Coating of surfaces of composite materials with enzymatically formed biosilica

Die Bildung kieselsäurehaltiger Spicula in marinen Schwämmen ist nur möglich durch die enzymatische Aktivität des Silicatein- in Verbindung mit der stöchiometrischen Selbstassemblierung des Enzyms mit anderen Schwammproteinen. Die vorliegende Arbeit basiert auf einem biomimetischen Ansatz mit dem Ziel, unterschiedliche Oberflächen für biotechnologische und biomedizinische Anwendungen mit Biosilica und Biotitania zu beschichten und zu funktionalisieren. Für biotechnologische Anwendungen ist dabei das Drucken von Cystein-getaggtem Silicatein auf Gold-Oberflächen von Bedeutung, denn es ermöglichte die Bildung definierter Biotitania-Strukturen (Anatas), welche als Photokatalysator den Abbau eines organischen Farbstoffs bewirkten. Des Weiteren zeigte sich die bio-inspirierte Modifikation von Tyrosin-Resten an rekombinantem Silicatein-(via Tyrosinase) als vielversprechendes Werkzeug zur Beschleunigung der Selbstassemblierung des Enzyms zu mesoskaligen Filamenten. Durch eine solche Modifikation konnte Silicatein auch auf der Oberfläche von anorganischen Partikeln immobilisiert werden, welches die Assemblierung von anorganisch-organischen Verbundwerkstoffen in wäßriger Umgebung förderte. Die resultierenden supramolekularen Strukturen könnten dabei in bio-inspirierten und biotechnologischen Anwendungen genutzt werden. Weiterhin wurde in der vorliegenden Arbeit die Sekundärstruktur von rekombinantem Silicatein- (Monomer und Oligomer) durch Raman Spektroskopie analysiert, nachdem das Protein gemäß einer neu etablierten Methode rückgefaltet worden war. Diese Spektraldaten zeigten insbesondere Änderungen der Proteinkonformation durch Solubilisierung und Oligomerisierung des Enzyms. Außerdem wurden die osteoinduzierenden und osteogenen Eigenschaften unterschiedlicher organischer Polymere, die herkömmlich als Knochenersatzmaterial genutzt werden, durch Oberflächenmodifikation mit Silicatein/Biosilica verbessert: Die bei der Kultivierung knochenbildender Zellen auf derart oberflächenbehandelten Materialien beobachtete verstärkte Biomineralisierung, Aktivierung der Alkalischen Phosphatase, und Ausbildung eines typischen zellulären Phänotyps verdeutlichen das Potential von Silicatein/Biosilica für der Herstellung neuartiger Implantat- und Knochenersatzmaterialien.

Chert intervals in DSDP and ODP sites (Table 1)

Radiolarian cherts in the Tethyan realm of Jurassic age were recently interpreted as resulting from high biosiliceous productivity along upwelling zones in subequatorial paleolatitudes the locations of which were confirmed by revised paleomagnetic estimates. However, the widespread occurrence of cherts in the Eocene suggests that cherts may not always be reliable proxies of latitude and upwelling zones. In a new survey of the global spatio-temporal distribution of Cenozoic cherts in Deep Sea Drilling Project (DSDP) and Ocean Drilling Program (ODP) sediment cores, we found that cherts occur most frequently in the Paleocene and early Eocene, with a peak in occurrences at ~50 Ma that is coincident with the time of highest bottom water temperatures of the early Eocene climatic optimum (EECO) when the global ocean was presumably characterized by reduced upwelling efficiency and biosiliceous productivity. Cherts occur less commonly during the subsequent Eocene global cooling trend. Primary paleoclimatic factors rather than secondary diagenetic processes seem therefore to control chert formation. This timing of peak Eocene chert occurrence, which is supported by detailed stratigraphic correlations, contradicts currently accepted models that involve an initial loading of large amounts of dissolved silica from enhanced weathering and/or volcanism in a supposedly sluggish ocean of the EECO, followed during the subsequent middle Eocene global cooling by more vigorous oceanic circulation and consequent upwelling that made this silica reservoir available for enhanced biosilicification, with the formation of chert as a result of biosilica transformation during diagenesis. Instead, we suggest that basin-basin fractionation by deep-sea circulation could have raised the concentration of EECO dissolved silica especially in the North Atlantic, where an alternative mode of silica burial involving widespread direct precipitation and/or absorption of silica by clay minerals could have been operative in order to maintain balance between silica input and output during the upwelling-deficient conditions of the EECO. Cherts may therefore not always be proxies of biosiliceous productivity associated with latitudinally focused upwelling zones.

Silicatein α: Cathepsin L-like protein in sponge biosilica

Earth’s biota produces vast quantities of polymerized silica at ambient temperatures and pressures by mechanisms that are not understood. Silica spicules constitute 75% of the dry weight of the sponge Tethya aurantia, making this organism uniquely tractable for analyses of the proteins intimately associated with the biosilica. Each spicule contains a central protein filament, shown by x-ray diffraction to exhibit a highly regular, repeating structure. The protein filaments can be dissociated to yield three similar subunits, named silicatein α, β, and γ. The molecular weights and amino acid compositions of the three silicateins are similar, suggesting that they are members of a single protein family. The cDNA sequence of silicatein α, the most abundant of these subunits, reveals that this protein is highly similar to members of the cathepsin L and papain family of proteases. The cysteine at the active site in the proteases is replaced by serine in silicatein α, although the six cysteines that form disulfide bridges in the proteases are conserved. Silicatein α also contains unique tandem arrays of multiple hydroxyls. These structural features may help explain the mechanism of biosilicification and the recently discovered activity of the silicateins in promoting the condensation of silica and organically modified siloxane polymers (silicones) from the corresponding silicon alkoxides. They suggest the possibility of a dynamic role of the silicateins in silicification of the sponge spicule and offer the prospect of a new synthetic route to silica and siloxane polymers at low temperature and pressure and neutral pH.

Characterization of the Structure and Dynamics of Biomimetic Peptides by Solid-State NMR

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-05