SPP 1569: Generation of Multifunctional Inorganic Materials by Molecular Bionics
Final Report Abstract
Bei der Erzeugung anorganischer Funktionsmaterialien mit einem bis in den atomaren Bereich definierten Aufbau stößt die etablierte Prozesstechnik, die erhöhte Temperaturen und/oder Drücke sowie erheblichen verfahrenstechnischen Aufwand erfordert, inzwischen an ihre Grenzen. Im Gegensatz dazu führen Biomineralisationsprozesse in der belebten Natur bereits bei Umgebungsbedingungen zu komplex strukturierten, multifunktionellen anorganischen Festkörpern. Das Hauptziel dieses Schwerpunktprogramms war daher die Übertragung von genetisch gesteuerten Prinzipien der Biomineralisation auf die Generierung von Funktionsmaterialien. Hieraus ergaben sich die folgenden Teilziele dieses SPPs: (1) in vitro und in vivo Synthese von anorganischen Funktionsmaterialien und deren Hybriden mit bioorganischen Molekülen, insbesondere in Form von Schichten oder 3D-Strukturen, (2) Charakterisierung der Bildungsprozesse und der Struktur sowie (3) Bestimmung und Design der physikalischen und chemischen Eigenschaften der Materialien. Zudem wurden die experimentellen Untersuchungen durch Arbeiten zur Modellierung begleitet. Durch dieses Schwerpunktprogramm wurden die interdisziplinären Bedingungen geschaffen, die für eine umfassende und erfolgreiche Bearbeitung des genannten Hauptziels unabdingbar sind. Auf dieser Basis konnten nunmehr grundlegende Vorgänge bei der Mineralisation an organischen Grenzflächen anhand von Modellsystemen aufgeklärt werden. In Verbindung mit experimentellen Arbeiten wurde erstmalig ein umfassendes Simulationsprotokoll für die Beschreibung der durch organische Template gesteuerten Mineralisation geschaffen. Im Rahmen dieser in vitro-Studien gelang es weiterhin, die Mineralisation durch Biomoleküle, die rekombinant in Mikroorganismen maßgeschneidert wurden, zu steuern und dadurch Materialien mit einem verbreiterten Eigenschaftsspektrum gezielt aufzubauen. Aus virenbasierten Systemen konnten 2D- und 3D-Nanostrukturen erzeugt und deren Aufbau durch genetische Manipulation variiert werden. Durch diese Manipulation der bioorganisch/anorganischen Grenzflächen gelang der Zugang zu Hybridmaterialien, die gegenüber den reinen, anorganischen Komponenten erheblich verbesserte elektrische, mechanische, optische und magnetische Eigenschaften aufwiesen. Schließlich konnten auch die bioorganisch/anorganischen Grenzflächen in 3D-Strukturen von Eukaryoten (Algen) durch genetisch gesteuerte in vivo Prozesse gezielt eingestellt und so das Tumorwachstum hemmende Hybridmaterialien generiert werden. Die in vivo Erzeugung multifunktionalisierter magnetischer Hybridmaterialien gelang in Prokaryoten (Bakterien). Dabei wurden optimierte Expressionssysteme entwickelt, die es ermöglichen, funktionelle Gruppen und Biomoleküle mit hohen Expressionsraten auf der Oberfläche der anorganischen Komponenten in vivo zu erzeugen. Diese nun auch in größerem Labormaßstab erhältlichen Materialien wurden für die Anwendung in bildgebenden Verfahren bereits erfolgreich getestet und sind kommerziellen Materialien überlegen.
