Geometrische Frustration kontrolliert die Morphogenese von Protein-Superstrukturen in Demospongiae

• Antragsteller: Dr. Igor Zlotnikov
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 525814459

Schwämme (Porifera) sind eine Gruppe von filtrierenden Meerestieren mit etwa 10 000 lebenden Arten. Während der Großteil der Schwammkörper aus organischem Weichgewebe besteht, werden ihre mechanische Stabilität und Festigkeit durch mineralisierte Skelettelemente, so genannte Spicula, erreicht, die das organische Gewebe verstärken. Demosponges sind eine Schwammklasse, in der diese Spicula aus amorphem Glas bestehen. Erstaunlicherweise weisen diese Spicula trotz der amorphen Natur der mineralischen Phase eine Vielzahl hochgradig regelmäßiger dreidimensionaler verzweigter Morphologien auf, die ein Paradebeispiel für Symmetrie in biologischen Systemen darstellen. Während der Spicule-Bildung wird die Ablagerung von Kieselsäure durch axiale Filamente gesteuert, die aus multifunktionalen, enzymatisch aktiven Proteinen (Silicateinen) bestehen, die in einer mesoskopischen kristallähnlichen Struktur angeordnet sind. Darüber hinaus bestimmt die kristallografische Verzweigung dieser Proteinkristalle die äußerst regelmäßige Morphologie der Spicula, die ansonsten aus einem amorphen Material bestehen. Trotz unseres grundlegenden Verständnisses dieses außergewöhnlichen Biomineralisierungsschemas ist jedoch wenig darüber bekannt, wie sich die Proteinkristalle bilden und welche Kräfte die Morphogenese der Spicula in 3D steuern. In dieser Forschungsarbeit schlagen wir vor, die hybriden Protein-/Mineralkristalle in den axialen Filamenten verschiedener mariner Schwämme in mehreren Maßstäben zu untersuchen und ihre Bildung zu modellieren, wobei wir davon ausgehen, dass die Morphogenese durch geometrische Frustration und die daraus resultierende mechanische Belastung gesteuert wird. Die Hauptziele der vorgeschlagenen Forschung sind die Verwendung verschiedener Spicule-Morphologien, um: (i) die Entwicklung der morphologischen und kristallographischen Eigenschaften der kristallinen Überstruktur aus Hybridprotein und Mineralien während ihres Wachstums zu verfolgen. (ii) die Entwicklung von Gitterdefekten und Gitterspannungen in der hybriden Protein/Mineral-Kristallstruktur während ihres Wachstums zu verfolgen. (iii) Korrelation zwischen der gemessenen Entwicklung der morphologischen und der Gittereigenschaften mit dem Ziel, ein umfassendes Modell für die Morphogenese von Schwammspitzen zu erstellen, das auf einer spontanen geometrischen Frustration von periodisch gepackten Proteinmakromolekülen beruht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Israel
• ausländischer Mitantragsteller: Professor Dr. Efi Efrati