Polymernanopartikel mit komplexer Architektur und Komposition: Simulationen und Theorie

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Holm
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und Theoretische Polymerphysik ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429529433

Die Selbstorganisation von amphiphilen Molekülen in wässriger Lösung ist ein generischer Mechanismus der von vielen lebenden Organismen und der Natur im Allgemeinen benutzt wird, um selbstassemblierende Strukturen von beispielloser Komplexität zu erschaffen. Under den großen ungelösten wissenschaftlichen Fragen des 21. Jahrhunderts ist die Erkennung der fundamentalen Prinzipien der Selbstorganisation von synthetischen, biologischen, und hybriden Makromolekülen eine ganz wichtige, den dieses Wissen würde es uns erlauben, neue (einschliesslich biomimetische) funktionelle Nanomaterialien wie aus dem Baukasten zu kreieren. Selbstassemblierte Mizellen, die aus amphiphilen linearen Blockcopolymeren bestehen, werden bereits vielfach als Nanoträger zum Übertragen von pharmazeutischen Wirkstoffen und Genen benutzt. Seit kurzem haben eine neue Klasse von hybriden Blockcopolymeren, die aus einem linearen und einem verzweigten, oder auch aus zwei verschieden verzweigten Blöcken bestehen, beträchtliches Interesse hervorgerufen. Die Ersetzung des linearen Blockes durch einen verzweigten versetzt einen in die Lage, die Anzahl der in die Umgebung ragenden Endgruppen beträchtlich zu erhöhen. Diese können in einem zweiten Schritt mit Zielliganden für Antikörper, Peptide, Aptamere etc. versehen werden. Dies eröffnet die Möglichkeit aktiv biologische Erkennungsmechanismen zur kontrollierten Wirkstoffablagerung in speziell markiertem Gewebe oder in Zellen auszunutzen. Während die Selbstassemblierung von linearen-linearen Blockcopolymeren gut verstanden ist, gibt es noch kein gutes theoretisches Verständnis der Effekte der Verzweigung von einem oder beiden Blöcken. Wir wollen dies ändern und untersuchen deshalb das Selbstassemblierungsverhalten von linearen-verzweigten und doppelt-verzweigten amphiphilen Blockcopolymeren und ihre Komplexe mit Gastmolekülen (angelagerte Wirkstoffe oder Nukleinsäuren) mithilfe von Multiskalencomputersimulationen welche durch theoretische Betrachtungen komplementiert werden. Das Spektrum der Techniken in unseren Multiskalensimulationen reicht von atomistischen und vergröberten Molekular- und Brown’scher Dynamik, über dissipativer Teilchendynamik (DPD), Reaktionsensemble Monte-Carlo Methoden bis hin zu selbstkonsistenten feldtheoretischen Methoden. Die Gesamtheit all dieser Techniken soll es uns ermöglichen die makromolekulare Selbstorganisation von hybriden Blockcopolymeren auf den verschiedensten Längen und Zeitskalen zu untersuchen. Letztendlich zielt unser Projekt darauf ab, einen rational begründeten Werkzeugkasten zur makromolekularen Konstruktion von nichtviralen Wirkstoff- und Gen-nanotransportern zu entwickeln, der einen nachhaltigen Einfluss auf die Weiterentwicklung von Behandlungsmethoden von vielen ernsthaften Krankheiten, einschliesslich Krebs und neurodegenerative Krankheiten hat.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Kooperationspartner: Professor Dr. Igor M. Neelov, bis 3/2022