Mainzer Wissenschaftler lüften Schleier um Biomineralisation: Händigkeit entscheidend

Viele Meeresbewohner wie Perlenaustern, Seeigel oder Korallen sind kunstfertige Meister der Biomineralisation. Sie sind nicht nur in der Lage Calciumcarbonat selbst herzustellen, sondern verleihen dem Kalkstein – so die umgangssprachliche Bezeichnung – auch eine besondere Härte, die durch Menschenhand bisher nicht zu erreichen war. Wissenschaftler um Univ.-Prof. Dr. Wolfgang Tremel von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz konnten nun erstmals zeigen, dass die Bildung unterschiedlicher Formen und Stabilitäten von Calciumcarbonat durch die sogenannte Chiralität von Hilfsstoffen während der Kristallisation bestimmt wird. Die Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ hat die Forschungsergebnisse in ihrer jüngsten Ausgabe veröffentlicht und mit der herausragenden Bewertung „Very Important Paper (VIP)“ beurteilt.

Chiralität ist ein weit verbreitetes Merkmal in der Natur und beschreibt die Tatsache, dass zahlreiche Moleküle sich in ihrer räumlichen Anordnung zueinander verhalten wie Hände – sie sind analog aufgebaut, aber spiegelbildlich und lassen sich nicht zur Deckung bringen. In der Natur kommt von wichtigen biochemischen Molekülen ausschließlich eine von diesen zwei möglichen spiegelbildlichen Strukturen vor; dieses Phänomen wird als Homochiralität bezeichnet. So treten fast alle Aminosäuren nur in einer Form auf – per Definition der linkshändigen Form, chirale Zucker dagegen in der rechtshändigen.

Setzt man im Labor bei der Kristallisation von Calciumcarbonat die natürliche L-Form von Aminosäuren ein, so bildet sich eine weniger stabile Variante des Calciumcarbonats, der Aragonit. Aragonit kommt in der Natur vor allem bei Muscheln, Austern und Perlen vor und ist an dem schillernden Farbenspiel des Perlmutts mitbeteiligt. Setzt man jedoch die „unnatürliche“, künstlich hergestellte rechtsdrehende Aminosäure-Form ein, so bildet sich Calcit. Calcit, auch Kalkspat genannt, wird auch immer unter „normalen“ Bedingungen, also ohne Zusätze wie etwa von Aminosäuren, gebildet. Das heißt die Chiralität der zugesetzten Aminosäure bestimmt, welche Form von Calciumcarbonat entsteht.

Diese Befunde lassen den Schluss zu, dass die unterschiedlichen Formen von Calciumcarbonat eine der beiden enantiomeren Formen – die rechts- oder die linkshändige – bevorzugt an ihrer Oberfläche binden. Diese bevorzugte Oberflächen-Bindung könnte umgekehrt auch zu der bevorzugten Bildung nur einer Aminosäure-Form geführt haben. Die Ergebnisse liefern somit möglicherweise einen Hinweis darauf, warum in der Urzeit eine chirale Sorte der Aminosäuren bevorzugt gebildet wurde, da im Archaikum der Meeresboden von Calcit bedeckt war. Dies wäre eine Erklärung dafür, wie Aminosäuren in der Urzeit nach ihrer Chiralität sortiert und zu Peptiden polymerisiert wurden – die Grundlage für Proteine und darauf aufbauende komplexere biochemische Lebensmoleküle und Grundlage für das Leben überhaupt.

Stephan E. Wolf, Niklas Loges, Bernd Mathiasch, Martin Panthöfer, Ingo Mey, Andreas Janshoff, Wolfgang Tremel. Phasenselektion von Calciumcarbonat durch die Chiralität adsorbierter Aminosäuren. Angewandte Chemie, Vol. 119, Issue 29, Pages 5716- 5721.
http://dx.doi.org/10.1002/ange.200700010 (German Edition)
http://dx.doi.org/10.1002/anie.200700010 (International Edition)
Kontakt und Informationen:
Univ.-Prof. Dr. Wolfgang Tremel
Institut für Anorganische Chemie und Analytische Chemie
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Tel. 06131 39-25135, Fax 06131 39-25605
E-Mail: tremel@mail.uni-mainz.de