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 Pflanzen gegen Staunässe schützen
17.10.2017 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

nachricht Erweiterung des Lichtwegs macht winzige Strukturen in Körperzellen sichtbar
17.10.2017 | Georg-August-Universität Göttingen

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: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Im Focus: Neutron star merger directly observed for the first time

University of Maryland researchers contribute to historic detection of gravitational waves and light created by event

On August 17, 2017, at 12:41:04 UTC, scientists made the first direct observation of a merger between two neutron stars--the dense, collapsed cores that remain...

Im Focus: Breaking: the first light from two neutron stars merging

Seven new papers describe the first-ever detection of light from a gravitational wave source. The event, caused by two neutron stars colliding and merging together, was dubbed GW170817 because it sent ripples through space-time that reached Earth on 2017 August 17. Around the world, hundreds of excited astronomers mobilized quickly and were able to observe the event using numerous telescopes, providing a wealth of new data.

Previous detections of gravitational waves have all involved the merger of two black holes, a feat that won the 2017 Nobel Prize in Physics earlier this month....

Im Focus: Topologische Isolatoren: Neuer Phasenübergang entdeckt

Physiker des HZB haben an BESSY II Materialien untersucht, die zu den topologischen Isolatoren gehören. Dabei entdeckten sie einen neuen Phasenübergang zwischen zwei unterschiedlichen topologischen Phasen. Eine dieser Phasen ist ferroelektrisch: das bedeutet, dass sich im Material spontan eine elektrische Polarisation ausbildet, die sich durch ein äußeres elektrisches Feld umschalten lässt. Dieses Ergebnis könnte neue Anwendungen wie das Schalten zwischen unterschiedlichen Leitfähigkeiten ermöglichen.

Topologische Isolatoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie an ihren Oberflächen Strom sehr gut leiten, während sie im Innern Isolatoren sind. Zu dieser neuen...

Im Focus: Smarte Sensoren für effiziente Prozesse

Materialfehler im Endprodukt können in vielen Industriebereichen zu frühzeitigem Versagen führen und den sicheren Gebrauch der Erzeugnisse massiv beeinträchtigen. Eine Schlüsselrolle im Rahmen der Qualitätssicherung kommt daher intelligenten, zerstörungsfreien Sensorsystemen zu, die es erlauben, Bauteile schnell und kostengünstig zu prüfen, ohne das Material selbst zu beschädigen oder die Oberfläche zu verändern. Experten des Fraunhofer IZFP in Saarbrücken präsentieren vom 7. bis 10. November 2017 auf der Blechexpo in Stuttgart zwei Exponate, die eine schnelle, zuverlässige und automatisierte Materialcharakterisierung und Fehlerbestimmung ermöglichen (Halle 5, Stand 5306).

Bei Verwendung zeitaufwändiger zerstörender Prüfverfahren zieht die Qualitätsprüfung durch die Beschädigung oder Zerstörung der Produkte enorme Kosten nach...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Dezember 2017

17.10.2017 | Veranstaltungen

Intelligente Messmethoden für die Bauwerkssicherheit: Fachtagung „Messen im Bauwesen“ am 14.11.2017

17.10.2017 | Veranstaltungen

Meeresbiologe Mark E. Hay zu Gast bei den "Noblen Gesprächen" am Beutenberg Campus in Jena

16.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

17.10.2017 | Informationstechnologie

Pflanzen gegen Staunässe schützen

17.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Den Trends der Umweltbranche auf der Spur

17.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz