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Lichtgetriebene Proteine in künstlichen Membranen: Neue Methode für Biohybrid-Systeme
Forschende aus dem SNI-Netzwerk haben eine innovative Methode entwickelt, um lichtgesteuerte Membranproteine in künstliche Polymermembranen einzubauen. Damit gelingt ihnen ein wichtiger Schritt zur Entwicklung von Biohybrid-Systemen, die Lichtenergie direkt in chemische Energie umwandeln – mit potenziellen Anwendungen in Sensorik oder Energiegewinnung. Die Studie wurde kürzlich im Fachjournal Biomacromolecules veröffentlicht.
Lichtgesteuerte Membranproteine sind zentrale Bausteine für Biohybrid-Systeme, da sie Lichtenergie in Ionengradienten umwandeln können – und damit die Möglichkeit für Energieumwandlung oder sensorische Anwendungen eröffnen. Während ihre Integration in natürliche Lipidmembranen bereits gut erforscht ist, gestaltete sich der Einbau in künstliche Polymermembranen bisher herausfordernd – denn, Polymermembranen sind zwar mechanisch stabiler und langlebiger als Lipidmembranen, ihre physikalisch-chemischen Eigenschaften (z. B. Dicke, Flexibilität) erschweren aber die Einbindung von Proteinen.
In ihrer Studie integrierten die Forschenden um Prof. Dr. Cornelia Palivan (Departement Chemie, Universität Basel) und Dr. Richard Kammerer (Paul Scherrer Institut PSI) das lichtgetriebene Natrium-Protonen-Pumpenprotein KR2 aus dem Bakterium Krokinobacter eikastus in flache und kugelförmige Polymermembranen aus PMOXA-b-PDMS.
«Wir haben dazu ein mildes Detergens (DDM) verwendet, das die Polymermembran lokal aufweicht, ohne ihre Struktur zu zerstören. So konnten wir KR2 erfolgreich einbauen, ohne seine Funktionalität zu beeinträchtigen», erklärt Dr. Piotr Jasko, Erstautor der Studie und ehemaliger Doktorand der SNI-Doktorandenschule.
Mithilfe von oberflächenempfindlichen Messmethoden und Fluoreszenz-Techniken bestätigten die Forschenden, dass KR2 in der Membran weiterhin Ionen transportierte, wenn es mit Licht bestrahlt wurde. Ein fluoreszierender Marker ermöglichte zudem die quantitative Bestimmung der Proteineinbindung.
«Unsere Methode funktioniert sowohl für flache (2D) wie auch kugelförmige (3D) Polymermembranen und könnte sich auch auf andere Membranproteine und Polymermembranen übertragen lassen», fasst Cornelia Palivan zusammen. «Damit ebnen wir den Weg für die Entwicklung von Biohybrid-Membranen, die Lichtenergie für Ionentransport, Sensorik oder Energieumwandlung nutzen können.
Originalpublikation:
Functional Insertion of the Light-Induced Ion Pump KR2 into Block Copolymer Membranes
Piotr Jasko; Moritz S. Muthwill; Maryame Bina; Daniel Frey; Cora-Ann Schoenenberger; Richard A. Kammerer, Cornelia G. Palivan
Biomacromolecules (2026) 27 (8): 5449–5460.