Molekulardynamische Simulationen der Wechselwirkung zwischen Siliziumoxid und Phosphlipid-Membranen in Kontext der Biomineralisation und der Nanotoxizität

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Lucio Colombi Ciacchi
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 313686335

Grundlegende Kenntnisse der Wechselwirkungen an den Grenzflächen zwischen biologischen Membranen und Siliziumoxid (SiO2) auf atomarer Skala sind notwendig, um allgegenwärtige und nur scheinbar unterschiedliche Phänomene wie SiO2-Biomineralisation (Verkieselung) und Zytotoxizität von SiO2-Nanopartikeln zu erklären. Wir bringen hier die Hypothese vor, dass spezifische SiO2/Membran Erkennungsmuster erstens durch Anpassung der molekularen Struktur von Wasser an SiO2/Wasser- und Membran/Wasser-Grenzflächen Zustande kommen und zweitens sowohl für die heterogene Polykondensation von Kieselsäure an Phospholipid-Doppelschichten als auch für die hämolytische Aktivität von manchen SiO2-Nanopartikel-Arten verantwortlich sind. In diesem Projekt sollen atomistische molekulardynamische (MD) Simulationen der Wechselwirkungen zwischen Membran-Modellen und verschiedenen Formen von Siliziumoxid, ausgehend von den ersten Kondensationsprodukten von Si(OH)4-Molekülen bis hin zu ganzen SiO2-Nanopartikeln, durchgeführt werden. Zu diesem Zweck und als erstes Projektziel sollen realistische Modelle von Erythrozyt-Membranen aufgebaut werden, in welchen die heterogene und asymmetrische Verteilung der Phospholipide in den einzelnen Membranschichten berücksichtigt wird. Dies wird parallel zum Aufbau von realistischen Modellen für gleichermaßen pyrolytisch und auch kolloidal-chemisch synthetisierte SiO2-Nanopartikel erfolgen. Wir erwarten, dass das beträchtlich unterschiedliche hämolytische und zytotoxische Verhalten auf die deutlich voneinander abweichende Grenzflächenstruktur, Netzwerk-Topologie, Porosität und Wasseraffinität dieser zwei Siliziumoxid-Arten zurückgeführt werden kann. Die Interaktion von Kieselsäure-Aggregaten zunehmender Größe mit Membran-Modellen soll mittels erweiterter Techniken der Molekulardynamik (Metadynamics und Solute-Tempering-Replica-Exchange) untersucht werden. Ziel ist die Bestimmung einer kritischen Aggregatgröße, bei welcher eine Segregation von (hydratisiertem) Siliziumoxid an der Membran/Wasser-Grenzfläche stattfindet. Schließlich sollen die Wechselwirkungsmechanismen von SiO2-Nanopartikeln mit Membran-Modellen durch MD-Simulationen untersucht werden, um die Tendenz zur Translokation durch die Membran bzw. zum Nanopartikel-induzierten Membran-Bruch zu bestimmen. Es wird erwartet, dass unsere Ergebnisse einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Mechanismen leisten werden, welche einerseits für die Verkieselung von Membranen, ganzen Zellen oder sogar vollständigen Organismen und andererseits für die hämolytische und zytotoxische Aktivität von pyrolytisch, jedoch nicht kolloidal-chemisch hergestellter SiO2-Nanopartikeln verantwortlich sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen