Amphiphile und Makromoleküle: Phasenverhalten hybrider Mizellen

In dieser Arbeit wurde mit Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) und
Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie (FCS) die Struktur und das
Phasenverhalten supramolekularer Komplexe aus Lipiden und
hydrophiler DNA in unpolarem Lösungsmittel (Alkan) sowie von
Komplexen aus Tensiden und hydrophoben Dendrimeren in wäßriger
Umgebung untersucht. In beiden Fällen wurden Makromoleküle mit
Amphiphilen komplexiert, die eine sowohl zur Oberfläche der
Makromoleküle als auch zum Lösungsmittel kompatible Grenzfläche
erzeugen. Weiterhin wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Klein- und
Weitwinkel Röntgenstreuanlage konzipiert und aufgebaut, die für
Untersuchungen an weicher kondensierter Materie unter maximalen
Fluß optimierte wurde. Der absolute Photonenfluß und die
Auflösungsfunktion, sowie das Signal-Rausch-Verhalten und die
zeitabhängige Speicherung des Bildplattensignals wurden bestimmt
und mit der Theorie verglichen. Um eine DNA-basierte
selbstorganisierte Strukturbildung in unpolaren Lösungsmitteln zu
verstehen, wurden Grundlagenuntersuchungen an Lipid/DNA-Komplexen
in Alkan durchgeführt und das Phasendiagramm des quaternären System
aus DNA, Lipid, Wasser und Alkan bestimmt. Es wurden
Lipidmischungen aus dem zwitterionischen DOPE und dem kationische
DOTAP verwendet, und die Untersuchungen auf ein isoelektrisches
Verhältnis zwischen DOTAP und DNA beschränkt. Das Phasendiagramm
wurde als Funktion des Gewichtsanteil Phi des zwitterionischen
Lipides DOPE an der Lipidgesamtmenge beschrieben. Bei einer
ausreichenden Zugabe von Wasser und Alkan bilden diese zwei
getrennte Phasen, wobei sich die Messungen auf die Alkanphase
konzentrierten. Die Lipid/DNA-Komplexe wurden mit
Röntgenkleinwinkelmessungen am Hamburger Synchrotronstrahlungslabor
(HASYLAB) untersucht. Es konnte eine stabile Mesophase aus inversen
zylinderartigen Lipid/DNA-Mizellen nachgewiesen werden, die bei
steigendem DOPE Anteil Phi in eine Phase aus inversen sphärischen
Lipid-Mizellen mit DNA-freiem Wasserkern übergeht. Zwischen beiden
Phasen befindet sich ein Koexistenzbereich aus zylindrischen und
sphärischen Mizellen, welcher sich zwischen Phi=72 % und Phi=82 %
erstreckt. Die DNA befindet sich im Inneren der zylinderartigen
inversen Lipidmizellen und ist entlang der Mizelle gestreckt. Sie
wird von einer 1 nm dicken Wasserschicht von dem umgebenden Lipid
getrennt. Die aus der Elektronendichteverteilung ermittelte
Zusammensetzung der Lipidhülle ist gegenüber der zugegebenen
Lipidzusammensetzung Phi zu einem höheren DOPE Gehalt verschoben.
Aus der Interpartikelkorrelation kann eine starke Zunahme der
Konzentration der Lipid/DNA-Mizellen mit steigendem Phi
nachgewiesen werden. Interessanterweise ist die Struktur der
zylinderartigen Lipid/DNA-Mizellen weitgehend unabhängig von der
Sorte der verwendeten Alkane (Oktan, Dekan und Dodekan). Der
Koexistenzbereich verschiebt sich bei Oktan in Vergleich zu Dekan
und Dodekan zu einem höheren Wert. Außerdem können in Dekan für
reines DOTAP (Phi=0 %) keine Komplexe festgestellt werden. Es wurde
das Phasenverhalten der Lipid/DNA-Komplexe als Funktion der
Wasserkonzentration bestimmt. Dies wurde exemplarisch bei einer
Lipidzusammensetzung von Phi=76 % durchgeführt, bei der unter
Wasserüberschuß annähernd die gesamte DNA in Alkan übergeht. Bei
niedrigem Wassergehalt bilden sich in Alkan invertierte sphärische
Lipidmizellen, die mit steigendem Wassergehalt anschwellen. Ab
einem Wassergehalt von 163 % (Gewichtsprozent Wasser zu DNA) treten
zylinderartige Lipid/DNA-Mizellen auf, deren Wassergehalt mit der
zugegebenen Wassermenge bis zu einer Schichtdicke von 1 nm zunimmt.
Im zweiten Teil der Arbeit wurden mit Hilfe der
Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie hydrophobe
Polyphenylen-Chromophor-Dendrimere untersucht. Drei Arme des
Dendrimers weisen fluoreszierende Gruppen auf, der vierte einen
bioaktiven Biotinanker. Es konnte gezeigt werden, daß die
Dendrimere supramolekulare Komplexe mit Tensiden formen und so in
wäßrigen Medien gelöst und als multichromophorer Fluoreszenzmarker
verwendet werden können. Die Komplexe zeigen bei Verwendung
verschiedener Tenside unterschiedliche Strukturen. Alle weiteren
Messungen wurden mit dem Tensid Tween 20 durchgeführt, das
monodisperse Tensid/Dendrimer-Mizellen mit jeweils einem einzelnen
Dendrimer bilden kann. Aus der Analyse der
Fluoreszenzautokorrelation bei einer Dendrimerkonzentration von 50
nM erhält man zwei stark unterschiedliche Diffusionszeiten von
t_D=168 µs und t_D=2470 µs, die beide über den gesamten
Tensid-Konzentrationsbereich nachweisbar sind. Die schnellere
Komponente aus Tensid/Dendrimer-Mizellen mit jeweils einem
einzelnen Dendrimer pro Mizelle, dominiert die
Autokorrelationsfunktion oberhalb einer Tensidkonzentration von
1,7e-4 M. Ihre Diffusionskonstante bleibt für alle
Tensidkonzentrationen konstant und ergibt einen hydrodynamischen
Radius R_H=7,1 nm. Die langsamere Komponente aus großen Aggregaten
mit einer Vielzahl von Dendrimeren überwiegt unterhalb der
Übergangskonzentration. Ihr hydrodynamischer Radius divergiert mit
sinkender Tensidkonzentration bis hin zu einer Größe von über 20µm.
Die Tensid/Dendrimer-Mizellen bleiben auch bei Verdünnung stabil.
Innerhalb eines Konzentrationsbereiches der Dendrimere zwischen 10
nM und 10 M ist die gemessene Konzentration proportional zu dem
Verdünnungsfaktor. Damit können die Tensid/Dendrimer-Mizellen als
Fluoreszenzmarker für quantitative Fluoreszenzmessungen genutzt
werden.