologie) Relevanz für biologische Prozesse haben. Viele Lebensvorgänge in Zellen spielen sich ebenfalls im Nanometerbereich ab, so dass Biomoleküle wie auch Nanopartikel als natürliche beziehungsweise künstliche Werkzeuge verstanden und untersucht werden können. Diese Arbeit widmet sich sowohl der Quantifizierung rein biochemischer Prozesse als auch der Untersuchung von Wechselwirkungen lebender Systeme mit anorganischen Nanopartikeln und stellt damit eine Kombination von Biophysik und Nanowissenschaft dar. In der vorliegenden Studie werden die Reaktionen von biologischen Zellen auf äußere Stimuli untersucht. Dabei kann man die Zellen taxonomisch den Reichen der (Eu-)Bakterien, der Pflanzen sowie der Tiere zuordnen, so dass sowohl Prokaryoten wie auch Eukaryoten vertreten sind. Die Darstellung der Ergebnisse ist in drei thematische Abschnitte unterteilt: Im ersten Teil werden die Eigenschaften eines Proteins charakterisiert und die Bindung eines Nucleotid-Liganden biophysikalisch analysiert. Der zweite Teil behandelt anorganische Nanopartikel und deren Interaktion mit menschlichen und tierischen Zellen. Im dritten Teil werden Veränderungen von bakteriellen Zelloberflächen unter verschiedenen Umwelt- und Präparationsbedingungen untersucht. Die Bedeutung der Untersuchungen an dem pflanzlichen System (Medicago sativa) liegt im Verständnis und der damit möglichen Optimierung von natürlichen Abwehrreaktionen gegenüber pathogenen Bakterien. Für das hierbei beteiligte Protein Ms-Rac1 wurden von Partnern funktionale Aspekte aufgeklärt, so dass nun in dieser Arbeit Methoden zur quantitativen Analyse der Reaktionen zu entwickeln waren. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (FCS) sowie der Rasterkraftmikroskopie (AFM). Dabei ist es gelungen, thermodynamische und kinetische Kenngrößen zu bestimmen und Eigenschaften des Proteins zu charakterisieren, die durch die zuvor eingesetzten Verfahren nicht zugänglich waren. Neben der Immunabwehr von Pathogenen erfordert auch die spezifische Erkennung und Interaktion mit symbiotischen Bakterien (z.B. Sinorhizobium meliloti), die durch die Fixierung atmosphärischen Stickstoffs einen wichtigen Beitrag zu einer natürlichen Bodendüngung leisten, ähnliche Signalwege. Diese Bakterien kommen im Erdboden vor, so dass sie schwankender Feuchtigkeit und gegebenenfalls auch Trocknung ausgesetzt sind. Solche und noch extremere Bedingungen sind auch als Teil der Präparationstechniken für elektronenmikroskopische Analysen notwendig, so dass es zu Veränderungen der Ultrastruktur und mitunter der gesamten Form der Zelle kommen kann. Diese Einflüsse sind mit den jeweiligen präparativen Schritten zu korrelieren und möglichst gering zu halten, um eine realistische Darstellung zu gewährleisten. Hierzu wurden verschiedene elektronenmikroskopische und rasterkraftmikroskopische Techniken eingesetzt und die Entwicklung von typischen Merkmalen präparierter Bakterien analysiert. Diese mikroskopischen Methoden sind ebenfalls für die Charakterisierung von unterschiedlichen Nanopartikeln (NP) und deren Interaktion mit tierischen Zellen eingesetzt worden. NP bieten Möglichkeiten einer gezielten Anwendung im biologischen und medizinischen Bereich beispielsweise als Drug-Carrier, können allerdings auch toxische Effekte hervorrufen, welche in Kooperation mit weiteren Partnern eingehend charakterisiert wurden. In beiden Fällen wird die Interaktion mit dem Organismus (hier: Mensch und Ratte) durch die Bindung an der Zelloberfläche (hier: Lungengewebe) eingeleitet. Dieser Vorgang ist durch Abbildungen sowie kraftspektroskopische Verfahren untersucht worden, wobei unter anderem Ergebnisse hinsichtlich der Größe, der Anordnung und lokalen Verteilung von gebundenen NP wie auch der dabei wirkenden Kräfte erarbeitet wurden. Das Ziel des Gesamtprojektes „NanoCare“ ist es, das Gefährdungspotential verschiedener industriell genutzter NP einzuschätzen und wenn möglich Wege aufzuzeigen, es durch gezielte Modifikationen zu minimieren.