Servicenavigation

Project Details

Back

Projekt Print View

Self-assembly und structure formation of spider silk proteins in (ultra-)thin films

Subject Area Polymer Materials
Preparatory and Physical Chemistry of Polymers
Term from 2018 to 2022
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 410872515
 
Final Report Year 2023

Final Report Abstract

In diesem DFG-Projekt wurden definierte blockcopolymerartige Spinnenseidenproteine rekombinant hergestellt und als dünne Filme auf Modellsubstraten appliziert, um Erkenntnisse zur Faltung und Sekundärstruktur in Spinnenseidenfilmen – und Beschichtungen zu vertiefen. Zentrales Material waren eADF4(Cx), eADF4(κ16), eADF4(Ω16) und ferner eADF3(AQ)x bzw. eADF3(QAQ)x, welche an die Primärstruktur des Fibroin 4 und Fibroin 3 der Europäischen Gartenkreuzspinne (Arananeus Diadematus) angelehnt sind. Bei eADF4(Cx) handelt es sich um ein Multiblockcopolymer aus einem kürzeren kristallinogenen Peptidblock (12 AS, PEP-C) und einem längeren amorphogenen Peptidblock (23 AS, PEP-A). Es wurden auch Blends der Einzelpeptide PEP-A und PEP-C untersucht. Strukturelle Parameter bei den eADF4(Cx)-Systemen waren die Modulzahl x und bei den Blendsystemen der (kristallinogene) PEP-C-Anteil Q=PEP-C/(PEP-A+PEP-C). Alle Spinnenseidenmaterialien (Proteine, Blends) wurden aus Hexafluoroisopropanol (HFIP) oder Ameisensäure abgeschieden und in MeOH-Dampf nachbehandelt und mittels FTIR, NANO-IR, CD, Ellipsometrie, SFM, GISAXS/GIWAXS charakterisiert. eADF4(Cx)- und Blendfilme wiesen in der HFIP-Lösung und nach Aufbringung auf Siliziumsubstraten ungeordnete und α-helikale Sekundärstrukturen auf. Nachbehandlung in MeOH-Dampf führte zu senkrecht zur Si-Oberfläche orientierten β-Faltblattstrukturen. Mit zunehmender Modulzahl nahm der β-Faltblattgehalt (Korrelation mit Kristallinität) der nachbehandelten eADF4(Cx)-Filme von 20% bis auf 38% zu. Die Domänengröße (DG) sank von eADF4(C2) zu eADF4(C16) mit steigender Modulzahl (GISAXS). eADF4(C1) und eADF4(C16) wiesen jedoch vergleichbare geringere DG auf. Blendfilme zeigten mit steigendem PEP-C-Anteil einen steigenden β-Faltblattanteil, der aber für das reine PEP-C 53.9% nicht überschritt und aus dem hervorgeht, dass für die β-Faltblattgenese eine ausreichend große amorphe Phase vorhanden sein muss. Solche lokale, nanoskopische, filamentartige Strukturen konnten über NANO-IR signifikant βfaltblattreichen Domänen zugeordnet werden. GISAXS-Daten wiesen darauf hin, dass die DG mit steigendem PEP-C Anteil im Blend und damit mit zunehmender Kristallinität abnahm. Die ansteigende Modulzahl beim AQ- und QAQ-System (eADF3) zeigte keinen signifikanten Effekt auf β-Faltblattanteil und Orientierung. Der Übertrag von eADF4(C16)-Filmen von unidirektional strukturierten PDMS-Wrinkle-Substraten auf Si war möglich, wobei β-Faltblattanteil, AP-Anteil und Orientierung beibehalten werden konnten. Außerdem wurden die rekombinanten Spinnenseidenproteine und synthetischen Polypeptide hinsichtlich Biokompatibilität, Bioabbaubarkeit und Interaktion mit Proteinen, Zellen und humanem Blut untersucht. Ein weiterer Ansatz basierte auf synthetischen Polypeptiden, die durch die erstmals veröffentliche Methode der kontinuierlichen Assemblierungspolymerisation kurz CAP-RAFT, hergestellt wurden. Diese auf synthetischen Polypeptiden basierenden Beschichtungen wurde hinsichtlich Sekundärstruktur und Bioabbaubarkeit untersucht. CAP-RAFT konnte als eine praktikable Strategie zur Herstellung von oberflächenbegrenzten, vernetzten Polypeptidfilmen mit präziser Schichtdickenkontrolle und neuen Eigenschaften wie spezifische Sekundärstrukturbildung und biologischen Abbau etabliert werden. Diese Variabilität der Sekundärstruktur in Verbindung mit dem enzymatischen Abbau zeigt ein hohes Potenzial für zahlreiche Anwendungen. Im Hinblick auf Anwendungen im biomedizinischen Bereich ist die Wechselwirkung zwischen Material und biologischer Umgebung essentiell. Es wurden mehrere Aspekte eingehend untersucht: der Einfluss der Oberflächenladung, der Oberflächenchemie, sprich der Modifikation der Oberflächentopographie und der Hydrophilizität der Oberfläche. All diese Aspekte wurden analysiert um den Einfluss dieser auf die Interaktion mit Proteinen, Zellen und Blut und auf die Bioabbaubarkeit zu verstehen. Ausgehend von den Resultaten der jeweiligen Studien war es möglich, die verschiedenen Spinnenseidenvarianten, die sich in ihrer Aminosäuresequenz und Ladung unterschieden, in bioinerte und bioaktive Varianten zu kategorisieren und ihnen mögliche biomedizinische Anwendungen zuzuordnen. Es konnte gezeigt werden, dass positiv geladene Spinnenseidenproteinvarianten bioaktiv sind und die größte Interaktion mit Zellen und Blut aufweisen. Aminosäuresequenzen basierend auf dem natürlichen Araneus diadematus Fibroin 3 Protein zeigten einen deutlich schnelleren enzymatischen Abbau als die Proteinvarianten, die auf der Aminosäuresequenz des Araneus diadematus Fibroin 4 basieren. Die Einführung von dreidimensionalen Mustern auf der Beschichtungsoberfläche kann die Adhäsion von Zellen auf der negativ geladenen Variante eADF4(C16), welche als glatte Beschichtung kaum Adhäsion von Zellen zeigt, signifikant erhöhen.

Publications

 
 

Additional Information

© 2025 DFG Disclaimer / Copyright / Privacy Policy

Textvergrößerung und Kontrastanpassung