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Unter zellähnlichen Bedingungen erzeugt Nano-Kapseln ermöglichen Produktion spezifischer Stoffwechselmoleküle

| Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Forscher der Universität Basel haben nanometergroße Kapseln entwickelt, mit denen sich das Biomolekül Glukose-6-phosphat herstellen lässt, das bei Stoffwechselvorgängen eine wichtige Rolle spielt. Den Forschern gelang es dabei Bedingungen herzustellen, die denen in der natürlichen Zelle sehr ähnlich sind. Derartige Biomoleküle mittels synthetischer Kapseln direkt in lebenden Zellen herzustellen ist von großem medizinischem Interesse, denn es würde neue Perspektiven für die Behandlung von Krankheiten eröffnen.

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Schematische Darstellung der Nano-Kapsel: Die Ausgangssubstanz Glukose-1-phosphat (blau) gelangt durch Poren zum eingekapselten Enzym Phosphoglucomutase, mit dem es reagiert. Das gewünschte Produkt Glukose-6-phosphat (orange) tritt durch die Pore wieder aus. (Ausschnitt)
Schematische Darstellung der Nano-Kapsel: Die Ausgangssubstanz Glukose-1-phosphat (blau) gelangt durch Poren zum eingekapselten Enzym Phosphoglucomutase, mit dem es reagiert. Das gewünschte Produkt Glukose-6-phosphat (orange) tritt durch die Pore wieder aus. (Ausschnitt)
(Bild: Universität Basel)

Basel/Schweiz– Am Stoffwechsel in lebenden Organismen ist eine Vielzahl von Biomolekülen beteiligt, die im Körper durch Enzymreaktionen entstehen. Ein Beispiel eines Biomoleküls, das bei wichtigen Stoffwechselvorgängen eine Rolle spielt, ist Glukose-6-phosphat. Es ist zentral für den Abbau von Kohlenhydraten und kann zudem in spezifische Moleküle umgewandelt werden, die für die Speicherung von Energie in einem Organismus zuständig sind. Wenn es gelingt, derartige Biomoleküle mittels synthetischen Kapseln direkt in lebenden Zellen herzustellen, würde das neue Perspektiven für die Behandlung von Krankheiten öffnen.

Nano-Kapseln produzieren Glukose-6-phosphat

Eine von Prof. Dr. Cornelia Palivan geleitete Forschungsgruppe am Departement Chemie der Universität Basel hat nun synthetische Nano-Kapseln entwickelt, die als Katalysator das Enzym Phosphoglucomutase enthalten und die in der Lage sind, Glukose-6-phosphat zu produzieren und freizusetzen.

Um die Reaktion zu starten, muss die Ausgangssubstanz ins Innere der Kapsel gelangen, um vom Enzym umgesetzt zu werden. Dazu setzten die Forscher in die Kapselmembran ein Porenprotein ein, das an der ETH Zürich synthetisiert wurde. Diese Poren bilden die Eingangstür für die Ausgangssubstanz und den Ausgang für das Produkt Glukose-6-phosphat, während das Enzym eingekapselt und vor einem Abbau geschützt bleibt.

Entwicklung der Nano-Kapseln erfolgte ohne organische Lösungsmittel

Die entwickelten Nano-Kapseln sind nicht größer als 200 Nanometer, das heißt sie können von Zellen aufgenommen werden – eine wichtige Voraussetzung für zukünftige Testverfahren und Anwendungen.

Im Gegensatz zu anderen Ansätzen, die organische Lösungsmittel nutzen, entwickelt die Forschungsgruppe ihre Kapseln unter Bedingungen, die der Umgebung in natürlichen Zellen sehr ähnlich sind. „Unser Ansatz ist es immer, der Natur so nah wie möglich zu kommen“, sagt Prof. Palivan, „damit wir die intrinsische Funktionalität der Enzyme und Porenproteine bewahren können.“

Als nächstes planen die Forscher, die Kapseln mit Zellen zu testen, um zu prüfen, ob sie aufgenommen werden und in der Zelle Glukose-6-phosphat produzieren.

Originalpublikation: Mihai Lomora, Gesine Gunkel-Grabole, Shiksha Mantri and Cornelia G. Palivan: Bio-catalytic nanocompartments for in situ production of glucose-6-phosphate, Chemical Communications (2017), doi: 10.1039/C7CC04739H

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