Streng biomimetische Modellsysteme für die Biomineralisation von Siliciumdioxid

• Antragsteller: Professor Dr. Henning Menzel
• Fachliche Zuordnung: Biologische und Biomimetische Chemie
• Förderung: Förderung von 2003 bis 2007
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5405884

• Erstellungsjahr: 2013

Zusammenfassung der Projektergebnisse

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“.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• "Chemical properties of polyamines with relevance to the biomineralization of silica" Chem. Commun. (2003) 2994-2995
  Menzel H, Horstmann S, Behrens P, Bärnreuther P, Krueger I, Jahns M
  
• “Kinetic investigations on the system polyamine-silica with respect to biomineralisation”. 2nd European Organosilicon Days, München (2003)
  Bärnreuther P, Jahns M, Krueger I, Behrens P, Horstmann S, Menzel H
  
• "Kinetic investigations on polyamine-silica system with relevance to biomineralization" Organosilicon VI, N. Auner, J. Weis, Eds., Wiley-VCH, Weinheim, 2004
  Bärnreuther P, Jahns M, Krueger I, Behrens P, Horstmann S, Menzel H
  
• "Model Systems for Biomineralization: Fabrication of Restricted Reaction Areas for Silica Deposition” Abstracts of Papers, 230th ACS National Meeting, Washington, DC, United States, Aug. 28-Sept. 1, 2005 (2005), PMSE-160
  Menzel H, Helmecke O, Behrens P
  
• “Biomimetic micropattems on surfaces as restricted reaction areas for silica deposition”. BASF Symposium on Bioinspired Materials, Strasbourg/Frankreich (2006)
  Helmecke O, Behrens P, Menzel H
  
• “Biomimetic Micropatterns on Surfaces as Restricted Reaction Areas for Silica Deposition”. Makromolekulares Kolloquium, Freiburg (2007)
  Helmecke O, Behrens P, Menzel H
  
• ”Bio-Inspired Construction of Silica Surface Patterns” in Handbook of Biomineralization Vol.2 Biomimetic and Bio-Inspired Materials Chemistry (Eds.: P. Behrens, E. Baeuerlein), Wiley-VCH, Weinheim, 2007, p. 193
  Helmecke O, Behrens P, Menzel H
  
• ”The Polyamine Silica System: A Biomimetic Model for the Biomineralization of Silica” in Handbook of Biomineralization Vol.2 Biomimetic and Bio-Inspired Materials Chemistry (Eds.: P. Behrens, E. Baeuerlein), Wiley-VCH, Weinheim, 2007, p. 1
  Behrens P, Jahns M, Menzel H
  
• “Influence of Polymeric Additives on Biomimetic Silica Deposition on Patterned Microstructures” J. Coll. Interface Sci. 321, (2008) 44-51
  Helmecke O, Hirsch A, Behrens P, Menzel H
  
• “Influence of Shape and Surface Properties of Microstructured Reaction Areas on the Deposition of Silica” Coll. Polym. Sci. 286, (2008) 305-311
  Helmecke O, Menneking C, Behrens P, Menzel H
  
• “Microstructured Reaction Areas for Silica Deposition” Coll. Polym. Sci. 286, (2008) 225-231
  Helmecke O, Hirsch A, Behrens P, Menzel H
  
• "Preparation, Characterization, and Thermal Gelation of Amphiphilic Alkyl-poly(ethyleneimine)" Langmuir 25, (2009), 10558-10566
  Navarro S, Shkilnyy A, Tiersch B, Taubert A., Menzel H.
  
• "A new liquid chromatography/electrospray ionization mass spectrometry method for the analysis of underivatized aliphatic long-chain polyamines: application to diatom-rich sediments " Rapid Commun. Mass Spectroscopy 25 (2011) 877-888
  Bridoux M C, Annenkov V V, Menzel, H, Keil R G, Ingalls A E