Rekombinate Produktion von faserbildenden Muschelbyssuskollagenen und deren bionische Prozessierung zum Einsatz in neuartigen Fasermaterialien
Final Report Abstract
i) Neues Modell der Mechanik des Muschelbyssus. Anhand der Sequenzanalysen, den Ergebnissen der Studien am natürlichen Byssusfaden und unter Einbeziehung bereits veröffentlichter Studien konnte ein Modell zum hierarchischen Aufbau des Byssusfadens entworfen werden. Des Weiteren konnte ein Modell zu den molekularen Ereignissen bei der Dehnung des Fadens erstellt werden. ii) Erste Kristallstruktur eines Muschel Byssus Proteins (PTMP1). Die rekombinante Herstellung des wichtigsten Byssus Matrixproteins, PTMP1, führte zur Aufklärung der ersten Kristallstruktur eines Muschel Byssus Proteins. Das Protein umfasst zwei von Willebrand Domänen, die durch einen neuartigen, starren Linker quasi in Position gehalten werden. iii) Neue Erkenntnisse zum Assemblierungsprozess der Kollagene und zur Selbstheilung. Die flanks der Muschel Byssus preCols sind essentiell am Assemblierungsprozess der Muschel Byssus Fäden beteiligt, und leisten einen Beitrag zum Selbstheilungsprozess, wie er bei Überbelastung und nachfolgender Relaxation in natürlichen Muschel Byssus Fasern beobachtet werden kann. Bei mechanischer Belastung des Fadens fungiert das Matrixprotein PTMP1 als Haftvermittler zwischen den preCols, der für die strukturelle Integrität des Byssusfadens und somit das Verhindern des mechanischen Versagens mitverantwortlich ist. In diesem Zusammenhang trägt PTMP1 auch zur Spannungsversteifung des proximalen Fadenteils bei. PTMP1 spielt ebenso bei der Assemblierung der Kollagenfasern eine entscheidende Rolle, da es als Abstandshalter zwischen den Kollagenbündeln dient. Rekombinante Produktion der preCols war bislang nicht skalierbar Die Möglichkeit der rekombinanten Produktion von preColP und preColD in P. pastoris im Milligramm-Maßstab konnte bereits zu Beginn dieses Projekts gezeigt werden. Eine Vielzahl von Faktoren erlaubte es jedoch nicht, die Proteine in ausreichenden Mengen zu etablieren, da sich die Prozesse leider nicht skalieren ließen. Verschiedene Ansätze zur Optimierung der Expressionsniveaus waren dahingehend erfolgreich, als dass die produzierte Proteinmenge zwar anstieg, aber Probleme der Inhomogenität und Aggregationsanfälligkeit der preCols nicht gelöst werden konnten. Erste Kristallstruktur eines Muschelbyssus Proteins gelöst. Die rekombinante Herstellung des wichtigsten Byssus Matrixproteins, PTMP1, führte zur Aufklärung der ersten Kristallstruktur eines Muschel Byssus Proteins. Das Protein umfasst zwei von Willebrand Domänen, die durch einen neuartigen, starren Linker quasi in Position gehalten werden. Dies ist insofern überraschend, da das Protein über drei Disulfid-Brücken verfügt, und daher die native Faltung des rekombinanten Proteins nicht vorhersagbar war (sondern eher unwahrscheinlich).
Publications
- Recombinant Production of Mussel Byssal Collagens – a Future Perspective. J. Adhes. 2010 86, 10-24
A. Hagenau, T. Scheibel
- Mussel collagen molecules with silk-like domains as load-bearing elements in distal byssal threads. J. Struct. Biol. 2011, 175, 339-347
A. Hagenau, P. Papadopoulos, F. Kremer, T. Scheibel
- „Learning from Nature: Synthesis and Characterization of Longitudinal Polymer Gradient Materials Inspired by Mussel Byssus Threads”. Macromol. Rapid Commun. 2012, 33, 206-211
K. U. Claussen, R. Giesa, T. Scheibel, H.-W. Schmidt
(See online at https://doi.org/10.1002/marc.201100620)
