Neue Nanomaterialien und ihre Kommunikation mit lebenden Zellen

Do, 12.10.2017 - 19:46 — Eva Sinner

Eva-Kathrin SinnerIcon BiologieSynthetisch hergestellte Nanomaterialien finden aufgrund ihrer einzigartigen physikalisch-chemischen Eigenschaften bereits in unterschiedlichsten industriellen Produkten Anwendung, allerdings lassen sich derzeit kaum allgemeingültige Aussagen über potentielle Auswirkungen auf Mensch und Umwelt treffen. Die Nanobiotechnologin Eva-Kathrin Sinner, Leiterin des Instituts für Synthetische Bioarchitekturen (Universität für Bodenkultur, Wien,) erzählt im Gespräch mit dem Chemiereport über dort betriebene Forschung zu Synthese, Eigenschaften und Weiterentwicklung von Nanomaterialien aber auch über ihre Aktivitäten zur Verbesserung der Interaktion zwischen Gesellschaft und Forschung..*

Womit befasst sich das Institut für Synthetische Bioarchitekturen konkret?

Wir forschen an neuen Biomaterialien und uns interessiert die Kommunikation zwischen Struktur und lebender Zelle. Wir möchten

  • auf der Ebene der Moleküle Zusammenhänge verstehen, die es uns erlauben, bestehende synthetische Materialien in unserer Umwelt zu messen und
  • mit Zellen „reden“ können, d.i. neue Wirkungsverfahren jenseits der Gentechnik zu erfinden.

Hier bahnt sich gerade eine neue Perspektive an: neue Materialkombinationen zu entdecken, die zum Beispiel Materialien aus fossilen Brennstoffen ersetzen können oder andere wichtige, zu optimierende Eigenschaften haben, wie Kompostierbarkeit, Gewicht, Brennbarkeit, mechanische Belastbarkeit.

Ist Nanobiotechnologie dabei immer ein Thema?

Das Wort „nanos“, aus dem Altgriechischen übersetzt, bedeutet der Zwerg. Der Begriff beschreibt also lediglich die Größenordnung, in der ich forsche - d.i. im Bereich zwischen einem und hundert Milliardstel Meter -und nicht die Materialien selber. Insofern ist der Begriff „nano“ sicherlich die reine Bezeichnung eines Themas, nämlich die Welt der Moleküle. Abbildung 1.

Abbildung 1. Forschungsschwerpunkt: Synthese und Anwendung von Membranproteinen. Die Einbettung von verschiedensten Membranproteinen in stabilisierende Membranumgebungen soll einerseits deren Struktur- und Funktionsanalyse ermöglichen, andererseits auf Anwendungsperspektiven wie Wirkstoff- und Impfstoffforschung abzielen. Links: Schematische Darstellung von Proteinen in einer Lipidmembran. Mitte: mikroskopische Aufnahme von Proteinen in einer Polymermembran (Maßstab 1 µm = 1 Millionstel Meter). Rechts: Lipidvesikel mit Proteinen, die In der Vesikelmembran eingebettet und im Inneren des Vesikel eingeschlossen sind;schematische Darstellung.

Die Kombination von Nano mit der Biotechnologie ist hier allerdings leicht irreführend. Ich sehe diese Forschungen vielmehr von meinem Background aus - als Biochemikerin mit stark biophysikalischer Ausrichtung.

Welche Rolle spielen hier Polymere, mit denen Sie sich am Max-Planck-Institut für Polymerforschung (Mainz) beschäftigt haben?

Der Begriff „Polymer“ setzt sich zusammen aus den griechischen Bezeichnungen für „viel“ (poly) und „Teil“ (meros). Viele Materialien aus der Natur sind genau so - aus vielen Teilen - aufgebaut. Die Industrie hat es der Natur nachgemacht und letztlich kann man auch Kunststoffe oft als Biomaterialien verstehen. Denn Kunststoffe wie Plastik haben ihren Ursprung in fossilen Materialien. Für viele synthetisch, also vom Menschen im Labor hergestellten Materialien gibt es in der Natur Beispiele, die aber eben nicht so sauber (homogen) und damit nicht so stabil sind. Gegenüber künstlichen, aus Phospholipiden bestehenden Vesikeln, weisen Polymervesikel eine Vielzahl an Vorteilen aus, vor allem, dass sie anwendungsbezogen speziell angepasst werden können.

In der Tat sind Biopolymere ausgesprochen interessante und vielseitige Materialien, bezüglich derer nach wie vor viel Erfahrung, aber noch wenig (molekulares) Detailwissen besteht. Genau an dem Punkt bin ich sehr an einer Weiterentwicklung und an Kooperationen interessiert, wie zum Beispiel mit der Firma MKM in Rheinland-Pfalz, wo es um Interaktionen von Zellen an Keramikwerkstoffen geht. Mit der Technischen Universität Wien beginnt ebenfalls eine Kooperation hinsichtlich organisch-anorganischer Grenzsysteme.

Elektroporation zum Transfer funktioneller Membranproteine in Säugerzellen - ohne gentechnische Manipulation

Das ist unser aktuellstes Forschungsthema, ein ausgesprochen spannender Ansatz, bei dem wir versuchen, mittels Membranfusion bereits hergestellte, klinisch relevante Proteine mit lebenden Zellen verschmelzen zu lassen. Das hätte den Vorteil, dass wir die Regulation immer unter Kontrolle behalten und nicht mittels Gentechnik die genetische Integrität einer Zelle modifizieren müssen. Hier laufen eine Reihe von konkreten Projekten, um mittels Elektroporation Membranproteine zu transferieren: beispielsweise den Dopaminrezeptor DRD2L (Abbildung 2) zu transferieren oder den für die Funktion der Mitochondrien essentiellen spannungsabhängigen Anionen Kanal (engl.: VDAC), oder CD4- und Chemokin-Rezeptoren, zur Beeinflussung der Immunantwort, u.v.a.m.

Abbildung 2. Transfer des Dopaminrezeptors DRD2L in Nervenzellen. Nach Synthese von DRD2L(gelb) in künstlichen Membranen (blaue Lipidvesikel) werden diese mittels modernster, im Nanosekundenbereich erfolgreich funktionierender Elektroporationsmethoden in Neuronen implementiert. Ziel ist die therapeutische Anwendung bei neuro-psychatrischen Störungen (z.B. bei Tourette Syndrom, schizoider Persönlichkeitsstörung oder hyperkinetischer Störung) Auch hier sind wir gerade auf der Suche nach neuen Kooperationspartnern aus der Zellbiologie, die sich für solche alternativen Strategien der Zellmanipulation interessieren könnten.

Wissensvermittlung

Als Vizepräsidentin der Erwin-Schrödinger-Gesellschaft für Nanowissenschaften…

Die Erwin-Schrödinger-Gesellschaft für Nanowissenschaften (ESG) ist ein etabliertes Werkzeug, um mit Mitteln aus dem Technologieministerium (BMVIT) gezielt wissenschaftlichen Austausch und Nachwuchsförderung zu betreiben. Regelmäßig werden Workshops und Reisestipendien vergeben, so auch der jährliche Posterpreis auf der BioNano-Med-Konferenz in Krems und der hauseigene Preis der ESG. Die ESG stellt insgesamt eine ausgesprochen lebendige Plattform dar, um nano-skalig-relevante Methoden und Materialien eben auch durch internationale Wissenschaftler vorzustellen.

Meine Hoffnung ist, dass die biologische Ausrichtung hier in Zukunft noch deutlicher zutage tritt - es haben ja viele Erkenntnisse und Methoden dazu geführt, dass völlig neue Ansätze in Medizin und Umweltforschung denkbar werden.

…und als Direktorin der Internationalen Graduiertenschule (IGS) mit der Nanyang Technical University in Singapur (2011 bis 2015)

Leider sind solche Konzepte immer sehr von einzelnen Personen geprägt. Das Projekt IGS war ausgesprochen erfolgreich. Viele österreichische und singapurische Doktoranden haben erfolgreich und in kurzer Zeit ihre Doktortitel erlangt. Zahlreiche Workshops und Publikationen in international anerkannten Journalen sind aus der IGS hervorgegangen.

Die organisatorische Belastung während der Laufzeit meiner Direktorenschaft der IGS war sehr hoch. Es war aber eine lehrreiche Erfahrung, wie solche Konstrukte aussehen müssten, um langfristig in das Lehrportfolio einer Universität integriert zu werden.

Warum halten Sie Ihre Vorlesungen auf Englisch?

Gerade bei der Einführung eines wissenschaftlich komplexen Themas bietet die Lehre in der Muttersprache für die Studenten den Vorteil der Unmissverständlichkeit und Direktheit. Allerdings ist es eine wesentliche Voraussetzung für die internationale Konkurrenzfähigkeit der Absolventen, dass sie in dem entsprechenden Gebiet in englischer Sprache sattelfest sind. Hier gibt es im Rahmen eines Coachings eine hervorragende, BOKU-interne Unterstützung für Lehrende wie mich, die in der englischen Sprache Vorlesungen halten. Die Studenten werden von mir ohnehin durch die begleitende Literatur und die Lehrmaterialien immer auch in Englisch als der international relevanten Forschungssprache vorbereitet. Genau diese Vorbereitung empfinde ich als ein wesentliches Element, das ich mir als Ziel gesetzt habe. Ich bevorzuge eine „smooth transition“ der Studenten in den englischen Sprachkontext im Laufe des Studiums und nicht den „kalten Start“, der die Gefahr beinhaltet, Lücken im Basiswissen zu hinterlassen.

Was wünschen Sie sich für die Zukunft?

Ich hoffe auf eine Erhaltung des bestehenden Wissens und eine wieder auflebende Kultur der Reproduzierbarkeit von Daten – kurzum: dass Forschung transparenter wird und die fördernden Institutionen auch Nischenprojekte zulassen. Die Publikationsflut selbst ist kein gutes Maß für gute Wissenschaft und nicht für deren Manifestierung als Text. Wer liest denn schon freiwillig naturwissenschaftliche Fachzeitschriften?

Ich hoffe, dass es wieder eine lebendigere Interaktion zwischen Gesellschaft und Forschung gibt. Dazu bräuchte es in diesen Zeiten keine Revolution, sondern bloß eine kleine Neuorientierung, gedankliche Offenheit und einen Raum in den Printmedien Österreichs.

*Das Gespräch wurde mit Dr.Karl Zojer vom Chemiereport geführt und kann im Original unter dem Titel „Wir wollen mit den Zellen reden können“ im Heft 6/2017 nachgelesen werden http://www.chemiereport.at/epaper/201706/ . Im Einverständnis mit der Autorin und dem Chemiereport erscheint das Interview hier in einer leicht modifizierten Form: Die Fragen von Karl Zojer wurden zu Untertiteln und 2 Abbildungen von der Homepage der Autorin eingefügt.

Weiterführende Links

Institut für Synthetische Bioarchitekturen https://www.nano.boku.ac.at/synthbio/

Eva Sinner: Forschungsprojekt: Schnüffeln für die Wissenschaft (Video, 7'30)

Artikel von Eva Sinner im ScienceBlog

Tags