Spektroskopische Untersuchungen der elektronischen Eigenschaften von zweidimensionalen Proteinkristallen und deren chemischer Wechselwirkung mit Metallen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Es wurde die Wechselwirkung von bakteriellen Zellhüllenproteinen (S-Schichten), welche unikale molekular strukturierte Template für die biomimetische Synthese von regulären Metallclusterarrays mit extrem hoher Informationsdichte darstellen, mit interkalierenden Erdalkali- bzw. Übergangsmetallen mittels spektroskopischer Festkörpermethoden (Photoemission und NEXAFS) untersucht. Die Assemblierungskinetik der S-Schichten auf Oberflächen wurde mittels Dünnschichtresonatoren und die templatgesteuerte Organisation der metallischen Phasen auf dem Protein wurde mittels hochaufgelöster Rasterkraft- und Elektronenmikroskopie studiert. Aus den spektroskopischen Untersuchungen folgten erstmals Aussagen über die elektronische Struktur der Proteintemplate, über die Lokalisierung der besetzten und unbesetzten Valenzzustände, über Ladungstransport im Protein-templat und über Änderung der elektronischen Zustände beim Aufbringen metallischer Schichten. Die beobachteten elektronischen Phänomene konnten hinreichend gut im Rahmen eines phänomenologischen Building-block-Modells beschrieben werden, bei dem die Proteinstruktur als ein Ensemble von einzelnen Aminosäureeinheiten betrachtet wird, die normiert über das sogenannte CNL (charge neutrality level) unabhängig voneinander zum Spektrum beitragen. Die Untersuchungen zur Metall-Templat-Wechselwirkung konnte zeitaufgelöst geführt werden. Dabei zeigte sich ein unterschiedliches Verhalten für Ca, Cu und Fe. Ca interkaliert vollständig in die Struktur, was bei Cu und Fe nur bei sehr geringen Filmdicken beobachtet wird. Im Gegensatz zu Fe, dessen Wechselwirkung mit dem Proteintemplat letztlich zu dessen Denaturierung führt, bildet Cu stabile Komplexe mit dem Protein. Im Verlauf der Metallabscheidung werden metallische Cluster auf dem Proteintemplat gebildet, wie es vorher auch für Pt und Pd beobachtet wurde. Damit ist Cu als Mikroelektronik-relevantes Material auch geeignet für biomimetische Ultrastrukturierungsverfahren. Für weitere potentielle Anwendungen ist es von besonderer Bedeutung, biotechnologisch zu verstehen, wie S-Schicht-Proteine extrahiert, gelagert und dann in-vitro großflächig auf Substraten assemb-liert werden können, was ebenfalls Gegenstand der Projektarbeiten war. In diesem Zusammenhang wurde die Herstellung und Aufreinigung der S-Schichtproteine so optimiert, dass hohe Ausbeute und Reinheit gleichzeitig erzielt wurden. Dabei konnten auch neue Erkenntnisse zur Lagerung und Langzeitstabilität dieser Proteine gewonnen werden. Zusätzlich zu den ursprünglich geplanten Arbeiten wurden die Nutzung von S-Schichten als molekulares Templat für die Anordnung von FePt-Nanopartikeln und die Immobilisierung von DNA-Oligo-nukleotiden als spezifische Sonden in DNA-Mikroarrays sowie die elektronische Struktur von DNA-Molekülen spektroskopisch charakterisiert. Mittels spektroskopischer Untersuchungen wurde zur Aufklärung der besonderen Struktur von sogenannten Spikulen von Tiefseeschwämmen beigetragen. Diese zeigen eine hohe optische Transparenz bei gleichzeitig hoher mechanischer Flexibilität und Stabilität. Insbesondere konnte gezeigt werden, dass sie außerdem wegen ihrer besonderen Silika-Chitin-basierten Struktur zur Erzeugung von optischen Superkontinua eingesetzt werden können. Die Spikulen stellen somit biomimetisch ein sehr interessantes Modellsystem für das Design faseroptischer Weißlichtquellen dar, die gleichzeitig im ultravioletten, im sichtbaren und im Infrarotbereich emittieren. Letzteres wurde kürzlich durch eine Besprechung in der Zeitschrift Nature Photonics (Nature Photonics 10, 625 (2016), DOI: 10.1038/nphoton.2016.199) als "Research Highlight" auf dem Gebiet der Biophotonik gewürdigt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Film bulk acoustic resonators for DNA and protein detection and investigation of in vitro bacterial S-layer formation. Sensors and Actuators A 156 (2009) 180-184
M. Nirschl, A. Blüher, C. Erler, B. Katzschner, V. Vikholm-Lundin, S. Auer, J. Vörös, W. Pompe, M. Schreiter, M. Mertig
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Oscillator strength of the peptide bond pi* resonances at all relevant X-ray absorption edges. Phys. Rev. B 80 (2009) 155433
K. Kummer, V.N. Sivkov, D.V. Vyalikh, V.V. Maslyuk, A. Blüher, S.V. Nekipelov, T. Bredow, I. Mertig, M. Mertig, S.L. Molodtsov
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Mineralization of the metre-long biosilica structures of glass sponges is templated on hydroxylated collagen. Nature Chemistry 2 (2010) 1084-1088
H. Ehrlich, R. Deutzmann, E. Brunner, E. Cappellini, H. Koon, C. Solazzo, Y. Yang, D. Ashford, J. Thomas-Oates, M. Lubeck, C. Bässmann, T. Langrock, R. Hoffmann, G. Wörheide, J. Reitner, P. Simon, M. Tsurkan, A.V. Ereskovsky, D. Kurek, V.V. Bazhenov, S. Hunoldt, M. Mertig, D.V. Vyalikh, S.L. Molodtsov, K. Kummer, H. Worch, V. Smetacek, M.J. Collins
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X-ray damage in protein-metal hybrid structures: A photoemission electron microscopy study. J. Phys. Chem. B 114 (2010) 8284-8289
Kade, K. Kummer, D.V. Vyalikh, S. Danzenbächer, A. Blüher, M. Mertig, A. Lanzara, A. Scholl, Doran, S.L. Molodtsov
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Formation of tubes during self-assembly of bacterial surface layers. Langmuir 27 (2011) 15102-15111
M. Bobeth, A. Blecha, A. Blüher, M. Mertig, N. Korkmaz, K. Ostermann, G. Rödel, W. Pompe
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Real-time study of the modification of the peptide bond by atomic calcium. J. Phys. Chem. B 115 (2011) 2401-2407
K. Kummer, D.V. Vyalikh, V.V. Maslyuk, A. Blüher, V. Sivkov, T. Bredow, I. Mertig, M. Mertig, S.L. Molodtzov
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Bio-Nanomaterials: Designing materials inspired by nature. WILEY-VCH (2013) ISBN: 978-3-527-41015-6
W. Pompe, G. Rödel, H.-J. Weiss, M. Mertig
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Extraction and long-term storage of S-layer proteins and flagella from Lysinibacillus sphaericus NCTC 9602 as building blocks for nanotechnological applications. Engineering in Life Sciences 15 (2015) 410-415
A. Blüher, K. Ostermann, P. Jäckel, A. Clemens, B. Katzschner, G. Rödel, M. Mertig
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Insight into bio-metal interface formation in vacuo: Interplay of S-layer protein with copper and iron. Nature Scientific Reports 5 (2015) 8710
A.A. Makarova, E.V. Grachova, V. S. Neudachina, L.V. Yashina, A. Blüher, S.L. Molodtsov, M. Mertig, H. Ehrlich, V.K. Adamchuk, C. Laubschat, D.V. Vyalikh
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Supercontinuum generation in naturally occurring glass sponges spic-ules. Advanced Optical Materials, 2016
H. Ehrlich, M. Maldonado, A.R. Parker, Y.N. Kulchin, J. Schilling, B. Köhler, U. Skrzypczak, P. Simon, H.M. Reiswig, M. V. Tsurkan, E. Brunner, S.S. Voznesenskiy, A.V. Bezverbny, S.S. Golik, I.G. Nagorny, D.V. Vyalikh, A.A. Makarova, S.L. Molodtsov, K. Kummer, M. Mertig, C. Erler, D.V. Kurek, V.V. Bazhenov, F. Natalio, A.E. Kovalev, S.N. Gorb, A.L. Stelling, J. Heitmann, R. Born, D.C. Meyer, K.R. Tabachnick
