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Dank Proteinen außergewöhnliches Hartgewebe-Engineering

Knochen, Zähne, Panzer und sogar die empfindliche Zellmembranskulpturierung hängen von der Biomineralisierung ab, einem Prozess, bei dem Proteine Minerale wie etwa Kalzium nutzen. Im Rahmen von EU-Forschung hat man nun dieses faszinierende Gebiet untersucht, das die Materialwissenschaften revolutionieren könnte.
Dank Proteinen außergewöhnliches Hartgewebe-Engineering
Proteine können sowohl hartes als auch weiches Gewebe bilden, den Bereich der Hartgewebe hat man jedoch bislang wenig untersucht. Schwierigkeiten bei der Untersuchung von Proteinstruktur und -funktion an anorganischen festen Oberflächen haben damit zu tun, dass auffallend wenig über die speziellen Zusammenhänge zwischen molekularer Struktur und Funktion bekannt ist, welche die Biomineralisierung regeln.

Das Projekt BIOSILICA FORMATION (A multi-spectroscopic investigation of protein structure in biosilica composites) untersuchte die Moleküle, die am Einbau von Silikat in die Zellwände von Diatomeen beteiligt waren. Im Besonderen zielte das Projekt darauf ab, die von den Proteinen ausgenutzten molekularen Erkennungsmechanismen aufzuklären.

Bezeichnenderweise können Diatomeen in ihrer heimatlichen Umgebung – bei Raumtemperatur in Meerwasser – nanophasige Siliziumdioxidstrukturen synthetisieren. Materialwissenschaftler müssen außergewöhnliche Bedingungen wie etwa extreme Temperaturen und pH-Werte zum Einsatz bringen.

Das Forschungsprogramm beinhaltete Proteinerkennung für Mineralphasen, Proteinarchitektur an Interaktionsstellen mit Mineralen und die Aktivität von Aminosäureseitenketten während der Ausrichtung von Proteinen an Mineralgrenzflächen.

Die Forscher nahmen bei etlichen Spektroskopien, die normalerweise bei der Untersuchung von Biomaterialien verwendet werden, Anpassungen vor. Unter Einsatz von Summenfrequenzspektroskopie, Festkörper-Kernspinresonanz, Elektronenmikroskopie und Simulationen beobachteten sie, auf welche Weise Basispeptide Einfluss auf Biomineralstrukturen ausüben.

Die Wissenschaftler von BIOSILICA FORMATION verwendeten eine Reihe von Lysin-Leucin-Peptiden, Reportermolekülen sowie eine Wiederholungseinheit des Diatomeen-Proteins Silafin, um deren Wechselspiel mit Mineralen und Ausfällung zu untersuchen.

In den Forschungsergebnissen zeigen sich Details der Seitenketten-Oberflächenstruktur im Lauf der Biomineralisierung. Ist die Grenzflächenfaltung abgeschlossen, kann die resultierende Siliziumdioxidmorphologie in Partikeln und Dünnschichten mit einer Breite im Nanometerbereich modelliert werden.

Die BIOSILICA FORMATION-Studie hat die Rolle aufgedeckt, die Proteine in der Biomineralisierung spielen. Diese neu entwickelte Wissensplattform wird als Entwurf für die Gestaltung von Biomaterialien und biomedizinischen Produkten dienen.

Verwandte Informationen

Fachgebiete

Life Sciences

Schlüsselwörter

Protein, Hartgewebe, Biomineralisierung, BIOSILICA FORMATION, Kieselsäureanhydrid, Siliziumdioxid
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