Analyse und Rekonstruktion der molekularen Prinzipien der Faserbildung im Wehrsekret der Stummelfüßer (Onychophora)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Schleim der Stummelfüßer (Onychophora) liefert ein Beispiel für die natürliche Bildung von recyclebaren, proteinbasierten Polymeren. Die Bausteine der Fasern sind in einer wässrigen Lösung gespeichert und reagieren augenblicklich auf Kompression und Scherkräfte, indem sie sich zunächst gelartig vernetzen und dann zu einer zugfesten Faser ziehen lassen. Die Bindungen zwischen den Komponenten sind nicht kovalent, da das Gel nach Minuten und die Fasern innerhalb von Stunden in Wasser dissoziieren. Die Komponenten lassen sich so rückgewinnen und wieder zur Faserbildung einsetzen. Die genannten Prozesse finden außerhalb des Organismus statt und sind unabhängig von regulatorischen Vorgängen innerhalb der Drüse. Die Bildung der Faser ist daher ein selbstregulatorischer Prozess von flüssig zu fest, welcher lediglich von einem mechanischen Einwirken ausgelöst wird. Die zugrundeliegenden physikalisch-chemischen Prinzipien galt es daher eingehend zu untersuchen und für potenzielle künftige biotechnologische Anwendungen zugänglich zu machen. In bearbeiteten Teilprojekten wurden (i) die räumliche Verteilung der Proteine und Lipide aufgeklärt, (ii) eine für Landlebewesen seltene Phosphonat-Kohlenhydrat-Verbindung identifiziert, welche die Eigenschaften der faserbildenden Proteine beeinflusst, und (iii) die Sequenzen, chemischen Strukturen und post-translationalen Modifikationen der essenziellen, über drei Arten hinweg konservierten Proteine entschlüsselt. Die in renommierten Fachzeitschriften veröffentlichten und in der Forschung bereits wertschätzend aufgenommenen Erkenntnisse verändern die Modellvorstellung der Funktionsweise des Beutefangsekrets der Stummelfüßer weitreichend. Nicht nur elektrostatische Wechselwirkungen zwischen gegensätzlich geladenen Proteinregionen und -modifikationen, sondern auch hydrophobe Wechselwirkungen dienen zur Aggregation der Proteine und deren Festigkeit. Die räumliche Trennung von Proteinen unterschiedlicher Eigenschaften dient zur Speicherung und verhindert die ungewollte und vorzeitige Aggregation. Klar abgrenzbare Domänen der essenziellen Proteine liefern ein Bild vielfältiger Eigenschaften und Funktionen, welche in Reaktion auf die unterschiedlichen Anforderungen der Natur, wie Adhäsion an diverse Oberflächen, schnelle Faserbildung und Stabilität der Fasern, zu betrachten ist. Eine schrittweise Nachbildung der Komponenten und Testung deren Eigenschaften erscheint nun möglich. Diese Bestrebungen werden einen Beitrag zur Erforschung neuer Wege zur nachhaltigen Synthese biologischer Polymere und Materialien leisten können. "Achtung, hier kommt Bio-Klebstoff", Hessische/Niedersächsische Allgemeine vom 04.04.2023.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
Peculiar Phosphonate Modifications of Velvet Worm Slime Revealed by Advanced Nuclear Magnetic Resonance and Mass Spectrometry. Journal of the American Chemical Society, 145(38), 20749-20754.
Poulhazan, Alexandre; Baer, Alexander; Daliaho, Gagan; Mentink-Vigier, Frederic; Arnold, Alexandre A.; Browne, Darren C.; Hering, Lars; Archer-Hartmann, Stephanie; Pepi, Lauren E.; Azadi, Parastoo; Schmidt, Stephan; Mayer, Georg; Marcotte, Isabelle & Harrington, Matthew J.
-
The Internal Structure of the Velvet Worm Projectile Slime: A Small‐Angle Scattering Study. Small, 19(22).
Baer, Alexander; Hoffmann, Ingo; Mahmoudi, Najet; Poulhazan, Alexandre; Harrington, Matthew J.; Mayer, Georg; Schmidt, Stephan & Schneck, Emanuel
