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29.03.2017

Kieselalgen als Vorbild für Biomaterialien

Die ungewöhnliche Zellwandstruktur von Kieselalgen könnte als Vorbild für neue Materialien dienen. Dresdner Forscher  wollen die Prozesse dahinter verstehen.   

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Biosilica-Struktur der Kieselalge.
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Biosilica-Struktur der Kieselalge.
Quelle: 
Damian Pawolski, B CUBE, TU Dresden

Kieselalgen wie Cyclotella cryptica sind in süß- sowie salzhaltigen Gewässern, aber auch auf Steinen und Wasserpflanzen zu Hause. Für die Wissenschaft ist vor allem die außergewöhnliche Struktur der Zellwände der Meeresalge von großem Interesse. Diese einzelligen, für das bloße Auge kaum sichtbaren Mikroorganismen sind nicht nur in der Lage, unterschiedliche Proteine zu bilden. Sie bestehen aus dem anorganischen Material Silica(SiO2), das ein vielversprechender Naturstoff für neue funktionelle Materialien ist. Der Grund: Die Zellstrukturen weisen bei jeder Art spezielle Strukturelemente wie Porenmuster auf, die bis in den Nanometerbereich regelmäßig angeordnet sind. Die Bildung des sogenannten Biosilica durch Kieselalgen ist aber nicht nur für die biologische Formgebung (Morphogenese) wichtig. Sie eignet sich auch als Modellsystem, um molekulare Grundlagen der biologischen Bildung von Mineralien (Biomineralisation) zu erforschen.

Erste Durchbrüche bei Biosilica-Forschung

Im Projekt „Nanomee“ untersuchen Wissenschaftler unter Leitung der Technischen Universität Dresden seit 2014 die Kieselalge Cyclotella cryptica, um hinter das Geheimnis der faszinierenden biomolekülgesteuerten Mikroprozesse zukommen. Sie ermöglichen es dem Mikroorganismus, die spezielle Silicastrukturen überhaupt zu erzeugen. Erste Erfolge gibt es bereits: So konnte das Team bei der Entdeckung neuer Biosilica-bildender Proteine, der Lokalisation von Proteinen sowie der Assoziation Silica-bildender organischer Komponenten mit Biomembranen bereits Durchbrüche erzielen.

DLG setzt Kieselalgen-Forschung fort

Nun ist die Forschungsarbeit für weitere drei Jahre abgesichert, um neue drängende Fragen klären zu können. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft stellt dafür 2,1 Mio. Euro bereit. Am Projekt sind neben der TU Dresden, das Max-Planck-Institut für Molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden, die Georg-August-Universität Göttingen, die Philipps-Universität Marburg sowie die Universität Utrecht  beteiligt. Auf der zweiten Etappe richten die Forscher ihren Fokus nun auf die Aufklärung der molekularen Struktur der organisch-anorganischen Grenzfläche sowie auf die Analyse des Zusammenbaus der verschiedenen Komponenten des Silica-Biosyntheseprozesses.

Grundlage für neue funktionelle Materialien

Die Ergebnisse der Forschergruppe könnten zu einem besseren Verständnis der biologischen Mineralbildung und Biomorphogenese beitragen. Sie könnten aber ebenso die Basis für biomimetische und biotechnologische Synthesen von neuen funktionellen Materialien und somit eine Alternative zu herkömmlichen Herstellungsmethoden sein.

bb

 

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