Modell für Verhalten und Eigenschaften von Nanopartikeln
Ein von der EU finanziertes Konsortium hat rechnergestützte Modelle und Werkzeuge entwickelt, um diese Aufgabe im Rahmen des Projekts NANOPUZZLES (Modelling properties, interactions, toxicity and environmental behaviour of engineered nanoparticles) zu lösen. Die Rechenleistung kann für experimentelle Versuche hinsichtlich Durchsatz und Genauigkeit außergewöhnlich hoch sein, wodurch sich die Notwendigkeit von Tierversuchen reduziert. Aus diesem Grund entwickelte man im Rahmen des Projekts computerbasierte Algorithmen in Bezug auf 4 Themenbereiche, die als NANODATA, NANODESC, NANOINTER bzw. NANOQSAR bekannt sind. Auf diese Weise konnten die Forscher die Beziehungen zwischen Struktur, Eigenschaften, molekularen Wechselwirkungen und Toxizität ausgewählter Klassen technisch entwickelter Nanopartikel modellieren. Hauptziel des ersten Themenbereichs, NANODATA, war die Klassifizierung technisch entwickelter Nanopartikel auf Grundlage vorhandener physikalisch-chemischer und die Toxizität betreffender Daten. Der Ansatz stützte sich auf die etablierte, durch Tabs getrennte ISA-Beschreibung (tab-delimited, TAB; Investigation/Study/Assay, ISA) (ISA-TAB-Nano), um Nanomaterialforschungsdaten im Tabellenkalkulationsformat auszutauschen und gemeinsam zu nutzen. Das Format ist eine allgemeine Rahmenumgebung zur Sammlung und Vermittlung komplexer Metadaten. Daten aus 200 Artikeln wurden in ISA-TAB-Nano-Dateien übertragen. Zur Beurteilung der Datenqualität wurden überdies neuartige Ansätze entwickelt. NANODESC entwickelte ein Rahmenwerk zur optimalen Charakterisierung der Struktur von technisch entwickelten Nanopartikeln unter Einsatz geeigneter Deskriptoren sowie durch deren Kategorisierung gemäß struktureller Ähnlichkeiten. Man definierte viele neue Gruppen von Deskriptoren und ermittelte sie als Bausteine von Vorhersagemodellen. NanoINTER erstellte Modelle zur Vorhersage und Erklärung der Wechselwirkungen technisch entwickelter Nanopartikel mit biologischen Systemen und kleinen Molekülen. Zur Untersuchung der Wirkung der Umwelt auf die in Wechselwirkung stehenden Systeme wurde eine Reihe von Verfahren vorgeschlagen. Für eine zuverlässige Berechnung der Eigenschaften großer interagierender Systeme wurde überdies ein Rechenprotokoll entwickelt. Unter dem letzten Thema, NANOQSAR, erarbeitete man quantitative Zusammenhänge zwischen chemischer Struktur und toxikologischen Zielstellungen. Diese werden die Auffassungen über Toxizität und das Verhalten der neu erschaffenen Nanopartikel erweitern, indem man Zusammenhänge zwischen experimentellen (auf verfügbaren, validierten Daten basierenden) und rechnerischen Eigenschaften herstellt. Dieses letzte Teil des Puzzles wird alle anderen Erkenntnisse aus dem Projekt verbinden. Eine Anwendung der entwickelten Methoden wird die Vorhersage der Toxizität und des Verhaltens von Nanopartikeln aus ihrer Struktur und/oder ihren physikalisch-chemischen Eigenschaften ermöglichen, ohne dass umfangreiche empirische Versuche durchgeführt werden müssen. Auf diese Weise werden die Kosten sowie die Notwendigkeit von Tierversuchen reduziert. Die entwickelten Werkzeuge werden Materialdesignern, Zulassungsbehörden wie auch Verbraucherinnen und Verbraucher von Nutzen sein, sowie zum Entwurf und zur technischen Veränderung von Nanomaterialien hinführen, die für Mensch und Umwelt weniger gefährlich sind.
Schlüsselbegriffe
Nanopartikel, NANOPARTICLES, Toxizität, Giftigkeit, Algorithmen, ISA-TAB-Nano, Rechenprotokoll, Nanomaterialien
