Forschungsfeld B: Steuerbare Nanomaterialien

Schematische Darstellung und mikroskopischen Aufnahme (links geschlossen, rechts geöffnet) eines DNA-Containers
© Seidel (2012)

Koordinator: Jürgen Klingauf, Institut für Medizinische Physik und Biophysik

Im Forschungsfeld B wird die Funktionalisierung der Materialien und Strukturen aus A in Richtung Steuerbarkeit und responsives Verhalten untersucht. In natürlichen Zellen beruht die Vielfalt und Komplexität der dynamischen Prozesse überwiegend auf dynamischen nicht-kovalenten Wechselwirkungen. Dieses Prinzip gilt es der Natur abzuschauen, um aus nicht-kovalent miteinander wechselwirkenden molekularen Bausteinen weiche Nanomaterialien zu generieren, die auf externe Reize reagieren und sich an Änderungen ihrer Umgebung anpassen können. Zentrales Ziel ist es also, durch nicht-kovalent gebundene Einheiten eine solche Steuerbarkeit in wohldefinierten Strukturen oder Funktionen zu erhalten. Hier kommt, wie bei der Selbstorganisation, ein nichtlineares Verhalten der Nanomaterialien zum Tragen, wobei die unmittelbare Einbeziehung der Theorie unter Einsatz von multiskaligen Simulationsverfahren (ab initio, Molekulardynamik, bis hin zu Coarse Graining und Monte Carlo Modellen) von großem Nutzen ist.

Quelle: Seidel 2012



Schematisches Modell eines minimalen Selbstreplikationszyklus
© A. Dieckmann (2009)

Nikos Doltsinis, Institut für Festkörpertheorie:
Multiskalen-Simulation selbstreplizierender Systeme

Rationale Kontrolle von Zellwachstum: Die Grundvoraussetzungen der molekularen Selbstreplikation - ein wesentliches Merkmal von lebenden Organismen - soll anhand künstlicher organischer selbstreplizierender Systeme untersucht werden. Hierbei werden die Bausteine der Selbstreplikatoren möglichst klein gewählt, um sie durch quantenchemische Rechnungen und Molekulardynamik-Simulationen erschließen zu können. Durch systematische chemische Variation sollen Erkenntnisse für das rationale Design effizienter Replikatoren gewonnen werden.

Relevante Vorarbeiten:

  1. “Elucidating the origin of diastereoselectivity in a self-replicating system: Selfishness vs. altruism.” A. Dieckmann, S. Beniken, C. D. Lorenz, N. L. Doltsinis, G. von Kiedrowski, Chem. Eur. J. 2011, 17, 468-480.
  2. “Unravelling a fulvene based replicator: Experiment and theory in interplay.” A. Dieckmann, S. Beni-ken, C. D. Lorenz, N. L. Doltsinis, G. von Kiedrowski, J. Syst. Chem. 2010, 1, 10.

Quelle: A. Dieckmann 2009


Zweidimensionale freie Energielandschaft von einem Cytosin-reichen DNA-Strang. Die Landschaft wird ausgedrückt durch die ersten beiden Eigenvektoren, die sich aus einer Hauptkomponentenanalyse ergeben. Konfiguration (a) entspricht dem i-Motiv, (b) und (c) zwei Haarnadelstrukturen und (e) der ausgedehnten Kette.
© WWU / Heuer

Andreas Heuer, Institut für Physikalische Chemie:
Molekulardynamik- und Monte-Carlo-Simulationen weicher Nanomaterialien: Vom Verständnis der freien Energielandschaft zu Hysterese-Effekten

Im Themenbereich der steuerbaren Nanomaterialien sollen für verschiedene experimentell relevante Systeme Molekulardynamik-Simulationen zur Bestimmung der Freien Energielandschaft in Abhängigkeit von äußeren Parametern wie pH-Wert und elektrochemisches Potential  durchgeführt werden. Unser Arbeitskreis hat dazu aktuell Algorithmen weiterentwickelt, zum Beispiel im Bereich der Metadynamik, die auch die Untersuchung komplexer molekularer Systeme erlauben. Weiterhin soll grundsätzlich an geeigneten Modellsystemen überprüft werden, inwieweit eventuelle Hysterese-Effekte, die zum Beispiel bei der Variation externer Parameter auftreten können, sich in den Eigenschaften der Freien Energielandschaften widerspiegeln. Dafür ist es nötig, zum einen geeignete Reaktionskoordinaten als Basis der Freien Energielandschaft zu identifizieren, und zum anderen in den dazu orthogonalen Koordinaten zusätzlich nach versteckter Komplexität zu suchen. Ggf. sollen auf noch größeren Skalen für Gittermodelle Monte-Carlo-Simulationen durchgeführt werden, um zum Beispiel an Gelen den Einfluss und die Reversibilität äußerer Störungen zu untersuchen.

Relevante Vorarbeiten:

  1. “Calculation of free energy landscapes: A Histogram Reweighted Metadynamics approach.” J. Smiatek, A. Heuer, J. Comput. Chem. 2011, 32, 2084-2096.
  2. “Systematic detection of hidden complexities in the unfolding mechanism of a cytosine-rich DNA strand.” J. Smiatek, D. Janssen-Mueller, R. Friedrich, A. Heuer, Physica A 2014, 394, 136-144.
  3. “Anomalous approach to thermodynamic equilibrium: structure formation of molecules after vapor deposition.” P. K. Jana, C. Wang, R. L. Jack, L. Chi, A. Heuer, Phys. Rev. E 2015, 92, 052402.

Quelle: “Stable Conformations of a Single Stranded Deprotonated DNA i-Motif.” J. Smiatek, C. Chen, D. Liu, A. Heuer, J. Phys. Chem. B 2011, 115, 13788-13795.


Jürgen Klingauf, Institut für Medizinische Physik und Biophysik

Die rationale Kontrolle des Wachstums von Neuronen und Zellen sowie der Ausbildung von synaptischen Kontakten auf funktionalisierten Substraten stellt eine Herausforderung dar, die eine besondere Entwicklung von Zellsystemen ermöglichen kann. Die Ergebnisse dieser Experimente werden das grundlegende Verständnis synaptischer Dynamik und Plastizität vertiefen und langfristig Impulse für die Entwicklung neuronaler Schnittstellen geben. Chirale oder durch Proteine modifizierte Oberflächen und synthetisierte biokompatible Gele werden das Zellwachstum u.a. für Implantate steuern. In diesem Themenfeld setzen auch die existierenden Kooperationen mit dem MPI für molekulare Biomedizin und im Rahmen des Exzellenzclusterantrags „Cells in Motion“ an. Als langfristige Perspektive kann der Einsatz adaptiver und responsiver Materialien in der regenerativen Medizin gesehen werden, wo ein synthetischer Ersatz der Epithelbarriere angestrebt wird.


Schematische Darstellung eines Antikörper-modifizierten Nanopartikelsystems zur „Drug Targeting“-Anwendung
© Langer, Münster

Klaus Langer, Institut für Pharmazeutische Technologie und Biopharmazie:
Pharmazeutische Technologie / Nanostrukturierte Arzneiformen

Die Arbeitsgruppe Langer beschäftigt sich mit dem Forschungsbereich Pharmazeutische / Medizinische Nanotechnologie und wird diesen in den kommenden Jahren weiter ausbauen. Nanostrukturierte Trägersysteme für unterschiedliche Arzneistoffklassen sollen entwickelt werden, die im Sinne eines „Drug Targetings” die Körperverteilung der transportierten Substanzen aktiv beeinflussen. Als medizinische Anwendung stehen die Tumortherapie sowie ein diagnostischer Einsatz der Systeme im Mittelpunkt. Auf Basis unterschiedlicher Ausgangsmaterialien natürlichen und synthetischen Ursprungs werden hierzu Arzneistoffträger entwickelt, deren Oberflächeneigenschaften auf eine Interaktion mit Zielzellen hin optimiert sind und eine Anreicherung in Nicht-Zielzellen verhindern. Ein besonderer Schwerpunkt der zukünftigen Arbeiten liegt in einer Skalierung der Herstellungsmethoden, um Präparationen zu erhalten, die im Technikumsmaßstab hergestellt werden und somit einen Eingang in die klinische Anwendung finden können

Relevante Vorarbeiten:

  1. “Comparative examination of adsorption of serum proteins on HSA- and PLGA-based nanoparticles using SDS-PAGE and LC-MS.” R. Gossmann, E. Fahrländer, M. Hummel, D. Mulac, J. Brockmeyer, K. Langer, Eur. J. Pharm. Biopharm. 2015, 93, 80-87.
  2. “Ligand-modified human serum albumin nanoparticles for targeted gene delivery.” J. Look, N. Wilhelm, H. von Briesen, N. Noske, C. Günther, K. Langer, E. Gorjup, Mol. Pharm. 2015, 12, 3202-3213.
  3. "Nanoparticulate carriers for photodynamic therapy of cholangiocarcinoma: In vitro comparison of various polymer-based nanoparticles.” J. Grünebaum, J. Söbbing, D. Mulac, K. Langer, Int. J. Pharm. 2015, 496, 942-952

Quelle: Langer, Münster


Schematische Darstellung einer DNA-Doppelhelix mit metallvermittelten Basenpaaren
© J. Müller
Die Abbildung zeigt das Netzwerk aus Bacteriochlorophyll-a-Pigmenten in einem Monomer des Fenna-Matthews-Olson-Komplexes
© J. Neugebauer

Johannes Neugebauer, Organisch-Chemisches Institut
Theoretische Methoden für angeregte Zustände und Photochemie in komplexen Umgebungen

Ein Forschungsschwerpunkt des Arbeitskreises Neugebauer ist die Entwicklung quantenchemischer Methoden für elektronisch angeregte Zustände komplexer chemischer Systeme, die außerhalb der Reichweite konventioneller Elektronenstrukturverfahren liegen. Dazu gehören u.A. Chromophore in Proteinkomplexen, Einschlussverbindungen, in Lösung oder an Oberflächen. Diese Methoden sollen genutzt werden, um die Eigenschaften lichtsteuerbarer organischer Materialien an zunehmend realistischeren Modellen zu untersuchen. Ein methodisches Arbeitsgebiet ist die Entwicklung effizienter quantenchemischer Verfahren für photochemische Untersuchungen in (Bio-)Makromolekülen, die für die Untersuchung von photochemischen Reaktionswegen eingesetzt werden können und so zu einem besseren Verständnis des Mechanismus der Lichtsteuerung von DNA- bzw. Proteinbindung an Vesikel beitragen können.

Relevante Vorarbeiten:

  1. “Including Protein Density Relaxation Effects in First-Principles Embedding Calculations of Cofactor Excitation Energies.” A. Goez, J. Neugebauer, Mol. Phys. 2016, in press, DOI: 10.1080/00268976.2016.1199823.
  2. “Analytical Gradients for Excitation Energies from Frozen-Density Embedding.” A. Kovyrshin, J. Neugebauer, Phys. Chem. Chem. Phys. 2016, 18, 20955-20975.
  3. “State-Specific Embedding Potentials for Excitation-Energy Calculations.” C. Daday, C. König, O. Valsson, J. Neugebauer, C. Filippi, , J. Chem. Theory Comput. 2013, 9, 2355-2367

Quelle: 1.


Schematische Darstellung der lichtgesteuerten Bildung und Auflösung eines ternären Komplexes aus Vesikeln bestehend aus Cyclodextrinen, Azobenzol-Spermin-Konjugat und DNA. Die Anlagerung zielspezifischer Liganden zusammen mit lichtresponsiven Konjugaten auf der Vesikeloberfläche könnte zu einem vielseitigen Transportersystem für die Bindung und Freisetzung von DNA und RNA, und somit zum Einsatz in der Gentherapie führen

Bart Jan Ravoo, Organisch-Chemisches Institut
Synthetische Vesikel

Allgemeines Ziel unserer Forschung ist der Einsatz von Molekülen als Bausteine für den Aufbau weicher Materialien und nanoskaliger Strukturen mittels Selbstorganisation. Der Aufbau komplexer und dynamischer Überstrukturen aus vielen kleinen Molekülen führt zu chemischen Systemen mit neuen Eigenschaften die über die einfache Summe der Komponenten hinausgehen. Unsere Gruppe forscht an zwei Hauptthemen: die biomimetische supramolekulare Chemie und die Oberflächenmodifikation mittels molekularer Selbstorganisation.

Im Bereich der biomimetischen supramolekularen Chemie untersuchen wir die Selbstorganisation von Molekülen und Kolloiden in wässriger Lösung. Wir benutzen nicht-kovalente Wechselwirkungen für den Aufbau größerer Strukturen aus molekularen Bausteinen. Mehrere schwache Wechselwirkungen führen zu starken und selektiven multivalenten Wechselwirkungen. Ein Hauptforschungsthema betrifft Vesikel mit eingebauten Rezeptormolekülen, z.B. Cyclodextrinen. Die multivalente Erkennung von Gastmolekülen an der Vesikeloberfläche, und die entsprechende Wechselwirkung zwischen Vesikeln, stellen ein biomimetisches Modelsystem für die biologische Zell-Zell Erkennung dar und führen zu innovativen Containern für Wirkstoffe. Ein weiteres Forschungsthema ist die Entwicklung synthetischer Kohlenhydratrezeptoren. Hier werden über einen dynamisch-kombinatorischen Ansatz aus Peptidbausteinen oligomere und makrozyklische Kohlenhydratrezeptoren aufgebaut. Diese Rezeptoren binden sowohl in Wasser als auch an Membranoberflächen effektiv und selektiv an Kohlenhydrate. Im Bereich der Oberflächenmodifizierung durch molekulare Selbstorganisation untersuchen wir die Herstellung und Eigenschaften molekularer Monoschichten auf festen Substraten. Wir kombinieren „bottom-up“ Selbstorganisation mit „top-down“ Lithographie, z.B. in der Oberflächenstrukturierung durch Mikrokontaktdruck mit reaktiven molekularen Tinten. Mikrokontaktdruck wird eingesetzt für die Synthese chemischer und biologischer Oberflächentemplate, inkl. Protein, Nukleotid und Kohlenhydratchips. Langfristig erzielen wir hier die Synthese von adaptiven Oberflächen.

Quelle: “Light-Responsive Capture and Release of DNA in a Ternary Supramolecular Complex.” S. K. M. Nalluri, J. Voskuhl, J. B. Bultema, E. J. Boekema, B. J. Ravoo, Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 9747-9751; Angew. Chem. 2011, 123, 9921-9925.


Eine Zelle migriert auf einen entzündlichen Stimulus zu. Das zelluläre Zytoskelett polarisiert sich während der Bewegung (Aktin rot, Tubulin grün, Zellkern blau)
© Marc Wolf, Johannes Roth, WWU Münster
Sekundärelektronenmikroskopische Aufnahme gefriergetrockneter von Polyelektrolyt-Hohlkapseln
© M. Schöndorf

Monika Schönhoff, Institut für Physikalische Chemie:
Nanocontainer für Wirkstoffe

Kleinste Partikel mit Größen um 100 nm sind in der Lage in Zellen einzudringen und Wirkstoffe gezielt zu transportieren. Beispielsweise können in polymeren Hohlkapseln aus Polyionen verschiedene kleine Moleküle enkapsuliert werden. Grundlegende Untersuchungen von Einbau, Dynamik und Transport solcher Gastmoleküle werden mit Hilfe dynamischer NMR-Methoden durchgeführt. Mit einer speziell in der Gruppe Schönhoff vorangetriebenen Methode wird durch Diffusionsmessungen die Lokalisierung dieser Sondenmoleküle im Partikel, sowie die Zeitskala ihrer Permeation durch Hohlpartikelwände bestimmt. Dabei handelt es sich einerseits um Wirkstoff¬moleküle, andererseits um geeignete Modellsubstanzen, die im Hinblick auf die Entwicklung kolloidaler Wirkstoffträger relevant sind. Weiterhin werden schaltbare Partikel entwickelt, die eine gezielte Freisetzung durch externe Trigger, wie Temperatur oder pH, zeigen.

Relevante Vorarbeiten:

  1. “Polyelectrolyte multilayer capsules: Nanostructure and visualisation of nanopores in the wall.” V. Krzyzanek, N. Sporenberg, U. Keller, J. Guddorf, R. Reichelt, M. Schönhoff, Soft Matter 2011, 7, 7034- 7041.
  2. “pH-triggered Polyelectrolyte Release from Surface Modified Poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) Nanoparticles.” M. Häuser, K. Langer, M. Schönhoff, Beilstein J. Nanotechnol. 2015, 6, 2504-2512.

Quelle: 1.


Darstellung verschiedener Domänen in der Hefeplasmamembran. Links und mittig sind künstlerisch gestaltete Beispiele für den identifizierten Flickenteppich (Farben zeigen unterschiedliche Domänen an). Rechts sind zwei netzwerkartige Domänen von Proteinen zu sehen, die mit RFP und GFP markiert wurden
© R. Wedlich-Söldner

Roland Wedlich-Söldner, Institut für Zelldynamik und Bildgebung
Selbstorganisation von Membrandomänen

Biologische Membranen bilden selektive Barrieren zwischen zellulären Kompartimenten. Insbesondere die Plasmamembran (PM) spielt als Knotenpunkt der Signalverarbeitung eine wesentliche Rolle bei der Zellphysiologie. Störungen der PM Organisation tragen zudem zur Entstehung von zahlreichen Krankheiten bei. Ein detailliertes Verständnis der Mechanismen, die für die Membranorganisation verantwortlich sind, ist daher von grundlegender Bedeutung. Es ist weitgehend anerkannt, dass zahlreiche Membrankomponenten in spezifischen Domänen organisiert sind. Die zugrundeliegenden Mechanismen hingegen werden nach wie vor kontrovers diskutiert. Mittels einer Kombination von Total Internal Fluorenscence Microscopy (TIRFM) und Dekonvolution konnten wir zeigen, dass sich alle Proteine der Hefe-PM in definierten lateralen Domänen organisieren und dass diese eine ungewöhnlich langsame Diffusion aufweisen. Zudem stellten wir fest, dass PM-Proteine mit ähnlichen Transmembran-(TM)-domänen co-segregieren und dass die Domänenmuster maßgeblich durch die zelluläre Lipidzusammensetzung beeinflusst wird. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich Hefe-PM zu einem Flickenteppich von überlappenden Proteindomänen selbstorganisiert, der aus dem Zusammenspiel der schwachen Wechselwirkungen zwischen den für biologische Membranen typischen vielfältigen Lipid- und Proteinbestandteilen resultiert.

Anhand einer Kombination aus experimentellen und theoretischen Ansätzen wollen wir nun untersuchen, ob ein spezieller „Transmembrancode“ für die laterale Verteilung der PM Proteine verantwortlich ist. Zu diesem Zweck planen wir Verteilungsmuster von GFP-Fusionen mit verschiedenen endogenen, mutierten, chimären oder synthetischen TM-Sequenzen mittels TIRFM zu untersuchen. Wir wollen zudem die Proteinmobilität anhand von Fluoreszence Recovery After Photobleaching (FRAP) und Autokorrelationsanalysen bestimmen. Zudem werden wir die Lipidzusammensetzung von Zellen mittels gezielter genetischer Modifikationen und Wirkstoffbehandlungen verändern. Zur verbesserten Auflösung der Domänenmuster werden wir die Structured Illumination Microscopy (SIM) sowie stochastischer Lokalisationsmikroskopietechniken, wie PALM und STORM, anwenden. Für letzteres haben wir bereits chemische Markierungsstrategien für Hefezellen (Halo oder ACP/MCP) entwickelt, die es uns erlauben chemische Fluorophore zu verwenden, die sich durch eine überlegene Photostabilität und Kinetik auszeichnen.

Relevante Vorarbeiten:

  1. "Building a patchwork - The yeast plasma membrane as model to study lateral domain formation.” C. Schuberth, R. Wedlich-Söldner, Biochim. Biophys. Acta 2015, 1853, 767-74.
  2. “Visualization of cortex organization and dynamics in microorganisms, using total internal reflection fluorescence microscopy.” F. Spira, J. Dominguez-Escobar, N. Muller, R. Wedlich-Söldner, J. Vis. Exp. 2012, 63, e3982.
  3. “Patchwork organization of the yeast plasma membrane into numerous coexisting domains.” F. Spira, N. S. Mueller, G. Beck, P. von Olshausen, J. Beig, R. Wedlich-Söldner, Nat. Cell Biol. 2012, 14, 640-648

Quelle: 3. and R. Wedlich-Söldner