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Forschungsprojekt aus §26 oder §27 Mitteln
Laufzeit : 2017-01-01 - 2019-12-31

Bakterielle Oberflächenproteine (S-Schicht) haben die Fähigkeit Protein-Kristallschichten mit Regelmäßigkeit im Nanometerbereich auf Luft/Wasser Grenzflächen und auf vielen verschiedenen Substraten zu bilden. Diese werden momentan als „Nano-Templates“ für unterschiedliche biotechnologische Anwendungen getestet. Die Art und Weise wie diese Proteine selbst assemblieren und dabei geordnete Nanostrukturen formen, ist jedoch noch nicht vollständig geklärt. In diesem Zusammenhang beabsichtigen wir die Rekristallisation von drei S-Schicht Proteinen, Wildtyp SbpA und die rekombinanten Proteine rSbpA31-1068 und rSbpA31-918 auf (molekular kontrollierten) hydrophoben und hydrophilen Disulfiden zu erforschen. Zunächst werden wir die Adsorptionskinetik und die Rekristallisation dieser drei bakteriellen Proteine untersuchen. Zweitens wollen wir den Zusammenhang zwischen der Kinetik und den physikalischen Eigenschaften der gebildeten Proteinkristalle (z.B. Kristallgröße, Gitterparameter) herausfinden. Zuletzt möchten wir die Frage der Rekristallisationswege in Abhängigkeit von den Substrat-Eigenschaften für diese bakteriellen Proteine klären (was uns auch Verständnis über Protein/Substrat Interaktionen liefert, vor allem über die Wiedererkennung der Proteine von hydrophoben und/oder hydrophilen Teilen.
Forschungsprojekt aus §26 oder §27 Mitteln
Laufzeit : 2016-09-01 - 2021-08-31

Samen sind eine wichtige evolutionäre Entwicklung der Pflanzen, da sie den Embryo in vielen verschiedenen Umgebungsbedingungen ein Überleben auch für längere Zeit sichern. Die schützenden Samenschalen sind in ihrem Aufbau und ihrer Struktur sehr heterogen, da sie für unterschiedliche Umgebungsbedingungen als auch unterschiedliche Strategien zur Samenverbreitung optimiert sind. Nußschalen sind als harte und zähe Leichtbaustrukturen mit hoher Umweltresistenz konzipiert und daher sowohl der Materialaufbau als auch Ihre Bildung für die biomimetische Forschung von Interesse. Biologische Materialien werden nicht nur auf Basis des Materials (molekulare Zusammensetzung) optimiert sondern durch Form und Strukturoptimierungen auf Makro- Mikro- und Nanoebene. Diese Design-Prinzipien zu entschlüsseln ist eine große Herausforderung, die in diesem Projekt in 3 wichtigen Schritten verfolgt wird: 1) in-situ-Verfahren zu entwickeln um den molekularen Aufbau sowie Strukturen auf der Mikro- und Nanoebene in Samenschalen zu erfassen, 2) Heterogenität und gemeinsame Gestaltungsprinzipien anhand unterschiedlicher Arten zu erkennen und 3) die wichtigsten Entwicklungschritte des Materials von Entstehung (weich) , Reifung (hart) und das Öffnen im Zuge der Samenkeimung (offen) zu verstehen. Durch die Messung der inelastischen Streuung von Laserlicht (Raman-Mikroskopie), Abrastern mit einer Spitze (Rasterkraftmikroskopie AFM, digital pulsed force mode) und die Kombination beider (z.Bsp. optische Nahfeld-Mikroskopie-SNOM) sollen anspruchsvolle Anwendungen für die Bildgebung natürliche Verpackungsstrukturen entwickelt werden. Dies wird es ermöglichen, neue Einblicke in die Mikro- und Nanochemie sowie Nanomechanik in Zusammenhang mit Gewebe- und Zell Organisation zu gewinnen. Weiterhin werden vertiefte Kenntnisse über die Entwicklungsprozesse des Materials im Zuge der Reifung, sowie spezieller Öffnungsmechanismen entschlüsselt. Dies wird zu einem besseren Verständnis der zugrunde liegenden Design-Prinzipien führen, was wichtig ist, um Struktur-Funktions-Beziehungen abzuleiten. Zum Beispiel Fakoren und Zusammenhänge die die hohe Festigkeit , Rissbeständigkeit und Langlebigkeit erklären, können Inputs in intelligentes biomimetisches Materialdesign geben.
Forschungsprojekt aus §26 oder §27 Mitteln
Laufzeit : 2015-09-30 - 2018-09-29

Das zentrale Ziel dieses Forschungsprojektes ist die Erforschung der Anti-fouling- und Strömungseigenschaften von S-Schichten. Bakterielle S(surface)-Schichten sind geordnete Proteinschichten, welche die äußerste Zellwandkomponente bei vielen Bakterien und Archaea bilden. S-Schichten sind hoch poröse Proteingitter, deren Elementarzellen in der Größe zwischen 3 und 30 nm und Poren im Bereich von 2 und 8 nm liegen. S-Schichten sind allgemein zwischen 5 und 20 nm dick (Archaea bis zu 70 nm). S-Schichtproteine gehören zu den am häufigsten vorkommenden Biopolymeren auf der Erde. Isolierte und gereinigte native, als auch rekombinant hergestellte S-Schichtproteine bilden in Lösung, sowie an Grenzflächen (einschließlich fester Oberflächen) wieder geordnete, selbst-assemblierte Mono- oder Doppelschichten aus. S-Schichten erfüllen für die Bakterienzelle verschiedene biologische Funktionen, wobei allen die vollständige Bedeckung und die regelmäßige Wiederholung der Oberflächeneigenschaften (Topographie und (bio)chemische Funktionalisierung) zu Grunde liegen. In diesem Zusammenhang sind auch die außergewöhnlichen Anti-fouling Eigenschaften von S-Schichten zu nennen, die in TEM-Aufnahmen von Gefrierätzpräparationen deutlich werden. Außerdem darf angenommen werden, dass S-Schichten auch den Strömungswiderstand von Bakterienzellen reduzieren und somit die Mobilität der durch Geißeln angetriebenen Bakterienzellen erhöhen. Für beide Phänomene wird als Arbeitshypothese die Modifikation der Struktur des an die S-Schicht gebundenen Wasers angenommen und untersucht werden. Die gewonnen Erkenntnisse werden durch Computersimulationen ergänzt. Das vorliegende Projekt ist der Grundlagenforschung zur Strömungsmechanik an geordneten molekularen Strukturen, im spezielle Fall am Beispiel von S-Schichten, zuzuordnen. Die Ergebnisse könnten aber auch für neue Entwicklungen von biokompatiblen, selbstreinigenden Oberflächen in der medizinischen Sensorik (micro Total Analysis Systems (uTAS)), (Bio)sensoren, High-Throuput Screening (HTS) Systemen für die DNA Analyse oder dem Ink-Jet Drucken komplexer Flüssigkeiten entscheidend sein.

Betreute Hochschulschriften