Biomimetisches Modellsystem der Zellwand von Archaeen

Archaeen sind eine der ältesten Lebensformen die auf der Erde existieren. Diese einzelligen Organismen leben oft in extremen Biotopen. Viele Vertreter der Archaeen besitzen die Fähigkeit bei sehr hohen Temperaturen (d.h. über 80 C), sehr niedrigen oder hohen pH-Werten, hohen Salzkonzentrationen oder hohen Drücken zu leben. Da bei vielen Archaeen die Zellhülle nur aus einer sehr dünnen Fettschicht (Lipidmembran), die von einer kristallinen Proteinschicht umhüllt wird, besteht, stellt sich die Frage wie die Natur diese hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber extremen Umweltbedingungen bewerkstelligt. Das Projekt Herstellung und Charakterisierung von künstlichen archaealen Zellhüllen und deren Bedeutung als Modellmembran beschäftigt sich mit der Isolierung der biologischen Bausteinen (Lipide und Proteine) und dem Nachbau künstlicher Zellhüllen daraus. Es soll die Frage geklärt werden wie die Selbstorganisation der Etherlipide und der Oberflächenproteine im Detail abläuft. Zudem geht das Projekt der Frage nach welche Eigenschaften der Biomoleküle selbst und deren Verankerung untereinanderzudenmakroskopischenZellhüllen miterstaunlicher Widerstandsfähigkeit gegenüber extremen Biotopbedingungen führen. Zu diesem Zweck werden erstmals ausgewählte Stämme von Archaeen im Bioreaktor gezüchtet und daraus die Grundbausteine, das sind Oberflächenproteine und Fette (sogenannte Etherlipide), isoliert. Zusätzlich können die Oberflächenproteine auch genetisch hergestellt und verändert werden. So können Ankergruppen in das Protein eingefügt werden um dann spezifisch an die Etherlipide binden zu können. Dies ist ein neuer Ansatz den noch keine Forschergruppe zuvor versucht hat. Durch Anwendung des Bauprinzips, das in der Natur zu beobachten ist, werden Schicht für Schicht die Zellhüllstruktur von Archaeen nachgebaut. Dabei wird jeder Schritt mittels modernsten mikroskopischen und Oberflächen-sensitiven Techniken verfolgt und analysiert werden. Es kommen dabei neben hochauflösender Licht- und Fluoreszenzmikroskopie auch ein Elektronen- und ein Rasterkraftmikroskop als bildgebende Methodenzum Einsatz.Als wichtigsteOberflächen-sensitive Methodenseien die OberflächenplasmonenresonanzSpektroskopieunddieSchwingquarzmikrowaage mit Dissipationsmessung genannt. Diese Methoden dienen zur Bestimmung der Morphologie, Schichtausbildung, Dicke (im Nanometerbereich) und Beschaffenheit der Schichten. Aus den Ergebnissen dieses Projektes können wertvolle Erkenntnisse bezüglich der Isolierung und vor allem der Selbstorganisation von Zellwandbausteinen gewonnen werden. Aus diesem Wissen heraus können Oberflächenbeschichtungen mit sehr spezifischen Eigenschaften (z.B. antihaftend oder selbst- reinigend) hergestellt werden. Als weitere Einsatzgebiete sind biomimetische Membransysteme zu nennen, mit denen man die Zellwände der Archaeen studieren und modellieren kann. Letztere haben aber auch ein großes Potential um als Modellsysteme zu dienen, in denen man Membran-aktive Peptide und Membranproteine einbauen und systematisch untersuchen kann. Damit könnte es auch möglich sein hoch sensitive Diagnose- und Sensorsysteme zu entwickeln.

Im Rahmen des Projekts "Biomimetisches Modellsystem der Zellwand von Archaeen" wurden verschiedene Archaeen gezüchtet um zwei wesentliche Membranbausteine aus der Biomasse zu gewinnen. Zum einen wurden Etherlipide aus der Plasmamembran der Organismen herausgelöst, zum anderen wurde versucht Oberflächenproteine, die so genannten S-Schichtproteine zu isolieren. Beide Bausteine sind deshalb so interessant, weil sie als äußerste Kontaktflächen der Archaeen extreme Lebensbedingungen wie Temperaturen bis 120 C und sehr sauren pH aushalten und es sich daher um sehr stabile Bausteine handeln muss. Es konnte durch systematisches Einstellen von verschiedenen Züchtungsbedingungen reproduzierbar eine gewünschte Lipidzusammensetzung der Plasmamembran erzielt werden. Aus den extrahierten Etherlipiden wurden planare und kugelförmige Membranen hergestellt, charakterisiert und als Bindungsmatrix für bakterielle S-Schichtproteinen verwendet. Die archaealen S-Schichtproteine konnten weder durch chemische und physikalische noch durch genetische Methoden von den Archaeen als einzelne Proteine herunter gelöst werden. Mit einem genetischen Ansatz konnte jedoch gezeigt werden, dass die S-Schicht für die Zellteilung und Aufrechterhaltung der Zellform sehr wichtig ist. Interessant war auch, dass aus isolierte S-Schichtproteinfragmenten, die auf Mikrofilter angelagert wurden, Ultrafiltrationsmembranen hergestellt werden konnten. Diese können in der Biotechnologie als Filter, aber auch als vereinfachtes Model, um die Biochemie und Biophysik der S-Schichtproteine zu verstehen, Anwendung finden. In einer Literaturstudie im Rahmen des Projekts wurde ein Überblick über den aktuellen Stand der Archaea-Biotechnologie gegeben. Dabei wurde der aktuelle Stand der Forschung sowie der industriellen Nutzung von archaealen Zellfabriken, ihre Rolle und ihr Potenzial für die Zukunft nachhaltiger Bioprozesstechnik und ihr physiologisches und biotechnologisches Potenzial beschrieben. Um den Fortschritt der betreffenden Technologien objektiv zu analysieren, wurde die etablierte Technology Readiness Level (TRL)-Skala für die spezifische Anwendung in der mikrobiellen Biotechnologie angepasst. Die neue Skala "Bio-TRL" (B-TRL) wurde für dieser Überprüfung definiert und angewandt. Damit lässt sich erstmals der Stand der Technik (B-TRL) für verschiedene Produkte archaealer Zellfabriken objektiv vergleichen. Das Projekt war nicht nur für die (Bio-)Nanotechnologie, sondern auch für verwandte Forschungsbereiche wie Ökophysiologie, Geo-, Astro- und Biotechnologie. Das Wissen über die Wahl geeigneter Wachstumsbedingungen zur Erzielung des gewünschten Lipidprofils und der Scale-up-Parameter ist für Forschungsbereiche wie Kosmetik und Arzneimittelverabreichung von Nutzen. Schließlich eröffneten die Projektergebnisse einen vielversprechenden neuen Ansatz für Biosensoren auf Membranproteinbasis deren Anwendung von der Medizin über die Diagnostik bis hin zur Umweltüberwachung reichen.