Hierarchische Architektur der Schwamm-Spiculae: Bio-inspiriertes Assembly von multifunktionalen Strukturen durch biokatalytisch aktive und strukturleitendeProteine

• Antragsteller: Professor Dr. Heinz C. Schröder; Professor Dr. Wolfgang Tremel
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 128306461

Das Skelett der Kieselschwämme, der Demospongien und der Hexactinellid-Schwämme (Glaschwämme), und der Kalkschwämme, der Calcarea, mit ihren ungewöhnlichen opto-mechanischen Eigenschaften haben sich als exzellente Vorbilder für die biomimetische Materialsynthese erwiesen. Das Biosilica der Kieselschwämme wird durch eine einzigartige Gruppe von Enzymen, die Silicateine, gebildet, die, wie sich herausstellte, sowohl biokatalytische als auch strukturleitende/formende Aktivität zeigen. Die speziesspezifische 3D-Struktur des Schwammskeletts wird sowohl auf Gen-Ebene gesteuert, über eine sequenzielle Genexpression von Silicatein und Silicatein-interagierenden Proteinen, und die spezifische Interaktion und das Assembly dieser Proteine zu filamentösen Strukturen als auch durch zelluläre Prozesse. In der ersten Förderperiode wurden grundlegende Erkenntnisse über die anorganisch-organische Hybrid-Struktur der Spiculae und den Mechanismus der Biosilica-Bildung gewonnen, von dem eindeutig nachgewiesen werden konnte, dass er enzymatisch verläuft. In der zweiten Förderperiode wurden neue Silicatein-Interaktoren (Silintaphine) entdeckt und funktionell charakterisiert, was ein Verständnis der Regulation nicht nur des Assembly und der Aktivität von Silicatein, sondern auch der Bildung des extrazellulären zylinderartigen organischen Gerüsts für das Längs- und das appositionelle Wachstum der Spiculae erlaubte. Darüber hinaus konnten zum ersten Mal die Prozesse der Synerese und des Härtens / der Alterung des enzymatisch gebildeten, "weichen" Biosilica zu soliden Kieselsäure-Stäben demonstriert werden, was neue Wege für eine biomimetische / bio-inspirierten Anwendungen des Schwamm-Biosilica eröffnet. In der dritten Periode werden wir diese Werkzeuge zur Erzeugung hierarchisch strukturierter multifunktioneller Nanomaterialien verwenden, basierend auf der Anwendung bio-inspirierter molekularer Schalter und unter Nachahmung von Precision-Biosilica-Molding-Prozessen, wie sie in der Natur bei Schwämmen realisiert sind. Unter anderem soll die Wirkung von Silicatein auf die Bildung von CaCO3/Silicatein-Hybrid-Materialien (synthetische Spiculae) untersucht werden. Die enge Zusammenarbeit der beteiligten Gruppen aus der anorganischen Chemie und der Molekularbiologie soll es ermöglichen, die selbstorganisierenden, strukturdirigierenden und biokatalytischen Eigenschaften der an der Biomineralisation beteiligten Schwammproteine zu nutzen, um zusammen mit Nanopartikeln aus Calciumcarbonat und Metalloxiden biomimetische, nanostrukturierte Materialien mit neuen Eigenschaftskombinationen herzustellen, deren mechanische und optische Eigenschaften in Abhängigkeit von ihrer Zusammensetzung untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1420: Biomimetic Materials Research: Functionality by Hierarchical Structuring of Materials
• Beteiligte Personen: Professor Dr. Werner E. G. Müller; Professorin Dr. Xiaohong Wang