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Nature-Artikel: Abstoßende Unordnung: Was macht cholesterinhaltige Oberflächen so abweisend?
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Lebende Organismen nutzen sehr effektive physikalische Prinzipien, um Wechselwirkungen an ihren Oberflächen zu steuern. Forscher des Leibniz-Instituts für Polymerforschung Dresden, der Universität Leipzig und der TU Dresden haben jetzt entdeckt, warum an cholesterinhaltigen Oberflächen die Anlagerung von Proteinen und Bakterien stark vermindert sein kann.
Das von Carsten Werner geleitete interdisziplinäre Team hatte Cholesterin zuvor als Bestandteil der Haut von weit verbreiteten wirbellosen Tieren (Collembolen) identifiziert, die durch ihre Haut atmen und diese daher vor Verunreinigungen schützen müssen. In ihrer am 21. Juni 2023 in der Zeitschrift Nature veröffentlichten Arbeit konnten die Wissenschaftler nun einen repulsiven Wirkmechanismus von cholesterinhaltigen Oberflächen aufklären. Mit Experimenten, Simulationen und thermodynamischen Analysen zeigten sie, wie durch spontane Änderung der Ausrichtung der Cholesterinmoleküle eine „entropische Barriere“ entsteht, die cholesterinhaltige Oberflächen abweisend macht.
Die Entwicklung synthetischer Materialien, die das entdeckte Prinzip nutzen, ist vielversprechend, da es für viele Produkte und Technologien wichtig ist, die Anlagerung von Biomolekülen und Bakterien wirksam zu minimieren. Allerdings erfordert eine solche „Übersetzung“ des Effekts zur skalierbaren, robusten Oberflächenfunktionalisierung weitere Forschungsarbeit.
Am Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden (IPF) werden Grundlagen für neue Materialien und deren Anwendung in Zukunftstechnologien erarbeitet, wobei Biologie-inspirierte Materialkonzepte immer mehr an Bedeutung gewinnen. Die Professur für Biophysikalische Chemie der Universität Leipzig arbeitet eng mit dem IPF auf dem Gebiet der biomimetischen Materialien zusammen. Am Exzellenzcluster Physics of Life der TU Dresden werden Grundprinzipien der Funktionalität lebender Materie erkundet.
Publikation
Entropic repulsion of cholesterol-containing layers counteracts bioadhesion.
Nature - https://doi.org/10.1038/s41586-023-06033-4 (2023)
Jens Friedrichs1, Ralf Helbig1, Julia Hilsenbeck1, Prithvi Raj Pandey2, Jens-Uwe Sommer2,4, Lars David Renner1, Tilo Pompe1,3 und Carsten Werner1,4,5
1) Institut für Biofunktionelle Polymermaterialien, Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden
2) Institut für Theorie der Polymere, Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden
3) Institut für Biochemie, Universität Leipzig
4) Exzellenzcluster Physics of Life, Technische Universität Dresden
5) Center for Regenerative Therapies Dresden, Technische Universität Dresden
Ansprechpartner: Prof. Dr. Carsten Werner
Repelling disorder: What makes cholesterol-containing surfaces so repulsive?
Living organisms use powerful physical principles to control interactions at their surfaces. Researchers at the Leibniz Institute of Polymer Research Dresden, Leipzig University and TU Dresden have now discovered why cholesterol-containing surfaces can exhibit greatly reduced attachment of proteins and bacteria.
The interdisciplinary team led by Carsten Werner had previously identified cholesterol as a component of the skin of widespread invertebrates (collembolae), which breathe through their skin and therefore need to protect it from contamination. In their paper published in Nature on June 21, 2023, the scientists have now elucidated a repulsive mechanism of cholesterol-containing surfaces. Using experiments, simulations and thermodynamic analyses, they were able to show how the spontaneous change in the orientation of interfacial cholesterol molecules creates an "entropic barrier" that makes cholesterol-containing surfaces repellent.
The development of synthetic materials using the discovered principle is promising, as it is important for many products and technologies to effectively minimize the attachment of biomolecules and bacteria. However, such "translation" of the effect to scalable, robust surface functionalization requires further research.
At the Leibniz Institute of Polymer Research Dresden (IPF), basic principles for new materials and their application in future technologies are being developed, with biology-inspired material concepts becoming increasingly important. The Chair of Biophysical Chemistry at Leipzig University works closely with the IPF on biomimetic materials. At the Cluster of Excellence Physics of Life of the TU Dresden, basic principles of the functionality of living matter are being explored.
22.06.2023