Bakterielle Magnetosomen: Molekulare Modellierung der Magnetitbiomineralisation und Herstellung von nano-magnetischen Hybridmaterialien

• Antragsteller: Professor Dr. Dirk Schüler
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Biomaterialien
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 210385848

Magnetosomen sind bakterielle Organellen, die aus membranumgebenen Magnetit-Nanokristallen bestehen. Ihre Biosynthese erfolgt durch einen genetisch gesteuerten Biomineralisationsprozess, der zu einzigartigen biochemischen, kristallinen und magnetischen Eigenschaften führt und Magnetosomen als biogene Magnetnanopartikel für verschiedene biomedizinische und nanotechnologische Anwendungen höchst interessant macht. Für die praktische Anwendung von Magnetosomen ist einerseits ein verbessertes Verständnis der ihrer Synthese zugrundeliegenden Biomineralisationsprozesse erforderlich. Andererseits erfordern viele mögliche Anwendungen die Einführung zusätzlicher Funktionalitäten. Das vorgeschlagene Gemeinschaftsprojekt besteht aus zwei Teilen: In Teil A sollen realistische Magnetosomenprotein-Membran-Modelle für ausgewählte magnetobakterielle Proteine erstellt werde, die verschiedene Stadien der Magnetitbiomineralisation steuern. Weiterhin sollen bereits etablierte Protokolle für die molekulare Simulation von anderen Eisenoxiden an die spezifischen Bedingungen für Magnetit angepasst werden. In silico vorhergesagte molekulare Struktur-Funktionsbeziehungen, Interaktionsstellen sowie kritische Reste und Domänen werden mittels gerichteter Mutagenese der entsprechenden Proteine sowie der Analyse der resultierenden phänotypischen Effekte experimentell verifiziert. In Teil B werden wir unseren mehrstufigen Ansatz systematisch weiterverfolgen, der ausgehend von der bakteriellen Magnetosomensynthese zur bottom-up Herstellung von neuartigen nanomagnetischen Hybridmaterialien führen soll. Mittels genetischer Modifikation des anorganischen magnetischen Kerns und der umhüllenden biologischen Membran soll dabei ein vielseitiges Eigenschaftsspektrum eingestellt werden. Wir werden Magnetnanopartikel mit unterschiedlichen Größen und magnetischen Eigenschaften herstellen, die zusätzlich molekulare Kupplungsgruppen, Fluorophore, Peptide, Enzymproteine, oder Antikörperfragmente exprimieren. Schließlich sollen eine Vielzahl der im gesamten Projekt generierten funktionellen Module zu einem flexiblen und praktisch handhabbaren Toolset für die Herstellung von maßgeschneiderten multifunktionalen Magnetnanopartikeln mit einer Vielzahl von einstellbaren Eigenschaften kombiniert werden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1569: Erzeugung multifunktioneller anorganischer Materialien durch molekulare Bionik