Biokristallisation in Dinoflagellaten: Vom biologischen Prozess zum funktionalisierten Hybridmaterial

• Antragstellerin: Professorin Dr. Anne Jantschke
• Fachliche Zuordnung: Biologische und Biomimetische Chemie ; Analytische Chemie ; Biomaterialien
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 438884112

Seit 500 Millionen Jahren gestalten Algen unsere Umwelt durch CO2-Fixierung u. a. mittels Präzipitation von Mineralen. Aus dieser Biomineralisation entsteht eine Vielfalt komplexer Kalziumkarbonat- und Silikat-Architekturen mit spektakulärer Morphologie. Ein Paradebeispiel für die Regelmäßigkeit biologischer Systeme stellen die hochgeordneten, porösen Kalkschalen einzelliger Dinoflagellaten dar. Zuletzt wurden bedeutende Fortschritte im biochemischen Verständnis der Biomineralisationsmechanismen in Modellorganismen wie Kieselalgen oder Coccolithophoriden erzielt. Der Mechanismus der Strukturbildung in Dinoflagellaten ist hingegen praktisch unbekannt. Das ist insofern überraschend, weil die Biomineralisation in Dinoflagellaten nicht in einem intrazellulären Vesikel stattfindet, sondern in einem wenig kontrollierten, extrazellulären Raum, der äußeren Zellmatrix. Das macht Dinoflagellaten zu einem idealen Modellsystem insbesondere in Hinblick auf biomimetische Materialsynthese.Während meines PostDocs in der Gruppe von Lia Addadi und Steve Weiner (Weizmann-Institut), entstand ein neues Dinoflagellat-Biomineralisationsmodell: Es enthält die aktive Aufnahme von Ca2+, eine zwischenzeitige Speicherung in MgCaP-Präkursoren, einen Transport in die äußere Matrix und eine Transformation in Kalzit mit geringen Anteilen von Magnesium. Viele Details der Strukturmorphogenese sind dennoch nicht verstanden. Daher behandelt das Projekt folgende Fragen: (A) Was können wir anhand der Biomineralzusammensetzung über die Strukturbildung lernen?(B) Welche Biomoleküle formen die äußere Matrix und wie beeinflussen diese Kristallnukleation und -wachstum?(C) Was ist die Bedeutung von Magnesium und Phosphor für Kalzium-Akkumulation, -Speicherung und -Transport? (D) Wie ist die exakte Zusammensetzung der Präkursor-Phase? Handelt es sich um eine amorphe Verbindung? Wir schlagen eine einzigartige Kombination von Spektroskopie (ICP-OES, Schwingungsspektroskopie, NMR, Massenspektrometrie inkl. nano-SIMS) und Bioimaging (in vivo-Fluoreszenz, Cryo-Elektronenmikroskopie, FIB-SEM-EBSD) als vielversprechenden Ansatz vor. Eine neue Idee ist dabei die Kombination einer selektiven Isotopen-Markierung mit NMR-Spektroskopie und Raman-Imaging, um intrazelluläre Veränderungen während der Kalzifizierung zu verfolgen. Des Weiteren sollen Dinoflagellat-basierte Materialien entwickelt werden, mit folgenden Zielen: (E) Kann die strukturelle Integrität der Dinoflagellat-basierten Materialien erhalten werden? (F) Wie können die porösen Strukturen für spezifische Anwendungen funktionalisiert oder konvertiert werden?Mesoporöse Materialien sind eine immer wichtiger werdende Materialklasse mit zahlreichen technologischen Anwendungen. Biobasierte Systeme sind dabei aufgrund ihrer Biokompatibilität äußerst erstrebenswert. Mit diesem Ziel werden im Projekt Grundlagen biologischer Strukturbildung mit Materialanwendungen verknüpft.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen