Hochauflösende Niederspannungstransmissionselektronenmikroskopie zur Abbildung des Prozesses der Mineralisation an der TMV/anorganischen Grenzfläche: Zum Verständnis der mechanischen Eigenschaften von Bio/anorganischen Mehrfachschichtsystemen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Joachim Bill; Professorin Dr. Ute Kaiser; Professorin Dr. Christina Wege, seit 5/2018
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Biomaterialien
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 286663312

Biomineralisation ist ein natürlicher Prozess zur Synthese und Härtung von Materialien, die in ihren physikalischen und chemischen Charakteristika vielen technischen Produkten überlegen sind. Durch bio-inspirierte Mineralisationsverfahren wird zusehends häufiger versucht, vergleichbare Eigenschaften in technisch relevanten Hybridmaterialien zu erzeugen. Im beantragten Projekt wollen wir zu einem besseren Verständnis des Mechanismus der protein-vermittelten Mineralisation von Zinksulfid (ZnS) und Zinkoxid (ZnO) auf dem Biotemplat Tabakmosaikvirus (TMV) beitragen, indem wir uns auf die Untersuchung der organisch/anorganischen Grenzlinie konzentrieren und diese hochauflösend abbilden. Mit den gewonnen Erkenntnissen streben wir längerfristig eine verbesserte Kontrolle der Struktur solcher Grenzlinien bzw. -flächen an, was wiederum für die Herstellung von nanostrukturierten Materialien, mit maßgeschneiderten Eigenschaften entscheidend ist.Entgegen den herkömmlich verwendeten Methoden zur Abbildung organischer Materialien, wie dem Negativfärben der Probe, mit Auflösung im Bereich weniger Nanometer, oder deren Einbettung in amorphes Eis, mit Auflösung bis zu 0.4 Nanometern bei mittleren Beschleuni-gungsspannungen von 300 kV, setzen wir bei der Grenzflächenabbildung auf unser im Frühjahr 2016 fertiggestelltes Niederspannungs-Transmissionselektronenmikroskop (TEM). Aufgrund der erstmaligen Korrektur nicht nur des Öffnungs- sondern auch des Farbfehlers der Objektivlinse, soll die Grenzfläche hochaufgelöst bei Beschleunigungsspannungen von 20-80 kV abgebildet werden. Im Projektrahmen sollen unter Anwendung ausgeklügelter Präpa-rationsmethoden wie Graphen-Sandwiching und/oder Deuterieren der Probe, optimale Parameter zur Abbildung der organisch/anorganischen Grenzfläche erforscht werden. Darüber hinaus ist ein weiteres Ziel dieses Projektes in situ herauszufinden, ob die bio-inspirierte Mineralisation vorrangig durch homogene oder heterogene Keimbildung beginnt.In Vorarbeiten seitens der Stuttgarter Gruppen wurden Mineralisationsverfahren zur gezielten Deposition von ZnS und ZnO auf TMV entwickelt. Im Rahmen dieses Antrages sollen Multischichten perlmuttartiger Strukturen (MLS) auf der Basis TMV/ZnS bzw. TMV/ZnO hergestellt und untersucht werden. Erste Untersuchungen der mechanischen Eigenschaften der MLS zeigten bereits, dass die mit der TMV_Cys-Mutante und damit zusätzlichen Thiolen in den Grenzflächen einen höheren Härtegrad als die mit dem Wildtyp aufwiesen. Um ultra-strukturelle Unterschiede der jeweiligen Protein-Mineral-Grenzflächen zu analysieren und in Beziehung zu mechanischen Eigenschaften zu setzen, werden diese MLS ebenfalls mit unserem Niederspannungs-TEM abgebildet. Um die Mineralisation an der Oberfläche sowie im Innenkanal des Virus im TEM besser beobachten zu können, ist zusätzlich geplant, kurze virusartige Partikel (VLP) herzustellen und in vertikal orientierten Arrays zu mineralisieren.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1569: Erzeugung multifunktioneller anorganischer Materialien durch molekulare Bionik
• Ehemalige Antragstellerin: Dr. Sabine Eiben, bis 5/2018