Biomineralisation

Biomineralisation ist die Bildung von anorganischen Materialien durch lebende Organismen. Dabei spielen Template, organischen Gerüststrukturen z.B. aus Proteinen, eine zentrale Rolle bei der Synthese und der Formgebung. Bei dem Prozess der Biomineralisation entstehen organisch-anorganische Hybridmaterialien mit oft erstaunlichen Eigenschaften. Biomineralien werden im Allgemeinen unter moderaten Synthesebedingungen (z.B. Druck, Temperatur) in wässrigem Milieu gebildet. Die Übertragung von Biomineralisationsprozessen für die Erzeugung von technischen Materialien ist daher ein hochaktuelles Forschungsgebiet.
Im Projekthaus NanoBioMater sollen die mechanischen Eigenschaften von funktionalisierten Hydrogelen durch die gezielte Mineralisation variiert werden. Dadurch können neue Materialien für z.B. medizintechnische Anwendungen erzeugt werden. Zudem können im Hydrogel grundlegende Mechanismen der Mineralisation in kompartimentierten Systemen untersucht werden.

Selektion von anorganisch-bindenden Peptiden mittels Phagen Display
Biomineralisation beruht auch auf der Bindung zwischen Proteinen und einer anorganischen Phase. Multifunktionale Proteine, wie sie in der Natur vorkommen, sind schwierig zu Untersuchen. Kleine Peptide, die mit der Bindung zum Zielsubstrat in der Regel nur eine Funktionalität besitzen lassen sich hingegen einfacher charakterisieren. Zudem ist es möglich ein peptidbasiertes Modellsystem zu etablieren, um Biomineralisationsprozesse zu untersuchen.
Das Phagen Display ist eine zielgerichtete Methode um aus einer Peptidbibliothek, die bis zu 2,7 *109 verschiedene Peptide umfasst, jene Peptide zu isolieren, die spezifisch an ein anorganisches Material binden. Jeweils ein bestimmtes Peptid wird dabei auf der Oberfläche eines genetisch veränderten Phagen präsentiert. Aus den selektierten Peptiden können bindungsfördernde bzw. –hemmende Aminosäuren sowie gemeinsame Bindungsmotive abgeleitet werden. Mit Hilfe der selektierten Peptide können dann einfache Modellsysteme entwickelt werden und u.a. die Interaktion zwischen bioorganischen Molekülen und anorganischen Partikeln direkt gemessen werden.


Prinzip der Phagen Display Methode. A) Eine Peptidbibliothek wird auf der Oberfläche von genetisch modifizierten M13 Phagen präsentiert. Die Bibliothek umfasst ca. 2,7 x 109 randomisierte Peptide die als pIII Fusionsprotein exprimiert werden. B) Selektion von spezifisch bindenden Peptiden mittels des Biopanning Prozesses. 1) Bindung der Phagen exprimierten Peptidbibliothek an das anorganische Zielmaterial. 2) Nicht bindende Peptide werden durch Waschschritte entfernt. 3) Stark bindende Peptide werden eluiert. Um die Spezifität der selektierten Peptide zu erhöhen werden die Schritte 1 bis 3 mehrfach wiederholt. Diesen Prozess nennt man Biopanning. 4) Die Peptidsequenz wird über die Sequenzierung des korrespondierenden DNA Abschnitts ermittelt.


Seeigel und Biomineralisation
Seeigel produzieren mineralisierte Skelettstrukturen, Zähne sowie eine Skelettstruktur im Larvenstadium. Das dabei gebildete anorganische Mineral besteht aus Calciumcarbonat (Calcit) mit einem gewissen Prozentsatz von Magnesium sowie einer organischen Molekülen, die in die anorganische Phase eingelagert sind. Die Identifizierung der bioorganischen Moleküle ist von großem Interesse, da diese in den Biomineralisationsprozess involviert sind. Die mineralisierten Strukturen variieren in der gebildeten Form, Funktion und deren mechanischen Eigenschaften und machen sie damit zu einem Ideengeber für Materialien und Konstruktionsprinzipien.
Ein weiterer Vorteil des Seeigel-Modells ist die embryonale Entwicklung und Bildung des Larvenskeletts, das innerhalb weniger Tage gebildet wird. Die Bildung des Larvenskeletts wird nach ca. 24 Stunden initiiert und bildet sich dann aus. Zudem können die mineralisierenden Zellen isoliert werden und in vitro kultiviert werden.