Biomimetische Membranen DOI: 10.1002/ange.200901544 Biomimetische Lipo-Glycopolymer-Membranen: photochemische Oberflächenanbindung supramolekularer Architekturen mit definierter Orientierung** StefanM. Schiller,* Annette Reisinger-Friebis, Heide Götz, Craig J. Hawker, Curtis W. Frank, Renate Naumann und W. Knoll Professor Helmut Ringsdorf zum 80. Geburtstag gewidmet Der Aufbau von definierten supramolekularen Architekturen mit molekularer Präzision, z.B. von biomimetischen Mem- branen, [1–3] erfordert die Synthese multifunktioneller Bau- steine und eine ausgeklügelte Kombination nanotechnologi- scher Oberflächenpräparationsmethoden. Ein Nachteil der herkömmlichen gestützten Lipiddoppelschichtmembranen (tethered Bilayer Lipid Membranes, tBLMs) ist ihre be- grenzte submembranäre Entkupplungsdistanz von der Trä- geroberfläche (Abstand der Membran von der Sensorober- fläche). Die Notwendigkeit für große (6 nm und mehr) Cy- toplasma-analoge Kompartimente rührt von einer Reihe biologischer und biophysikalischer Notwendigkeiten her, z.B. der Einbettung cytoplasmatischer Untereinheiten von Mem- branproteinen, [4] der Reduktion des Förster-Energietrans- fers [5] für den Einsatz fluoreszierender oder photoaktivier- barer Moleküle in der Nähe von Metalloberflächen sowie der Kompensation von Oberflächenrauigkeiten, die oft nachteilig für die elektrischen Eigenschaften von tBLMs sind. [6] Der- zeitige polymerbasierte tBLMs auf Goldoberflächen errei- chen keine Membran-Oberflächen-Entkupplung von mehr als 5 nm, auch ergeben polymerbasierte tBLMs bisher keine hinreichend guten elektrischen Eigenschaften (spezifischer Widerstand von mindestens einigen MW cm 2 ). Wir haben eine neue Strategie entwickelt, die es ermög- licht, die Einschränkungen der tBLMs mithilfe von Lipo- Glycopolymeren (LGPs) zu überwinden. Besonderer Wert wurde auf die Vergrößerung der Cytoplasma-analogen Kompartimente unter Beibehaltung der guten Isolierungsei- genschaften der Membran gelegt. Dies erfordert das sorgfäl- tige Design der Lipidgruppe, des Spacer-Moleküls und der reaktiven selbstorganisierten Monoschicht (SAM) zur Im- mobilisierung des LGP. Zusätzlich führen wir eine neue Me- thode zur kovalenten Immobilisierung ein, mit der auf pho- tochemische Weise komplexe supramolekulare Architektu- ren mit definierter Orientierung aus wässriger Lösung an Oberflächen gebunden werden können. Diese Methode ist vielversprechend für das Design neuer Protein-Nanoarrays und die Bionanotechnologie im Allgemeinen. Die Idee, Makromoleküle als „Kissen“ [7] zur Nachahmung des Cystosols/Cytoskeletts für die Bildung eines hydrophilen Raumes zwischen Membran und Festkörperoberfläche zu verwenden, wurde von Ringsdorf und Sackmann einge- führt. [1, 8] Makromolekulare Spacer sind anspruchsvoll in der Handhabung: Sie nehmen Knäuelkonformationen ein, die stark vom Lösungsmittel abhängen, und haben sehr variable Molekulargewichte und Längen; zusätzlich bestimmen Wechselwirkungen zwischen den Ketten die Form und Sta- bilität des dünnen Films. Bisher verwendete lipidfunktiona- lisierte kleine makromolekulare Spacer-Systeme (weniger als 100 Wiederholungseinheiten n) erreichen nicht mehr als 40 % ihrer theoretisch maximal möglichen Dicke. Beispiele um- fassen Polyethyloxazolin (n = 50, Länge 3–3.5 nm) [9] und PEG2000 (n = 45, Länge 4.9 nm). [10] Die Anforderungen an den makromolekularen Spacer können wie folgt formuliert werden: 1. Zwischen der Oberfläche und dem hydratisierten Polymer muss eine komplette Benetzung herrschen. [11, 12] 2. Die Wechselwirkung zwischen der Membran und der Oberfläche muss abstoßend sein, um eine Entnetzung zu verhindern. [37] 3. Nichtspezifische Van-der-Waals-Wechselwirkungen zwi- schen Lipid und Oberfläche (effektiv bis zu 3 nm) müssen unterdrückt werden. [37] Von allen bekannten Systemen erfüllt die Glycocalix der Zelle diese Anforderungen am besten. Die Kohlenhydrate der Glycocalix halten einen relativ hohen osmotischen Druck aufrecht, der einen stabilen Zell-Zell-Abstand zwischen 10 [*] Dr. S. M. Schiller Freiburg Institute for Advanced Studies (FRIAS) School of Soft Matter Research, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Albertstraße 19, 79104 Freiburg (Deutschland) Fax: (+ 49) 761-203-97451 E-Mail: Stefan.Schiller@FRIAS.Uni-Freiburg.de Dr. A. Reisinger-Friebis, Dr. R. Naumann Max-Planck-Institut für Polymerforschung (Mainz) Dr. H. Götz Europäisches Patentamt (München) Prof. C. J. Hawker Department of Chemistry and Biochemistry University of California Santa Barbara (USA) Prof. C. W. Frank Department of Chemical Engineering Stanford University (USA) Prof. Dr. W. Knoll Austrian Institute of Technology (Wien) [**] Wir danken Dr. Tobias Baumgart und Dr. M. Sever für hilfreiche Diskussionen sowie dem FRIAS, dem Rektorat der Universität Freiburg und dem MPIP für ihre Unterstützung. Zuschriften 7028  2009 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim Angew. Chem. 2009, 121, 7028 –7032