Materials World Network: Fundamentals of Peptide Materials - Experimental and Simulation Probes

• Antragsteller: Professor Dr. Markus Valtiner
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Biologische und Biomimetische Chemie ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 238994672

• Erstellungsjahr: 2017

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Peptide sind eine wichtige Klasse von biokompatiblen, umweltfreundlichen, nachhaltigen funktionellen Materialien geworden. Einerseits können sie so konstruiert werden, dass sie sich zu einer breiten Palette von Nanostrukturen entwickeln, die als Gewebegerüste, Biosensoren, Arzneimittelabgabemittel oder Schablonen für anorganische Materialien wichtig sind. Des Weiteren bieten sie einzigartige Möglichkeiten, im Bereich der Oberflächenmodifikation zur Klebung und zum Korrosionsschutz. Allerdings steht der Nutzung des vollen Potentials von Peptidmaterialien in der Technik ein fehlendes detailliertes Verständnis, der vielen in Peptidmaterialien vorliegenden und konkurrierenden molekularen Wechselwirkungen (z.B. Wasserstoff-Bindung, elektrostatische und hydrophobe Kräfte) gegenüber. Um diese Wechselwirkungen grundlegend zu verstehen, bedarf es molekularer Untersuchungen der Wechselwirkungsmechanismen. Im Rahmen dieses Projektes ist es erstmals gelungen mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie (AFM) die Wechselwirkungsenergien von einzelnen hydrophoben Molekülen mit variierender Anzahl an hydrophoben Gruppen mit (1) hydrophoben Oberflächen, und (2) mit anderen hydrophoben Molekülen direkt experimentell zu charakterisieren. Wir konnten zeigen, dass Nichtgleichgewichtsmessungen der Arbeit, die mit dem AFM im Rahmen eines Einzelmolekülexperiments eingebracht wird um einen molekularen Bindungsbruchs herbeizuführen, auf Basis einer Analyse mit Fluktuationstheoremen direkte experimentelle Informationen über Bindungsenergien liefern kann. Auf Basis dieser Arbeiten wurde im Rahmen dieses Projekts im Anschluss theoretische und experimentelle Wechselwirkung von einzelnen Molekülen und funktionellen Gruppen direkt verglichen. Es stellt einen Durchbruch dar, dass durch eine einzigartige Kombination von AFM mit molekularen Simulationsstudien, erstmals eine molekulare Peptid Wechselwirkungen an der Festkörper/Flüssigkeit Schnittstelle sowohl experimentell als auch theoretisch umfassenden charakterisiert werden konnte. Unter Verwendung eines flexiblen Modellpeptids werden genau kontrollierbare Sequenzen von an Grenzflächen interagierenden hydrophoben Peptidgruppen mit beiden Techniken untersucht, wobei die Resultate der Simulation und des Experiments erstaunlich gute Übereinstimmung zeigten. Insbesondere erlaubt damit nun die Theorie detaillierte Einblicke in die Dynamik eines Bindungsbruchs, wohingegen das Experiment die Validierung für die theoretischen Ergebnisse bietet. Vorhersagen der Theorie können nun also auf einzelmolekularer Ebene direkt mit einem Experiment verglichen und somit verifiziert werden. Die Ergebnisse dieses Projektes zeigen also, dass es möglich ist molekularer Wechselwirkung im Einzelnen zu verstehen. Erste Versuche haben schon dargelegt, dass damit nun Skalierungsregeln hin zu makroskopische Eigenschaften wie z.B. einer Adhäsion auf Basis der molekularen Grundlagen möglich wird. Es ist also in Zukunft denkbar Peptide-Materialien molekular dahingehend zu gestalten, dass ihre Wechselwirkungen am Reißbrett gezielt vorhergesagt werden, da die Theorie nun direkt validierbar ist.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Deciphering the scaling of single-molecule interactions using Jarzynski's equality. Nature Communications 5
  Raman, S., Utzig, T., Baimpos, T., Shrestha, B. R. & Valtiner, M.
  
• Direct and quantitative AFM measurements of the concentration and temperature dependence of the hydrophobic force law at nanoscopic contacts. J. of Colloids and Interfaces
  Stock, P., Utzig, T. & Valtiner, M.
  
• Targeted Tuning of Interactive Forces by Engineering of Molecular Bonds in Series and Parallel Using Peptide-Based Adhesives. Langmuir 31, 11051-11057 (2015)
  Utzig, T., Stock, P., Raman, S. & Valtiner, M.
  
• Resolving, Non-Specific and Specific Adhesive Interactions of Catechols at Solid/Liquid Interfaces at the Molecular Scale, Angewandte Intl. 55, 9524-9528 (2016)
  T. Utzig, P. Stock and P. Stock
  
• Soft matter interactions at the molecular scale: Interaction forces and energies between single hydrophobic model peptides, Physical Chemistry Chemical Physics
  P. Stock, T. Utzig and M. Valtiner
  
• Unraveling Hydrophobic Interactions at the Molecular Scale Using Force Spectroscopy and Molecular Dynamics Simulations, ACS Nano 11 (3) 2586–2597 (2017)
  Philipp Stock, Jacob I. Monroe, Thomas Utzig, David J. Smith, M. Scott Shell, and Markus Valtiner