Struktur- und Funktionsanalyse Silica-bildender Organischer Matrizen

• Antragsteller: Professor Dr. Nils Kröger
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Biologische und Biomimetische Chemie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 233120155

Das von Diatomeen gebildete Biosilica ist ein organisch-anorganisches Hybridmaterial, wobei den organischen Komponenten eine zentrale Rolle bei der Biosilica-Morphogenese zugeschrieben wird. Die organischen Komponenten werden in zwei Gruppen eingeteilt: (i) lösliche Moleküle, die beim Auflösen des Biosilica (Demineralisierung) in die wässrige, lösliche Phase überführt werden, und (ii) unlösliche organische Matrices, die nach der Demineralisierung als feste Phase zurückbleiben. Die Diatomee Thalassiosira pseudonana enthält drei unterschiedliche Arten von unlöslichen organischen Matrices: Chitin-basierende Netzwerke, organische Mikroringe und organische Mikroplatten. Während der letzten Antragsperiode haben wir folgende Themen bearbeitet: (i) Untersuchung der biochemischen Zusammensetzung der organischen Mikroringe und Mikroplatten (Zusammenarbeit mit der Shevchenko-Gruppe, SP-3), (ii) Untersuchung der Struktur und des Bildungsmechanismus der unlöslichen organischen Mikroringe (Zusammenarbeit mit der Schlierf-Gruppe, SP-5), (iii) Rekonstitution der Silika-Morphogenese unter Verwendung löslicher Moleküle und unlöslicher organischer Matrices. Diese Untersuchungen führten zur Identifizierung von Cingulin-ähnlichen als auch bisher unbekannten Proteinen der organischen Matrices. Es konnte gezeigt werden, dass Mischungen verschiedener Cinguline pH-abhängig aggregieren und Silica-bildenden Eigenschaften aufweisen. Bemerkenswerterweise zeigten unsere Experimente auch, dass unter Verwendung der löslichen Komponenten und unlöslichen organischen Matrices von Cyclotella cryptica Diatomeen-ähnliche, hierarchisch aufgebaute, poröse Silicastrukturen in vitro erzeugt werden können. In der neuen Förderperiode werden wir insbesondere diese erstaunliche in vitro Bildung hierarchisch strukturierter porösen Silikaformen untersuchen, um den zugrundeliegenden molekularen Mechanismus aufzuklären. Dies soll mittels Proteinfraktionierung und Proteincharakterisierung (Zusammenarbeit mit der Shevchenko-Gruppe, SP-3), höchstauflösender Fluoreszenzmikroskopie (Zusammenarbeit mit der Schlierf-Gruppe, SP-5) und, unter Verwendung molekulargenetischer Methoden, durch Markierung der organischen Komponenten mit fluoreszierenden Proteinen erreicht werden. Diese in vitro Analysen werden zur Aufklärung der an der Morphogenese des Diatomeen Biosilica maßgeblich mitwirkenden Biomoleküle und deren Wechselwirkungen führen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2038: Die Rolle nanostrukturierter organischer Matrizen in der biologischen Mineralisation des Silica