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Zetapotenzial Eine Membran auf Stelzen – Zetapotenzialmessungen und die Medizin

| Autor / Redakteur: Marc Platthaus / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Warum die so genannten S-Schicht-Proteine ein interessantes Forschungsgebiet für die Medizin sind und wie die Oberflächenanalyse bei ihrer Charakterisierung hilft, erläutert Prof. Dr. Bernhard Schuster im LP-Interview.

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„ Wir überprüfen quasi jede Modifikation mit dem Zetapotenzialmessgerät, bevor wir sie funktionalisieren. “ Prof. Dr. Bernhard Schuster vom Institut für Nanobiotechnologie der Universität für Bodenkultur Wien (Bild: Anton Paar)
„ Wir überprüfen quasi jede Modifikation mit dem Zetapotenzialmessgerät, bevor wir sie funktionalisieren. “ Prof. Dr. Bernhard Schuster vom Institut für Nanobiotechnologie der Universität für Bodenkultur Wien (Bild: Anton Paar)

LABORPRAXIS: Herr Prof. Schuster, mit welchen technischen Methoden arbeiten Sie im Institut für Nanobiotechnologie?

Prof. Dr. Bernhard Schuster: Wir charakterisieren Oberflächen und nutzen dazu u.a. eine Quarzkristallmikrowaage (QCM). Diese verwendet speziell geschnittene Quarzkristallmikrosensoren, auf denen sich oben und unten je eine Goldelektrode befindet. Über die Goldelektrode kann man Beschichtungen anbringen. Dann wird eine elektrische Spannung angelegt, der Kristall beginnt zu schwingen. Wenn sich ein Biomolekül bzw. irgendeine Masse auf dem Quarzkristall absetzt, verändert das die Schwingungsfrequenz. Über diese Schwingungsfrequenz kann man dann auf die Massenbelegung z.B. des S-Schicht-Proteins zurückrechnen.

LABORPRAXIS: Und wie bestimmen Sie die Massenbelegung?

Prof. Schuster: Wenn man eine Massenzunahme misst, weiß man, dass etwas gebunden hat, aber wenn es nicht funktioniert, ist es sehr schwer, die Ursache dafür zu finden. Am elegantesten kann man solche Fragen klären, indem man die Oberflächenladung des Proteins untersucht. Man misst vorerst nur das Grundmaterial. Dann – wie wir es jetzt bei einer Studie gemacht haben – bringt man das S-Schicht-Protein auf, das ein kristallines Gitter bildet. Das Protein hat sehr viele geladene Gruppen an der Oberfläche. Wenn man nun eine chemische Modifikation macht, dann verändert sich die Oberflächenladung des Proteins. Das konnten wir nur mit unserem Zetapotenzialmessgerät sehen, dem Surpass von Anton Paar. Wir beschichten also die Quarzkristalle in der QCM, befestigen diese Simulation einer Zelloberfläche dann in die Stempelmesszelle des Surpass, messen und beobachten, ob es im Vergleich zum Grundmaterial Unterschiede gibt.

LABORPRAXIS: Wie wichtig ist die Zetapotenzialmessung in Ihrer Forschung?

Prof. Schuster: Zetapotenzialmessungen – nicht nur an kugelförmigen, sondern auch an planaren Oberflächen, was nur das Surpass kann – sind für uns sehr wertvoll: Wir können richtige chemische Reaktionen verfolgen. Stellen Sie sich eine Proteinoberfläche vor, Carboxyl- und Aminogruppen, negativ und positiv geladen, dann bindet man z.B. an die negativen Gruppen ein Molekül an: Es sollte sich im Oberflächenpotenzial etwas ändern. Solche Vorgänge haben wir mit dem Surpass vermessen. Wir überprüfen so quasi jede chemische Modifikation, untersuchen also die Oberflächen genau, bevor wir sie weiter funktionalisieren.

LABORPRAXIS: Man kann die QCM-Sensoren also weiterverwenden?

Prof. Schuster: Ja, genau, diese Sensoren sind sehr teuer. Auschlaggebend für den Kauf des Surpass war, dass wir die Quarzkristallmikrosensoren für die Messung verwenden können. Es gab bei Anton Paar Entwicklungen, nämlich u.a. die Adjustable Gap Cell für Proben mit einem Durchmesser von 14 mm, die der zerstörungsfreien Messung des Zetapotenzials an den in der QCM verwendeten Quarzsensoren dient – dass sie zerstörungsfrei ist, ist für uns sehr wichtig.

LABORPRAXIS: Die Untersuchung von Oberflächenprozessen ist zeitaufwändig, deswegen ist die Automatisierung sicher von Vorteil...

Prof. Schuster: Absolut, wir können so einen relativ hohen Durchsatz erreichen. Wenn man beispielsweise verschiedene Salzlösungen durchtestet, also untersucht, welchen Effekt sie z.B. auf das Protein haben, das man auf ein Glasplättchen aufgebracht hat. Die Salzlösungen zu ändern und die Leitfähigkeit zu beobachten geht dann immer recht schnell. Zudem kann man auch sehr elegant die pH-Abhängigkeit des Zetapotenzials bestimmen. Diese Art von Messung ist erst durch das Surpass möglich geworden. Wir haben sehr schöne Effekte gesehen, die wir für weitere Forschungen nutzen.

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