Forschungsprogramm 2

NanoBioVolt — Energiegewinnung durch Nanotechnologie

Biologische Chemie nutzen, um auf der Nanoskala Strom zu erzeugen.

Was wäre, wenn winzige Systeme Glukose — eine natürlich vorkommende Quelle chemischer Energie — zur Stromerzeugung nutzen könnten?

NanoBioVolt untersucht diese Möglichkeit mithilfe enzymatischer Nano-Biobrennstoffzellen.

Die Technologie kombiniert nanoskalige Elektroden mit Enzymen, die elektrochemische Reaktionen unter Beteiligung von Glukose ermöglichen. Diese Reaktionen ermöglichen die Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie auf der Nanoskala.

Unsere langfristige Vision ist es, zu untersuchen, wie eine solche Technologie zu neuen Ansätzen in der Medizin, bei miniaturisierten Geräten und in der Forschung zu nachhaltiger Energie beitragen könnte.

Anders als herkömmliche wiederaufladbare Batterien erzeugt eine enzymatische Biobrennstoffzelle Strom durch chemische Reaktionen mit einem verfügbaren Brennstoff.

Konzeptionelle schematische Darstellung eines nanoskaligen Systems — Originalschema des Designs der Nano-Biobrennstoffzelle.

NanoBioVolt befindet sich in der experimentellen Entwicklung: Die elektrochemische Funktionalität ist nachgewiesen, In-vitro-Tests mit Krebszellen werden vorbereitet, und eine selektive Zerstörung von Krebszellen ist noch nicht nachgewiesen.

Energie für neue Möglichkeiten

Die wissenschaftlichen Grundlagen von NanoBioVolt

NanoBioVolt basiert auf einem enzymatischen elektrochemischen System aus zwei nanoskaligen Elektroden, die zusammen eine Nano-Biobrennstoffzelle bilden.

Die Nano-Anode

Enzyme fördern die Oxidation von Glukose und ermöglichen dadurch den Elektronentransfer über das Elektrodensystem.

Die Nano-Kathode

Enzymvermittelte Reduktionsreaktionen vervollständigen den elektrochemischen Prozess.

Zusammen bilden Anode und Kathode eine Nano-Biobrennstoffzelle, die unter geeigneten Laborbedingungen elektrische Energie erzeugen kann.

Abbildung A — Prinzip einer enzymatischen Biobrennstoffzelle: Anode, Kathode und enzymvermittelter Elektronentransfer.

Spannungsmessung im Labor mit einem Wert von etwa 0,38 V — Abbildung E — Frühere elektrochemische Spannungsmessung im Labor: etwa 0,38 V.

Im Labor nachgewiesen

Bereits nachgewiesene elektrochemische Funktionalität

Frühere Experimente haben die elektrochemische Funktionalität nachgewiesen, einschließlich messbarer Spannung und Stromstärke.

Geplante Forschungsanwendung

Von der Energiegewinnung zur medizinischen Innovation

Eine der ersten Forschungsanwendungen von NanoBioVolt konzentriert sich auf Prostatakrebs.

Das experimentelle Konzept sieht die Kopplung PSMA-gerichteter Liganden an Nano-Anoden und Nano-Kathoden vor.

PSMA (prostataspezifisches Membranantigen) ist ein Zelloberflächenprotein, das bei Prostatakrebs häufig verstärkt exprimiert wird.

Ziel ist es, zu untersuchen, ob diese PSMA-gerichteten Nano-Biobrennstoffzellen bevorzugt mit PSMA-positiven Prostatakrebszellen interagieren und lokale elektrochemische Effekte erzeugen können, die möglicherweise die Zellviabilität verringern.

Daraus könnte sich möglicherweise ein neues Prinzip für gezielte biologische Interventionen ergeben.

Konzeptionelle Animation

Konzeptionelle Animation des vorgeschlagenen PSMA-gerichteten Mechanismus.

Status

Was wir erreicht haben

Unsere Forschung hat mehrere wichtige technische Meilensteine erreicht.

Anoden- und Kathodensysteme auf der Nanoskala wurden entwickelt.
Frühere Laborexperimente haben die elektrochemische Funktionalität nachgewiesen.
PSMA-gerichtete Liganden wurden an beide Elektrodentypen konjugiert.
Zuletzt wurde erfolgreich eine stabile Charge PSMA-funktionalisierter Nano-Anoden und Nano-Kathoden hergestellt.

Diese Ergebnisse bilden die Grundlage für die nächste Phase der biologischen Forschung.

Laboraufnahmen — Prüfstandversuch

Frühere elektrochemische Demonstration im Laborprüfstand.

Konzeptionelle Elektrodendarstellungen und originales Versuchsmaterial — Abbildung C — Ursprüngliche experimentelle Vorbereitung: konzeptionelle Elektrodendarstellungen und originales Versuchsmaterial.

Fotografie und Labordarstellung von Elektrodenmaterialien — Abbildung D — Tatsächliche Elektrodenmaterialien. Originalfotografie und Labordarstellung von Elektrodenmaterialien. Dokumentation der früheren technischen Entwicklung.

In Vorbereitung

Der nächste Schritt — In-vitro-Machbarkeitsnachweis

Wir bereiten derzeit In-vitro-Experimente mit Prostatakrebszelllinien vor.

Das primäre Ziel ist es, zu untersuchen, ob PSMA-gerichtete Nano-Biobrennstoffzellen PSMA-positive Krebszellen schädigen und dabei geeignete PSMA-negative Kontrollzellen schonen.

Die Studien sollen dazu beitragen, die biologische Aktivität, die Selektivität und die erforderlichen Bedingungen für reproduzierbare Versuchsergebnisse zu bewerten.

Erst nach einem überzeugenden biologischen Machbarkeitsnachweis kann eine weitere präklinische Entwicklung in Betracht gezogen werden.

Erreicht

Stabile PSMA-funktionalisierte Nano-Elektroden hergestellt.

In Vorbereitung

Biologische In-vitro-Untersuchungen werden vorbereitet.

Langfristig

Über die Medizin hinaus — Erforschung zukünftiger Energieanwendungen

Das zugrunde liegende Prinzip der Stromerzeugung durch enzymvermittelte Reaktionen könnte auch außerhalb der Onkologie Anwendung finden.

Mögliche Bereiche für zukünftige Untersuchungen sind:

Miniaturisierte biologische Sensoren und Geräte mit geringem Energiebedarf.
Biointegrierte Technologien.
Neue enzymatische Systeme zur Energiegewinnung.
Alternative Energietechnologien, die biologisch verfügbare Brennstoffe nutzen.

Zukünftige Forschung wird Leistungsabgabe, Betriebslebensdauer, Stabilität, Produktionsmaßstab und Umweltauswirkungen untersuchen.

Unser Ziel ist es, diese Möglichkeiten durch methodisch fundierte wissenschaftliche Forschung und internationale Zusammenarbeit zu untersuchen.