Untersuchung des Ablaufes der Kalzitbiomineralisation in Coccolithophoriden

• Antragsteller: Dr. Damien Faivre; Professor Dr. André Scheffel
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Biomaterialien ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 257409621

Die biologisch kontrollierte Bildung mineralisierter Strukturen ist eine bei vielen Organismen vorzufindende Fähigkeit. Der Weg der biologisch gesteuerten Mineralbildung wird als Biomineralisation bezeichnet. Eines der am Häufigsten biomineralisierten Minerale ist Calciumcarbonat (CaCO3) von dem hauptsächlich die kristallinen Polymorphe Kalzit und Aragonit gebildet werden. Biogene CaCO3-Kristalle weisen häufig komplexe Kristallmorphologien auf, die bei abiotischen CaCO3-Kristallen nie vorzufinden sind. Bei einer Reihe vielzelliger tierischer CaCO3-bildender Organismen wurde entdeckt, dass die Bildung kristallinen CaCO3 über eine transiente amorphe CaCO3 Phase erfolgt. Dieser Weg unterscheidet sich grundlegend von der Bildung abiotischer CaCO3-Kristalle. Eine bisher ungeklärte Frage ist, ob über die Metazoa hinaus auch andere CaCO3-bildenden Organismen kristallines CaCO3 über amorphes Calciumcarbonat (ACC) bilden oder ob der ACC-Weg eine Metazoa-spezifische Entwicklung darstellt. Der vorliegende Antrag beinhaltet zwei voneinander unabhängige Projektteile die darauf abzielen, den Ablauf der Kalzit-Morphogenese in Coccolithophoriden detaillierter zu verstehen. Coccolithophoriden sind eine Gruppe einzelliger Algen, deren charakteristisches Merkmal die Bildung mikrometergroßer Kalkschuppen ist, welche die Oberfläche einer jeden Algenzelle dekorieren. Die Kalkschuppen, Coccolithe genannt, bestehen aus einer organischen Basalplatte und randständigen Kalzitkristallen, die komplexe Morphologien aufweisen. Der Mechanismus der der Coccolithkalzitkristallbildung zu Grunde liegt, ist bisher nicht geklärt. Um diesen untersuchen zu können, haben wir Protokolle etabliert, die es erlauben, Kalzit-freie Algenzellen anzuziehen und die Bildung neuer Coccolithen in diesen Zellen zu induzieren. Die Bildung eines neuen Coccolithen soll mittels Synchrotron-basierter Röntgenabsorptionsspektroskopie und Konfokaler Raman Mikroskopie verfolgt werden. Beide Techniken werden an schockgefrorenen bzw. lebenden Zellen angewendet und beide erlauben es, kristallines und amorphes CaCO3 zu unterscheiden. Sollte ACC bei der Coccolithenbiogenese involviert sein, würde es mit unserem Ansatz detektiert werden. Ein weiterer Faktor, der Einfluss auf die Morphogenese von Kristallen nehmen kann, ist der Einbau von Biomolekülen in das Kristallgitter. Ob auch Coccolithenkalzit intrakristalline Biomoleküle enthält, wie die Kristalle vieler anderer Kalzitbildner, ist aufgrund fehlender Studien weitestgehend unklar. Im zweiten Projektteil soll daher Coccolithenkalzit verschiedener Coccolithophoriden mittels Synchrotron-basierter Röntgenspektroskopie auf intrakristalline Biomoleküle hin untersucht werden. Die Ergebnisse der hier vorgeschlagenen Projektteile werden helfen die Morphogenese der Coccolithenkalzitkristalle besser zu verstehen und werden eine weitere Antwort auf die Frage nach der Verbreitung des ACC-Wegs bei CaCO3-bildenden Organismen geben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Personen: Dr. Luca Bertinetti, Ph.D.; Dr. Admir Masic, Ph.D.; Professorin Dr. Yael Politi, Ph.D.