Toolbox zur Bewertung von Nanopartikeln

Im Rahmen des Projekts "Modelling properties, interactions, toxicity and environmental behaviour of engineered nanoparticles" (NANOPUZZLES) entwickelt ein EU-finanziertes Konsortium derzeit Rechenmodelle und Tools, um diesen Herausforderungen zu begegnen. Hinsichtlich Durchsatz und Genauigkeit sind Computerberechnungen experimentellen Erprobungen in manchen Fällen überlegen, und auch die Erforderlichkeit von Tierversuchen kann so beseitigt oder zumindest erheblich minimiert werden.

Die Wissenschaftler von NANOPUZZLES modellieren die Zusammenhänge zwischen Struktur, Eigenschaften, molekularen Wechselwirkungen und Giftigkeit der ausgewählten Klassen künstlich hergestellter NP. Die Forscher wählten Metalloxid-NP und auf Kohlenstoff basierende NP aus, da diese weit verbreitet Anwendung finden und kommerziell verfügbar sind.

Im Teilprojekt NanoDATA werden künstlich hergestellte NP auf Grundlage vorhandener physikochemischer und toxikologischer Daten klassifiziert. Der NANOPUZZLES-Ansatz beruht auf der etablierten ISA-TAB-Nano-Spezifikation zum Austausch von Forschungsdaten zu Nanomaterialien über ein tabellarisches Format. Daten aus 200 Artikeln wurden in die ISA-TAB-Nano-Dateien übertragen. Zudem wurden neuartige Ansätze zur Bewertung der Datenqualität entwickelt.

Mit NanoDESC wird ein Rahmen für die optimale Charakterisierung der Struktur künstlich hergestellter Nanopartikel mithilfe geeigneter Deskriptoren und durch Kategorisierung anhand struktureller Ähnlichkeiten entwickelt. Viele neue Gruppen von Deskriptoren wurden definiert und als Bausteine für prädiktive Modelle ermittelt.

In NanoINTER werden Modelle erarbeitet, um die Wechselwirkungen zwischen künstlichen NP und biologischen Systemen und kleinen Molekülen vorherzusagen und zu erklären. Die Arbeit umfasst die Untersuchung der Interaktionen mit Lösemitteln und der Umwelt sowie der Auswirkungen der Messung und Modellierung der Ergebnisse (quantenmechanische Effekte). Das Team besitzt ein Berechnungsprotokoll mit Regeln zur Kalkulation der Wechselwirkungen (Interaktionsenergien).

Indem anhand verfügbarer, validierter Daten das Verhältnis zwischen den experimentell ermittelten und den berechneten Eigenschaften festgestellt wird, wird in NanoQSAR schließlich der quantitative Zusammenhang zwischen der chemischen Struktur und den toxikologischen Targets untersucht, was unser Wissen über die Giftigkeit und das Verhalten aufkommender Nanopartikel vertiefen wird. In diesem Abschnitt des Projekts werden letztendlich alle im Projekt erarbeiteten Puzzleteile zusammengesetzt. Das Team konnte bereits vorläufige Nano-QSAR-Modelle für ausgewählte Bedingungen herstellen.

Durch die Ergebnisse von NANOPUZZLES wird es möglich, Nanopartikel und deren Umweltauswirkungen ohne großangelegte Tierversuche zu charakterisieren. Von diesen Tools werden somit Materialkonstrukteure, regulierende Stellen und auch die Verbraucher profitieren.