Selbstorganisierende bakterielle Hüllproteine als Grundlage für die Entwicklung neuartiger Nanomaterialien

Die Kombination von Bio- und Nanotechnologie eröffnet ein großes Potential für die Entwicklung neuer Materialien. Da sich Nanopartikel in ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften oft grundlegend von ihren Ausgangsmaterialien unterscheiden, sind sie von großem Interesse für die Entwicklung neuer Materialien und Werkstoffe wie Katalysatoren oder Biosensoren, in der Nanoelektronik, in der optischen Industrie, Halbleiterindustrie, aber auch für biomedizinische Anwendungen.
Eine aussichtsreiche, unkomplizierte Alternative zu konventionellen Methoden bei der Herstellung regelmäßig angeordneter Nanopartikel ist die Verwendung von selbstorganisierenden biologischen Trägermaterialien als Matrix. Besonders aussichtsreiche Biomoleküle sind hierbei die selbstorganisierenden Hüllproteine (S-Layer) von Bakterien.

In einem interdisziplinären Ansatz werden neuartige Materialien auf der Basis von Nanopartikeln aus metallischen, magnetischen und halbleitenden Materialien entwickelt. Für ihre Synthese werden verschiedene bakterielle Hüllproteine (S-Layer) als biologische Trägermaterialien (sogen. Template) verwendet. Diese bestehen meist aus Proteinmonomeren, welche nach ihrer Sekretion an der Zelloberfläche regelmäßige Gitterstrukturen unterschiedlicher Symmetrie ausbilden. Für ihre technische Nutzung ist es bemerkenswert, dass die isolierten Monomere ihre Eigenschaft der Selbstorganisation beibehalten und an Grenzflächen parakristalline Monolagen bilden. Die regelmäßig angeordneten Poren dieser Proteine bieten ideale Strukturen für die Bindung von Metallkomplexen und die Synthese von hochgeordneten Nanopartikeln definierter Größe. Die Synthese erfolgt dabei zweistufig: Nach der Anbindung der Metallkomplexe aus einer wässerigen Metallsalzlösung und anschließender Dialyse erfolgt eine Reduktion der Komplexe durch die Zugabe eines Reduktionsmittels. Auf diese Weise konnten bislang erfolgreich Pd-, Pt-, Au- und Pb-Nanopartikel einer einheitlichen Größe hergestellt werden, deren chemische und magnetische Eigenschaften sich z.T. erheblich von denen der jeweiligen makroskopischen Materialien unterscheiden. Durch die Beschichtung verschiedener technisch relevanter Materialien wie Keramiken, Zeolithe, Aluminiumoxid, Siliziumdioxid und Kohlenstoff mit den Proteinen sollen neuartige Materialien entwickelt werden, die in der Industrie Verwendung finden können.