Festkörper-NMR- und DNP-Untersuchungen von Diatomeenbiosilikat: Organische Matrizes und die Grenzfläche zwischen Silikat und organischer Matrix

• Antragsteller: Professor Dr. Marc Baldus; Professor Dr. Eike Brunner
• Fachliche Zuordnung: Biologische und Biomimetische Chemie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 233120155

Das Projekt dient der Untersuchung zweier zentraler Fragen:(i) Was ist die Struktur der Grenzfläche zwischen Silikat und organischen Komponenten im Biosilikat und welche Wechselwirkungen treten dort auf?(ii) Was ist die Struktur des neuntdeckten Membranproteins Sin1?Ausgehend von den Resultaten der ersten Förderperiode untersucht die Brunner-Gruppe zur Beantwortung von Frage (i) die Wechselwirkungen zwischen organischen Matrizes und Kieselsäure/ Silikatspezies sowie zwischen löslichen und unlöslichen organischen Matrixbestandteilen (z.B., zwischen unlöslichen Matrizes und langkettigen Polyaminen (long-chain polyamines, LCPA)). Festkörper-NMR-spektroskopische Methoden werden dabei zur Anwendung kommen, soweit nötig auch mit dynamischer Kernspinpolarisation (dynamic nuclear polarization, DNP, in Kooperation mit der Baldus-Gruppe). Die Arbeiten umfassen spektroskopische Untersuchungen an isoliertem, [13C,15N,29Si]-angereichertem Biosilikat ebenso wie in vitro-Untersuchungen. Die Untersuchungen am Biosilikat konzentrieren sich speziell auf die Diatomeenspezies Cyclotella cryptica und Thalassiosira pseudonana. Bei T. pseudonana steht die Frage nach Silikat-assoziierten Proteinen mit geordneter 3D Struktur im Vordergrund. Untersuchungsgegenstand bei C. cryptica sind vor allem die von der Kröger-Gruppe (SP-1) entdeckten, unlöslichen organischen Matrizes, die offenbar Chitin enthalten. Die in vitro-Untersuchungen umfassen die detaillierte Charakterisierung der LCPA-Silikat-Wechselwirkung an Präzipitaten, die unter Verwendung spezifisch 13C/15N-isotopenmarkierter LCPA aus der Geyer-Gruppe (SP-6) definiert hergestellt werden. Dabei wird 29Si-angereicherte Kieselsäure bei physiologisch relevanten Bedingungen (pH 5-6, Raumtemperatur) verwendet. Solche Präzipitate sollen auch unter Zusatz von unlöslichen organischen Matrizes aus C. cryptica hergestellt werden (mit und ohne LCPA). Berechnungen der Cuniberti-Gruppe (SP-8) werden neue Einsichten in die Wechselwirkungen an der Grenzfläche zwischen Silikat und Organik liefern und dazu beitragen, die spektroskopischen Befunde zu interpretieren.Zur Beantwortung von Frage (ii) wird die Baldus-Gruppe Untersuchungen zur Bestimmung der 3D Struktur des neuentdeckten Membranproteins Sin1 sowie zur Charakterisierung seines Aggregationsverhaltens durchführen. Dieses Protein wurde in der ersten Förderperiode durch die Kröger-Gruppe (SP-1) in Zusammenarbeit mit der Shevchenko-Gruppe (SP-3) entdeckt. Hochfeld-Festkörper-NMR-Untersuchungen (gegenwärtig bis zu 950 MHz Protonenresonanzfrequenz, in naher Zukunft 1,2 GHz) sowie bei Bedarf DNP-verstärkte Festkörper-NMR-Spektroskopie bei 800 MHz werden dazu dienen, folgende Fragestellungen zu untersuchen: Wie sind lösliche Sin1-Aggregate strukturell organisiert? Und wie tritt Sin1 mit Membranen in Wechselwirkung? Diese Arbeiten der Baldus-Gruppe erfolgen in Kooperation mit der Kröger-Gruppe (SP-1) und der Steinem-Gruppe (SP-7).

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2038: Die Rolle nanostrukturierter organischer Matrizen in der biologischen Mineralisation des Silica
• Internationaler Bezug: Niederlande