Proteinfasern als alternative Kunststoffe?

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Amyloide stehen nicht nur in Zusammenhang mit Krankheiten wie Alzheimer, Parkinson oder Typ-II-Diabetes, sondern sie sind auch interessante Nanomaterialien.

Amyloidablagerungen in Geweben und Organen stehen in Zusammenhang mit einer Reihe von Krankheiten, beispielweise Alzheimer, Parkinson, Typ-II-Diabetes und Prionenerkrankungen wie BSE. Amyloide sind aber nicht nur pathologische Substanzen, sondern könnten als Nanobaustoff interessant sein. „Für diese supramolekularen Aggregate sind weit mehr Anwendungen denkbar als für synthetische Polymere“, führen Ehud Gazit und Co-Autor Izhack Cherny in der Zeitschrift Angewandte Chemie aus, „da ihre Bausteine biologische Funktionen und mechanische Eigenschaften in sich vereinen.“

Auch in der Natur finden sich Amyloide nicht nur als krankhafte, falsch gefaltete Proteine, sondern auch als physiologische Bestandteile von Organismen. Beispielsweise sind sie ein wichtiges Schutzmaterial in den Hüllen der Eier von Insekten und Fischen. An der Biofilmbildung vieler Bakterien sind sie ebenfalls beteiligt, einer Schicht auf der Zelloberfläche, die die Bakterien gegen antimikrobielle Substanzen schützt und die Anhaftung an Oberflächen erleichtert.

Abb.: Dank ihrer Selbstorganisationseigenschaften und ihrer Verformbarkeit sind Amyloide als natürliche Bausteine für die Entwicklung von Nanostrukturen und Nanomaterialien interessant. (Quelle: Angewandte)

Amyloidfasern sind Bündel hoch geordneter Eiweiß-Filamente aus leiterähnlichen Strängen und erreichen Länge bis zu einigen Mikrometern. Im Querschnitt sind Amyloide Hohlzylinder oder Bänder. Auch wenn Amyloidfasern Proteine sind, ähneln sie doch eher synthetischen Polymeren (Kuntsstoffen) als den üblichen globulären Proteinen. Amyloide können erstaunliche mechanische Eigenschaften aufweisen, ähnlich wie Spinnenseide. Spinnenseide ist, bezogen auf ihr Gewicht, deutlich belastbarer als Stahl und kann dabei um ein Vielfaches gedehnt werden ohne zu reißen – Eigenschaften, die mit Kunstfasern bisher nicht erreichbar sind.

„Dank ihrer Selbstorganisationseigenschaften und ihrer Verformbarkeit sind Amyloide als natürliche Bausteine für die Entwicklung von Nanostrukturen und Nanomaterialien interessant“, sagt das Autorenteam von der Universität Tel Aviv (Israel). „Die Bausteine lassen sich mit einfachen molekularbiologischen Techniken in weiten Grenzen variieren.“ Oberflächen ließen sich maßgeschneidert und bioverträglich beschichten, beispielsweise für Durchflusselemente in der Medizintechnik oder der Bioanalytik. Andere Ideen sind Amyloid-Hydrogele zur Verkapselung und kontrollierten Freisetzung von Wirkstoffen sowie als Gerüst für dreidimensionale Zellkulturen und die Gewebezucht. Funktionelle Proteine wie Enzyme könnten an amyloidbildende Sequenzen gebunden werden, um biologische Prozessen nachzuahmen.

Amyloidfibrillen sind zudem als Matrizen für Nanostrukturen geeignet. Beispielsweise gelang die Herstellung eines leitfähigen Nano-Koaxialkabels: Amyloid-Nanoröhren wurden mit Silber gefüllt und außen mit Gold ummantelt.

Quelle: Angewandte Chemie

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Cherny I.,Gazit E., Amyloide: nicht nur pathologische Substanzen, sondern auch geordnete Nanomaterialien, Angewandte Chemie 120, 4128–4136 (2008).
  http://dx.odi.org/10.1002/ange.200703133
• Ehud Gazit, Tel Aviv University (Israel):
  http://www.tau.ac.il/lifesci/departments/biotech/members/gazit/gazit.html