Forschung im HLRN-Verbund 2011

32Wie Implantate länger lebenFirst Principles Molecular Dynamics Simulations of Di- and Tripeptides onTitanium Dioxide SurfacesW. Friedrichs, W. Langel, L. Colombi Ciacchi,S. Köppen, Biophysikalische Chemie, Institutfür Biochemie, Universität Greifswald und Grenzflächenin der Bio-Nano-Werkstofftechnik, FachbereichProduktionstechnik, Universität BremenKurzgefasst• Oberflächeneigenschaften von Materialien mittechnischer Anwendung können durch Biofunktionalisierungoptimiert werden• detailiertes Verständnis der Protein-Oberflächenkontakte und der Triebkräfte für dieProteinadsorption kann zur Verbesserung derBeschichtungen führen• quantenchemische Simulationen veranschaulichendie Adsorption einer Auswahl an reaktivenAminosäuren• stabile Adsorptionskonfigurationen von im Peptidgebundenen Aminosäuren auf Oxidoberflächenbeinhalten häufig Protonentransferprozesse• koorperative Effekte benachbarter geladenerAminosäuren wirken auf deren Adsorption durcheine stärkere PolarisationIm Bereich der medizinischen Technik werden “guteWerkstoffe” nicht nur durch passende mechanischeEigenschaften gekennzeichnet, die durch ihreLegierungen noch verbessert werden können,sondern besonders auch durch ihre Oberflächeneigenschaften.Je nach Anwendung soll der Werkstoffz.B. biokompatibel sein (Implantate) oderaber auch absolut proteinresistent (Medikamentenfläschchen).Bei Zahnimplantaten werden aufgrundder hervorragenden mechanischen Eigenschaftenhäufig Titanlegierungen als Werkstoff genutzt.Um jedoch die Oberflächeneigenschaften zuoptimieren, werden die Materialoberflächen immerhäufiger durch die spezifische Anbindung von biologischenKomponenten funktionalisiert. Um die Integrationdes Implantates makroskopisch verstehenund die biofunktionalen Beschichtungen nochzu verbessern, ist es notwendig, die komplexenProzesse an der Grenzfläche von Implantatoberflächenund physiologischer Lösung auch auf atomistischerSkala aufzuklären.Experimentelle Untersuchungen können hierdurch atomistische Simulationen sehr unterstütztund ergänzt werden. Mit klassischen Simulationsmethodenkann man so Informationen überdie Vorzugsorientierung eines adorbierten Proteinsoder Konformationsänderungen während desAdsorptionsprozesses ermitteln. Offen bleibt allerdingsdie Chemie bei dem Vorgang. Um zuverstehen, wie verschiedene fuktionelle Gruppenvon Aminosäuren an Materialoberflächen haften,muss man auf Simulationsmethoden zurückgreifen,die die elektronische Struktur von Atomenmit berücksichtigen. Solche Simlationsmethodensind deutlich rechenaufwendiger, jedoch werdendabei chemische Prozesse, wie zum Beispiel Protonenübergänge,oder auch die Verschiebung vonatomaren Ladungen, die zu einer Verstärkung derPolarierung führen kann, mit aufgenommen.In diesem Projekt wird die Adsorption einerAuswahl einzelner und auch unterschiedlich gepaarterreaktiver Aminosäuren mit first-principlesmolecular-dynamics-Simulationen(CPMD) aufverschiedenen stabilen Titanoxidoberflächen untersucht.Hierbei werden alle reaktiven Aminosäurenin kleinen Peptiden gebunden auf die Oberflächegesetzt, um die Proteinumgebung richtigwiederzugeben, und alle Zellen mit Wasseraufgefüllt. Die resultierenden Simulationszellenenthalten etwa 350 Atome. Jedes einzelne Aminosäure-Oberflächen-Systemmuss für etwa 5 pssimuliert werden. Bei einer Nutzung von 64 Rechenkernenparallel dauert jede Simulationen, inAnhängigkeit vom System, 1 bis 2 Wochen. DerEinsatz von quantenchemischen Simulationsmethodenist sehr kostspielig in der Rechenzeit undeine derart angelgte Untersuchung verschiedenerAdsorptionskonfigurationen auf dem quantenchemischenLevel ist erst duch die Nutzung von Hochleistungsrechenzentren,wie dem HLRN möglichgeworden.Bei der Adsorption von Aminosäuren in wässrigerLösung spielt immer auch Wasser eine wichtigeRolle. Auf allen Oberflächen des Oxidmaterialskonnte jeweils eine in hohem Maße orientierteWasserschicht beobachtet werden. Bei einerder simulierten Oberflächen kam es währendder Simulationszeit zur Spaltung einiger Wassermoleküleund so zur Ausbildung geladener Gruppenauf der Materialoberfläche. Diese Gruppenwaren im Folgenden als die bevorzugten Adsorptionsplätzefür die Aminosäuren identifiziert worden,wobei die endgültige stabile Konfiguration erstdurch eine Reihe von Protonenübergängen entstandenist (nummerierte Pfeile in Abbildung 1A).Auf anderen Oberflächen konnte beobachtet werden,dass die Adsorption der kleinen Biomolekülenicht nur direkt zu der Oberfläche stattfindet (1Chemie