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Weiße Biotechnologie: Protein lässt maßgeschneidertes Material wachsen

18.02.2013
Glänzendes Perlmutt ist nicht nur schön anzusehen. Seine Festigkeit, Härte und der dichte, schichtartige Aufbau machen das Material für unterschiedliche Industrieanwendungen interessant:

Als biologisches Kompositmaterial vereinigt es viele Vorteile, die sonst über den rohstoffintensiven Weg der Chemischen Nanotechnologie ermöglicht werden. Am INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien haben Forscher nun einen Weg gefunden, bei dem sie das Protein einer Meeresschnecke dazu verwenden, gezielt Kalk-Arten, zu denen auch Perlmutt gehört, herzustellen. Die Ergebnisse wurden jüngst in der Fachzeitschrift PLOS ONE veröffentlicht.


Proteine aus der Haliotis Schnecke bewirken das Wachstum maßgeschneiderter Materialien.
Quelle: Uwe Bellhäuser; frei nur im Zusammenhang mit dieser Meldung

Dazu koppelten die Forscher das Protein Perlucin aus der Haliotis-Schnecke (Seeohr) an das Grün-Fluoreszierende-Protein (GFP) und träufelten zu dieser Lösung Carbonat- und Kalziumionen. Je nachdem, in welcher Reihenfolge die Wissenschaftler die Ionen zur Lösung gaben, und je nach pH-Wert, entstanden unterschiedliche Kalk-Arten in Form verschiedener Kristalle. „Die Kopplung von GFP an Perlucin ermöglicht zweierlei“, sagt Ingrid Weiss, Leiterin des Programmbereichs Biomineralisation. „GFP erhöht die Löslichkeit von Perlucin; nur so können wir überhaupt in Wasser damit arbeiten. Andererseits hat GFP auch selbst einen Einfluss darauf, welche Kalk-Arten entstehen“, erklärt die Biologin weiter.

Echtes Perlmutt setzt sich aus anorganischen Kalziumcarbonat-Schichten zusammen, die durch organische Bestandteile wie Chitin, Kollagen oder Proteine miteinander „verklebt“ sind. Die Rolle dieser Proteine auf das Wachstum des Perlmutt, wie zum Beispiel bei Perlen oder Muschelschalen, ist zurzeit nicht geklärt. Bisher geht man davon aus, dass sie sowohl die Kristallisation der Ionen steuern, als auch selbst am Aufbau des Perlmutt beteiligt sind.

„Ebenso verhält es sich bei unserem System im Reagenzglas“, meint Weiss, „wenn wir die entstandenen Kalk-Arten im Elektronenmikroskop oder mittels Fluoreszenzabbildung untersuchen, sehen wir, dass GFP ebenfalls als „Abstandhalter“ für die Kalziumcarbonatplättchen und –kristalle dient, also am Wachstum der Kristalle möglicherweise beteiligt ist.“ Die Forscherin gibt jedoch zu bedenken, dass die genaue Rolle des GFP noch nicht geklärt sei. GFP stamme ursprünglich aus einer Qualle, die es sicher nicht dazu nutze, Mineralien hervorzubringen. Ob es tatsächlich zum Wachstum beitrage, oder nur zufällig als Abstandhalter diente, müssten weitere Forschungsarbeiten klären.

Die Programmbereichsleiterin sieht in den Ergebnissen ihres Teams einen Meilenstein für die zukünftige Entwicklung der weißen Biotechnologie: „Wenn wir die „Wachstumsproteine“ von Muscheln durch GFP in eine lösliche Form bringen, ist der erste Schritt getan, sie in Bakterien zu exprimieren.“ Damit könnten, ähnlich wie heutzutage Insulin im Großmaßstab, „biologische Nanopartikel“ hergestellt werden. „Dann können wir durch die Zugabe von billigem und reichlich vorhandenem, gelöstem Kalk in großen Reaktionsgefäßen unsere Wunsch-Kalk-Arten, wie Perlmutt oder die sogenannte „Wasserkocher-Modifikation“ herstellen. Wenn wir nun noch die Proteine der Muscheln und Schnecken variieren und nicht nur Kalziumcarbonat, sondern auch andere Carbonate verwenden, die in der Natur reichlich vorhanden sind, haben wir ein Baukastensystem, das uns eine Vielzahl von Kompositmaterialien auf biologischem Wege eröffnet“, fasst die Wissenschaftlerin abschließend zusammen.

Originalpublikation: Weber E, Guth C, Weiss IM (2012) GFP Facilitates Native Purification of Recombinant Perlucin Derivatives and Delays the Precipitation of Calcium Carbonate. PLoS ONE 7(10): e46653. doi:10.1371/journal.pone.0046653

Anprechpartner:
PD Dr. habil. Ingrid Weiss
Leiterin Programmbereich Biomineralisation
Tel: 0681-9300-318
E-Mail: ingrid.weiss@inm-gmbh.de
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?

Das INM - Leibniz-Institut für Neue Materialien gGmbH mit Sitz in Saarbrücken ist ein international sichtbares Zentrum für Materialforschung. Es kooperiert wissenschaftlich mit nationalen und internationalen Instituten und entwickelt für Unternehmen in aller Welt. Das INM ist ein Institut der Wissenschaftsgemeinschaft Gottfried Wilhelm Leibniz e.V. und beschäftigt rund 180 Mitarbeiter. Seine Forschung gliedert sich in die drei Felder Chemische Nanotechnologie, Grenzflächenmaterialien und Materialien in der Biologie.

Dr. Carola Jung | idw
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