Protein Cages for the Encapsulation of Nanoparticles with Various Geometries

Abstract

Die bottom-up Konstruktion geordneter Supergitterstrukturen aus nanoskaligen Bausteinen stellt weiterhin eine zentrale Herausforderung in der Nanotechnologie dar. Sie hat jedoch das Potenzial, Materialien mit neuartigen optischen und elektronischen Eigenschaften herzustellen. Protein cages (Proteinkäfige) wie Viruskapside und Encapsuline bieten eine biologische, atomar präzise Matrix, um anorganische Nanomaterialien strukturiert anzuordnen. Die vorliegende Arbeit untersucht die Einkapselung von Nanopartikeln unterschiedlicher Formen und Größen durch protein cages – mit einem besonderen Fokus auf plasmonischen Goldnanopartikel (AuNPs), Goldnanorods (AuNRs) sowie fluoreszierenden CdSe/CdS-Dot-in-Rods (DiRs) – mit dem Ziel, hybride Nanomaterialien herzustellen. Die Forschung wurde dabei von drei Zielen geleitet: (1) Oberflächenfunktionalisierung von Nanopartikeln um biologische Kompatibilität zu gewährleisten, (2) Entwicklung einer anpassbaren Proteinhülle, die als Plattform dienen kann, und (3) effiziente Einkapselung und Koassemblierung der Komponenten. Zu diesem Zweck wurden CdSe/CdS-DiRs und AuNRs synthetisiert und mithilfe verschiedener Liganden sowie eines cargo loading peptides (CLP) funktionalisiert, um ihre Löslichkeit zu steuern und die Einkapselung zu ermöglichen. Erste Versuche zur Einkapselung dieser anisotropen Nanopartikel wurden mit dem Encapsulin aus Thermotoga maritima durchgeführt. Dabei wurden Parameter wie die Ligandenchemie, das Partikel-zu-Protein-Verhältnis, Pufferzusammensetzung und Salzkonzentration systematisch variiert, um Faktoren für eine erfolgreiche Einkapselung zu identifizieren. Im Verlauf der Arbeit wurde die Proteinplattform jedoch gewechselt. Dieser Wechsel erfolgte von T. maritima-Encapsulin zu einer größeren und strukturell flexibleren Plattform aufgrund räumlicher und struktureller Limitation, insbesondere dessen starrer T = 1-Architektur. Zur Überwindung dieser Einschränkungen wurde eine alternative Encapsulin-Plattform basierend auf Myxococcus xanthus etabliert. Es wurden Protokolle zur rekombinanten Expression und Reinigung entwickelt, sowie das Dis- und Reassembly-verhalten detailliert untersucht. Parallel dazu wurden AuNPs synthetisiert und mit geeigneten Liganden und CLP funktionalisiert, um diese als Modellcargo für die Einkapselung in M. xanthus-Encapsulin zu verwenden. Diese Einkapselung konnte zwar prinzipiell demonstriert werden, jedoch blieb die Effizienz begrenzt. Allerdings konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass Pufferzusammensetzung, Ionenstärke und Redoxbedingungen die Ausbildung definierter ikosaedrischer Architekturen (T = 1 und T = 3) beeinflussen und somit eine gezielte Kontrolle der Proteinmorphologie ermöglichen. Zusammenfassend präsentiert diese Arbeit eine umfassende Strategie zur Konstruktion von Protein-Nanopartikel-Hybridsystemen mit Fokus auf der Einkapselung anisotroper Nanomaterialien. Das M. xanthus-Encapsulin wird dabei als vielseitige und steuerbare Matrix positioniert. Gleichzeitig wurde ein methodisches Fundament geschaffen, das für zukünftige layer-by-layer Assembly-prozesse herangezogen werden kann. Diese Erkenntnisse ebnen den Weg zur Entwicklung biohybrider Materialien der nächsten Generation mit maßgeschneiderten optischen Eigenschaften für Anwendungen in Sensorik, Nanophotonik und Quantentechnologien.