Biomineralstrukturen aus Protisten und Seeigeln
Biochemie und Physiologie der Tiere
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Für C. hirtus konnte der mineralische Anteil der Alveolarplatten als stabiles amorphes Calciumcarbonat (ACC) charakterisiert werden, welches für die Struktur der Platten von Bedeutung zu sein scheint. Die transiente ACC Phase in den Seeigellarven bildet hingegen einen Ansatzpunkt für die in vivo-Manipulation. So würde ein manipulierter Magnesiumgehalt in dieser Phase auch die Variation des Elementes im späteren Calcit erklären. Die Ergebnisse für die im Rahmen des Projektes untersuchten Organismen verdeutlichen die Bedeutung von amorphem Calciumcarbonat (ACC) als transiente sowie als stabile Phase und bestätigen damit aktuelle Diskussionsbeiträge. Diese schreiben der amorphen Phase eine wesentliche Rolle bei der Biomineralisation zu. Die Kristallisation über eine amorphe, formbare Phase - als Vorstufe des späteren Kristalls – würde die Formenvielfalt der Biominerale erklären, welche häufig die Eigenschaften eines Einkristalls aufweisen. Aktuell wird dem amorphen Calciumcarbonat zudem eine Rolle bei der Ausbildung sogenannter Mesokristalle in natürlichen Systemen (Seeigelstachel) zugesprochen. Auch existieren erste Anwendungsbeispiele für das amorphe Polymorph. Die Bedeutung einzelner Elemente wie beispielsweise Magnesium sowohl auf den Prozess der Biomineralisation als auch auf die Materialeigenschaften des resultierenden Biominerals wurde durch die Experimente mit den Seeigellarven deutlich. So konnte eine theoretische Studie von Elstnerová (2010), die eine Beeinflussung der Steifigkeit des Calcits postuliert, durch eine gezielte Variation des Magnesiumgehaltes der Skelettnadeln experimentell bestätigt werden. In Rahmen des Projektes gab es zudem Hinweise, dass auch der Einbau „fremder“ Ionen über einen in vivo-Manipulationsansatz möglich sein sollte. Es wurde versucht die Sequenzen der Biomineralisationsproteine von A. lixula auf genetischer Ebene zu identifizieren. Dies war bisher nicht möglich, jedoch wurden erste Ergebnisse zur Annährung erlangt. Außerdem zeigen die erfolgreichen Proteinisolationen einen weiteren Aspekt auf, die Proteine näher zu charakterisieren und folglich möglicherweise auf die Gensequenz schließen zu könne. Diese Untersuchungen sollen weiter verfolgt werden, da es von großem Interesse ist die Sequenzen von weiteren Seeigelarten zu kennen, um mögliche Unterschiede und deren Bedeutung bei der Mineralisation zu untersuchen. Untersuchungen zu den Seeigelzähnen wurden zusammen mit TP3 durchgeführt und lieferten erste Ergebnisse deren Erkenntnisse weiter verfolgt werden sollen. Die geplanten Versuche mit L. polyedrum wurden durch die Gutachter der DFG Aufgrund der erfolgversprechenderen Versuche mit den Seeigeln und dem Ciliaten Coleps hirtus auf das letzte Drittel der Förderperiode gelegt, sodass die Arbeiten im Jahre 2012 begannen. Die Kultur des Dinoflagellaten L. polyedrum konnte erfolgreich etabliert werden. Die erfolgreichsten Kulturmedien enthalten als essentielles Spurenelement unter anderem Zinksulfat. Schon durch eine Verdopplung der Zinkkonzentration ist eine dramatische Abnahme der Teilungsrate festzustellen, bei dauerhaft höherer Dosierung ist die Zinksulfatkonzentration letal. Erhöhte Konzentrationen im Kultivierungsmedium führen in weniger als einer Minute zu deutlich erhöhten Werten von Zink Ionen im Zytoplasma. Eine Erhöhung der Zinkkonzentrationen in den Alveolarvesikeln lebender Zellen wurde noch nicht untersucht. Isolierte Alveolarplatten können nach Inkubation in Zinksulfatlösung Zink-Ionen aufnehmen. Die Sulfationen werden dabei nicht gebunden. Inwieweit das adsorbierte Zink in Zinkoxid oxidierbar ist wurde nicht untersucht. Genauso ist weiterhin unklar ob die adsorbierte Menge an Zinkionen ausreichend ist um das nanostrukturierte Templat in eine Zinkoxydkeramik oder ein Zinkoxidkeramik Komposit zu überführen. Abscheidungen auf die nanostrukturierten Template aus Dinoflagellaten führt zu einer gleichmäßigen Umhüllung, die stabil die organische Matrix umgibt und aus Zinkoxid besteht. Die Materialeigenschaften der unbehandelten sowie der behandelten Zellen steht noch aus. Es ist gelungen ein vom Einzeller L. polyedrum erzeugtes Templat, als nanostrukturiertes Imitat in vitro mit einem organisch-anorganisches Komposit aus Kohlenhydrat und ZnO herzustellen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2012). „Biomineralization of zinc-phosphate-based nano needles by living microalgae“. Journal of Biomaterials and Nanobiotechnology 3: 362-370
Santomauro, G., V. Srot, B. Bussmann, P. A. van Aken, F. Brümmer, H. Strunk and J. Bill
- (2013). „Genesis of amorphous calcium carbonate containing alveolar plates in the ciliate Coleps hirtus (Ciliophora, Prostomatea).“ Journal of Structural Biology 181 (2): 155-161
Lemloh, M.-L., F. Marin, F. Herbst, L. Plasseraud, M. Schweikert, J. Baier, J. Bill and F. Brümmer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jsb.2012.12.001) - (2013). „Isolation of alveolar plates from Coleps hirtus.“ European Journal of Protistology 49 (1): 62-66
Lemloh, M.-L., S. Hoos, H.-D. Görtz and F. Brümmer
- (2013). „Low Mg/Ca ratio alters material properties in sea urchin larvae skeleton.“ Bioinspired, Biomimetic and Nanobiomaterials 2: 28-34
Lemloh, M.-L., Z. Burghard, F. Jean-Baptiste, J. Bill and F. Brümmer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1680/bbn.12.00016) - (2013). „Silver nanoparticle toxicity in sea urchin Paracentrotus lividus.“ Environmental Pollution 178: 498-502
Šiller, L., M.-L. Lemloh, S. Piticharoenphun, B. G. Mendis, B. R. Horrocks, F. Brümmer and D. Medaković
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.envpol.2013.03.010)
