Untersuchungen zur Biomineralisation bei Diatomeen mittels biologischer Festkörper-NMR und optischer Bildgebung
Unter dem Begriff "Biomineralisation" versteht man im weitesten Sinne den durch einen Organismus kontrollierten Aufbau anorganischen Materials und dessen Formgebung. Diese vergleichsweise harten Biomineralien übernehmen meist eine Stütz- oder Schutzfunktion für das weichere organische Material. Beispiele dafür finden sich in nahezu allen Lebensformen: So bestehen die Zähne und das Endoskelett hochentwickelter Wirbeltiere aus Kalziumphosphatverbindungen, während niedere Organismen wie Muscheln oder Algen zum Aufbau ihrer Schalen Kalziumcarbonat bzw. Siliziumdioxid verwenden. Die von ihnen gebildeten Biomineralien bestechen durch ihre herausragenden Materialeigenschaften. Die industrielle Synthese ähnlicher Stoffe ist mit heutigen Mitteln meist noch nicht oder nur unter großem Energieaufwand möglich. Bevor bio-inspirierte Produkte erfolgreich entwickelt werden können, müssen die in der Natur ablaufenden Vorgänge verstanden sein.
Helium-Ionen-mikroskopische Aufnahme einer Diatomee (Stephanopyxis turris)
Kieselalgen (Diatomeen) sind einzellige, Photosynthese betreibende, eukaryotische Algen, welche sowohl im Salz- als auch im Süßwasser weit verbreitet sind. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der CO2-Fixierung und im Silikatkreislauf der Weltmeere. Abgesehen von ihrer ökologischen Bedeutung sind sie vor allem bekannt wegen der Vielfalt ihrer wunderschönen, regelmäßig mikro- und nanostrukturierten Schalen. Diese Mustergebung ist artspezifisch und wird bei jeder Zellteilung exakt an die Tochterzellen vererbt. Diatomeenschalen bestehen zum Großteil aus amorphem, hydratisiertem SiO2. Darüber hinaus wurden aber noch andere, organische Bestandteile in der Schale identifiziert, welche eng an das anorganische Material gebunden sind. Von diesen Verbindungen wird angenommen, dass sie eine Schlüsselrolle bei der Entstehung der hoch strukturierten Zellwände einnehmen. Dies, sowie auch viele andere Prozesse des Silikat-Stoffwechsels der Zelle sind jedoch noch nicht ausreichend untersucht und in weiten Teilen unverstanden.
Im Rahmen mehrerer Projekte arbeiten wir mit der Professur für Allgemeine Biochemie (Prof. Dr. Karl-Heinz van Pée) und der Professur für Biomimetische Materialien (Prof. Dr. Nils Kröger), Forschergruppe "Nanopatterned Organic Matrices in Biological Silica Mineralization"), zusammen. Vor allem moderne Methoden der Festkörper-NMR-Spektroskopie zur Untersuchung ganzer Diatomeenzellen und deren Schalen werden eingesetzt, um einerseits einen Einblick in den Silikat-Metabolismus der Zelle zu gewinnen, als auch beteiligte organische Komponenten und deren Rolle im Prozess der Biomineralisation zu identifizieren.
Außerdem setzen wir optische Bildgebung mittels Raman-Spektroskopie und nichtlinearer Mikroskopie zur in vivo- und in vitro-Analyse einzelner Diatomeen-Zellen/- Zellwände ein; dies erfolgt in Kooperation mit Dr. Christoph Krafft vom IPHT Jena.