Forschung im Überblick
In der Jennings-Gruppe ahmen wir biologische Moleküle nach, um Materialien für innovative Anwendungen zu entwickeln. Dabei lassen wir uns insbesondere von natürlichen Amphiphilen wie Lipiden inspirieren.
Durch Jahrtausende der Evolution hat die Natur die Eigenschaften für viele Funktionen optimiert. Vom Molekül- und Ionentransport bis hin zur kontrollierten Abgabe und Kommunikation spielen Lipide eine wichtige Rolle in einer Vielzahl von zellulären Prozessen, die das Leben ermöglichen.
Wir können viel von den molekularen Bausteinen der Natur lernen, insbesondere durch kombinatorische Ansätze zum Screening einer großen Anzahl von Materialien.
Verständnis und Nutzung der Selbstorganisation lipidähnlicher Moleküle
Wie Lipide sind auch Lipidoidmoleküle amphiphil: Sie besitzen hydrophobe und hydrophile Eigenschaften, die ihre Selbstorganisation in wässrigen Lösungen und in konzentrierten Lösungen ermöglichen. Die Selbstorganisation kann durch die Einführung zusätzlicher Hydrophilie in die Kopfgruppe, entweder durch Protonierung oder chemische Modifikation, vorangetrieben werden.
Wir haben die protonierungsgesteuerte Selbstorganisation (PrSA) von Lipidoiden entdeckt, die zur Bildung von flüssigkristallinen Materialien mit vielfältigen nanostrukturierten Morphologien führt, die biologischen Lipiden ähneln. [1] Lipidoide können auch in kolloidal stabile nanostrukturierte Partikel (Kubosomen) dispergiert werden.
Lipidoide werden in kleinem Maßstab mit „hohem Durchsatz” synthetisiert, und mithilfe der Kleinwinkel-Röntgenstreuungsanalyse (SAXS) werden die Phasen nach der Protonierung in verschiedenen Säuren charakterisiert. Wir haben entdeckt, dass sich je nach chemischer Struktur des Lipidoids und den Protonierungsbedingungen eine Vielzahl von Phasen bilden kann. Wir haben bereits viele Gestaltungsregeln aufgedeckt, die die Selbstorganisation von Lipidoiden in verschiedene flüssigkristalline Phasen beschreiben, darunter lamellare, hexagonale und bikontinuierliche kubische Phasen.
[1] J. Jennings*, G. Pabst, Multiple Routes to Bicontinuous Cubic Liquid Crystal Phases Discovered by High-Throughput Self-Assembly Screening of Multi-Tail Lipidoids, Small, 2023, 19, 2206747, https://doi.org/10.1002/smll.202206747
Lipidoide als antimikrobielle Wirkstoffe
Der amphiphile und geladene Charakter von Lipidoiden verleiht ihnen optimale Eigenschaften für die Interaktion mit biologischen Zellmembranen. Dadurch können sie als antimikrobielle Mittel eingesetzt werden, die durch elektrostatische und hydrophobe Wechselwirkungen eine Zelllyse induzieren können. Wir haben kürzlich Struktur-Eigenschafts-Beziehungen entdeckt, die den Einfluss der Gesamtform der Lipidoidmoleküle auf ihre Fähigkeit, Zellmembranen zu zerstören und gramnegative und grampositive Bakterien abzutöten, beschreiben. Durch die Gestaltung des Gleichgewichts zwischen hydrophoben und hydrophilen Eigenschaften sowie der molekularen Architektur kann die Selektivität gegenüber Mikroorganismen gegenüber Säugetierzellen gestaltet werden [2].
Die Zerstörung von Zellmembranen hat auch Auswirkungen auf die kontrollierte Verabreichung von z. B. RNA-Therapien.
[2] J. Jennings*, D. Ašćerić, E. Semeraro, K. Lohner, N. Malanovic, G. Pabst, Combinatorial Screening of Cationic Lipidoids Reveals How Molecular Conformation Affects Membrane-Targeting Antimicrobial Activity, ACS Appl. Mater. Interfaces. 2023, 15, 34, 40178, https://doi.org/10.1021/acsami.3c05481
Bioinspirierte Materialien für Brennstoffzellen und Elektrolyseure
Die Zukunft der Energieerzeugung liegt jenseits fossiler Brennstoffe, da die globalen Ressourcen schwinden und die durch den übermäßigen Verbrauch verursachte Umweltverschmutzung den Klimawandel vorantreibt. Eine vielversprechende Methode der Energieerzeugung sind Brennstoffzellen (FCs), die elektrische Energie aus der elektrochemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff gewinnen. Polymerelektrolytmembranen (PEMs) spielen eine Schlüsselrolle in mehreren Klassen von Brennstoffzellen, darunter Polymerelektrolytmembran- (PEMFC) und Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PAFC) sowie alkalische Brennstoffzellen (AFC), die für schwere Nutzfahrzeuge (Busse, LKW, Schiffe) und stationäre und mobile Hilfsenergieerzeugung entwickelt werden. Weiters werden PEMs in Elektrolyseuren (ECs) verwendet, um Wasserstoff aus Strom und Wasser zu gewinnen. PEMs bestehen jedoch in der Regel aus Perfluorsulfonsäuren (PFSA), am häufigsten aus Nafion™. PFSA haben mehrere Nachteile, darunter begrenzte Betriebsbedingungen, hohe Kosten und eine hohe Umweltbelastung.
Wir entwickeln ionenleitende Membranen und Ionomere in einem eigenen Verfahren unter Verwendung von Materialien, die von der Natur inspiriert sind.
We specialise in material characterisation techniques including: Small angle X-ray scattering (SAXS), Dynamic Scanning Calorimetry (DSC), Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS), and chemical characterisation by NMR, Mass Spec, FTIR.
Nationale und internationale Kooperationen
Dr Nermina Malanovic (Univ. Graz)
Prof ChangYun Son (Seoul National University, Republic of Korea)
Prof Mario Joost (Hochschule Esslingen, Deutschland)