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Biotechnologische Produktion vereinfacht: Protein verändert Materialstrukturen

12.03.2015

Perlmutt ist nicht nur als Schmuck und Dekoration schön anzusehen. Das Material zeichnet sich durch einen filigranen Schichtaufbau mit hoher Festigkeit und Härte aus. Auch die biologisch erzeugten Kristalle in diesen Materialien haben besondere Eigenschaften. 

Die Industrie arbeitet daran, solche Materialien nach biologischem Vorbild herzustellen. Was die Natur in Jahrmillionen mit Einflussfaktoren aus Kalziumcarbonat, Proteinen, Chitin und Kollagen hervorbringt, ist in ähnlicher Art Wissenschaftlern aus Saarbrücken und Haifa nun auf sehr einfachem Wege gelungen: Sie konnten zeigen, dass eine einzige Proteinart genügt, um gezielt Einfluss auf den Aufbau von Kristall-Strukturen zu nehmen.


Perlucin weist charakteristische Proteinstränge auf, hier in einem BallView-Modell als bunte Schlaufen dargestellt. Vermutlich beeinflussen sie die Kristall-Struktur.

Quelle: Copyright INM; frei nur in Zusammenhang mit dieser Meldung

Die Forschungsergebnisse wurden als Cover Publikation im Journal Chemistry of Materials veröffentlicht.

Im Perlmutt wechseln sich anorganische Kalziumcarbonat-Schichtgitter mit organischen Bestandteilen ab: Chitin, Kollagen und verschiedene Proteine sorgen dafür, dass das Kalziumcarbonat zu diesen definierten Schichten wächst. Die Rolle der Proteine beim Wachstum war bisher nicht geklärt.

Man ging davon aus, dass mehrere Proteine gemeinsam sowohl die Struktur des Kalziumcarbonat-Gitters steuern als auch selbst am Aufbau der Perlmutt-Schichten beteiligt sind. Wie Ingrid Weiss vom INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien in Saarbrücken und ihr Kollege Boaz Pokroy vom Technion Israel Institute of Technology zeigen konnten, genügt jedoch schon eine einzige Proteinart, um das Kristallgitter von Kalziumcarbonat zu verändern.

„Diese Erkenntnis vereinfacht und erweitert die Möglichkeiten der weißen Biotechnologie“, sagt Weiss, Leiterin des Programmbereichs Biomineralisation am INM. „Bisher krankt die weiße Biotechnologie an der Vorstellung, die Mineralisation nach biologischem Vorbild sei nicht nachzustellen. Denn man geht davon aus, dass nur die Kombination aus mehreren Proteinen und vielen unübersichtlichen Faktoren die Biomineralisation ermöglichen“, erklärt Weiss. Wenn die Verfahren der Natur zu kompliziert erscheinen, würden sie in der industriellen Entwicklung nicht weiter verfolgt.

Pokroy und Weiss haben nun den Beweis angetreten, dass es auch einfacher geht:
Für ihre Versuche verwendeten die Forscher das Protein Perlucin aus der Haliotis-Schnecke (Seeohr), das sie an das Grün-Fluoreszierende-Protein (GFP) koppelten. Mit diesem Trick führten die Wissenschaftler das unlösliche Perlucin in eine wasserlösliche Form über. In unterschiedlichen Konzentrationen gaben sie diese Lösung zu einer Kalziumcarbonat-Lösung und untersuchten die entstandenen Kristalle. Zum Vergleich untersuchten sie auch Kristalle aus der reinen Kalziumcarbonatlösung und Kristalle aus der Kalziumcarbonatlösung mit GFP.

Nur das in Wasser überführte Perlucin baut sich in das anorganische Carbonat-Gitter ein und bewirkt dort regelrechte Gitterverzerrungen, die sich über große Bereiche erstrecken. Nach dem Prinzip „Alles oder Nichts“ genügen dabei schon kleine Mengen an Protein, um definierte Gitterverzerrungen hervorzurufen. An einem Punkt angefangen, pflanzt sich die Veränderung im Gitter immer weiter fort. „GFP allein geht mit Kalziumcarbonat lediglich eine Koexistenz ein – es lagert sich wie ein Mantel um das Kalziumcarbonat-Gitter, ohne es zu verändern“, erklärt die Expertin für Biomineralisation. Wie in der Schnecke scheint es das Perlucin zu sein, dass das Wachstum und die Struktur des Kristallgitters beeinflusst.

Für die Aufklärung dieses Phänomens nutzten die Forscher das Know-How für Muschelproteine am INM und das Know-How für Kristallanalyse am Institut in Haifa. Erst in dieser Kombination war es möglich, die Reaktionen von Perlucin im Kristallgitter zu beobachten. Die Wissenschaftler wollen nun klären, ob auch andere Proteine den Aufbau und damit die Funktionalität von anorganischen Kristallgittern gezielt beeinflussen.

Originalpublikation:
Eva Weber, Leonid Bloch, Christina Guth, Andy N. Fitch, Ingrid M. Weiss, and Boaz Pokroy; Chem. Mater., 2014, 26 (17), pp 4925–4932,
DOI: 10.1021/cm500450s; http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/cm500450s

Ihre Experten:
PD Dr. Ingrid Weiss
INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien
Leiterin Biomineralisation
Tel: 0681-9300-318
ingrid.weiss@inm-gmbh.de

Prof. Boaz Pokroy
Technion – Israel Institute of Technology; Haifa
Bio-Inspired Surface Engineering and Biomineralization
Tel: +972-4-8294584
bpokroy@tx.technion.ac.il

Das INM erforscht und entwickelt Materialien – für heute, morgen und übermorgen. Chemiker, Physiker, Biologen, Material- und Ingenieurwissenschaftler prägen die Arbeit am INM. Vom Molekül bis zur Pilotfertigung richten die Forscher ihren Blick auf drei wesentliche Fragen: Welche Materialeigenschaften sind neu, wie untersucht man sie und wie kann man sie zukünftig für industrielle und lebensnahe Anwendungen nutzen? Dabei bestimmen vier Leitthemen die aktuellen Entwicklungen am INM: Neue Materialien für Energieanwendungen, Neue Konzepte für medizinische Oberflächen, Neue Oberflächenmaterialien für tribologische Systeme sowie Nano-Sicherheit und Nano-Bio. Die Forschung am INM gliedert sich in die drei Felder Nanokomposit-Technologie, Grenzflächenmaterialien und Biogrenzflächen. Das INM - Leibniz-Institut für Neue Materialien mit Sitz in Saarbrücken ist ein internationales Zentrum für Materialforschung. Es kooperiert wissenschaftlich mit nationalen und internationalen Instituten und entwickelt für Unternehmen in aller Welt. Das INM ist ein Institut der Leibniz-Gemeinschaft und beschäftigt rund 195 Mitarbeiter.

Dr. Carola Jung | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.inm-gmbh.de

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