The relevance of the silica metabolizing enzyme silicatein-alpha to biomineralization and the formation of biogenic silica in siliceous sponges

Die technische Silikatproduktion erfordert in der Regel hohe Temperaturen und extreme pH-Werte. In der Natur hingegen haben insbesondere Kieselschwämme die außergewöhnliche Fähigkeit, ihr Silikatskelett, das aus einzelnen sogenannten Spiculae besteht, enzymatisch mittels des Proteins Silicatein zu synthetisieren. rnIm Inneren der Spiculae, im zentralen Kanal, befindet sich das Axialfilament, welches hauptsächlich aus Silicatein-α aufgebaut ist. Mittels Antikörperfärbungen und Elektronenmikroskopischen Analysen konnte festgestellt werden, dass Silicatein in mit Kieselsäure-gefüllten Zellorganellen (silicasomes) nachzuweisen ist. Mittels dieser Vakuolen kann das Enzym und die Kieselsäure aus der Zelle zu den Spiculae im extrazellulären Raum befördert werden, wo diese ihre endgültige Länge und Dicke erreichen. Zum ersten Mal konnte nachgewiesen werden, dass rekombinant hergestelltes Silicatein-α sowohl als Siliciumdioxid-Polymerase als auch Siliciumdioxid-Esterase wirkt. Mittels Massenspektroskopie konnte die enzymatische Polymerisation von Kieselsäure nachverfolgt werden. Durch Spaltung der Esterbindung des künstlichen Substrates Bis(p-aminophenoxy)-dimethylsilan war es möglich kinetische Parameter der Siliciumdioxid-Esterase-Aktivität des rekombinanten Silicateins zu ermitteln.rnZu den größten biogenen Silikatstukuren auf der Erde gehören die Kieselnadeln der Schwammklasse Hexactinellida. Nadelextrakte aus den Schwammklassen Demospongien (S. domuncula) und Hexactinellida (M. chuni) wurden miteinander verglichen um die potentielle Existenz von Silicatein oder Silicatein-ähnliche Molekülen und die dazu gehörige proteolytischen Aktivität nachzuweisen. Biochemische Analysen zeigten, dass das 27 kDA große isolierte Polypeptid in Monoraphis mehrere gemeinsame Merkmale mit den Silicateinen der Demospongien teilt. Dazu gehören die Größe und die Proteinase-Aktivität. rnUm die Frage zu klären, ob das axiale Filament selbst zur Formbildung der Skelettelemente beiträgt, wurde ein neues mildes Extraktionsverfahren eingeführt. Dieses Verfahren ermöglichte die Solubilisierung des nativen Silicateins aus den Spiculae. Die isolierten Silicateine lagen als Monomere (24 kDa) vor, die Dimere durch nicht-kovalente Bindungen ausbildeten. Darüber hinaus konnten durch PAGE-Gelelektrophorese Tetramere (95 kDa) und Hexamere (135 kDa) nachgewiesen werden. Die Monomere zeigten eine beträchtliche proteolytische Aktivität, die sich während der Polymerisationsphase des Proteins weiter erhöhte. Mit Hilfe der Lichtmikroskopie und Elektronenmikroskopie (TEM) konnte die Assemblierung der Proteine zu filamentartigen Strukturen gezeigt werden. Die Selbstorganisation der Silicatein-α-Monomeren scheint eine Basis für Form- und Musterbildung der wachsenden Nadeln zu bilden.rn Um die Rolle des kürzlich entdeckten Proteins Silintaphin-1, ein starker Interaktionspartner des Silicatein-α, während der Biosilifizierung zu klären, wurden Assemblierungs-Experimente mit den rekombinanten Proteinen in vitro durchgeführt. Zusätzlich wurde deren Effekt auf die Biosilikatsynthese untersucht. Elektronenmikroskopische Analysen ergaben, dass rekombinantes Silicatein-α zufällig verteilte Aggregate bildet, während die Koinkubation beider Proteine (molekulares Verhältnis 4:1) über fraktal artige Strukturen zu Filamenten führt. Auch die enzymatische Aktivität der Silicatein-α-vermittelte Biosilikatsynthese erhöhte sich in Gegenwart von Silintaphin-1 um das 5,3-fache. rn

Design and Characterization of Luminescent Silica Nanoparticles

The aim of this thesis was to design, synthesize and characterize dye-doped silica nanoparticles (DDSNPs) to be used as chemosensors or labels in bioanalytical applications. DDSNPs represent one of the most versatile and useful components in nanomedicine displaying important features such as high colloid stability in water, low toxicity, one-pot inexpensive synthesis and tunable fluorescence emission. Starting from the one-pot and highly reproducible synthesis of “silica-core/PEG shell” DDSNPs based on the use of micelles of Pluronic F127, in which take place both hydrolysis and condensation of the silica precursor and of the dyes functionalized with a triethoxysilane group, we developed DDSNPs suitable for optical and optoacustic imaging, drug loading and chemical sensing obtaining very interesting results for the further development of nanomedicine.

Development of models and methods to simulate peptide-assisted nucleation and growth of calcium-minerals

In den vergangenen Jahren wurden einige bislang unbekannte Phänomene experimentell beobachtet, wie etwa die Existenz unterschiedlicher Prä-Nukleations-Strukturen. Diese haben zu einem neuen Verständnis von Prozessen, die auf molekularer Ebene während der Nukleation und dem Wachstum von Kristallen auftreten, beigetragen. Die Auswirkungen solcher Prä-Nukleations-Strukturen auf den Prozess der Biomineralisation sind noch nicht hinreichend verstanden. Die Mechanismen, mittels derer biomolekulare Modifikatoren, wie Peptide, mit Prä-Nukleations-Strukturen interagieren und somit den Nukleationsprozess von Mineralen beeinflussen könnten, sind vielfältig. Molekulare Simulationen sind zur Analyse der Formation von Prä-Nukleations-Strukturen in Anwesenheit von Modifikatoren gut geeignet. Die vorliegende Arbeit beschreibt einen Ansatz zur Analyse der Interaktion von Peptiden mit den in Lösung befindlichen Bestandteilen der entstehenden Kristalle mit Hilfe von Molekular-Dynamik Simulationen.rnUm informative Simulationen zu ermöglichen, wurde in einem ersten Schritt die Qualität bestehender Kraftfelder im Hinblick auf die Beschreibung von mit Calciumionen interagierenden Oligoglutamaten in wässrigen Lösungen untersucht. Es zeigte sich, dass große Unstimmigkeiten zwischen etablierten Kraftfeldern bestehen, und dass keines der untersuchten Kraftfelder eine realistische Beschreibung der Ionen-Paarung dieser komplexen Ionen widerspiegelte. Daher wurde eine Strategie zur Optimierung bestehender biomolekularer Kraftfelder in dieser Hinsicht entwickelt. Relativ geringe Veränderungen der auf die Ionen–Peptid van-der-Waals-Wechselwirkungen bezogenen Parameter reichten aus, um ein verlässliches Modell für das untersuchte System zu erzielen. rnDas umfassende Sampling des Phasenraumes der Systeme stellt aufgrund der zahlreichen Freiheitsgrade und der starken Interaktionen zwischen Calciumionen und Glutamat in Lösung eine besondere Herausforderung dar. Daher wurde die Methode der Biasing Potential Replica Exchange Molekular-Dynamik Simulationen im Hinblick auf das Sampling von Oligoglutamaten justiert und es erfolgte die Simulation von Peptiden verschiedener Kettenlängen in Anwesenheit von Calciumionen. Mit Hilfe der Sketch-Map Analyse konnten im Rahmen der Simulationen zahlreiche stabile Ionen-Peptid-Komplexe identifiziert werden, welche die Formation von Prä-Nukleations-Strukturen beeinflussen könnten. Abhängig von der Kettenlänge des Peptids weisen diese Komplexe charakteristische Abstände zwischen den Calciumionen auf. Diese ähneln einigen Abständen zwischen den Calciumionen in jenen Phasen von Calcium-Oxalat Kristallen, die in Anwesenheit von Oligoglutamaten gewachsen sind. Die Analogie der Abstände zwischen Calciumionen in gelösten Ionen-Peptid-Komplexen und in Calcium-Oxalat Kristallen könnte auf die Bedeutung von Ionen-Peptid-Komplexen im Prozess der Nukleation und des Wachstums von Biomineralen hindeuten und stellt einen möglichen Erklärungsansatz für die Fähigkeit von Oligoglutamaten zur Beeinflussung der Phase des sich formierenden Kristalls dar, die experimentell beobachtet wurde.

Controlled wetting on silica-based nano- and microstructured surfaces

Der Fokus dieser Doktorarbeit liegt auf der kontrollierten Benetzung von festen Oberflächen, die in vielen Bereichen, wie zum Beispiel in der Mikrofluidik, für Beschichtungen und in biologischen Studien von Zellen oder Bakterien, von großer Bedeutung ist.rnDer erste Teil dieser Arbeit widmet sich der Frage, wie Nanorauigkeit das Benetzungsverhalten, d.h. die Kontaktwinkel und die Pinningstärke, von hydrophoben und superhydrophoben Beschichtungen beeinflusst. Hierfür wird eine neue Methode entwickelt, um eine nanoraue Silika-Beschichtung über die Gasphase auf eine superhydrophobe Oberfläche, die aus rauen Polystyrol-Silika-Kern-Schale-Partikeln besteht, aufzubringen. Es wird gezeigt, dass die Topographie und Dichte der Nanorauigkeiten bestimmt, ob sich die Superhydrophobizität verringert oder erhöht, d.h. ob sich ein Flüssigkeitstropfen im Nano-Wenzel- oder Nano-Cassie-Zustand befindet. Das verstärkte Pinning im Nano-Wenzel-Zustand beruht auf dem Eindringen von Flüssigkeitsmolekülen in die Nanoporen der Beschichtung. Im Nano-Cassie-Zustand dagegen sitzt der Tropfen auf den Nanorauigkeiten, was das Pinning vermindert. Die experimentellen Ergebnisse werden mit molekulardynamischen Simulationen in Bezug gesetzt, die den Einfluss der Oberflächenbeschichtungsdichte und der Länge von fluorinierten Silanen auf die Hydrophobizität einer Oberfläche untersuchen. rnEs wurden bereits verschiedenste Techniken zur Herstellung von transparenten superhydrophoben, d.h. extrem flüssigkeitsabweisenden, Oberflächen entwickelt. Eine aktuelle Herausforderung liegt darin, Funktionalitäten einzuführen, ohne die superhydrophoben Eigenschaften einer Oberfläche zu verändern. Dies ist extrem anspruchsvoll, da funktionelle Gruppen in der Regel hydrophil sind. In dieser Arbeit wird eine innovative Methode zur Herstellung von transparenten superhydrophoben Oberflächen aus Janus-Mikrosäulen mit variierenden Dimensionen und Topographien entwickelt. Die Janus-Säulen haben hydrophobe Seitenwände und hydrophile Silika-Oberseiten, die anschließend selektiv und ohne Verlust der superhydrophoben Eigenschaften der Oberfläche funktionalisiert werden können. Diese selektive Oberflächenfunktionalisierung wird mittels konfokaler Mikroskopie und durch das chemische Anbinden von fluoreszenten Molekülen an die Säulenoberseiten sichtbar gemacht. Außerdem wird gezeigt, dass das Benetzungsverhalten durch Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeit und Festkörper in der Nähe der Benetzungslinie bestimmt wird. Diese Beobachtung widerlegt das allgemein akzeptierte Modell von Cassie und Baxter und beinhaltet, dass hydrophile Flächen, die durch mechanischen Abrieb freigelegt werden, nicht zu einem Verlust der Superhydrophobizität führen müssen, wie allgemein angenommen.rnBenetzung kann auch durch eine räumliche Beschränkung von Flüssigkeiten kontrolliert werden, z.B. in mikrofluidischen Systemen. Hier wird eine modifizierte Stöber-Synthese verwendet, um künstliche und natürliche Faser-Template mit einer Silika-Schicht zu ummanteln. Nach der thermischen Zersetzung des organischen Templat-Materials entstehen wohldefinierte Silika-Kanäle und Kanalkreuzungen mit gleichmäßigen Durchmessern im Nano- und Mikrometerbereich. Auf Grund ihrer Transparenz, mechanischen Stabilität und des großen Länge-zu-Durchmesser-Verhältnisses sind die Kanäle sehr gut geeignet, um die Füllgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten mit variierenden Oberflächenspannungen und Viskositäten zu untersuchen. Konfokale Mikroskopie ermöglicht es hierbei, die Füllgeschwindigkeiten über eine Länge von mehreren Millimetern, sowie direkt am Kanaleingang zu messen. Das späte Füllstadium kann sehr gut mit der Lucas-Washburn-Gleichung beschrieben werden. Die anfänglichen Füllgeschwindigkeiten sind jedoch niedriger als theoretisch vorhergesagt. Wohingegen die vorhergehenden Abschnitte dieser Arbeit sich mit der quasistatischen Benetzung beschäftigen, spielt hier die Dynamik der Benetzung eine wichtige Rolle. Tatsächlich lassen sich die beobachteten Abweichungen durch einen geschwindigkeitsabhängigen Fortschreitkontaktwinkel erklären und durch dynamische Benetzungstheorien modellieren. Somit löst diese Arbeit das seit langem diskutierte Problem der Abweichungen von der Lucas-Washburn-Gleichung bei kleinen Füllgeschwindigkeiten.

Recycling of end of life concrete fines (0 - 4 mm) into silica and cement

The purpose of this work is to find a methodology in order to make possible the recycling of fines (0 - 4 mm) in the Construction and Demolition Waste (CDW) process. At the moment this fraction is a not desired by-product: it has high contaminant content, it has to be separated from the coarse fraction, because of its high water absorption which can affect the properties of the concrete. In fact, in some countries the use of fines recycled aggregates is highly restricted or even banned. This work is placed inside the European project C2CA (from Concrete to Cement and Clean Aggregates) and it has been held in the Faculty of Civil Engineering and Geosciences of the Technical University of Delft, in particular, in the laboratory of Resources And Recycling. This research proposes some procedures in order to close the loop of the entire recycling process. After the classification done by ADR (Advanced Dry Recovery) the two fractions "airknife" and "rotor" (that together constitute the fraction 0 - 4 mm) are inserted in a new machine that works at high temperatures. The temperatures analysed in this research are 600 °C and 750 °C, cause at that temperature it is supposed that the cement bounds become very weak. The final goal is "to clean" the coarse fraction (0,250 - 4 mm) from the cement still attached to the sand and try to concentrate the cement paste in the fraction 0 - 0,250 mm. This new set-up is able to dry the material in very few seconds, divide it into two fractions (the coarse one and the fine one) thanks to the air and increase the amount of fines (0 - 0,250 mm) promoting the attrition between the particles through a vibration device. The coarse fraction is then processed in a ball mill in order to improve the result and reach the final goal. Thanks to the high temperature it is possible to markedly reduce the milling time. The sand 0 - 2 mm, after being heated and milled is used to replace 100% of norm sand in mortar production. The results are very promising: the mortar made with recycled sand reaches an early strength, in fact the increment with respect to the mortar made with norm sand is 20% after three days and 7% after seven days. With this research it has been demonstrated that once the temperature is increased it is possible to obtain a clean coarse fraction (0,250 - 4 mm), free from cement paste that is concentrated in the fine fraction 0 - 0,250 mm. The milling time and the drying time can be largely reduced. The recycled sand shows better performance in terms of mechanical properties with respect to the natural one.

Influence of cristalline structure of two minerals clays of type 1/1 on their pozzolanic power

Two clayey materials, one provided by a patner in mineral sector and the other coming from Balengou (West Region Cameroon) were subject of a comparative study in order to evaluate the influence of their crystalline structure on their pozzolanic property. These two natural materials were preliminary enriched in clay minerals by wet sieving and the fractions obtained are denoted K and H respectively. K and H were calcinated at 700 °C, with a heating rate of 5 °C/min and 10 hours dwell at the peak temperature, the products obtained were named MK and MH. Samples K, H, MK and MH were physicochemically characterized by the chemical (ICP), thermal(TGA/DTA) and mineralogical (DRX and Spectrometry IR) analyses together with the measurement of specific surface (BET), crystallinity and the pouzzolanicity test. The results confirmed K as a kaolinitic and H halloysic clay. The kaolinite and the halloysite respectively presented in these clayey materials exhibited a poor crystallinity, but the degree of disorder is higher in K than in H. These results were largely affected by the significant fraction of gibbsite in kaolinitic clay K. At the crude state, the pozzolanic activity of the material H is weak compared with that of K, but the heat treatment makes largely improve this property for both samples.

Scale Up of PLA Nanoparticle Synthesis by Solvent Displacement and Functionalization of the Particles with a Silica Shell for Targeted Drug Delivery Applications

Biodegradable polymer nanoparticles have the properties necessary to address many of the issues associated with current drug delivery techniques including targeted and controlled delivery. A novel drug delivery vehicle is proposed consisting of a poly(lactic acid) nanoparticle core, with a functionalized, mesoporous silica shell. In this study, the production of PLA nanoparticles is investigated using solvent displacement in both a batch and continuous manner, and the effects of various system parameters are examined. Using Pluronic F-127 as the stabilization agent throughout the study, PLA nanoparticles are produced through solvent displacement with diameters ranging from 200 to 250 nm using two different methods: dropwise addition and in an impinging jet mixer. The impinging jet mixer allows for easy scale-up of particle production. The concentration of surfactant and volume of quench solution is found to have minimal impact on particle diameter; however, the concentration of PLA is found to significantly impact the diameter mean and polydispersity. In addition, the stability of the PLA nanoparticles is observed to increase as residual THF is evaporated. Lastly, the isolated PLA nanoparticles are coated with a silica shell using the Stöber Process. It is found that functionalizing the silica with a phosphonic silane in the presence of excess Pluronic F-127 decreases coalescence of the particles during the coating process. Future work should be conducted to fine-tune the PLA nanoparticle synthesis process by understanding the effect of other system parameters and in synthesizing mesoporous silica shells.