Kupferhydroxid-Nanopartikel schützen vor toxischen Sauerstoffradikalen im Zigarettenrauch

Abwehrmechanismus der Natur mithilfe von Nanopartikeln nachgeahmt / Giftige Wirkung von Rauch wird verringert

Chemiker der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) haben eine Methode entwickelt, um die giftige Wirkung kommerzieller Zigaretten zu senken. Obwohl laut Weltgesundheitsorganisation WHO jedes Jahr etwa 6 Millionen Menschen an den Folgen des Tabakkonsums sterben, wächst die Zahl der Raucher weltweit. Die Zahl der Todesfälle durch Tabakkonsum entspricht einem Wert, als würde stündlich ein Passagierflugzeug abstürzen. Im Jahr 2016 konnte die Tabakindustrie, laut Zahlen des Statistischen Bundesamtes, allein in Deutschland mit dem Verkauf von Zigaretten einen Umsatz von rund 20,5 Milliarden Euro erzielen.

Tabakrauch enthält nahezu 12.000 verschiedene Bestandteile, darunter neben narkotoxischen Komponenten wie zum Beispiel Nikotin und bluttoxischen Bestandteilen wie Blausäure oder Kohlenstoffmonoxid auch krebserregende Substanzen. Zu diesen gehören freie Sauerstoffradikale, sogenannte reaktive Sauerstoffspezies, von denen pro Zigarettenzug mehr als zehn Billiarden (10¹⁶) Moleküle eingeatmet werden. Die Mainzer Wissenschaftler unter der Leitung von Prof. Dr. Wolfgang Tremel haben einen Weg gefunden, die Zahl dieser freien Sauerstoffradikale und damit die Giftigkeit von Zigaretten deutlich zu senken. Diese Entwicklung könnte nicht nur dazu beitragen, den Genuss von Tabakprodukten ein Stück weit ungefährlicher zu machen, sondern sie lässt sich auch auf weitere Gebiete ausweiten, in denen reaktive Sauerstoffradikale ein Problem darstellen.

Die grundlegenden Ideen holten sich die Forscher dabei von Enzymen aus der Natur. Eine erhöhte Konzentration von reaktiven Sauerstoffspezies, zum Beispiel durch enzymatische Dysfunktion, UV-Strahlung oder das Inhalieren von Zigarettenrauch, kann zu unkontrollierter Zellteilung und oxidativer Zellschädigung führen. Zur Regulierung der Radikalkonzentration verwendet die Natur antioxidativ wirkende Enzyme wie die Superoxid-Dismutase (SOD), die eine zentrale Rolle bei der Prävention von Krankheiten, etwa der Tumor- und Krebsbildung, Entzündungen sowie Schlaganfallerkrankungen, spielt. Das natürliche Enzym nutzt dabei Metalle wie Kupfer, Zink, Nickel, Eisen und Mangan als reaktive Zentren, an denen Sauerstoffradikale zersetzt werden, sodass der lebende Organismus vor ihrem aggressiven Reaktionsverhalten geschützt wird.

Viele Enzyme wie die SOD lassen sich leicht herstellen oder isolieren. Problematisch ist jedoch ihre geringe Stabilität bei hohen Temperaturen oder nicht-physiologischen pH-Werten. Mit Blick auf natürliche Enzyme beschäftigen sich Forscher im Bereich der Biomimetik damit, das biologische Reaktionsverhalten mit Hilfe synthetischer Verbindungen nachzuahmen. Der Chemiker Karsten Korschelt und die Lebensmittelchemikerin Dr. Carmen Metzger untersuchten Aminosäure-funktionalisierte Kupferhydroxid-Nanopartikel als potenzielle synthetische Analoga kupferhaltiger SOD. Dabei zeigte sich, dass die Partikel eine höhere katalytische Aktivität bei der Zersetzung reaktiver Sauerstoffradikale besitzen als das Enzym selbst. "Dies ist im Prinzip nicht verwunderlich, da alle Kupfer-Atome auf der Partikeloberfläche katalytisch wirksam sein können, das Enzym aber nur ein aktives Zentrum besitzt", teilt Prof. Dr. Wolfgang Tremel dazu mit. Im Gegensatz zu natürlichen Enzymen sind funktionalisierte Kupferhydroxid-Nanopartikel sehr stabil und kostengünstig herstellbar.

Pressemeldung der Johannes Gutenberg-Universität

How does ice melt? Layer by layer!

Scientists at the Max Planck Institute for polymer research have solved a controversial question concerning the melting of ice: it melts in a layer-by-layer fashion.

We all know that ice melts at 0°C. However, already 150 years ago the famous physicist Michael Faraday discovered that at the surface of frozen ice, well below 0°C, a thin film of liquid-like water is present. This thin film makes ice slippery and is crucial for the motion of glaciers.

Since Faraday’s discovery, the properties of this water-like layer have been the research topic of scientists all over the world, which has entailed considerable controversy: at what temperature does the surface become liquid-like? How does the thickness of the layer dependent on temperature? How does the thickness of the layer increases with temperature? Continuously? Stepwise? Experiments to date have generally shown a very thin layer, which continuously grows in thickness up to 45 nm right below the bulk melting point at 0°C. This also illustrates why it has been so challenging to study this layer of liquid-like water on ice: 45 nm is about 1/1000th part of a human hair and is not discernible by eye.

Scientists of the Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P), in a collaboration with researchers from the Netherlands, the USA and Japan, have succeeded to study the properties of this quasi-liquid layer on ice at the molecular level using advanced surface-specific spectroscopy and computer simulations. The results are published in the latest edition of the scientific journal Proceedings of the National Academy of Science (PNAS).

The team of scientists around Ellen Backus, group leader at MPI-P, investigated how the thin liquid layer is formed on ice, how it grows with increasing temperature, and if it is distinguishable from normal liquid water. These studies required well-defined ice crystal surfaces. Therefore much effort was put into creating ~10 cm large single crystals of ice, which could be cut in such a way that the surface structure was precisely known.

Inorganic nanoparticles on the other hand are readily available by cost-efficient synthesis and have been used for many years as heterogeneous catalysts in organic solvents. The past three decades, have seen a wide variety of materials, including metal complexes, polymers, and other biomolecules, that mimic the structure and function of naturally occurring enzymes. Among these, inorganic nanomaterials bear huge potential, because they are more stable than their natural counterparts, while having large surface areas and sizes comparable to those of natural enzymes. Therefore, an enormous amount of inorganic nanomaterials with intrinsic enzymatic activities has been reported. The microreview highlights the recent progress in the field of “Inorganic Nanoparticles as Enzyme Mimics” and focuses on enzymatic systems that only recently have been made available.

To investigate whether the surface was solid or liquid, the team made use of the fact that water molecules in the liquid have a weaker interaction with each other compared to water molecules in ice. Using their interfacial spectroscopy, combined with the controlled heating of the ice crystal, the researchers were able to quantify the change in the interaction between water molecules directly at the interface between ice and air.

The experimental results, combined with the simulations, showed that the first molecular layer at the ice surface has already molten at temperatures as low as -38° C (235 K), the lowest temperature the researchers could experimentally investigate. Increasing the temperature to -16° C (257 K), the second layer becomes liquid. Contrary to popular belief, the surface melting of ice is not a continuous process, but occurs in a discontinuous, layer-by-layer fashion.

"A further important question for us was, whether one could distinguish between the properties of the quasi-liquid layer and those of normal water" says Mischa Bonn, co-author of the paper and director at the MPI-P. And indeed, the quasi-liquid layer at -4° C (269 K) shows a different spectroscopic response than supercooled water at the same temperature; in the quasi-liquid layer, the water molecules seem to interact more strongly than in liquid water.

The results are not only important for a fundamental understanding of ice, but also for climate science, where much research takes place on catalytic reactions on ice surfaces, for which the understanding of the ice surface structure is crucial.

Martin Brüggemann mit Klaus Tschira Preis für verständliche Wissenschaft ausgezeichnet

Entwicklung einer neuartigen Methode zur Untersuchung von Feinstaubpartikeln allgemeinverständlich erklärt

Der Chemiker Dr. Martin Brüggemann gehört zu den diesjährigen Preisträgern des Klaus Tschira Preises für verständliche Wissenschaft. Brüggemann hat 2015 am Max Planck Graduate Center (MPGC) über die Untersuchung von Feinstaubpartikeln auf ihre chemische Zusammensetzung promoviert und das Thema seiner Arbeit in einem populärwissenschaftlichen Artikel allgemeinverständlich dargestellt. Hierfür erhielt er jetzt die mit 5.000 Euro dotierte Auszeichnung der Klaus Tschira Stiftung. „Ich freue mich sehr über diese Auszeichnung und das damit verbundene Privileg, meine Studien einem breiten Publikum vorstellen zu dürfen. Ich denke, dass es extrem wichtig ist, aktuelle Forschungsthemen auch außerhalb der akademischen Kreise zu diskutieren – gerade wenn es sich um globale, gesellschaftlich hochrelevante Probleme wie Feinstaub und Klimawandel handelt“, so Martin Brüggemann. Die Preisverleihung fand am 6. Oktober an der Universität Heidelberg statt.

Aerosolpartikel sind kleinste Schwebstoffe in der Luft, die in der gesamten Atmosphäre vorkommen. Sie beeinflussen die lokale Luftqualität ebenso wie die Wolkenbildung und den Treibhauseffekt. Martin Brüggemann hat eine Methode gesucht, um die Partikel möglichst schnell analysieren und damit einordnen zu können. In seiner Promotionsarbeit entwickelte er ein Verfahren, um die Partikel zu verdampfen und sie dann mit der Massenspektrometrie, einer bewährten Nachweismethode, zu analysieren. Die Wirksamkeit der neuen Methode konnte nicht nur in Laborstudien, sondern auch bei Messungen im Fichtelgebirge unter realistischen Bedingungen bewiesen werden.

Pressemitteilung Johannes Gutenberg Universität Mainz

Solids Go Bio: Inorganic Nanoparticles as Enzyme Mimics

Enzymes belong to the most selective and efficient catalysts known to men and have evolved to almost perfection over the last billions of years. So the question arises why natural enzymes have not reached broad industrial utilization. The answer is pretty simple in this case, as the production of natural enzymes is associated with immense costs and they generally suffer from an overall low stability and shelf-life, especially when exposed to external stimuli such as heat, sun light, and change of pH or solvent. Enzymes generally work unrivalled in terms of efficiency and specifity in their natural environment (aqueous buffers, pH around 7, ≈37°C), but quickly get misfolded or start denaturating when used in organic solvents or with temperatures of above 60°C (most industrial applications).

Inorganic nanoparticles on the other hand are readily available by cost-efficient synthesis and have been used for many years as heterogeneous catalysts in organic solvents. The past three decades, have seen a wide variety of materials, including metal complexes, polymers, and other biomolecules, that mimic the structure and function of naturally occurring enzymes. Among these, inorganic nanomaterials bear huge potential, because they are more stable than their natural counterparts, while having large surface areas and sizes comparable to those of natural enzymes. Therefore, an enormous amount of inorganic nanomaterials with intrinsic enzymatic activities has been reported. The microreview highlights the recent progress in the field of “Inorganic Nanoparticles as Enzyme Mimics” and focuses on enzymatic systems that only recently have been made available.