Nanostrukturen aus Melanin
Melanine sind eine faszinierende Klasse biologischer Pigmente mit einzigartigen Eigenschaften. Sie treten in unterschiedliche Varianten in nahezu allen Lebewesen auf. Die wichtigsten Typen sind das schwarz-braune Eumelanin, das rötlich-gelbe Phäomelanin sowie das Neuromelanin. Neben diesen natürlichen Vertretern sind auch eine Reihe synthetischer Melanine, sowie melaninartige Strukturen bekannt. Die natürliche Aufgabe der Pigmente ist der Schutz vor schädlicher UV-Strahlung. Melanine besitzen hohe medizinische Relevanz, sind jedoch auch auf dem Gebiet der Materialwissenschaften von herausragendem Interesse. Besonders Eumelanin besitzt eine Vielzahl hochrelevanter Materialeigenschaften. Die Bedeutendsten hiervon sind Strahlenschutz, Radikalfängereigenschaften, Paramagnetismus, gezielte Wirkstofffreisetzung sowie hybride elektrische Leitfähigkeit.
Die Synthese des Eumelanin-Pigments lässt sich in den molekularen Aufbau der Oligomereinheiten und den supramolekularen Partikelaufbau unterteilen. Die Struktur der Monomere und die hieraus resultierenden Oligomere wurde sowohl in vivo als auch in vitro intensiv untersucht. So gilt der molekulare Aufbau in weiten Teilen als aufgeklärt. Im Gegensatz hierzu gilt der supramolekulare Aufbau zum finalen Eumelaninpartikel trotz intensiver Forschung in den letzten Jahrzehnten als nahezu ungeklärt. Vor allem der genaue hierarchische Aufbau der Oligomere zu den Pigmentpartikeln über kleinere Partikelzwischenstufen ist nicht vollständig bekannt. Auch die genaue chemische Struktur und die Anzahl der Wiederholungseinheiten der Oligomere, die den verschiedenen Partikelstufen verbaut sind, gelten als nicht geklärt.
In diesem Projekt erforschen wir zwei verschiedene Ansätze zur gezielten Herstellung von neuartigen Melaninpartikelstufen. Einerseits nutzen wir die Enzymmoderierte Adressierung zur ortsspezifischen Abscheidung von verschiedenen Melaninpartikelspezies auf einer Vielzahl von Oberflächen gesteuert durch die Art der Immobilisierung des Enzyms. Andererseits erzeugen wir stabile Dispersionen der einzelnen isolierten Melaninpartikelzwischenstufen durch gezielte Steuerung des pH-Wertes und anderer relevanter Reaktionsparameter.
Zur spezifischen Abscheidung der einzelnen Melaninpartikelspezies auf einer Oberfläche wird die Änderung der Enzymmobilität ausgenutzt. Je stärker das Enzym auf der zu beschichtenden Oberfläche angebunden ist, desto geringer ist seine Mobilität, was bishin zur Abscheidung von isolierten Melaninprotopartikel führt. Ähnlich ist die Vorangehensweise bei der Herstellung von Melaninpartikeldispersionen. Hierbei wird der pH-Wert als Steuerungselement für die entstehende Partikelvariante genutzt. Je höher der pH der Reaktion gewählt wird, desto kleiner ist der synthetisierte Melaninpartikel. Darüberhinaus sind wir in der Lage die Partikelbildung in situ mittels Kombination aus zeitaufgelöster Lichtstreuung und Rasterelektronenmikroskopie zu verfolgen und zu kontrollieren.
Das vollständige Verständnis des supramolekularen Melaninpartikelaufbaus eröffnet die Möglichkeit der gezielten Synthese von kleineren Partikelstufen ohne Verlust der ursprünglichen Eigenschaften des Materials. Dies führt zu zahlreichen neuen Anwendungsmöglichkeiten dieses spannenden biologischen Materials sowohl in der Melanomforschung als auch in der Medizintechnik und anderen Bereichen.
