Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Kalkalgen: Ein Adressschild für Calcium

05.08.2016

Kalkalgen, Muscheln, aber auch Seeigel und Seesterne sind Baumeister der Nanowelt: Nur mit Kalk, Proteinen und Zuckern erschaffen sie präzise geformten Strukturen. Wissenschaftler der Potsdamer Max-Planck-Institute für molekulare Pflanzenphysiologie und für Kolloid- und Grenzflächenforschung haben nun einen entscheidenden Mechanismus entdeckt, wie eine Kalkalge die filigranen Konstruktionen erzeugt. Die Erkenntnisse könnten auch für andere Produkte der Biomineralisation etwa in Knochen oder Zähnen relevant sein, und sie könnten sich sogar technisch nutzen lassen.

Kalkalgen machen Design für die Massenproduktion. Obwohl selbst die schwersten Exemplare der Meeresbewohner weniger als ein Milliardstel Gramm wiegen, produzieren alleine die einzelligen Kalkalgen weltweit Calciumcarbonat, also Kalk, mit einer Masse von bis zu 500 Millionen Tonnen.


Die Kalkalge Pleurochrysis carterae

André Scheffel u. Damien Faivre / MPI für molekulare Pflanzenphysiologie


Eine Kalkschuppe, Coccolith genannt, von P. carterae

André Scheffel u. Damien Faivre / MPI für molekulare Pflanzenphysiologie

Das entspricht etwa einem Drittel der weltweiten Stahlproduktion pro Jahr. Den Kalk bauen sie in Form von einigen Nanometer großen Kristallen –Fachleute sprechen von Calcit – in filigrane Strukturen ein, die am Reißbrett entworfen sein könnten. Die architektonischen Meisterwerke sind allerdings nicht das Ergebnis eines planvollen Vorgehens, sondern allein ein Werk der Biochemie der Mikroorganismen.

„Wir haben einen biochemischen Mechanismus entdeckt, der bewirkt, dass sich die Kristalle dort bilden, wo sie gebraucht werden“, sagt André Scheffel, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie und Leiter der aktuellen Studie.

Untersucht hat das Forscherteam, zu dem auch Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung sowie des GeoForschungsZentrums Potsdam gehörten, die Kalkalge Pleurochrysis carterae. Sie gehört zu den Coccolithophoriden, einer Gruppe von einzelligen Meeresalgen, die ihren Namen den Kalkschuppen – Coccolithen genannt – auf ihrer Oberfläche verdanken.

Diese winzigen Kalkschuppen besitzen eine Bodenplatte, die aus organischem Material, vor allem Cellulosefasern, besteht und wie ein Tortenboden von einem Rand eingefasst wird. An diesem Rand, und nur dort, sind abwechselnd Calcit-Kristalle mit zwei unterschiedlichen Formen angeordnet.

Die Coccolithen werden im Inneren der Zelle in einem speziellen Vesikel, einem von einer Membran umschlossenen Raum, gebildet. Die fertigen Coccolithen werden dann aus der Zelle ausgeschleust und im Coccolithenpanzer integriert, der jede Algenzelle umgibt.

Vielfachzucker transportieren nur Calcium und kein Calciumcarbonat

„Wie sich die regelmäßige Struktur in dem speziellen Membranraum bildet, war bislang unklar“, sagt André Scheffel. „Bislang hielt man die chemische Struktur der Bodenplatte für ausschlaggebend, damit sich die Kalk-Kristalle nur am Rand der Coccolithen bilden“, so Scheffel. Die Potsdamer Forscher haben diese Vermutung nun mit Versuchen im Reagenzglas widerlegt.

Zunächst lösten sie die Kristalle von isolierten Coccolithen auf und trennten das freigesetzte organische Material in die Bodenplatte sowie die löslichen Vielfachzucker und Proteine. Anschließend boten sie zum einen der Bodenplatte alleine, zum anderen der Bodenplatte zusammen mit den löslichen organischen Komponenten verschieden Ionen an: Calcium-, Carbonat- sowie andere Metallionen.

Wie die Experimente zeigten, bilden sich an der Bodenplatte alleine keine Kristalle. „Damit die Kalk-Kristalle an der richtigen Stelle entstehen, kommt es interessanter Weise auf die löslichen negativ geladenen Vielfachzucker an“, sagt André Scheffel. Diese transportieren aber nur das positiv geladene Calcium und kein Calciumcarbonat zum Rand der Bodenplatte und lagern sich mit ihm dort in Form kleiner Klümpchen ab. Die Proteine sind an der Navigation demnach unbeteiligt.

Frühere Untersuchungen hatten zwar ergeben, dass die löslichen Bestandteile bei der Kristallisation von Calciumcarbonat mitmischen. Welche Rolle Vielfachzucker und Proteine dabei genau spielen, war bislang aber nicht bekannt.

Wie die Forscher außerdem festgestellt haben, funktioniert die zielsichere Zustellung nur mit Calcium, andere Metallionen wie Magnesium oder Natrium verteilen die Polysaccharide wahllos auf der Bodenplatte oder liefern sie dort gar nicht ab. Das ist in etwa so, als könnte ein Logistik-Unternehmen nur genau eine Fracht zuverlässig zur richtigen Adresse liefern, weil nur diese Ladung bei der Navigation helfen kann.

Anregungen für die Nanotechnologie

„Unsere Erkenntnisse sind wahrscheinlich nicht nur für P. carterae relevant, sondern für alle Organismen, die Kalk verarbeiten: andere Kalkalgen, Muscheln und Seeigel“, sagt André Scheffel. „Möglicherweise handelt es sich sogar um einen Mechanismus, der bei der Biomineralisation generell eine Rolle spielt, also auch bei der Bildung von Zähnen und Knochen.“ Denn auch hier ist bislang unklar, warum die mineralischen Kristalle dort entstehen, wo sie hingehören.

Inwieweit auch in anderen Organismen, die Biominerale bilden, lösliche Biomoleküle wie etwa Vielfachzucker daran beteiligt sind, dass sich die Kristalle an der richtigen Stelle bilden, wollen die Forscher nun untersuchen. Außerdem möchten sie herausfinden, welche Bestandteile der Bodenplatte und der löslichen Vielfachzucker im Zusammenspiel mit Calcium für dessen zielgenaue Zustellung sorgen. Zu klären bleibt zudem, wie P. carterae aus den Klumpen von Calcium und Zucker Kalk-Kristalle mit zwei verschiedenen Formen entstehen lässt.

Diese Fragen wollen André Scheffel und seine Kollegen nicht nur beantworten, weil Kalkalgen mit dem Kalk auch große Mengen Kohlendioxid binden und daher eine enorme ökologische Bedeutung haben. Dahinter zu kommen, wie Meerestiere Kalk-Konstruktionen bauen, könnte auch für technische Anwendungen nützlich sein. Die Kniffe der Natur dürften nämlich auch Materialwissenschaftlern Anregungen geben, wie sich auf präzise Weise winzige Strukturen für die Nanotechnologie erzeugen lassen.

Kontakt:
Dr. André Scheffel
Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie
E-Mail: scheffel@mpimp-golm.mpg.de
Tel.: +49 331 567-8358

Originalveröffentlichung:
Assaf Gal, Richard Wirth, Joachim Kopka, Peter Fratzl, Damien Faivre und André Scheffel
Macromolecular recognition directs calcium ions to coccolith mineralization sites
Science, 5. August 2016; doi: 10.1126/science.aaf7889

Weitere Informationen:

https://www.mpg.de/10678912/

Peter Hergersberg | Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Besser lernen dank Zink?
23.03.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

nachricht Raben: "Junggesellen" leben in dynamischen sozialen Gruppen
23.03.2017 | Universität Wien

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Im Focus: Auf der Spur des linearen Ubiquitins

Eine neue Methode ermöglicht es, den Geheimcode linearer Ubiquitin-Ketten zu entschlüsseln. Forscher der Goethe-Universität berichten darüber in der aktuellen Ausgabe von "nature methods", zusammen mit Partnern der Universität Tübingen, der Queen Mary University und des Francis Crick Institute in London.

Ubiquitin ist ein kleines Molekül, das im Körper an andere Proteine angehängt wird und so deren Funktion kontrollieren und verändern kann. Die Anheftung...

Im Focus: Tracing down linear ubiquitination

Researchers at the Goethe University Frankfurt, together with partners from the University of Tübingen in Germany and Queen Mary University as well as Francis Crick Institute from London (UK) have developed a novel technology to decipher the secret ubiquitin code.

Ubiquitin is a small protein that can be linked to other cellular proteins, thereby controlling and modulating their functions. The attachment occurs in many...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungen

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

Über Raum, Zeit und Materie

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Besser lernen dank Zink?

23.03.2017 | Biowissenschaften Chemie

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Innenraum-Ortung für dynamische Umgebungen

23.03.2017 | Architektur Bauwesen