Ortsselektive Integration komplexer selbst–assemblierender Virusderivate in dreidimensionale Bauelemente: "Functionality–on–a–Stick";

Ortsselektive 'Bottom-up'-Assemblierung gerader und verzweigter Tabakmosaikvirus-Derivate auf technischen Substraten und deren Funktionalisierung mit bioaktiven Molekülen (in Bereichen spezifisch adressierbarer Proteindomänen) – schematische Darstellung. a) Wachstum von Nukleoprotein-Röhrchen auf Oberflächen mit Gerüst-RNA (immobilisiert mit Hilfe von DNA-Linkern), b) Anbindung von Funktion X: 'Functionality-on-a-Stick', c) Konstruktion funktionstragender 'Nanotrees'. (a) verändert aus Mueller et al. (2011), ACS Nano 5, 4512–4520, mit Genehmigung des Verlags.

Produktionswege für unterschiedliche TMV-basierte Bauelemente zur In-vitro-Assemblierung neuer Nanostrukturen. Dafür benötigte Gerüst-RNA und TMV-Hüllprotein-(Coat Protein CP)-Varianten lassen sich aus pflanzlich vermehrten Viruspartikeln isolieren. CP kann zudem aus Bakterien- und Hefe-Zellkulturen gewonnen werden, während neue RNA-Typen zellfrei enzymatisch mit Hilfe geeigneter Plasmidkonstrukte durch In-vitro-Transkription erzeugt werden. Mit dieser 'Toolbox' konnten erstmals verzweigte TMV-Röhrchensysteme und Hybrid-Nanosterne mit Metallkernen generiert werden, deren Proteinoberflächen sich zur Ankopplung verschiedener Funktionen eignen. Details dazu siehe Wege et al. (im Druck; 'Research Series' der Baden-Württemberg-Stiftung, Karlsruhe; und eingereichte Publikationen).

a) Schematische Darstellung der Teilschritte auf dem Weg zu ortsselektiv assemblierten TMV-ähnlichen Stäbchen mit Hilfe der Polymer-Blend-Lithographie. b) und c) AFM-Topographiebilder eines Polymer-Gemisches aus Polystyrol (PS) und Polymethylmethacrylat (PMMA) vor und nach selektivem Herauslösen des PS. d) und e) AFM-Topograhpiebilder einzelner TMV-Partikel ortsselektiv auf funktionalisierten Arealen gewachsen (unterschiedliche Vergrößerungsstufen, aus Mueller et al. (2011) mit Genehmigung des Verlags).

a) AFM-Topographiebilder TMV-ähnlicher Trägerstäbchen auf strukturierten Si-Wafern. Im Gegensatz zu Abb. 3 wurde hier die PMMA-Maske vor Ankopplung der Nukleinsäuren entfernt, was zu erhöhten Besatzdichten mit TMV-Partikeln bei vollständiger Ortsselektivität führte. b) Ausschnitt aus a), gepunktete Linien: Grenzen zwischen zunächst Aldehyd-terminierten (+ CHO; mit DNA-Linker und RNA) und nicht funktionalisierten Arealen (- CHO) wie angegeben. Aus Mueller et al. (2011) mit Genehmigung des Verlags.

Stützstruktur für die 'Bottom-up'-Fabrikation aufrecht stehender TMV-Derivate. Mit einer Modifikation der Polymer-Blend-Litographie konnten Löcher mit 20 nm Durchmesser und etwa 50 nm Tiefe erzeugt werden. Diese Dimensionen erfüllen alle Voraussetzungen, um die Assemblierung der TMV-Derivate mit vertikaler Orientierung ihrer Längachse zur Oberfläche zu ermöglichen (siehe Schema in (c)). Zum Größenvergleich zeigt b) ein TEM-Bild viraler Stäbchen bei gleichem Maßstab (Quelle Fig. 7: TMV-Stäbchen mit sukzessiv assemblierten benachbarten Protein-Domänen; 'Research Series' der Baden-Württemberg-Stiftung, Karlsruhe; im Druck).