Rekonstruktion der mineralischen Morphogenese in membranumschlossenen Kompartimenten

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Stefan Diez; Professorin Dr. Claudia Steinem
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 508949948

Biomineralisierung findet häufig in membranumschlossenen Kompartimenten statt, in denen Mineralvorläufer und akzessorische Moleküle in einem begrenzten Volumen kombiniert werden. Der Transfer der Mineralvorläufer in diese membranumschlossenen Kompartimente erfolgt durch spezialisierte Vesikel, die mit der Kompartimentsmembran verschmelzen. Wie der schrittweise Transfer der Vorläufer und die Freisetzung in das begrenzte, membranumschlossene Kompartiment erfolgt und wie die physikalisch-chemischen Bedingungen und die Mineralisierungsmodifikatoren innerhalb des Kompartiments die Mineralmorphogenese beeinflussen, ist bisher unzureichend erforscht. Um Zugang zu diesen Parametern zu erhalten, zielen wir in diesem Projekt darauf ab, ein vielseitiges In-vitro-System zu etablieren, das es uns ermöglicht, (i) membranumschlossene Kompartimente zu rekonstituieren, (ii) mineralbildende Reagenzien schrittweise über die Fusion von Vesikeln hinzuzufügen und (iii) die Mineralisierung in Abhängigkeit von den chemischen und physikalischen Bedingungen der Membran und innerhalb des Kompartiments quantitativ zu untersuchen. Der motorgestützte Vesikeltransport, in Verbindung mit dem von uns etablierten Fusionssystem, soll hochlokalisierte Fusionsereignisse ermöglichen und die natürlichen Vesikel-Kompartiment-Fusionsmechanismen nachahmen, von denen angenommen wird, dass sie bei der Biomineralisierung essentiell sind. In dem Projekt werden wir uns auf das Mineral Calciumcarbonat konzentrieren. Wir werden untersuchen, wie die Anwesenheit verschiedener Arten von Mineralvorläufern, organischen Mineralisierungsmodifikatoren, Ionen und molekularen Verdrängern in den Kompartimenten die Kinetik der Mineralisierung sowie das fertige Mineral verändert. Darüber hinaus wollen wir untersuchen, wie Größe und Form der Kompartimente sowie die Zusammensetzung der sie einschließenden Lipiddoppelschichten die Mineralmorphologie beeinflussen. Wir erwarten, dass unser Ansatz nicht nur zum Verständnis der Morphogenese von Calciumcarbonat-Mineralen beiträgt, sondern auch die Grundlage für Studien an anderen Mineralen bildet. Das Gesamtziel unseres Projekts ist die Entwicklung eines vollständig synthetischen Systems, das den natürlichen mehrstufigen Prozess der Biomineralisierung nachahmt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen