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Forschungsprojekt aus §26 oder §27 Mitteln
Laufzeit : 2017-08-01 - 2020-07-31

Aufgrund der globalen Erwärmung wird eine Erhöhung der Durchschnittstemperaturen erwartet, demzufolge werden sich mehr Dürre-resistente Arten wie Eiche und Kiefer in den österreichischen Wäldern durchsetzen. Da diese in der Lage sind Extraktstoffe während der sogenannten „Kernholzbildung“ in die Mikrostruktur der einzelnen Zellen einzubauen, weisen diese Bäume eine erhöhte natürliche Dauerhaftigkeit auf. Abgesehen davon, dass diese Extrakte den Baum ein langes Leben ermöglichen, sind sie für Konstruktionsholz im Außenbereich essentiell um das Holz vor mikrobiellen Abbau zu schützen. In Zukunft werden diese Extrakte auch eine große Rolle für die Bioraffinerie spielen um neue Produkte für Medizin und Kosmetik zu erschließen. Die Kehrseite der Medaille ist aber, dass Extrakte in der Papier und Holzindustrie nicht immer erwünscht sind, da technische Prozesse wie Aufschluss oder Verleimung gestört werden. Wissenschaftler erforschen seit langem die Verkernung der Bäume und zeigen auf, dass sie eine hohe Variabilität aufweist, sie ist artspezifisch, standortabhängig und durch Umweltbedingungen beeinflusst. Bei manchen Holzarten kann man diesen Prozess mit einem Trocknungs- und Imprägnierungsprozess vergleichen. Bei der Untersuchung der Kernzholzbildung wurden oft unterschiedliche nasschemische und chromatographische Methoden verwendet, wobei die natürliche Holzmikrostruktur verloren geht und auch die Verknüpfung einzelner Komponenten. Deshalb ist die Wechselwirkung der einzelnen Zellwandkomponenten mit den Extrakten auf der Mirko- und Nanoebene nicht restlos geklärt. Eine Wissenslücke besteht besonders bei der Biosynthese der Extrakte sowie deren Transport zu den einzelnen Zellen, offene Fragen sind z.B.: ob die radialen Holzstrahlen die Hauptrolle übernehmen oder es ein komplexes Zusammenspiel unterschiedlicher Komponenten und Prozesse auf Mirkoebene ist? Ist es ein schneller oder langsamer Polymerisationsprozess, von der Jahreszeit, Umweltbedingungen und dem Alter abhängig? Mit diesem Projekt sollen diese Wissenslücken mittels Untersuchung von nativen, nie getrockneten Kernholzproben durch moderne bildgebende und spektroskopische Analysemethoden gefüllt werden. Dabei soll die Fluoreszenzmikroskopie einen Überblick über die Verteilung der Extrakte geben. Darüber hinaus wird mittels Raman-Mikroskopie und TOF-SIMS ein detaillierteres Bild über die chemische Zusammensetzung in Kontext mit der Mikrostruktur gegeben. Co-lokalisiertes ESEM wird die Ultrastruktur der wechselnden Zellwände bei der Kernholzbildung aufklären. Mit diesen Ansätzen werden wir die Kernholzbildung von Kiefern-, Douglasie- und Eichenbäumen untersuchen, indem wir 1) den Extrakten von der Biosynthese bis zur Zellwandimprägnierung folgen, 2) die Wechselwirkungen der Extrakte mit anderen Zellwandkomponenten studieren und 3) die Rolle der natürlichen sowie künstlichen Trocknung bestimmen, da sich bei Vorversuchen mit der Trocknung von natürlichen Proben eine Art „self-sealing“ von Mikrorissen und Tüpfel gezeigt hat. Diese in-situ Studien werden die Verteilung der Extrakte im Zusammenhang mit der Mikro- und Nanostruktur, sowie Veränderungen, Löslichkeit und Wechselwirkungen entschlüsseln und neue Einblicke in die Biologie der Kernholzbildung geben. Geplante Trocknungversuche werden neue wissenschaftliche Erkenntnisse auf dem Gebiet der Pflanzenphysiologie aber auch hinsichtlich der Optimierung von industriellen Anwendungen und Prozessen geben.
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.

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