Die Assoziation von Molekülen zu übergeordneten Strukturen, wie u.a. Mizellen, Vesikeln, Gelen und Monolay-ern bezeichnet man als supramolekulares Verhalten. Auch Nukleolipide können, aufgrund ihres amphiphilen Charakters dieses Verhalten aufweisen (Berti, 2006).
Barthelemey et al. (Barthelemy et al., 2005; Gissot et al., 2008; Moreau et al., 2004; Moreau et al., 2006; Mo-reau et al., 2006) und auch andere Gruppen (Berti et al., 1999; Yanagawa et al., 1989) konnten zeigen, dass Nukleolipide unter bestimmten Bedingungen ähnlich der DNA oder RNA helikale Stränge (s. Abb. 20) ausbilden können.
Abbildung 19: Einige Beispiele synthetischer Nukleolipide (Barthelemy et al., 2005; Gissot et al., 2008; Mo-reau et al., 2004; MoMo-reau et al., 2006; MoMo-reau et al., 2006)
Abbildung 20: Model, welches die DNA-ähnliche helikale Struktur von DPUPC (I4) in Wasser zeigt a) zwei Moleküle DPUPC, die die Grundeinheit der helikalen Struktur bilden; b) Blick von oben auf den in c) dargestell-ten Strang (α ist dabei der hydrophile Phosphocholinrest, β die Uridineinheit und γ der hydrophobe Kern; d)
Schemata der multilamellaren Selbstorganisation
Ebenfalls solch eine Helixbildung beobachteten Aime´ et al. (Aime et al., 2007) mittels TEM; SEM und opti-scher Mikroskopie an Nukleotiden, welche in elektrostatische Wechselwirkungen mit tertiären, lipophilen Ami-nen getreten sind.
Abbildung 21: (A) Optische Mikroskopie (links oben), TEM (rechts oben) und SEM (rechts oben) – Bilder von linksgängiger Helicesbildung in reinen Wasser, durch Selbstaggregation von C14AMP (Struktur links). (B)
Nach 3-4h beobachte Helixbildung aus den feinen Nadeln (Aime et al., 2007)
Weiterhin wies die Gruppe um Barthelemey et al. (Campins et al., 2007) die Ausbildung von bandähnlichen Strukturen von Nukleolipiden mittels TEM, SEM, FT-IR und auch X-Ray Diffraktion nach (s. Abb. 22). Dabei synthetisierten sie verschiedene 3´-Alkylphosphat-2´-desoxynukleoside, welche in einen wässrigen Medium
kollodial dispersiert wurden und die erwähnten supramolekularen Strukturen bildeten. Jüngste Arbeiten von Iwaura et al. (Iwaura et al., 2007; Iwaura et al., 2003) zeigten, dass auch bolaamphiphile Nukleoside zur Ausbil-dung bandähnlicher Strukturen fähig sind.
Abbildung 22: Modell für die Ausbildung von Bandstrukturen (Campins et al., 2007) a) Wasserstoffbrücken-bindungen zwischen dem Thymin; b) Van-der-Waals–Wechselwirkungen zwischen den lipophilen Ketten; c)
Wasserstoffbrückenbindungen zwischen dem Adenosin; d) und e) 3D Strukturen der beobachteten Bänder An Nukleolipiden (Moreau et al., 2005), wie auch an ODN kann es darüber hinaus zur Ausbildung von Vesikeln kommen. So synthetisierte die Gruppe um Teixeira et al. (Teixeira et al., 2007) ein Nukleocopolymer, welches aus einem Oligonukleotid mit einer endständigen Polybutadieneinheit (MW = 2000 Da) besteht. Diese bildet in wässriger Umgebung Vesikel. Maruyama et al. (Maruyama et al., 2007) nutzen dieses Verhalten der Bildung von Vesikeln, um target-ssDNA mit Hilfe einer reversen Mizelle aus einer organischen Phase zu extrahieren. Dabei wurde ein lipohiler Anker an das 5´-Ende eines Oligonukleotides geknüpft. Dieses Konstrukt formte mit DLPC in Hexanol oder Butanol reverse Mizellen. Im Inneren jener Mizelle bildete das Oligonukleotid mit der target ssDNA (20mer–52mer), welche einen Fluoreszenzmarker am 5´-Ende enthält, eine Doppelhelix. An der Phasen-grenzfläche zum Wasser öffnete sich die Mizelle wieder und die ssDNA wird in die wässrige Phase entlassen, was durch die Fluoreszenz des wässrigen Mediums nachgewiesen werden konnte.
Abbildung 23: Schematische Darstellung der Extraktion von ssDNA mit Hilfe einer reversen Micelle nach Goto et al.(Maruyama et al., 2007) a) verwendeter lipophiler Anker; b) Extraktions-Schritt
All diese Beobachtungen basieren zum einen auf dem Ausbilden von lipidähnlichen Strukturen durch den li-pophilen Rest und/oder von Wasserstoffbrückenbindungen durch die Nukleobase. Viele Arbeiten von Berti et al.
(Baglioni und Berti, 2003; Banchelli et al., 2007; Berti et al., 1997; Berti et al., 2000; Berti et al., 1999; Berti, 2006; Bombelli et al., 2002; Fortini et al., 2004; Milani et al., 2007; Milani et al., 2008) untersuchten dieses Verhalten der molekularen Erkennung zwischen Nukleolipiden untereinander und Nukleolipiden mit Oligo-nukleotiden. Dabei zeigte sich, dass auch elektrostatische Wechselwirkungen (kationische Amphiphile und anio-nische DNA) einen gewissen Anteil zur Ausbildung von supramolekularen Strukturen beitragen können, aber nicht unbedingt notwendig sind, wie das nachfolgende Beispiel belegt. Mittels DLS (dynamic lightscattering) und auch SANS (small angle neutron scattering) konnten Berti et al. (Banchelli et al., 2007) nachweisen, dass sich um einen PolyU-Strang Mizellen aus lipophilen Adenin anordnen und diesen Strang anschließend zu einer Superstruktur verknäulen lässt (s. Abb. 24).
Abbildung 24: Struktur des Dioctanoylphosphatidyladenosin (oben links) ,des ODN (polyU) und deren vor-geschlagenes Model der erhaltenden Superstruktur (Banchelli et al., 2007)
Ein weiteres supramolekulares Verhalten der Nukleolipide ist seit jüngster Zeit auch in der Bildung von Gelen beobachtet worden (Rosemeyer et al., 2007). Dabei gruppierten sich die einzelnen Moleküle zu einem Netzwerk, in welchen Lösungsmittelmoleküle eingeschlossen sind. Handelt es sich bei dem Lösungsmittel um Wasser, so spricht man von Hydrogelen. Ein bekanntes Beispiel für diese Hydrogele sind Substanzen, sogenannte Superab-sorber, welche in Windeln eingesetzt werden. Weiterhin werden Hydrogele in der Medizin und Medizintechnik (Kontaktlinsen, gesteuerte Freisetzung von Medikamenten), in der Elektroindustrie (elektrolytische Gele), der Landwirtschaft (gesteuerte Nährstofffreisetzung), sowie der chemischen Industrie (Trennsysteme) und der Sen-sortechnik (pH-Wert-Messung) eingesetzt. In der Medizin wird zum Beispiel ein Wirkstoff mit einem bereits gequollenem Hydrogel versetzt. Nach oraler Einnahme und dem Kontakt mit der Magensäure reagiert das pH-empfindliche Hydrogel durch Abgabe der Flüssigkeit und gibt somit auch das Medikament in den Magen ab.
Wandert es weiter in den Darm, nimmt das Hydrogel dort durch den veränderten pH-Wert Flüssigkeit auf und quillt dadurch auf, wodurch die Abgabe des Wirkstoffes gestoppt wird. Das Hydrogel wird letztendlich vom Körper ausgeschieden.
Park et al. (Park et al., 2003) konnten zeigen, dass die von ihnen synthetisierten Nukleolipide bei 0.2 wt-%
Hydrogele bilden und mittels SEM auch die entstandenen supramolekularen Strukturen nachweisen.
Abbildung 25: SEM–Bild des Hydrogels bei 0.2 wt-% des Nukleolipides in Wasser von Kim et al.(Park et al., 2003)
Die Bildung von Organogelen durch Phosphocholinnukleolipide (DPUPC), wurde auch von Barthelemey et al.
(Moreau et al., 2004) anhand von SEM und DSC–Messungen nachgewiesen. Die geringste Konzentration des Nukleolipides, um noch eine Organogelbildung zu beobachten, stellte sich bei 6 wt-% in Cyclohexan heraus. Es konnte gezeigt werden, das eine Verlängerung der Alkykette zu keiner Organogelbildung führt, da sich dann das Nukleolipid in Cyclohexan löst. Aufgrund des hydrophilen Charakters bildet dieses Phosphocholinderivat auch ein Hydrogel bei einer Konzentration von 6 wt-%.
Abbildung 26: a) Photografie und b) SEM-Bild des DPUPC- (rechts) Organogeles (Moreau et al., 2004)