Strukturelle Flexibilität des optischen Designs der Arthropodencornea

• Antragsteller: Professor Dr. Gerhard Scholtz; Wolfgang Wagermaier, Ph.D., seit 8/2019
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Biomaterialien ; Polymermaterialien
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 286895536

Die Cuticula der Arthropoden (Gliederfüßer) ist ein vielseitiges biologisches Kompositmaterial bestehend aus in eine Proteinmatrix eingebetteten Chitin-Fasern. Unter anderem bildet die Cuticula die Cornea des Komplexauges der Arthropoden, ein charakteristisches Merkmal dieses Phylums, welches zu seinem enormen evolutionären Erfolg beigetragen hat. In Komplexaugen bildet jede lichtperzipierende Einheit (Ommatidium) ein eigenes optisches System. Die Komplexaugen der Arthropoden sind homolog, dennoch sind evolutionäre Abwandlungen in einzelnen Elementen, insbesondere des dioptrischen Apparates zu beobachten. Dies eröffnet die Möglichkeit eines Vergleichs unterschiedlicher struktureller Materialeigenschaften, die erfolgreiche Anpassungen an verschiedene Lebensweisen von Tiergruppen darstellen. Ziel des Projektes ist ein verbessertes Verständnis der optischen Rolle des unterschiedlichen kutikulären Corneaaufbaus in Bezug auf dessen Form und zugrundeliegende Chitin-Architektur.Der bisherige Forschungsschwerpunkt lag auf Fragen der Umweltbeziehung, Tageslichtsanpassung, Entwicklung sowie Evolution. Die Beziehung zwischen Cuticula-Struktur, Chitin-Faser-Organisation und den optischen Eigenschaften des Materials wurde wesentlich seltener thematisiert. Zur Beantwortung dieser Fragen haben wir gezielt drei Arthropodenarten mit unterschiedlicher Biologie ausgewählt, einen Pfeilschwanzkrebs, einen Amphipoden und einen Flusskrebs. Mit einer Cornea, die einen langen kegelförmigen Fortsatz ausbildet, zeigt der Pfeilschwanzkrebs Limulus polyphemus als Vertreter der Chelicerata (Spinnentiere) dabei den evolutionär ursprünglichsten Corneaaufbau, bestehend ausschließlich aus Chitin-basierter Cuticula. Dieser Fortsatz wurde in der Linie der Mandibulata (Myriapoden, Crustaceen, Hexapoden) durch einen von speziellen Zellen intrazellulär gebildeten Kristallkegel ersetzt. Die Cornea selbst ist dabei entweder mehr oder weniger linsenförmig wie beim decapoden Flusskrebs oder glatt wie im Falle der Amphipoden.Mit dem geplanten Projekt möchten wir die Beziehungen zwischen Chitin-Struktur sowie Cuticula-Komposition und den resultierenden Materialeigenschaften vergleichend untersuchen, um für Polymermaterialdesign relevante Schlussfolgerungen zu ziehen. Dabei nutzen wir die Expertise der beteiligten Partner in Biologie und Histologie, sowie analytischer Methoden wie Röntgenstreuung/-diffraktion, Ramanspektroskopie, Kryoelektronenmikroskopie und anderen Techniken. Die Bedeutung dieses Projektes liegt in dem Versuch, die Grenzen evolutionär-struktureller Flexibilität in der Biologie als Designstrategie für bioinspirierte Materialsynthesen zu erkunden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Professor Dr. Helge-Otto Fabritius; Professor Dr. Peter Fratzl; Admir Masic, Ph.D.; Alexander Rack, Ph.D.; Privatdozent Andreas Ziegler, Ph.D.
• Ehemalige Antragstellerin: Professorin Yael Politi, Ph.D., bis 7/2019