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Biocatalysis is increasingly being explored for the sustainable development of green industry. Though enzymes show great industrial potential with their high efficiency, specificity, and selectivity, they suffer from poor usability and stability under abiological conditions. To solve these problems, researchers have fabricated nano- and micro-sized biocatalytic reactors based on the self-assembly of various polymers, leading to highly stable, functional, and reusable biocatalytic systems. This Review highlights recent progress in self-assembled polymeric nano- and microreactors for biocatalytic synthesis, including polymersomes, reverse micelles, polymer emulsions, Pickering emulsions, and static emulsions. We categorize these reactors into monophasic and biphasic systems and discuss their structural characteristics and latest successes with representative examples. We also consider the challenges and potential solutions associated with the future development of this field.

We assess the crucial role of tetrapyrrole flexibility in the CO ligation to distinct Ru‐porphyrins supported on an atomistically well‐defined Ag(111) substrate. Our systematic real‐space visualisation and manipulation experiments with scanning tunnelling microscopy directly probe the ligation, while bond‐resolving atomic force microscopy and X‐ray standing‐wave measurements characterise the geometry, X‐ray and ultraviolet photoelectron spectroscopy the electronic structure, and temperature‐programmed desorption the binding strength. Density‐functional‐theory calculations provide additional insight into the functional interface. We unambiguously demonstrate that the substituents regulate the interfacial conformational adaptability, either promoting or obstructing the uptake of axial CO adducts., The CO ligation to two different ruthenium porphyrins on the Ag(111) surface under vacuum was investigated experimentally and theoretically. The electronic and geometric changes upon ligation as well as the energetics of the process were elucidated. The surface adaptability of the porphyrin macrocycle conformation proves crucial for CO binding.

Flexible multivalent 3D nanosystems that can deform and adapt onto the virus surface via specific ligand–receptor multivalent interactions can efficiently block virus adhesion onto the cell. We here report on the synthesis of a 250 nm sized flexible sialylated nanogel that adapts onto the influenza A virus (IAV) surface via multivalent binding of its sialic acid (SA) residues with hemagglutinin spike proteins on the virus surface. We could demonstrate that the high flexibility of sialylated nanogel improves IAV inhibition by 400 times as compared to a rigid sialylated nanogel in the hemagglutination inhibition assay. The flexible sialylated nanogel efficiently inhibits the influenza A/X31 (H3N2) infection with IC50 values in low picomolar concentrations and also blocks the virus entry into MDCK‐II cells., Fighting influenza: Through the combination of flexibility and multivalent binding, a sialylated nanogel is able to bind and adapt onto the influenza A virus surface. The resulting flexible nanogel efficiently blocks the virus binding onto the cell and inhibits infection at low pm concentrations.

Amide bond formation is one of the most important reactions in biochemistry, notably being of crucial importance for the origin of life. Herein, we combine scanning tunneling microscopy and X-ray photoelectron spectroscopy studies to provide evidence for thermally activated abiotic formation of amide bonds between adsorbed precursors through direct carboxyl-amine coupling under ultrahigh-vacuum conditions by means of on-surface synthesis. Complementary insights from temperature-programmed desorption measurements and density functional theory calculations reveal the competition between cross-coupling amide formation and decarboxylation reactions on the Au(111) surface. Furthermore, we demonstrate the critical influence of the employed metal support: whereas on Au(111) the coupling readily occurs, different reaction scenarios prevail on Ag(111) and Cu(111). The systematic experiments signal that archetypical bio-related molecules can be abiotically synthesized in clean environments without water or oxygen.

Zur Inhibition der Bindung von Influenza-A-Virus an die Wirtzellglykokalyx haben wir multivalente Peptid-Polymer-Nanopartikel entwickelt, die mit nanomolarer Affinitat an das Virus uber dessen Spikeprotein Hamagglutinin binden. Die dafur gewahlten dendritischen Polyglycerolgeruste sind auserst biokompatibel und eignen sich gut fur eine multivalente Prasentation. Wir konnten in In-vitro-Experimenten zeigen, dass durch eine Vergroserung des Polymergerusts und durch Anpassung der Peptiddichte eine Virusinfektion drastisch reduziert wird. Solch ein Peptid-Polymer-Konjugat eignete sich auch fur ein In-vivo-Szenario. Mit dieser Studie stellen wir den ersten nicht Kohlenhydrat-basierten, kovalent verknupften, multivalenten Virusinhibitor im nano- bis pikomolaren Bereich vor, unter Wahrung einer geringen Peptidligandendichte auf grosen dendritischen Gerusten.

Bengamide, aus marinen Schwammen stammende und als Inhibitoren der Methionin-Aminopeptidase (MetAP) charakterisierte Naturstoffe, wurden intensiv als Wirkstoffe gegen Krebs erforscht. In einem multidisziplinaren Forschungsprojekt haben wir die Bereitstellung von Bengamiden uber Fermentation des terrestrischen Myxobakteriums M. virescens, die Aufklarung ihrer Biosynthese und die Optimierung ihrer Eigenschaften als Arzneistoff-Leitstrukturen untersucht. Die Charakterisierung des Biosyntheseweges zeigte auf, dass bakterielle Resistenz gegenuber Bengamiden durch Leu154 des myxobakteriellen MetAP-Proteins vermittelt wird, und ermoglichte den Transfer des gesamten Biosynthesegenclusters in den geeigneteren Produktionsstamm M. xanthus DK1622. Eine Kombination aus Semisynthese mikrobiell gewonnener Bengamide und Totalsynthese fuhrte zum optimierten Derivat 8 a. Die nanomolare zellulare Wirksamkeit und die hohe metabolische Stabilitat waren mit einer verbesserten Halbwertszeit in Mausen sowie mit Antitumor-Effizienz in einem Melanom-Mausmodell verbunden.

Die Proteinadsorption gilt als der wichtigste Faktor der Wechselwirkung zwischen polymeren Biomaterialien und Korperflussigkeiten oder -gewebe. Die Haupteinflussfaktoren auf die Proteinadsorption sind wasservermittelte hydrophobe und Hydratationskrafte sowie elektrostatische Wechselwirkungen. Eine systematische Analyse verschiedener Monolagen fuhrte zur Aufstellung allgemeiner Leitsatze, den sogenannten “Whitesides-Regeln”. Diese Konzepte wurden erfolgreich auf die Entwicklung verschiedener proteinresistenter Oberflachen angewendet und werden kontinuierlich weiterentwickelt, um das Verstandnis von Protein-Material-Wechselwirkungen uber die bisherigen Grenzen hinaus zu erweitern. Ebenso werden die Theorien zu Proteinadsorptionsmechanismen aufgrund der sich schnell entwickelnden analytischen Technologien fortlaufend verbessert. Ziel dieses Aufsatzes ist die Verbesserung der aufgestellten empirischen Leitlinien im Hinblick auf die theoretischen und analytischen Fortschritte. Dabei werden die aktuellen analytischen Methoden zur Untersuchung mechanistischer Hypothesen und Theorien zu Protein-Oberflachen-Wechselwirkungen besprochen. Ein besonderes Augenmerk liegt auf aktuellen Technologien im Bereich bioinerter und biospezifischer Beschichtungen und ihrer Anwendungen in der Biomedizin.

Multivalente Wechselwirkungen konnen universell zur gezielten Bindungsverstarkung zwischen verschiedenen Grenzflachen oder Molekulen genutzt werden. Die Bindungspartner bilden dabei kooperativ multiple Rezeptor-Ligand-Wechselwirkungen, die auf einzelnen schwachen, nichtkovalenten Bindungen basieren und daher prinzipiell reversibel sind. Daher spielen multi- und polyvalente Wechselwirkungen in biologischen Systemen eine entscheidende Rolle fur Erkennungs-, Adhasions- und Signalprozesse. Die wissenschaftliche und praktische Etablierung dieses Prinzips wird anhand der Entwicklung von naturlichen Systemen uber einfache artifizielle und theoretische Modelle hin zu anwendungsorientierten funktionalen Systemen demonstriert. Anhand eines systematischen Uberblicks uber Gerustarchitekturen werden die zugrunde liegenden Wirk- und Steuerungsmoglichkeiten aufgezeigt und Designvorschlage fur moglichst effektive multivalente Bindungspartner bis hin zu polyvalenten Therapeutika aufgezeigt.

Polymere Therapeutika umfassen Polymer-Protein-Konjugate, Wirkstoff-Polymer-Konjugate und supramolekulare Wirkstofftransportsysteme. Zahlreiche Polymer-Protein-Konjugate mit verbesserter Stabilitat und Pharmakokinetik wurden z. B. durch Anknupfen einer Polyethylenglycolkomponte (PEGylierung) an Enzyme oder therapeutisch relevante Proteine entwickelt. Einige davon sind bereits als Medikamente zugelassen, z. B. die PEGylierte Form der Adenosin-Desaminase. Die Kupplung von niedermolekularen Cytostatika an hochmolekulare Polymere durch einen spaltbaren Linker ist eine effektive Methode zur Verbesserung des therapeutischen Index klinischer Wirkstoffe, und erste Kandidaten wurden bereits klinisch evaluiert, darunter N-(2-Hydroxypropyl)methacrylamid-Konjugate von Doxorubicin, Paclitaxel und Platin(II)-Komplexen. Zu einem weiteren Typ polymerer Therapeutika, den Wirkstofftransportsystemen, fuhrte der Fortschritt bei definierten multivalenten und dendritischen Polymeren. Beispiele sind polyanionische Polymere als Inhibitoren der zellularen Bindung von Viren, polykationische Komplexe mit DNA oder RNA (Polyplexe) und dendritische Kern-Schale-Partikel zur Verkapselung von Wirkstoffen. In diesem Aufsatz geben wir einen Uberblick uber polymere Therapeutika mit einem Schwerpunkt auf Konzepten und Beispielen, die die besonderen Merkmale des jeweiligen Wirkstofftransportsystems charakterisieren.