Biosensoren Nanopartikel-Enzym-Konjugate für die Entwicklung von Biosensoren

Eine neue Methode zur Herstellung von polymeren Nanopartikeln mit oberflächenaktiven funktionellen Ankerstellen ermöglicht die gezielte Anbindung von Enzymen in nur einem Prozessschritt. Für die Entwicklung von Biosensoren werden so maßgeschneiderte Hybridsysteme bereitgestellt, die unter Erhalt ihrer Enzymaktivität als Redox-Katalysatoren wirken.

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KNAUER Wissenschaftliche Geräte GmbH

Shimadzu Deutschland GmbH

C3 Prozess- und Analysentechnik GmbH

Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Biover- fahrenstechnik (IGB)

Enzyme sind vielseitige Biokatalysatoren, die zunehmend Einsatz in industriellen Bereichen finden. Allerdings ist die technische Anwendung eines Enzyms oft durch mangelnde Langzeitstabilität unter realen Verfahrensbedingungen und Schwierigkeiten beim Recycling eingeschränkt. Aktuelle Forschungsbemühungen beinhalten deshalb die Entwicklungen biofunktionalisierter Hybridmaterialien zur Immobilisierung aktiver Enzym-einheiten, die wiederum interessante und relevante Tools für die Entwicklung von Biosensoren sind [1, 2]. Gerade Nanopartikel eignen sich hervorragend für die Darstellung derartiger Hybridsysteme, da es die vergleichbaren Dimensionen von Enzym und Partikel ermöglichen, Materialien zu erzeugen, die synergistische Eigenschaften aufweisen. So bringt die Systemverkleinerung in nanoskopische Dimensionen einen enormen Zuwachs an spezifischer Oberfläche. Mit kleinster Masse an Nanopartikeln lassen sich große Oberflächen für die Handhabung von Biomolekülen bereitstellen.

Die Surfmer-basierte Technologie (s. Abb. 2) ermöglicht die einstufige Herstellung von Nanopartikeln mit maßgeschneiderten Ankerstellen für die Anbindung von Biomolekülen wie Peptide, Antikörper oder auch Enzyme [3, 4, 5]. Dadurch lassen sich herkömmliche Herstellungsverfahren, die mehrere unterschiedliche Prozessschritte erfordern, ersetzen.

Herstellung oberflächenaktiver funktioneller Partikelsysteme

Surfmere – eine Wortschöpfung aus den Begriffen Surfactant und Monomer – sind polymerisierbare Tenside, die in einer Emulsionspolymerisation zur Herstellung von Polymernanopartikeln mit oberflächenaktiven funktionellen Ankerstellen verwendet werden (s. Abb.2). Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass die eingesetzten polymerisierbaren Tenside bei der Co-Polymerisation mit einem Co-Monomer im Polymergerüst eingebaut werden. Bei einer weiteren Verwendung der so hergestellten Polymerpartikel kommt es deshalb nicht zur Abspaltung des Tensids und einer damit einhergehenden Agglomeration.

Die modular aufgebauten Surfmere beinhalten unterschiedliche Struktureinheiten, die es erlauben maßgeschneiderte Derivate für die gezielte Anbindung bereitzustellen. Spacerlänge, polymerisierbare Gruppe, Anteil an Surfmer sowie Art des Co-Monomers wurden variiert, um eine breite Palette an unterschiedlichen Surfmer-Nanopartikeln herzustellen. Sowohl Polystyrol- (s.Abb. 3) als auch Polymethylmethacrylat-(pMMA)-basierte Partikel sind in sehr guten Ausbeuten erhältlich. Typische Partikeldurchmesser liegen im Bereich von 80 bis 200 nm. Hierbei haben Art und Menge an Surfmer einen entscheidenden Einfluss auf den Teilchenbildungsprozess während der Emulsionspolymerisation und somit auf Durchmesser und Anzahl der gebildeten Polymerpartikel. Eine Erhöhung der Konzentration an Surfmer führt zur Bildung kleinerer, höher geladener Partikel, da sich im Vergleich zu einer geringeren Surfmerkonzentration mehr Micellen bilden, die kleiner sind und damit größere positive Partialladungen aufweisen.

Kopplung von Oxidoreductasen unter Erhalt ihrer Enzymaktivität

Oxidoreductasen sind Enzyme, die Re-doxreaktionen katalysieren und prädestiniert sind als Baustein für Erkennungsreaktionen in Biosensoren. Als Redoxsysteme katalysieren sie Oxidations- oder Dehydrogenierungsreaktionen. In klinisch-relevanten Anwendungen finden sich hierbei vornehmlich Glucose-Oxidase basierte Systeme, deren Wirkungsweise auf der Bildung von Wasserstoffperoxid aus Sauerstoff katalysiert durch die entsprechenden Enzyme beruht.

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