Ziel dieser Arbeit war es ein neues Sensorsystem basierend auf einer Liganden (Analyten)-gesteuerten Kontrolle der Assemblierung amphipatischer a-Helices zu entwickeln. Das Konzept basierte auf einem peptidischen Ionenkanal, der mit einer Rezeptorfunktion versehen wird, über die die Anbindung eines Analyten erfolgt. Als Peptidkomponente wurde das Peptid LS3 gewählt, von dem bekannt ist, dass es spannungsgesteuert in Lipiddoppelschichten insertiert und kationenselektive Ionenkanäle bildet. Eine an das Peptid gebundene Bipyridineinheit sollte als Rezeptorfunktion für das Übergangsmetallkation Ni2+ fungieren, da diese bekanntermaßen sehr stabile Komplexe miteinander ausbilden. Es wurde erwartet, dass sich die Bindung von Ni2+ an das rezeptorfunktionalisierte Peptid bpy*-LS3 in veränderten Kanaleigenschaften des Peptids, wie z. B. der Leitfähigkeit, der Öffnungsdauer oder der Kanalaktivität, widerspiegelt.
Zunächst wurde das Peptid LS3 mittels automatisierter Festphasensynthese unter Anwendung der Fmoc/tert-Butyl-Taktik synthetisiert. Zur Anbindung der Rezeptorfunktion an den N-Terminus der Peptidhelix wurde ein 2,2´-Bipyridin-Derivat (bpy*) mit einem Alkylspacer und endständiger Carboxylfunktion hergestellt, so dass das rezeptorfunktionalisierte Peptid bpy*-LS3 erhalten wurde.
Für das Peptid LS3 wurde bei Einzelkanalmessungen an klassischen BLMs in 0.5 M KCl bei einem Membranpotential von +200 mV eine Leitfähigkeit von (106 ± 28) pS und einer mittleren Öffnungsdauer von (1.82 ± 0.01) ms ermittelt. In nano-BLMs, welche die Poren von porösem Aluminiumoxid mit Porendurchmessern von 60 nm überspannen, wurden dagegen acht Leitfähigkeitsstufen im Bereich von (101 ± 19) pS bis (1011 ± 53) pS identifiziert und die mittlere Öffnungsdauer betrug (3.6 ± 0.1) ms. Das Auftreten von höheren Leitfähigkeitsstufen wurde auf eine durch die Porenstege des Substrats räumlich eingeschränkte Diffusion der Peptide in nano-BLMs zurückgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass die unterschiedlichen Leitfähigkeitsstufen von LS3 aus der Aggregation von 6 � 13 Monomeren resultieren. Die längere mittlere Öffnungsdauern in nano-BLMs kann auf einem geringeren Lösungsmittelanteil oder dem eingeschränkten Diffusionsraum basieren.
Die Komplexierung des rezeptorfunktionalisierten Peptids bpy*-LS3 mit Ni2+ wurde UV-spektroskopisch belegt. Anhand der Rezeptorfunktion bpy* wurde gezeigt, dass der angebrachte Alkylspacer verglichen zu 2,2´-Bipyridin lediglich eine gewisse Destabilisierung des 3:1-Komplexes von bpy* mit Ni2+ verursacht. In Mizellen oder Vesikeln ist aufgrund einer starken Wechselwirkung der Rezeptorfunktion mit der hydrophoben Phase die Komplexbildung kinetisch retardiert.
Das rezeptorfunktionalisierte Peptid bpy*-LS3 zeigte in klassischen BLMs lediglich ein Detergenz-ähnliches Verhalten, das auf eine Destabilisierung der Membran durch den Durchtritt der Rezeptorfunktion zurückgeführt werden kann. In die mechanisch stabileren nano-BLMs konnte bpy*-LS3 erfolgreich inkorporiert werden. Die bei einem Membranpotential von +200 mV in 0.5 M KCl ermittelten Leitfähigkeitsstufen betrugen G1 = (134 ± 20) pS, G2 = (181 ± 15) pS, G3 = (225 ± 27) pS und G4 = (373 ± 63) pS und resultierten ausgehend von einer hexameren Struktur aus Helix-Bündeln mit bis zu 9 Monomeren. Die Öffnungsdauer der Ionenkanäle wies eine exponentielle Verteilung 3. Ordnung auf mit drei mittleren Öffnungsdauern von tau1 = (3.6 ± 0.2) ms, tau2 = (15.1 ± 0.6) ms und tau3 = (63 ± 4) ms, die unabhängig von der Leitfähigkeitsstufe auftraten. Dies lässt auf das Vorliegen von drei Helix-Bündel-Populationen schließen, die sich in der räumlichen Orientierung der Rezeptorfunktionen unterscheiden.
In Gegenwart von 2.5 � 5.0 uM Ni2+ konnte in nano-BLMs eine Modulation der Kanaleigenschaften des rezeptorfunktionalisierten Peptids bpy*-LS3 induziert werden. Zum einen nahm der Anteil an Ereignissen mit höherer Leitfähigkeit ab. Dies wurde darauf zurückgeführt, dass sich komplexierte Peptide innerhalb der Lipiddoppelschicht abstoßen, wodurch die Zahl der zur Bündelbildung fähigen Peptide abnimmt. Zum anderen konnte eine Abnahme der Häufigkeit von Ereignissen mit längerer Öffnungsdauer beobachtet werden. Es wurde geschlossen, dass diese Abnahme auf Helix-Bündeln basieren, in denen ein Großteil der Rezeptorfunktion in die wässrige Phase ragt. Aufgrund der elektrostatischen Abstoßung der komplexierten Peptide sinkt somit die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von längeren Ereignissen.
Durch die Komplexbildung zwischen kovalent an ein amphipatisches Peptid gebundenem 2,2´-Bipyridin und Ni2+ konnte die Assemblierung der Peptide zu Helix-Bündeln modifiziert werden. Das entwickelte System könnte somit neue Perspektiven für die Entwicklung maßgeschneiderter Sensoren bieten
