Aufklärung der Struktur-Funktionsbeziehung in Silicaninen und ihrer Rolle bei der Bildung des Diatomeen-Silica

• Antragsteller: Professor Dr. Nils Kröger
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenphysiologie ; Biochemie und Biophysik der Pflanzen ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 561133711

Organismen habe die faszinierende Fähigkeit durch genetisch kontrollierte Mechanismen (Biomineralisierung) anorganische Materialien mit komplexer Morphologie und außergewöhnlichen Eigenschaften herzustellen. Wie die kodierten Proteine und andere Biomoleküle die Morphogenese von Mineralien jenseits der Nanometerskala über mehrere Größenordnungen hinweg steuern, ist kaum verstanden. Die Biomineralisierung durch Kieselalgen, eine große Gruppe einzelliger Mikroalgen, die kompliziert gemusterte Siliziumdioxid-Zellwände im Nano- und Mikromaßstab (5-500 µm) produzieren, sind Modellsysteme zur Untersuchung der grundlegenden Mechanismen der Biomineralisierung. Die Bildung von Silica in Kieselalgen und allen anderen Silica-bildenden Protisten erfolgt in einem spezialisierten intrazellulären Kompartiment, dem so genannten Silica-Ablagerungsvesikel (SDV), an dem eine große Familie von Transmembranproteinen, die so genannten Silicanine, beteiligt ist. Anhand von In-vivo- und In-vitro-Tests konnte die Gruppe Kröger nachweisen, dass Silicanin-1 die Morphogenese des Silica durch die Bildung supramolekularer Cluster und die Interaktion mit generischen Komponenten des Diatomeen-Silica, den langkettigen Polyaminen (LCPAs), steuert. Mithilfe von In-silico-Strukturmodellen hat die Zarivach-Gruppe Wechselwirkungen zwischen dem zytoplasmatischen Schwanz von Silicanin-5 mit dAnk1 und dAnk3 vorhergesagt, die die Bildung von Porenmustern des Diatomeen-Silica steuern. Gen-Knockout-Experimente und in vitro-Bindungstests haben die in silico-Vorhersagen teilweise bestätigt. Wir stellen die Hypothese auf, dass die Morphogenese von Siliziumdioxid durch Phasentrennungsprozesse gesteuert wird, die auf dem räumlich und zeitlich koordinierten Aufbau von Proteininteraktionsnetzwerken an der SDV-Membran beruhen, wobei Silicanine und dAnks Schlüsselkomponenten darstellen. Diese Hypothese werden wir mittels molekulargenetischen und biochemischen Methoden sowie Strukturbestimmung und Modellierung untersuchen. Auf diese Weise können wir strukturelle Merkmale, die die Funktion der Silicanine bestimmen, vorhersagen und experimentell validieren, und damit die Gültigkeit des Modells der Phasentrennung vermittelten Morphogenese von Biosilica überprüfen. Unsere Forschung wird einen tiefen Einblick in die Struktur-Funktions-Beziehung bei Silicaninen geben und Licht auf die Mechanismen werfen, durch die sie die Biosilica-Morphogenese im SDV von Diatomeen und anderen Silica-bildenden Organismen steuern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Israel
• Partnerorganisation: The Israel Science Foundation
• Kooperationspartner: Professor Dr. Raz Zarivach