Biomineralisation

Abb. 1: Die Grünalgenart Scenedesmus
obliquus im Lichtmikroskop.

Lebende Organismen produzieren anorganische Materialien mit Hilfe der sogenannten Biomineralisation. Es sind zwei verschiedene Arten dieser Prozesse bekannt: die a) biologisch induzierte sowie die b) biologisch kontrollierte Biomineralisation. Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden Mechanismen liegt in der aktiven Partizipation der Organismen bei b), so dass die dabei produzierten Biominerale immer dieselbe Form und Struktur aufweisen.

Abb. 2: Die Kalkalge Emiliania huxleyi
bildet intrazellulär Coccolithe aus Calcit
(REM-Bild).
Abb. 4: Vier Zellen der Algenart S. obliquus
mit einem Aragonitkristall, der bei der
Kultivierung der Algen in zinkhaltigem
Medium abgeschieden wird (REM-Bild).
Abb. 3: Querschnitt durch eine Zelle der
  Algenart S. obliquus (Inset). Die Vergrö-
ßerung zeigt Zink-Phosphat-Nanonadeln,
die die Zelle bei der Entgiftung von Zink in
ihrem Zytoplasma bildet (TEM-Bilder).

Wir forschen daran, mit Hilfe von lebenden Mikroalgen technisch interessante Keramiken zu synthetisieren. Dabei arbeiten wir mit zwei verschiedenen einzelligen Algen-Arten, der Grünalge Scenedesmus obliquus (Abb. 1), die anhand biologisch induzierter Biomineralisation Minerale herstellt, sowie der marinen Kalkalge Emiliania huxleyi (Abb. 2), die innerhalb ihrer Zelle besonders aufwändig geformte Calcit-Kristalle, die so genannten Coccolithe, durch biologisch kontrollierte Mineralisation generiert. Die Algen werden in Kulturmedien gehalten, die mit bestimmten nicht-biogenen Ionen, wie z.B. Zink, angereichert sind. Da Zink giftig für die Algen ist, versuchen diese, das Medium durch die Aufnahme dieser Ionen in die Zelle zu entgiften. Dort werden die Zinkionen an bestimmte Moleküle gebunden und damit in ungiftigem Zustand abgelagert. So konnte in unserer Arbeitsgruppe nachgewiesen werden, dass Scenedesmus obliquus nach der Zugabe von Zink ins Medium sein Zytoplasma entgiftet, indem es intrazelluläre Zink-Phosphat basierte Nano-Nadeln bildet (Abb. 3). Zinkphosphat kann im Korrosionsschutz eingesetzt werden und dient als Zahn-Zement. Außerdem finden in unserer Arbeitsgruppe auch Untersuchungen zu biologisch induzierter Mineralisation statt. In diesem Bereich konnten wir zeigen, dass bei gleichzeitiger Zugabe von Algen der Art S. obliquus und Zink in wässrigem Medium die Calciumcarbonat-Modifikation Aragonit statt Calcit (ohne Algen und Zink) gebildet wird (Abb. 4).

Die zweite von uns untersuchte Algenart Emiliania huxleyi wird ebenso in Medien mit Fremd-Ionen kultiviert. Auch bei diesen Algen konnten wir eine Aufnahme der Fremd-Ionen in die Zelle nachweisen. Desweiteren versuchen wir, Zink und andere Ionen in die Coccolithe einzubauen.

Abb. 5: Mineralisation von CaCO3 durch halophile (salzliebende)
Bakterien Halomonas halophila.

Neben Algen induzieren auch halophile (salzliebende) Bakterien die Bildung von Calciumcarbonat unter geeigneten Bedingungen. Die natürliche Bildung von Calciumcarbonat sowie eine Modifikation dieses Prozesses zur Synthese verschiedener anorganischer Verbindung wird untersucht. Neben der Bildung von organisch-anorganischen Hybridmaterialien können diese Bakterien auch zur Dekontamination von Metallionen belasteten Gewässern eingesetzt werden. Dabei werden die Metallionen auf der Bakterienoberfläche gebunden und in einem zweiten Schritt durch die Bildung einer Calciumcarbonathülle immobilisiert.

Geförderte Projekte:

DFG PAK 410: Biologische Erzeugung von Oxidkeramiken http://www.bionik.uni-stuttgart.de
BI469/15-1
In vitro und in vivo Synthesen von Oxidkeramiken

Literatur zum Thema:

Kanold, J. M., Lemloh, M.-L., Schwendt, P., Burghard, Z., Baier, J., Herbst, F., Bill, J, Marin, F., Brümmer, F. (im Druck). In vivo enrichment of magnesium ions modifies sea urchin spicule properties. Bioinspired, Biomimetic and Nanobiomaterials, DOI: 10.1680/bbn.14.00023

Lemloh, M.-L., Marin, F., Herbst, F., Plasseraud, L., Schweikert, M., Baier, J., Bill, J., Brümmer, F., 2013. Genesis of amorphous calcium carbonate containing alveolar plates in the ciliate Coleps hirtus (Ciliophora, Prostomatea). Journal of Structural Biology 181, 155-161.

Rothenstein, D., Baier, J., Schreiber, T.D., Barucha, V. and Bill, J., 2012. Influence of zinc on the calcium carbonate biomineralization of Halomonas halophila. Aquatic Biosystems 2012, 8:31. Link

Santomauro, G., Baier, J., Huang, W., Pezold, S., Bill, J., 2012a. Formation of Calcium Carbonate Polymorphs Induced by Living Microalgae. Journal of Biomaterials and Nanobiotechnology 3, 413-420. Link

Santomauro, G., Srot, V., Bussmann, B., van Aken, P.A., Brümmer, F., Strunk, H., Bill, J., 2012b. Biominerlization of zinc-phosphate-based nano needles by living micoralgea. Journal of Biomaterials and Nanobiotechnology, 3, 362-370. Link