Magnetoviscosity of nanorod ferrofluids synthesized by virus templating
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Stäbchenförmige Tabakmosaikvirus-(TMV-)-Template können als stabilisierende Nanogerüste die Eigenschaften technisch einsetzbarer Ferrofluide regulieren und sowohl deren Magnet-induzierte Viskosität als auch ihre Scherstabilität erheblich verbessern. Als biologische Additive führten native Pflanzenviren oder in vitro aus TMV-Bausteinen assemblierte Nanotubuli verschiedener Längenklassen von 90 bis 300 nm zu einer bis zu etwa 3000 % erhöhten relativen Viskositätssteigerung ∆η η des Dicht- und Dämpfungsmittels LCE-25 im Magnetfeld (B = 110 mT), im Vergleich zur virusfreien Suspension (LCE-25 mit sphärischen 10-18 nm- Kobaltferrit-Nanopartikeln [NP]). Zugleich stabilisierten die Bio-Additive gegen Scherkräfte; der Zuwachs des magnetviskosen Effekts (MVE) konnte durch ihre Länge, Oberflächenladung und Konzentration gesteuert werden, war bereits bei nur 40 mg TMV-Templat je Liter optimal und über Monate hinweg unverändert. Im Zuge einer kostenneutralen Verlängerung des Projektzeitraums konnte die Fabrikation solcher pflanzenviralen Nanostäbchen durch vielfältige molekularbiologische Tests und Weiterentwicklungen der pflanzlichen, Hefe-basierten, bakteriellen und biochemischen Produktionssysteme so weit verbessert werden, dass eine praktische Anwendung nativer und in vitro aus RNA-Konstrukten und TMV-Protein assemblierter Virusderivate für spezielle Ferrofluidanwendungen bis hin zum Litermaßstab denkbar ist; allerdings existiert die Herstellerfirma des LCE-25 nicht mehr. Offensichtlich unterstützen robuste pflanzenvirale Nukleoprotein-Röhrchen über nicht-kovalente Interaktionen ihrer Proteinaußenfläche mit den anorganischen NP deren quasilineare Anordnung im magnetischen Feld. Diese Resultate bestätigten die Ausgangshypothese, dass elongierte Magnetpartikel Ferrofluide gegen Scherverdünnung schützen dürften, und legten Folgeexperimente zur Fabrikation irreversibel verbundener bioanorganischer Hybridstäbchen nahe. Dafür wurden in direkter Kooperation mit der AG Bittner in Spanien Methoden zur Abscheidung von Eisenoxiden auf der TMV-Oberfläche etabliert, mit denen sich nasschemisch vollständig umhüllte Stäbchen herstellen lassen, die nach thermischer Behandlung eine Sättigungsmagnetisierung von >1 emu/g bei einer Koerzivität von ≈0.001 T erreichen und mechanisch pulverisiert nun bereitstehen, um Experimente zur stabilen Suspendierung in Trägerflüssigkeiten und Messungen der magnetviskosen Effekte (MVE) im Piezomembranaxialvibrator in Ulm (AG Krill) auszuführen. Als alternative Konzepte zur kontrollierten Kopplung von Virustemplaten und zuvor charakterisiertem magnetischem Material wurden elektrostatische Interaktionen und chemische Verknüpfungsstrategien eingehend untersucht. Obgleich beide Strategien zu dicht NP-bedeckten TMV-Gerüsten führten und prinzipiell funktionierten, konnten die Besatzdichten in keinem Fall gesteuert werden. Kovalente Kupplungsreaktionen zwischen tausenden exponierter Amino- oder Thiolgruppen gentechnisch modifizierter TMV-Varianten, diversen Eisenoxidkern-Schale-NP mit reaktiven Gruppen und z.T. bifunktionellen Linkermolekülen liefen zwar erfolgreich ab, wurden aber durch unspezifische NP-TMV-Wechselwirkungen überlagert; vielversprechende Produkte ließen sich mit NP-Folgechargen nicht reproduzieren, stattdessen präzipitierten die Reaktionsgemische. Für eine erfolgreich synthetisierte und über Dichtegradienten gereinigte TMV-NP-Komposit-Spezies konnte ein MVE demonstriert werden (infolge geringer Produktmengen nicht weiter charakterisiert). Finanziell und experimentell aufwändige Konjugationsreaktionen dürften demnach keinen Gewinn für die Ferrofluidproduktion darstellen. Sie und die oben erwähnten Studien zur optimierten Assemblierung von TMV-Abkömmlingen ergaben jedoch aus Kontroll-, Begleit- und Folgeversuchen mehrere neue Produktgruppen, vom fluoreszierenden Nanoskopie-Standard bis hin zu NP-haltigen Nanostern-Kolloiden mit extrem großen Oberflächen und Trägerstäbchen mit selektiv chemisch adressierbaren Längsdomänen. Diese vielseitigen, international einmaligen "Funktionsträger" haben Eingang in mehrere Publikationen und Folgeprojekte gefunden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2010). Enhancing the magnetoviscosity of ferrofluids by the addition of biological nanotubes. ACS Nano 4, 4531-4538
Wu, Z., Mueller, A., Degenhard, S., Ruff, S. E., Geiger, F., Bittner, A., Wege, C. & Krill III, C.
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- (2010). Preparation and magnetoviscosity of nanotube ferrofluids by viral scaffolding and ALD on porous templates. Phys. Stat. Sol. B 247, 2412-2423
Wu, Z., Zierold, R., Mueller, A., Ruff, S. E., Ma, C., Khan, A. A., Geiger, F., Sommer, B. A., Knez, M., Nielsch, K., Bittner, A. M., Wege, C. & Krill III, C.
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Kadri, A., Maiß, E., Amsharov, N., Bittner, A. M., Balci, S., Kern, K., Jeske, H. & Wege, C.
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Mueller, A., Eber, F. J., Azucena, C., Petershans, A., Bittner, A. M., Gliemann, H., Jeske, H. & Wege, C.
- (2011). Preparation and characterization of nanotube ferrofluids by template-directed methods. Dissertation, Universität Ulm
Wu, Z.
- (2011). Superresolution imaging of biological nanostructures by Spectral Precision Distance Microscopy (SPDM). Biotechnol. J. 6, 1037- 1051
Cremer, C., Kaufmann, R., Gunkel, M., Pres, S., Weiland, Y., Mueller, P., Ruckelshausen, T., Lemmer, P., Geiger, F. C., Degenhard, S., Wege, C., Lemmermann, N. A. W., Holtappels, R., Strickfaden, H. & Hausmann, M.
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Balci, S., Hahn, K., Kopold, P., Kadri, A., Wege, C., Kern, K. & Bittner, A. M.
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Khan, A., Fox, E., Górzny, M., Nikulina, E., Brougham, D., Wege, C. & Bittner, A. M.
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Eiben, S., Stitz, N., Eber, F., Wagner, J., Atanasova, P., Bill, J., Wege, C. & Jeske, H.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.virusres.2013.11.019)
