Bio-anorganische Hybrid-Membranen mit Nanoporositäts-Kontrolle durch genetisch adaptierte virale Dichtringe

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Hartmut Gliemann; Professor Dr. Othmar Marti; Professorin Dr. Christina Wege
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Biomaterialien
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 210521111

Bio-inspiriertes Versiegeln nanometrischer Spalten als ein Schlüssel zur Fabrikation neuartiger Hochleistungs-Filtermedien: Die bis dato einmalige Kombination von Millionen uniformer, konischer Porenkanäle in freistehenden Festkörpermembran-Templaten und exakt darin einpassbaren RNA-stabilisierten Tabakmosaikvirus-(TMV-)-Proteinringen mit zentraler Ø 4 nm-Pore (Lochscheibe bzw. 'Disk', 18 nm Ø und 10 nm dick) soll zu vielseitig einsetzbaren Kompositmembranen führen, da Größe und Ladung der Biomaterial-Poren deren Permeabilität bestimmen - vorausgesetzt, dass anorganische und biogene Partner stabil miteinander verbunden und die Ringspalte zwischen 'Poreneinsätzen' und Membrankanälen zuverlässig geschlossen werden, um Leckströme zu vermeiden. Dazu dient Siliciumdioxid als 'Bionischer Kitt', der peptidvermittelt aus Tetraethoxysilan (TEOS) oder Hydrolysaten geringeren Polymerisationgrads und entsprechend reduzierter Molekülgrößen (Silanole oder Kieselsäure) abgeschieden wird, und zwar ortsselektiv an den Außenrändern genetisch adaptierter Disks. Auf den TMV-Oberflächen aktive Peptidsequenzen wurden in der zweiten Förderperiode identifiziert. Die Poren-Innenflächen sollen nun ebenfalls chemisch und genetisch modifiziert werden, um ihre Selektivität zu steuern.Dieses Komposit-Design hat bereits Interesse auf internationaler Ebene geweckt, da robuste, großflächige Arrays homogener Bioporen erhebliche Vorteile für komplexe Separationsprozesse bieten würden - vom Ernten und Anreichern wertvoller seltener Substanzen bis hin zu Routine-Reinigungsschritten in der Produktion. Unser Projekt liegt gut im Zeitplan, mit präzise an die reich verfügbaren Poreneinsätze angepassten, mehrlagigen Membrantemplaten, strukturell durch REM verifizierten ersten 'Proof-of-concept'-Kompositen mit zahlreichen Disks in Festkörperporen, und TMV-Derivaten, welche dank optimierter Peptidausrüstung ihre Silica-Beschichtung aus TEOS induzieren.Somit stehen nun folgende Aspekte im Fokus dieses Antrags: (i) Implantation der Poreneinsätze mit erhöhter Effizienz in einer unlängst hergestellten Elektrophorese-Apparatur, und unter Verwendung der seit kurzem verfügbaren Disks mit negativ geladenen Nukleinsäure-'Führungsleinen'; (ii) peptidkontrollierte Deposition von Silica-Dichtringen in den nanometrischen Spalten, ausgehend von kürzlich optimierten Protokollen zur Sol-Gel-Mineralabscheidung auf peptidbestückten TMV-Außenflächen, (iii) hochauflösende mikroskopische und Elementaranalyse der 3D-Kompositstrukturen mit Methoden, welche tief in den Kanälen verborgene Poreneinsätze adressieren können, (iv) Herstellung von zwei 'simplen' TMV-Adapter-Varianten mit Poren veränderter Größe/Ladung und einer 'komplexen' Variante mit einem am Porenrand immobilisierten aktiven Enzym, (v) vergleichende funktionelle Charakterisierung/Benchmarking von Membranen mit unterschiedlichen Bioporen, (vi) Dokumentation standardisierter Verfahren und Publikation.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1569: Erzeugung multifunktioneller anorganischer Materialien durch molekulare Bionik
• Kooperationspartner: Dr. Alfred Plettl; Professor Dr. Paul Walther