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Truly biomimetic model systems for the biomineralization of silica

Applicant Professor Dr. Peter Behrens (†)
Subject Area Biological and Biomimetic Chemistry
Term from 2001 to 2007
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5315256
 
Final Report Year 2013

Final Report Abstract

Kieselalgen (Diatomeen) bilden Schalen aus amorphem Siliciumdioxid (Silica) aus, deren Porenmusterung häufig ästhetisch ansprechend ist. In diesem Projekt wurden Untersuchungen an Modellsystemen durchgeführt, die es uns erlauben sollten, tiefere Einblicke in die Bildung dieser Schalen in der Natur zu erhalten. Der streng biomimetische Ansatz sieht dabei vor, dass diese Modelle der Natur so nahe wie sinnvoll möglich kommen sollten. Biochemiker konnten bestimmte Substanzen aus Diatomeenschalen extrahieren, von denen angenommen werden darf, dass sie am Prozess der Biomineralisation von Silicumdioxid beteiligt sind. Es konnte nachgewiesen werden, dass diese Polyamine auch in vitro die Abscheidung von Siliciumdioxid beschleunigen. Allerdings lassen sich diese Polyamine aus den Diatomeen nur in sehr geringen Mengen gewinnen, so dass weitergehende Untersuchungen nicht möglich waren. Wir haben den natürlich vorkommenden Stoffen sehr ähnliche Polyamine synthetisch in größeren Mengen hergestellt und konnten in Modellreaktionen feststellen, dass diese Substanzen nicht direkt in die Kondensationsreaktionen, die zur Ausbildung des Silica führen, involviert sind, wie bisher angenommen wurde. Die Polyamine beeinflussen aber sehr wohl die Aggregation und Präzipitation der Silica-Partikel, die sich durch diese Reaktionen bilden. Interessanterweise entspricht die Kinetik in unseren Modellsystemen vom Zeitablauf her dem Zeitbedarf der Bildung einer Diatomeenschale: in beiden Fällen ist die Abscheidung des Silica ca. 30 min nach Reaktionsbeginn (bzw. nach einer Zellteilung) beendet. Für die Ausbildung der Muster der Diatomeenschalen wurden verschiedene Modelle vorgeschlagen, u.a. ein sogenanntes Phasenseparationsmodell, in dem es durch (rein physikalisch-chemische, biologisch nicht weiter beeinflusste) Selbstorganisation zur Musterbildung kommt, wie auch komplexere Modelle, bei denen die Poren durch größere Proteine oder Proteinkomplexe erzeugt werden. Wir haben ein biomimetisches Modell entwickelt, in dem die postulierten Phasenseparationsprozesse ablaufen könnten. Zwar wurden hier zahlreiche interessante Beobachtungen gemacht, es konnte aber keine Musterbildung, die Diatomeenschalen geähnelt hätte, festgestellt werden. In der Gesamtschau hat dieses Projekt die Erkenntnisse zu den chemischen Prozessen bei der Bildung von Diatomeenschalen wesentlich vorangebracht. Ausschlaggebend für den Erfolg war dabei, dass wir für unsere Studien synthetische Polyamine genutzt haben, deren Struktur sehr eng (also „streng biomimetisch“) an die in der Natur vorkommenden kurzkettigen, linearen Polypropylenimine angelehnt war. Über die Arbeiten von Prof. Menzel wurde am 1. April 2004 in der Braunschweiger Zeitung der Artikel „Chemie und Schöpfung: Biominerale“ veröffentlicht. Über die Arbeiten von Prof. Behrens erschien am 21.06.2003 ein Artikel in der Hannoverschen Allgemeinen Zeitung: „Wunderwerke mit Nutzwert“.

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