Modellierung von Kontrollmechanismen in der Biomineralisation: Studien zur Wechselwirkung von biomimetischen Peptiden mit Pränukleationsspezies.

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Stephan E. Wolf
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Analytische Chemie ; Biologische und Biomimetische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 568846534

Biomineralisierende Organismen wandeln einfachste Mineralien wie Calciumcarbonat (CaC) oder -phosphat (CaP) in komplexe Hybridmaterialien um, deren Multifunktionalität und strukturelle Komplexität mit derzeitig verfügbaren synthetischen Verfahren nicht annähernd erreicht werden kann. Die Biosynthese dieser Materialen umgeht bemerkenswerterweise klassische, ionenvermittelte Kristallisation und erzwingt einen nicht-klassischen Mineralisationsmechanismus, der von amorphen Vorläufern bestimmt wird, deren strukturelle Merkmale die endgültigen Eigenschaften des Biominerals mitbestimmen. Bislang sind die molekularen Mechanismen ungeklärt, auf die sich Organismen stützen, um eine derart präzise Kontrolle über die Bildung und Umwandlung amorpher Phase zu erzielen. Unsere Studien haben kürzlich gezeigt, dass synthetische Moleküle die Bildung amorpher Minerale beeinflussen, wenn sie spezifisch an Pränukleationsspezies (PNS) binden, d. h. an stabile polyionische gelöste Spezies, die wesentliche Triebkräfte für nichtklassische Schemata von CaC und CaP sind. Biomineral-assoziierte Proteine, die bekanntermaßen transiente amorphe Vorläufer induzieren können, weisen ungewöhnliche chemische Motive auf: sie sind reich an sauren Primärsequenzen, häufig in Verbindung mit wiederkehrenden Sequenzen niedriger Komplexität. Häufig weisen diese Proteine zudem posttranslationalen Modifikationen auf, die weitere Ladung in das Biomolekül einführen. Dieses binationale Forschungsprojekt kombiniert diese jüngsten Erkenntnisse und wird klären, ob diese charakteristischen Strukturmotive als PNS-Bindungsstellen fungieren. Im Rahmen des Projekts werden prä- und post-kritische Peptid-Mineral-Wechselwirkungen mit Hilfe von vereinfachten Modellsystemen en detail betrachtet. Mittels in situ-Potentiometrie, -Kalorimetrie, -Spektroskopie und weiteren Methoden werden Ca- und PNS-Bindungsfähigkeiten bestimmt. Für die Untersuchung der relevanten Peptid-PNS-Komplexe auf atomare Längenskala wäre magnetische Kernresonanzspektroskopie (NMR) die Methode der Wahl. Jedoch ist in situ MAS-NMR für wässrige Systeme unmöglich. Dieses Hindernis umgehen wir in diesem Projekt durch den innovativen von cryoNMR, d.h., Kryofixation der flüssigen Proben — ganz analog zu anderen kryogenen Verfahren. Durch Einsatz entsprechender Methoden können die dynamisch-komplexen Solute wörtlich „eingefroren“ werden, sodass dank niedriger Temperaturen die molekularen Wechselwirkungen hinter der Stabilisierung von PNS durch die Peptide — die als definierte und kleinmolekulare Mimetika von komplexen Biomineralisationsproteinen dienen — aufgeklärt werden können. Dieses binationale Projekt baut auf einen multimethodischen, skalenübergreifender Experimentalansatz, der die komplementären Fachkenntnisse der beteiligten Partner synergetisch nutzt, um zu verstehen, wie Organismen eine präzise Mineralisationskontrolle erreichen und nichtklassische Prozessen forcieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Professor Dr. Thierry Azais