Süßer Erfolg
Saccharose mit Nanokapseln selektiv in Wasser gebunden
Weltweit verfolgen Wissenschaftler das Ziel, synthetische Rezeptoren zu entwickeln, die biologisch wichtige Moleküle erkennen können. Obwohl viele Versuche unternommen wurden, um die Art und Weise nachzuahmen, wie Proteintaschen in Wasser gelösten Zucker mit Wasserstoffbrückenbindung nachweisen, ist es nur wenigen gelungen, vor allem aufgrund der störenden Natur von Wassermolekülen. Nun hat ein japanisches Forscherteam einen völlig neuen Ansatz vorgeschlagen.
Konzeptzeichnung, wie ein Biorezeptor (links) und eine von Yoshizawas Nanokapseln (rechts) Saccharose in ihren Kavitäten binden.
Science Advances
"Unser einzigartiges Erkennungssystem basiert auf speziellen Interaktionen - so genannten CH-π Interaktionen - zwischen Saccharose und den Innenwänden unserer Nanokapsel", sagt Michito Yoshizawa, der die Studie mit Masahiro Yamashina am Tokyo Institute of Technology (Tokio Tech) mitgestaltet hat. "Soweit wir wissen, hat sich noch nie jemand die Interaktion für die Entwicklung eines solchen Erkennungssystems nutzbar gemacht."
Mit einem Durchmesser von einem Nanometer hat die Kugelhöhle der Kapsel genau die richtige Größe, um das fast ein Nanometer lange und kugelförmige Saccharose-Molekül einzufangen. Aufbauend auf den bisherigen Forschungsarbeiten des Teams zur molekularen Selbstorganisation bildet die Kapsel einen Hohlraum um die Saccharose herum, der dann von mehreren aromatischen Panels umgeben ist.
Durch Mischen der Kapsel, die aus zwei Metallionen und vier Liganden besteht, mit Saccharose in Wasser unter milden Bedingungen erhält das Team eine mit Saccharose gebundene Kapsel mit hoher Ausbeute. Die Produktstruktur wurde mit Protonen-Magnetresonanz- und Massenspektrometrie-Verfahren bestätigt. Yoshizawa fügt hinzu:"Die Kapsel ist einfach herzustellen und zu handhaben und ihre Stabilität ist sehr hoch.
In einer Reihe von Experimenten, um herauszufinden, wie die Kapsel auf verschiedene Zuckerarten reagieren würde, machten die Forscher drei Beobachtungen:
- die Kapsel interagiert nicht mit Monosacchariden wie Glucose und Fructose,
- unter den üblichen Disacchariden (z. B. Saccharose, Laktose, Maltose und Trehalose) wurde nur Saccharose eingekapselt und somit
- auch in Mischungen von zwei Disacchariden (in so genannten kompetitiven Bindungsexperimenten) die kapselbehaftete Saccharose mit einer 100%igen Selektivität.
"Es ist normalerweise sehr schwierig, diese Zuckerarten voneinander zu unterscheiden. Saccharose, Laktose und Maltose haben zum Beispiel die gleiche molekulare Formel, d. h. sie haben die gleiche Anzahl von Wasserstoff-, Sauerstoff- und Kohlenstoffatomen - nur ihre Konfiguration ist unterschiedlich", sagt Yoshizawa. "Trotzdem konnte unsere Nanokapsel feine Unterschiede erkennen und ausschließlich Saccharose einfangen."
Das Team untersuchte auch, wie die Kapsel auf gängige künstliche Zucker reagiert: Aspartam (bekannt als etwa 200 Mal süßer als Saccharose) und Sucralose (etwa 600 Mal süßer als Saccharose). Die verbindliche Präferenz der Kapsel lag in der Reihenfolge von Sucralose, Aspartam und Saccharose, was genau der Reihenfolge entspricht, in der wir die Süße wahrnehmen.
Diese Erkenntnis könnte sich auf die Lebensmittel- und Chemieindustrie auswirken, indem sie bei der Suche nach noch süßeren Verbindungen hilft. Wenn solche neuen Verbindungen leicht gefunden und synthetisiert werden können, könnten künstliche Süßstoffe kostengünstiger hergestellt werden als bisherige Methoden.
Yoshizawa sagt, dass es in Zukunft möglich sein könnte,"Designer-Nanokapseln" in verschiedenen Formen und Größen zu entwickeln. Letztendlich könnten diese Kapseln für die Entwicklung neuer Biosensor-Technologien in den Bereichen Medizin und Umwelt eingesetzt werden.
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