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Künstlich im Labor hergestellte Zellen bieten vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Bislang waren ihre Membranen jedoch – anders als bei realen Zellen – kaum durchlässig. Forschende des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung um Direktorin Katharina Landfester haben nun eine neue Methode entwickelt, mit der die Membranen künstlicher Zellen für chemische Stoffe durchlässiger werden. So werden sie sowohl für die medizinische Forschung als auch für spätere Anwendungen wie Medikamententransporter fit gemacht. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler*innen in der Zeitschrift ACS Nano.
Menschliche Zellen sind komplex: Von der Zellmembran über den Zellkern bis hin zu Mitochondrien und Golgi-Apparat besitzen sie zahlreiche Bausteine – was ihre Untersuchung im Labor erschwert. Künstlich hergestellte Zellen, sogenannte Polymersome, bestehen aus speziellen Kunststoffen und erleichtern Experimente im Labor, weil sich die „Zelle“ dabei auf ein funktionales Minimum reduzieren lässt.
Besondere Typen solcher künstlichen Zellen, „Giant Unilamellar Vesicles“ (GUVs), haben eine Größe im Bereich von einem Millionstel Meter. Sie sind nicht nur für die Laborarbeit interessant, sondern auch als Transportvehikel für Medikamente – also als Miniatur‑Medikamentenkapseln. Dabei lassen sie sich mit Wirkstoffen beladen und können diese beispielsweise in Tumorgewebe wieder freisetzen. Bislang war die Membran dieser Zellen jedoch nicht durchlässig genug – eine Eigenschaft, die sowohl für die Simulation bestimmter Prozesse im Labor als auch für die Abgabe von Medikamenten zwingend erforderlich ist. „Bislang waren Polymersome wie verschlossene Schatzkisten: Sie konnten wertvolle Inhalte wie Medikamente oder Enzyme sicher aufbewahren – aber der Inhalt konnte kaum herausgelangen, und neue Substanzen konnten kaum hineingelangen“, erklärt Katharina Landfester, Direktorin am Mainzer Max-Planck-Institut. „Unser Ziel war es, diese Membranen gezielt ‚durchlässiger‘ zu machen – ohne ihre Stabilität zu beeinträchtigen.“
Den Schlüssel fanden die Forschenden in einem sogenannten Co-Tensid – einem Molekül, das üblicherweise als Hilfsstoff bei der Herstellung von Seifen oder Emulsionen dient. Mithilfe einer neuartigen mikrofluidischen Methode (eine Art „Lab-on-a-Chip“) bildeten sie Polymersome, wobei das Co-Tensid Oleylalkohol als Lösungsmittel diente. Ein kleiner Teil dieses Moleküls verblieb in der Membran und wirkte dort als „Störfaktor“ in einem ansonsten geordneten System. „Dieser verbleibende Oleylalkohol stört die regelmäßige Anordnung der Kunststoffmoleküle in der Membran“, erklärt Gabrielle Ong, Erstautorin der Studie. „Es entsteht eine Art ‚Unordnung‘ – wie ein verzogenes Brett an der Seite eines ordentlich gestapelten Kartons. Diese Unordnung macht die Membran durchlässiger.“
Mit Methoden wie der Kernspinresonanzspektroskopie sowie der Summenfrequenzspektroskopie konnten die Forschenden zeigen, dass die Membran ungeordneter wird und sich dadurch die Durchlässigkeit der künstlichen Zellen erhöht.
Sie haben dieses Konzept auch experimentell nachgewiesen: Die Polymersome wurden in eine Glukoselösung gegeben, sodass Glukosemoleküle durch die durchlässige Membran diffundieren konnten. Im Inneren der Polymersome löste die Glukose eine biologisch inspirierte Reaktionskaskade aus, die zur Bildung des fluoreszierenden Moleküls NADH führte. Die Forscher konnten die charakteristische Fluoreszenz von NADH nachweisen und bestätigten damit, dass die Glukose erfolgreich in die Polymersome eingedrungen war und die Reaktion ausgelöst hatte. Im Gegensatz dazu zeigten Polymersomen mit einer intakten, undurchlässigen Membran keine Fluoreszenz, was belegt, dass die Membranpermeabilität für den Prozess unerlässlich war.
„Wir haben nicht nur ein neues Werkzeug für die Forschung geschaffen – wir haben auch ein neues Prinzip für die Materialentwicklung eingeführt: Unordnung kann gezielt genutzt werden, um Funktion zu erzeugen“, sagt Priyanka Sharan, Gruppenleiterin und Mitautorin der Studie.
Die nun im renommierten Journal ACS Nano veröffentlichten Erkenntnisse eröffnen neue Möglichkeiten für die Herstellung künstlicher Zellen, die komplexe chemische Reaktionen wie in lebenden Zellen ausführen, sowie für intelligente Materialien, die auf Umwelteinflüsse wie pH-Wert oder Salzkonzentration reagieren.
Dr. Priyanka Sharan
sharanp@mpip-mainz.mpg.de
Prof. Katharina Landfester
landfester@mpip-mainz.mpg.de
Ong, G.; Sharan, P.; Graf, R.; Koynov, K.; Chen, Y.; Hazrah, A. S.; Landfester, K.: Cosurfactant-Induced Disorder in Polymersome Membrane Enhances Diffusion of Cargo Molecules. ACS Nano 20 (18), S. 13706 - 13717 (2026)
https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.6c00963
Glukose (grün) kann durch die Membran diffundieren, wodurch im Inneren eine Reaktionskaskade in Gang ...
Copyright: © Katharina Maisenbacher / MPI-P
Criteria of this press release:
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