Erforschung der Morphogenese omniphober Nano-Ornamentierungen auf der Cuticula des Springschwanzes

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Yael Politi, Ph.D.; Professor Dr. Carsten Werner
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 570061627

Benetzungsbeständigkeit (Omniphobizität) ist eine sehr begehrte Materialeigenschaft im täglichen Leben, in der Industrie, der Medizin oder in der See- und Luftfahrt. Omniphobe Oberflächen ermöglichen es, dass Maschinen und Werkzeuge länger trocken, sauber und funktionsfähig bleiben, die Haltbarkeit von Lebensmitteln verlängert wird oder die Übertragung von Krankheitserregern reduziert wird. Seit vielen Jahren haben Forscher verschiedene Top-Down-Ansätze zur Schaffung von omniphoben Oberflächen vorgeschlagen, aber keiner davon war skalierbar oder für großflächige Beschichtungen wirtschaftlich tragfähig. Springschwänze (Collembola), enge Verwandte von Insekten, haben sich an das Leben an Land mit der Atmung durch ihre Körperoberfläche angepasst. Dies erfordert a priori eine stark benetzungsresistente Kutikula, was durch eine nanoskalige Oberflächenarchitektur erreicht wird. Die dafür verantwortlichen Strukturen besitzen pilzförmige Überhangquerschnitte, eine Strukturausprägung die dafür bekannt ist, Omniphobizität hervorzurufen. Diese Strukturen sind weiterhin in eine gitterartige Ornamentik eingebettet, was die mechanische Stabilität unterstützt. Bisherige Forschungen haben gezeigt, dass die gesamte omniphobe Nanoornamentik mit der obersten proteinhaltigen Epikutikel und nicht der darunter liegenden Chitinschichten assoziiert ist. Die zugrundeliegende biologische Morphogenese dieser Strukturen ist jedoch noch nicht geklärt, obwohl sie als Grundlage für einen skalierbaren Bottom-up-Prozess dienen kann. Das vorgeschlagene Projekt zielt darauf ab, die Proteine zu identifizieren, die an der Bildung dieser Struktur beteiligt sind, und die räumlich-zeitlichen morphogenen Prozesse aufzuklären. Um dies zu erreichen, werden wir fortschrittliche bildgebende Verfahren, transkriptomische und proteomische Analysen sowie verschiedene spektroskopische Methoden einsetzen. Parallel dazu werden wir ein Hochdurchsatz-Screening durchführen, das durch einen Design-of-experiment Ansatz und multivariate statistische Analysen unterstützt wird, um die Strukturbildung mit rekombinanten Proteinen in vitro effektiv durch 'Reverse-Engineering' nachzubilden. Unsere Haupthypothese besagt, dass die Morphogenese auf Turing's Reaktions-Diffusions-Theorie basiert, die das Zusammenspiel einer schnell diffundierenden Lipidphase und einer langsam diffundierenden Proteinphase während der Kutikulaerneuerung im Häutungszyklus beinhaltet. Modellierung und Simulation werden die In-vitro-Experimente begleiten und eine Rückkopplung zwischen Experiment und Simulation ermöglichen, um Modellannahmen und -anpassungen, wie Diffusionsparameter oder Phasenverhältnisse, zu bestätigen oder zu widerlegen. Dieses Projekt zielt nicht nur darauf ab, die noch unbekannten morphogenetischen Prozesse in der Epikutikula von Arthropoden im Allgemeinen aufzuklären, sondern stellt auch den ersten Schritt zur Übersetzung dieses Wissens in synthetische selbstassemblierende omniphobe Grenzflächen dar.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen