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Forschungsarbeit

Ionen und Peptide an Grenzflächen:

Von der Spezifität der Ionen bis hin zur Bioadhäsion

Von Dr. Nadine Schwierz (27.05.2013)

Jedes Salz wirkt sich anders auf biologische Prozesse aus. Durch Molekulardynamik-Simulationen gelingt es, die Ursache solcher salzspezifischen Effekte zu erforschen. Des Weiteren wird in der Dissertation von Nadine Schwierz der Mechanismus von Adsorptionsresistenz untersucht - mit dem Ziel fäulnisresistente Oberflächen zu generieren.

Ionenspezifische Effekte sind allgegenwärtig. Der Ausdruck bezeichnet die Tatsache, dass die meisten physikochemischen Prozesse in wässriger Lösung nicht nur von der Ionenkonzentration und Wertigkeit sondern auch von der Ionenart anhängen. Es wurde frühzeitig erkannt, dass Anionen und Kationen, entsprechend ihrer Fähigkeit Proteine zu fällen, reproduzierbar in die Hofmeister-Reihe eingeordnet werden können. Bislang ist der grundlegende Mechanismus dieser Reihe unklar und die Beschreibung in einer allgemeingültigen Theorie stellt eine Herausforderung dar. Zudem wird die Allgemeingültigkeit der Hofmeister-Reihe durch modernste Experimente, die ein ganzes Spektrum an direkten, modifizierten und umgekehrten Reihen enthüllen, in Frage gestellt.

Schwierz: Abb. 1[Bildunterschrift / Subline]: Abbi. 1: Schematisches Hofmeister Phasendiagramm als Funktion der Oberflächenladung und Oberflächenpolarität basierend auf den Simulationsergebnissen. Das Diagramm zeigt das gesamte, experimentell gemessene Spektrum aus direkte Serie (weiß), umgekehrter Serie (schwarz) und modifizierter Serie (grau).

Das Ziel des ersten Teils meiner Arbeit ist es, dieses vielfältige Spektrum an experimentellen Phänomenen, für das es bisher keine theoretische Beschreibung gibt, zu erklären. Mit Hilfe von molekularer Modellierung werden Modelloberflächen gestaltet, die aus biologisch relevanten Gruppen wie Methyl-, Hydroxyl-, Carboxyl- oder Carboxylatgruppen bestehen. Hierbei kommt eine neuartige Verknüpfung von Molekulardynamik Simulationen und der Poisson-Boltzmann Theorie zum Einsatz. Dieser Ansatz gewährt einen mikroskopischen Einblick in die unterschiedlichen Wechselwirkungen, die grundlegend für ionenspezifische Effekte sind, und stellt eine Verbindung zwischen computergestützten Ergebnissen und makroskopischen, experimentell zugänglichen Größen her. Zuerst wird das gesamte Spektrum der Hofmeister-Reihen von Anionen an Oberflächen mit veränderlicher Landung und Polarität erfolgreich beschrieben (Abbildung 1). Anschließend werden die Ergebnisse durch die Hofmeister-Reihen von Kationen vervollständigt. Daraufhin wird die Bindung der Ionen an geladene Gruppen genau untersucht. Im Anschluss werden die zentralen physikalischen Zusammenhänge in einer allgemeinen analytischen Theorie zusammengefasst.

Diese Ergebnisse legen den Grundstein für ein molekulares Verständnis des grundlegenden Mechanismus von ionenspezifischen Effekten. Obwohl ionenspezifische Effekte bei biologischen Prozessen wie beispielsweise der Wechselwirkung zwischen einem Peptid und einer Oberfläche eine bedeutende Rolle spielen, lohnt es sich, solche Systeme ohne Ionen näher zu betrachten. Der Einblick in die Peptid-Oberflächenwechselwirkung und die gezielte Steuerung der Peptidadsorption zielen darauf ab, medizinische Implantate biologisch verträglich zu gestalten und fäulnisresistente Oberflächen zu entwickeln (Abbildung 2).

Schwierz: Abb. 2[Bildunterschrift / Subline]: Abb. 2: (A) Momentaufnahme aus der Simulation: Das Homopolypeptid Alanine wird mit Hilfe eines Rasterkraftmikroskops von einer hydrophoben CH3-terminierten Oberfläche abgezogen. (B) Durchschnittliche Desorptionskraft in Abhängigkeit des Bentzungskoeffizienten aus den Simulationen mit Polyalanine (rote Punkte). Die Abhängigkeit von der Anzahl hydrophiler OH-Oberflächengruppen ist als blaue Linie dargestellt. Der graue Bereich zeigt den Übergang zur Adsorptionsresistenz. In diesem Bereich fällt die Desorptionskraft auf Null ab und die Peptide können sich nicht an der Oberfläche anlagern.

Im letzten Teil meiner Arbeit werden die Ergebnisse aus einer engen Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Professor Hugel an der TUM vorgestellt. In Übereinstimmung mit Einzelmolekül-Experimenten wird eine vollständige atomistische Beschreibung für die Peptid-Oberflächenwechselwirkung entwickelt. Eine detaillierte Auswertung der einzelnen Energiebeiträge ermöglicht es, die Hauptbeiträge, die grundlegend für die Peptidadsorption und die Adsorptionsresistenz sind, zu identifizieren.


Wissenschaftlicher Werdegang
  • 2004
  • Vordiplom in Physik, Universitat Konstanz, Nebenfacher: Mathematik, Chemie, Volkswirtschaftslehre
  • 2008
  • Diplom in Physik, Universitat Konstanz
  • 2011
  • Promotion in Physik, Technische Universitat Munchen (summa cum laude)

Auszeichnungen (Auszug)
  • 2002
  • Preis der Deutschen Physikalischen Gesellschaft fur herausragende Leistungen in Physik
  • 2008
  • Zonta-Uni-Preis der Universitat Konstanz fur den besten Abschluss in Naturwissenschaften

Publikationen (Auszug)
  • * N. Schwierz, D. Horinek and R. R. Netz. Reversed Anionic Hofmeister Series: The Interplay of Surface Charge and Surface Polarity. Langmuir, 26(10):7370{7379, 2010.
  • * N. Schwierz and R. R. Netz. Effective Interaction between two Ion-adsorbing Plates: Hofmeister Series and Saltingin/Salting-out Phase Diagrams from a global Mean-field Analysis. Langmuir, 28(8):3881-3886, 2012.
  • * N. Schwierz, D. Horinek, S. Liese, T. Pirzer, B. N. Balzer, T. Hugel and R. R. Netz.The Role of Surface Hydrophobicity in Bioadhesion. JACS, accepted, 2012.