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Diatomeen für Nano-Materialien

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Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat die Einrichtung einer neuen Forschergruppe unter Federführung der Technischen Universität Dresden zum Thema “Nanopatterned Organic Matrices in Biological Silica Mineralization” bewilligt. Das Forschungsprojekt beschäftigt sich mit Kieselalgen (in der Fachsprache Diatomeen genannt).

Diese einzelligen, eukaryotischen Mikroorganismen kommen in nahezu allen wässrigen Habitaten vor und gehören zu den wichtigsten biologischen Primär-produzenten in den Weltmeeren. Das wohl beeindruckendste Merkmal der Diatomeen sind die ungewöhnlichen Strukturen ihrer Zellwände. Diese bestehen aus anorganischem Material, SiO2 (Silica), und weisen bei jeder Art spezifische Strukturelemente auf (z. B. Porenmuster), die bis in den Nanometerbereich hinein regelmäßig angeordnet sind. Bei der Biosynthese der Silica Zellwände bedienen sich die Diatomeen einer genetisch gesteuerten Nano- und Mikrotechnologie, die bisher noch weitgehend unverstanden ist.

Das Ziel der Forschergruppe ist, die Mechanismen aufzuklären, welche der Nano- und Mikrostrukturierung des Diatomeen Silica (Silica Morphogenese) zugrunde liegen. Dabei baut das Konsortium auf Vorarbeiten auf, in denen bereits einige an der Silica Morphogenese beteiligte Biomoleküle identifiziert wurden. Es wird erwartet, dass noch zahlreiche weitere, bisher unentdeckte Biomoleküle (vor allem Proteine) bei diesem Prozess eine Rolle spielen.

Zudem sind Energetik, Dynamik und Kontrolle der Interaktionen zwischen den Biomolekülen und der Biomoleküle mit dem Silica noch nahezu unerforscht. Diese großen Erkenntnislücken sollen durch die Forschergruppe geschlossen werden. Daher wird zunächst versucht, eine möglichst vollständige Kenntnis der molekularen Bestandteile der Sillica Morphogenesemaschinerie der Diatomeen zu erhalten und vertiefte Einblicke in die Funktion der jeweiligen Bestandteile durch in vitro und in vivo Studien zu erzielen. Mittels Computer gestützter Modellrechnungen soll dann untersucht werden, wie diese Erkenntnisse in ein mechanistisches Verständnis der Silica Morphogenese auf dem nanoskopischen bis zum mikroskopischen Größenbereich überführt werden können.

Die Ergebnisse der Forschergruppe könnten einen bedeutenden Fortschritt beim Verständnis der Grundprinzipien biologischer Mineralbildung (Biomineralisation) darstellen. Darüber hinaus könnten diese Erkenntnisse genutzt werden, um biomimetische und biotechnologische Synthesen von neuen funktionellen Materialien zu ermöglichen, die zudem wesentlich ressourcenschonender sein könnten als konventionelle Synthese-methoden.

Das Forschungsprojekt ist fachübergreifend angelegt und verbindet insbesondere Expertisen auf dem Gebiet der Biochemie, der Zellbiologie, bioorganischen und bioanorganischen Chemie, Bionano-Materialwissenschaften und Biophysik sowie Computational Modelling.

Quelle: TU Dresden / B-Cube

 

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