Identification of a silicatein(-related) protease in the giant spicules of the deep-sea hexactinellid Monorhaphis chuni

Silicateins, members of the cathepsin L family, are enzymes that have been shown to be involved in the biosynthesis/condensation of biosilica in spicules from Demospongiae (phylum Porifera), e. g. Tethya aurantium and Suberites domuncula. The class Hexactinellida also forms spicules from this inorganic material. This class of sponges includes species that form the largest biogenic silica structures on earth. The giant basal spicules from the hexactinellids Monorhaphis chuni and Monorhaphis intermedia can reach lengths of up to 3 m and diameters of 10 mm. The giant spicules as well as the tauactines consist of a biosilica shell that surrounds the axial canal, which harbours the axial filament, in regular concentric, lamellar layers, suggesting an appositional growth of the spicules. The lamellae contain 27 kDa proteins, which undergo post-translational modification (phosphorylation), while total spicule extracts contain additional 70 kDa proteins. The 27 kDa proteins cross-reacted with anti-silicatein antibodies. The extracts of spicules from the hexactinellid Monorhaphis displayed proteolytic activity like the silicateins from the demosponge S. domuncula. Since the proteolytic activity in spicule extracts from both classes of sponge could be sensitively inhibited by E-64 (a specific cysteine proteinase inhibitor), we used a labelled E-64 sample as a probe to identify the protein that bound to this inhibitor on a blot. The experiments revealed that the labelled E-64 selectively recognized the 27 kDa protein. Our data strongly suggest that silicatein(-related) molecules are also present in Hexactinellida. These new results are considered to also be of impact for applied biotechnological studies.

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

Bioverkapselung lebender Bakterien (Escherichia coli) mit Poly-(Silicat) nach Transformation mit dem Silicatein-alpha-Gen

Die Bioverkapselung ist eine faszinierende Methode, um biologische Materialien einschließlich Zellen in Siliziumdioxid, Metalloxiden oder hybriden Sol-Gel-Polymeren zu immobilisieren. Bisher wurde nur die Sol-Gel-Vorläufertechnologie genutzt, um Bakterien- oder Hefezellen in Siliziumdioxid zu immobilisieren. Hierfür wurden verschiedene Reagenzien als wässrige Vorläufer getestet, um poly(Silicate) auf Biomolekülen (Bhatia et al., 2000) oder Zellen (Liu und Chen 1999; Coradin und Livage, 2007) zu bilden. Einer der erfolgreichsten bisherigen Methoden verwendet eine Mischung aus Silicaten und kolloidalem Silica. Diese initialen Vorläufer werden durch die Zugabe von Salzsäure neutralisiert, was die Gelbildung fortschreiten lässt und die Verkapselung von Bakterien in einem Silica-Netzwerk zur Folge hat (Nassif et al., 2003). Mit der Entdeckung von Silicatein, einem Enzym, das aus Demospongien isoliert wurde und die Bildung von poly(Silicat) katalysiert, wurde es möglich, poly(Silicat) unter physiologischen Bedingungen zu synthetisieren. Silicatein wurde rekombinant in E. coli hergestellt und ist in der Lage, bei Raumtemperatur, neutralem pH-Wert und in wässrigen Puffersystemen aus Siliziumalkoxiden poly(Silicat) zu bilden (Krasko et al., 2000; Müller et al., 2007b; Zhou et al., 1999). In vivo katalysiert Silicatein die Synthese der Silicathülle der Schwamm-Spiculae (Skelettelemente; Müller et al., 2005b; Müller et al., 2007a; Müller et al., 2007b; Schröder et al., 2007a). Dieses Biosilica wurde in Form von Silica-Nanospheren mit Durchmessern zwischen 100 nm und 250 nm organisiert vorgefunden (Pisera 2003; Tahir et al., 2005). Mit dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass Escherichia coli erfolgreich mit dem Silicatein-Gen transformiert werden kann. Das Level der Proteinexpression kann in Anwesenheit von Isopropyl-β-D-thiogalaktopyranosid (IPTG) effizient erhöht werden, indem man die Bakterienzellen gleichzeitig mit Kieselsäure inkubiert. Dieser Effekt konnte sowohl auf Ebene der Synthese des rekombinanten Proteins durch Western Blot als auch durch Immunfluoreszenzmikroskopie nachgewiesen werden. Das heterolog produzierte Silicatein besitzt enzymatische Aktivität und kann die Polymerisation von Kieselsäure katalysieren. Dies konnte sowohl durch Färbung mit Rhodamin123, als auch durch Reaktion der nicht polymerisierten, freien Kieselsäure mit dem ß-Silicomolybdato-Farbsystem (Silicomolybdänblau) nachgewiesen werden. Elektronenmikroskopische Untersuchungen zeigten, dass nur die silicateinexprimierenden Bakterien während des Wachstums in Anwesenheit von Kieselsäure eine viskose Hülle um Zelle herum bilden. Ebenfalls konnte gezeigt werden, dass Silicatein-α aus Suberites domuncula nach Transformation in E. coli an die Zelloberfläche dieser Zellen transportiert wurde und dort seine enzymatische Funktion beibehielt. Die Silicathülle wurde mittels Raster-Elektronenmikroskopie (REM) analysiert. Die Bakterien, die Silicatein exprimierten und poly(Silicat) an ihrer Oberfläche synthetisierten, zeigten die gleichen Wachstumsraten wie die Bakterien, die das Gen nicht enthielten. Schlussfolgernd lässt sich sagen, dass die silicateinvermittelte Verkapselung von Bakterien mit poly(Silicat) die Bandbreite der Anwendung von Bakterien für die Produktion von rekombinanten Proteinen verbessern, erweitern und optimieren könnte.

Modifizierungen des Enzyms Silicatein alpha zur direkten Immobilisierung auf verschiedenen Oberflächen : neuartige Herstellung von Kompositmaterialien unter physiologischen Bedingungen

Das Silicatein α ist ein 24 kDa großes Enzym, welches im Schwamm Suberites domuncula für die Synthese von Biosilikat verantwortlich ist. Vorhergehende Studien haben gezeigt, dass Silicatein auch die Synthese anderer Metalloxide wie Titandioxid, Galliumoxid und Zirkoniumdioxid katalysieren kann. Diese Fähigkeiten machen das Silicatein α für biomedizinische und biotechnologische Anwendungen interessant, da die Synthese unter nahezu physiologischen Bedingungen ablaufen kann, was die Herstellung neuartiger Kompositmaterialien mit einzigartigen Eigenschaften erleichtern würde. Zur Immobilisierung des Silicatein α auf verschiedenen Oberflächen wurde bislang ein Nickel-NTA-Kopolymer eingesetzt. Diese Art der Immobilisierung bietet eine Reihe von Möglichkeiten in der Nanobiotechnologie, stößt aber in der Biomedizin an ihre Grenzen, da sich nicht alle Oberflächen für ein solches Coating eignen. Zudem können die zur Aktivierung des Polymers nötigen Lösungsmittel und die über die Zeit freigesetzten Monomere aus dem Polymergerüst toxische oder mutagene Wirkung auf das umliegende Gewebe haben. Deshalb wurde das Silicatein α in dieser Arbeit mit zwei Affinitäts-Tags so modifiziert, dass es an verschiedene Oberflächen immobilisiert werden kann und dabei seine Aktivität beibehält. Zuerst wurde das Silicatein mit einem Glu-tag am N-terminalen Ende modifiziert. Dadurch gelang die direkte Immobilisierung an Hydroxyapatit und die folgende, enzymkatalysierte Synthese von Biosilikat-Beschichtungen auf diesem Träger. Die Eigenschaften eines solchen HA-Kompositmaterials können zum Beispiel zu einem verbesserten, schnelleren und stabileren Einwachsen von Knochenimplantaten führen, da Biosilikat die Reifung und Differenzierung von Osteoblasten beschleunigt. rnMit dem an Hydroxyapatit-Plättchen immobilisierten Glu-tag-Silicatein wurde ein modifizierter Pull-down Assay etabliert, wodurch bekannte, aber auch bis dahin noch unbekannte Protein-Interaktionspartner identifiziert werden konnten. rnUm zu zeigen, dass der entwickelte Glu-tag an präformierte, calciumhaltige Oberflächen binden kann, wurden die Nadeln des Kalkschwammes Paraleucilla magna als Modellorganismus verwendet. Die Nadeln konnten durch das immobilisierte Silicatein mit einer Titandioxid-Schicht überzogen werden und unter Verwendung des Interaktionspartners Silintaphin-1 konnte diese Beschichtung noch verstärkt werden. Solche CaCO3-Kompositmaterialien könnten sowohl in der Biomedizin als auch in der Biotechnologie zum Einsatz kommen. Neben den erwähnten calciumhaltigen Materialien finden auch andere Stoffe wie TiO2-Nanodrähte Verwendung in der Forschung. In weiterführenden Experimenten konnte gezeigt werden, dass der entwickelte Glu-tag auch Affinität zu Titandioxid-Oberflächen vermittelt. Auch hier konnte durch das oberflächenimmobilisierte Enzym eine Biosilikatbeschichtung synthetisiert werden. rnMit der zweiten Modifikation - einem Cys-tag - konnte Silicatein direkt auf Goldoberflächen immobilisiert werden. Durch die Verwendung eines Polydimethylsiloxan (PDMS)-Stempels wurde das Cys-getaggte Silicatein in einem linienförmigen Muster auf das Gold übertragen und die Synthese von Titandioxid dort nachgewiesen.rnDie Experimente und Ergebnisse dieser Arbeit haben gezeigt, dass Silicatein α durch einfache Modifikationen an verschiedene Oberflächen immobilisiert werden kann und dabei immer noch seine Aktivität behält. rnHierdurch ergibt sich die Möglichkeit, unter Normalbedingungen verschiedenste Kompositmaterialien herzustellen.rn

Preparation and functional characterisation of recombinant silicatein-alpha from the sponge Suberites domuncula

The marine world is an immense source of biodiversity that provides substances with striking potentials in medicinal chemistry and biotechnology. Sponges (Porifera) are marine animals that represent the most impressive example of organisms possessing the ability to metabolise silica through a family of enzymes known as silicateins. Complex skeletal structures (spicules) made of pure biogenic silica (biosilica) are produced under physiological conditions. Biosilica is a natural material comprising inorganic and organic components with unique mechanical, optical, and physico-chemical properties, including promising potential to be used for development of therapeutic agents in regenerative medicine. Unravelling the intimate physiological mechanisms occurring in sponges during the construction of their siliceous spicules is an on-going project, and several questions have been addressed by the studies proposed by our working group. In this doctoral work, the recombinant DNA technology is exploited for functional and structural characterisation of silicatein. Its precursors are produced as fusion proteins with a chaperone tag (named TF-Ps), and a robust method for the overexpression of native soluble proteins in high concentrations has been developed. In addition, it is observed and proven experimentally that the maturation of silicatein is an autocatalytic event that: (i) can be modulated by rational use of protease inhibitors; (ii) is influenced by the temperature of the environment; (iii) only slightly depends on the pH. In the same experimental framework, observations on the dynamics in the maturation of silicateins allow a better understanding of how the axial filaments form during the early stages of spicule construction. In addition, the definition of new distinct properties of silicatein (termed “structure-guiding” and “structure-forming”) is introduced. By homology models and through comparisons with similar proteins (the cathepsins), domains with significant surface hydrophobicity are identified as potential self-assembly mediators. Moreover, a high-throughput screening showed that TF-Ps could generate crystals under certain conditions, becoming promising for further structural studies. With the goal of optimise the properties of the recombinant silicatein, implementation of new production systems are tried for the first time. Success in the expression of silicatein-type proteins in insect and yeast cells, constitute a promising basis for further development, towards the establishment of an efficient method for the production of a high-value pure and soluble protein.

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.

Molecular studies on the effect of germanium oxide on sponges, corals and ascidians

The stress response, at the molecular level, of the soft corals Dendronephthya klunzingeri and Heteroxenia sp., hard corals Acropora hyacinthus and A. valenciennesi, an ascidian Symplegma sp. and sponges Latruncula cortica and Callyspongia crassa to germanium oxide (GeO sub(2)) was evaluated. Evaluation was carried out using bioindicators. such as the level of expression of each of the heat shock proteins (HSPs) and the silicatein enzyme in response to the compound. However, the expression was measured by SDS Polyacrylamide Gel Electrophoresis (SDS PAGE) and western blotting. The harmful concentration of GeO sub(2) that produced noticeable molecular changes in the studied samples during the first 6-24 hours was 6 μg/ml. The two studied soft corals as well as the ascidian responded to the harmful concentration of germanium oxide by expressing the heat-shock protein 90 (hsp90), while the two hard corals responded by expressing hsp70, C. crassa by decreasing the level of silicatein enzyme and sponge L. cortica produced no change by any of the used biomarkers, The soft coral Heteroxenia sp. was found to be sensitive to mechanical stress during the experiment and it was more sensitive to 6 μg/ml of GeO sub(2) than the other soft coral D. klunzingeri. The two studied hard corals were sensitive to mechanical stress during the experiment, but A. hyacinth us showed higher sensitivity than A. valenciennesi. However, these 2 corals displayed reverse response to GeO sub(2). Primitive evidences were found in the SDS PAGE to distinguish the tissue of the soft coral from that of the hard coral on the molecular level; the soft coral showed two prominent protein bands (45 and 50 kDa) while the two prominent protein bands for hard corals were 31 and 116 kDa.

Bioorganic/inorganic hybrid composition of sponge spicules: Matrix of the giant spicules and of the comitalia of the deep sea hexactinellid Monorhaphis

The giant basal spicules of the siliceous sponges Monorhaphis chuni and Monorhaphis intermedia (Hexactinellida) represent the largest biosilica structures on earth (up to 3 m long). Here we describe the construction (lamellar organization) of these spicules and of the comitalia and highlight their organic matrix in order to understand their mechanical properties. The spicules display three distinct regions built of biosilica: (i) the outer lamellar zone (radius: >300 mu m), (ii) the bulky axial cylinder (radius: <75 mu m), and (iii) the central axial canal (diameter: <2 mu m) with its organic axial filament. The spicules are loosely covered with a collagen net which is regularly perforated by 7-10 mu m large holes; the net can be silicified. The silica layers forming the lamellar zone are approximate to 5 mu m thick; the central axial cylinder appears to be composed of almost solid silica which becomes porous after etching with hydrofluoric acid (HF). Dissolution of a complete spicule discloses its complex structure with distinct lamellae in the outer zone (lamellar coating) and a more resistant central part (axial barrel). Rapidly after the release of the organic coating from the lamellar zone the protein layers disintegrate to form irregular clumps/aggregates. In contrast, the proteinaceous axial barrel, hidden in the siliceous axial cylinder, is set up by rope-like filaments. Biochemical analysis revealed that the (dominant) molecule of the lamellar coating is a 27-kDa protein which displays catalytic, proteolytic activity. High resolution electron microscopic analysis showed that this protein is arranged within the lamellae and stabilizes these surfaces by palisade-like pillars. The mechanical behavior of the spicules was analyzed by a 3-point bending assay, coupled with scanning electron microscopy. The load-extension curve of the spicule shows a biphasic breakage/cracking pattern. The outer lamellar zone cracks in several distinct steps showing high resistance in concert with comparably low elasticity, while the axial cylinder breaks with high elasticity and lower stiffness. The complex bioorganic/inorganic hybrid composition and structure of the Monorhaphis spicules might provide the blueprint for the synthesis of bio-inspired material, with unusual mechanical properties (strength, stiffness) without losing the exceptional properties of optical transmission. (C) 2007 Elsevier Inc. All rights reserved.

Axial growth of hexactinellid spicules: Formation of cone-like structural units in the giant basal spicules of the hexactinellid Monorhaphis

The glass sponge Monorhaphis chuni (Porifera: Hexactinellida) forms the largest bio-silica structures on Earth; their giant basal spicules reach sizes of up to 3 m and diameters of 8.5 mm. Previously, it had been shown that the thickness growth proceeds by appositional layering of individual lamellae; however, the mechanism for the longitudinal growth remained unstudied. Now we show, that the surface of the spicules have towards the tip serrated relief structures that are consistent in size and form with the protrusions on the surface of the spicules. These protrusions fit into the collagen net that surrounds the spicules. The widths of the individual lamellae do not show a pronounced size tendency. The apical elongation of the spicule proceeds by piling up cone-like structural units formed from silica. As a support of the assumption that in the extracellular space silicatein(-like) molecules exist that associate with the external surface of the respective spicule immunogold electron microscopic analyses were performed. With the primmorph system from Suberites domuncula we show that silicatein(-like) molecules assemble as string- and net-like arrangements around the spicules. At their tips the silicatein(-like) molecules are initially stacked and at a later stay also organized into net-like structures. Silicatein(-like) molecules have been extracted from the giant basal spicule of Monorhaphis. Applying the SDS-PAGE technique it could be shown that silicatein molecules associate to dimers and trimers. Higher complexes (filaments) are formed from silicatein(-like) molecules, as can be visualized by electron microscopy (SEM). In the presence of ortho-silicate these filaments become covered with 30-60 nm long small rod-like/cuboid particles of silica. From these data we conclude that the apical elongation of the spicules of Monorhaphis proceeds by piling up cone-like silica structural units, whose synthesis is mediated by silicatein(-like) molecules. (C) 2008 Elsevier Inc. All rights reserved.

The unique skeleton of siliceous sponges (Porifera; Hexactinellida and Demospongiae) that evolved first from the Urmetazoa during the Proterozoic: a review

Sponges (phylum Porifera) had been considered as an enigmatic phylum, prior to the analysis of their genetic repertoire/tool kit. Already with the isolation of the first adhesion molecule, galectin, it became clear that the sequences of sponge cell surface receptors and of molecules forming the intracellular signal transduction pathways triggered by them, share high similarity with those identified in other metazoan phyla. These studies demonstrated that all metazoan phyla, including Porifera, originate from one common ancestor, the Urmetazoa. The sponges evolved prior to the Ediacaran-Cambrian boundary (542 million years ago [myr]) during two major "snowball earth events", the Sturtian glaciation (710 to 680 myr) and the Varanger-Marinoan ice ages (605 to 585 myr). During this period the ocean was richer in silica due to the silicate weathering. The oldest sponge fossils (Hexactinellida) have been described from Australia, China and Mongolia and are thought to have existed coeval with the diverse Ediacara fauna. Only little younger are the fossils discovered in the Sansha section in Hunan (Early Cambrian; China). It has been proposed that only the sponges possessed the genetic repertoire to cope with the adverse conditions, e.g. temperature-protection molecules or proteins protecting them against ultraviolet radiation. The skeletal elements of the Hexactinellida (model organisms Monorhaphis chuni and Monorhaphis intermedia or Hyalonema sieboldi) and Demospongiae (models Suberites domuncula and Geodia cydonium), the spicules, are formed enzymatically by the anabolic enzyme silicatein and the catabolic enzyme silicase. Both, the spicules of Hexactinellida and of Demospongiae, comprise a central axial canal and an axial filament which harbors the silicatein. After intracellular formation of the first lamella around the channel and the subsequent extracellular apposition of further lamellae the spicules are completed in a net formed of collagen fibers. The data summarized here substantiate that with the finding of silicatein a new aera in the field of bio/inorganic chemistry started. For the first time strategies could be formulated and experimentally proven that allow the formation/synthesis of inorganic structures by organic molecules. These findings are not only of importance for the further understanding of basic pathways in the body plan formation of sponges but also of eminent importance for applied/commercial processes in a sustainable use of biomolecules for novel bio/inorganic materials.

Reaktive Polymere zur funktionellen Oberflächenbeschichtung

Ziel dieser Arbeit war die gezielte Modifizierung von Oberflächen mittels multifunktioneller Polymere, die ausgehend von Aktivesterpolymeren durch polymeranaloge Reaktionen unter milden Bedingungen hergestellt werden konnten. Dazu wurden die neuartigen Akivestermonomere Pentafluorphenylacrylat PFA und Pentafluorphenylmethacrylat PFMA hergestellt und polymerisiert. PFMA konnte unter RAFT-Bedingungen mittels Cumyldithiobenzoat bzw. 4-Cyano-4-((thiobenzoyl)sulfanyl)pentansäure kontrolliert polymerisiert werden. Durch den RAFT-Prozess wurden weiterhin reaktive Blockcopolymere aus PFMA und Methylmethacrylat, N Acryloylmorpholin bzw. N,N Diethylacrylamid synthetisiert. Zur Herstellung alpha, omega-endfunktionalisierter Polymere wurde PFA mit Dithiobenzoesäure-(4-dodecylbenzyl)ester polymerisiert und durch anschließende polymeranaloge Reaktionen zu thermoschaltbaren Polymeren mit unterschiedlichem LCST-Verhalten umgesetzt, die den Aufbau polymerunterstützter Lipiddoppelschichten ermöglichen. Ausgehend von poly(PFA) wurden oberflächenaktiven multifunktionellen Polymeren hergestellt und zur Oberflächenmodifizierung von anorganischen TiO2 Nanopartikeln, TiO2-Nanodrähten und MoS2-Nanopartikeln eingesetzt. Es konnten so lösliche fluoreszierende TiO2-Nanopartikel sowohl durch in situ- als auch post-Funktionalisierung hergestellt werden. Zudem konnte durch Verwendung eines multifunktionellen Polymers mit NTA-Einheiten das Enzym Silicatein auf TiO2-Nanodrähten immobilisert werden, das durch Biokristallisation Aggregate aus TiO2-Nanodrähten und Goldnanopartikeln erzeugte.

Functionalized surfaces and surface functionalization of nanomaterials

Nature leads, we follow. But nanotechnologists are in hot pursuit, in designing controllable structures that can mimic naturally occurring and artificially synthesized materials on a common platform. The supramolecular chemistry concerns the investigation of nature principles to produce fascinating complexed and functional molecular assemblies, as well as the utilization of these principles to generate novel devices and materials, potentially useful for sensing, catalysis, transport and other applications in medical or engineering science. The work presented in this thesis is a compilation of different synthetic methods to achieve inorganic-organic hybrid nanomaterials. Silicatein, a protein enzyme, which acts both as a catalyst and template for the formation of silica needles in marine sponges, has been used for the biosynthesis of semiconductor metal oxides on surfaces. Silicatein was immobilized on gold (111) surfaces using alkane thiol, as well as on a novel self-assembly of NTA on top of a “cushion” of reactive ester polymer has been successfully employed to make functionalised surfaces. The immobilization of silicatein on surfaces was monitored by surface plasmon spectroscopy, atomic force microscopy and confocal laser scanning microscopy. Surface bound silicatein retains its biocatalytic activity, which was demonstrated by monitoring its hydrocatalytic activity to catalyse the synthesis of biosilica, biotitania, and biozirconia. The synthesis of semiconductor metal oxides was characterized using scanning electron microscopy. This hydrolytic biocatalyst is used to synthesize the gold nanoparticles. The gold nanoparticles are formed by reduction of tetrachloroaurate, AuCl4-, by the action of sulfhydryl groups hidden below the surface groups of the protein. The resulting gold nanoparticles which are stabilized by surface bound silicatein further aggregate to form Au nanocrystals. The shape of the nanocrystals obtained by using recombinant silicatein is controlled through chiral induction by the protein during the nucleation of the nanocrystals. As an extension of this work, TiO2 nanowires were functionalized using polymeric ligand which incorporates the nitrilotriacetic acid (NTA) linker in the back bone to immobilize His-tagged silicatein onto the TiO2 nanowires. The surface bound protein not only retains its original hydrolytic properties, but also acts as a reductant for AuCl4- in the synthesis of hybrid TiO2/silicatein/Au nanocomposites. Functionalized, monocrystalline rutile TiO2 nanorods were prepared from TiCl4 in aqueous solution in the presence of dopamine. The surface bound organic ligand controls the morphology as well as the crystallinity and the phase selection of TiO2. The surface amine groups can be tailored further with functional molecules such as dyes. As an example, this surface functionality is used for the covalent binding of a fluorescent dye,4-chloro-7- nitrobenzylurazene (NBD) to the TiO2 nanorods. The polymeric ligands have been used successfully for the in-situ and post-functionalization of TiO2 nanoparticles. Besides to chelating dopamine anchor group the multifunctional ligand system presented here incorporates a modifier molecule which allows the binding of functional molecules (here the dyes pyrene, NBD, and Texas Red) as well as additional entities which allow tailoring the solubility of inorganic nanocrystals in different solvents. A novel method for the surface functionalization of fullerene-type MoS2 nanoparticles and subsequently binding these nanoparticles onto TiO2 nanowires has been reported using polymeric ligands. The procedure involves the complexation of IF-MoS2 with a combination of Ni2+ via an umbrella-type nitrilotriacetic acid (NTA) and anchoring them to the sidewalls of TiO2 nanowires utilizing the hydroxyl groups of dopamine present in the main contents of polymeric ligand. A convenient method for the synthesis of Au/CdS nanocomposites has been presented, which were achieved through the novel method of thiol functionalization of gold colloids. The thermodynamically most stable phase of ZrO2 (cubic) has been obtained at much lower temperature (180°C). These nanoparticles are highly blue fluorescent, with a high surface area.

Morphologischer und biochemischer Aufbau von Silikatnadeln der Hexactinelliden am Beispiel von Monorhaphis chuni

Schon 1904 beschrieb Schulze den Aufbau von Silikatnadeln des Schwammes Monorhaphis chuni, eines Mitglieds der zweiten Familie von biosilifizierenden Schwämmen, den Hexactinelliden (Glasschwämmen). Weitergehende morphologische Untersuchungen und biochemische Analysen insbesondere mit modernen Methoden wurden an Hexactinelliden bisher kaum durchgeführt. Ziel der vorliegenden Arbeit bestand deshalb darin, Untersuchungen zur Morphologie, der chemischen Zusammensetzung, der Verteilung und Charakterisierung der beteiligten anorganischen und organischen Komponenten sowie einen molekularbiologischer Nachweis der Existenz von Silicatein in Hexactinelliden durchzuführen. Für diese Untersuchungen wurden zwei Spezies verwendet: Monorhaphis chuni und Crateromorpha meyeri. Mittels Elektronen-Mikrosonden-Technik wurde an Querschnitten der Pfahlnadel von M. chuni die Verteilung der Elemente innerhalb der Nadel untersucht. Am äußeren Rand der Nadel (150 µm) traten im Vergleich zur Nadelmitte prägnante Unterschiede in der Konzentration von Kaliumoxid und Natriumoxid auf. Diese Ergebnisse deuten auf das Vorhandensein eines ähnlichen Transportsystems zur Anreicherung von Silizium/Silikat bei der Nadelbildung hin, wie es bereits in S. domuncula bekannt ist. Mit elektronen- und lichtmikroskopischen Untersuchungen wurden die organischen Substanzen der Silikatnadel nachgewiesen und deren Verteilung innerhalb dieser Nadeln analysiert. In der lamellaren Zone befindet sich, eine säurelabile organische Netzstruktur, sowie eine, die Silikatschichten durchspannende, säulenähnliche Struktur. Im Axialzylinder zeigt das organische Material eine leicht verzweigte fibrilläre Anordnung. Mit biochemischen Verfahren wurden die organischen Komponenten der Nadeln detaillierter untersucht. Mehrere Proteine mit Molekulargewichten von 17, 24, 27 ,30, 36 und 70 kDa wurden durch gelelektrophoretische Analysen von Material der Pfahlnadel identifiziert. Die Analyse isolierter Anteile der lamellaren Zone zeigte ausschließlich ein 27 kDa Protein. Die restlichen Proteinbanden konnten hier nicht nachgewiesen werden. Das 27 kDa Protein reagierte im Westernblot mit Antikörpern gegen Silicatein aus S. domuncula. Ein weiteres Protein wurde näher charakterisert. Ein positiver Agglutinationsassay wies ein lectinähnliches Molekül innerhalb der Nadeln nach, wie es aus S. domuncula bekannt ist. Nach einer Deglycolysierung der Proteine reduzierte sich das scheinbare Molekulargewicht der 36 kDa Bande auf 30 kDa. Durch molekularbiologische Untersuchungen wurde erstmals in Hexactinelliden die Existenz von Silicatein nachgewiesen. Nach Isolierung der Gesamt-RNA von Crateromorpha meyeri, RT-PCR und Amplifizierung mit silicateinspezifischen Primern wurde eine 549 kBp Nukleotidsequenz gefunden, die auf Aminosäureebene starke Homologien (76% identische Aminosäuren) zu bekannten Silicateinen der Demospongia aufweist. Die Aminosäuren der katalytische Triade des Silicateins, essenziell für die enzymatische Katalyse des Enzyms, sind an den selben Positionen wie bei bekannten Silicateinen vorhanden.

Bioinspired fabrication of biosilica-based bone substitution materials

Until today, autogenic bone grafts from various donor regions represent the gold standard in the field of bone reconstruction, providing both osteoinductive and osteoconductive characteristics. However, due to low availability and a disequilibrium between supply and demand, the risk of disease transfer and morbidity, usually associated with autogeneic bone grafts, the development of biomimic materials with structural and chemical properties similar to those of natural bone have been extensively studied. So far,rnonly a few synthetic materials, so far, have met these criteria, displaying properties that allow an optimal bone reconstitution. Biosilica is formed enzymatically under physiological-relevant conditions (temperature and pH) via silicatein (silica protein), an enzyme that was isolated from siliceous sponges, cloned, and prepared in a recombinant way, retaining its catalytic activity. It is biocompatible, has some unique mechanical characteristics, and comprises significant osteoinductive activity.rnTo explore the application of biosilica in the fields of regenerative medicine,rnsilicatein was encapsulated, together with its substrate sodium metasilicate, into poly(D,L-lactide)/polyvinylpyrrolidone(PVP)-based microspheres, using w/o/wrnmethodology with solvent casting and termed Poly(D,L-lactide)-silicatein silicacontaining-microspheres [PLASSM]. Both silicatein encapsulation efficiency (40%) and catalytic activity retention upon polymer encapsulation were enhanced by addition of an essential pre-emulsifying step using PVP. Furthermore, the metabolic stability, cytoxicity as well as the kinetics of silicatein release from the PLASSM were studied under biomimetic conditions, using simulated body fluid. As a solid support for PLASSM, a polyvinylpyrrolidone/starch/Na2HPO4-based matrix (termed plastic-like filler matrix containing silicic acid [PMSA]) was developed and its chemical and physical properties determined. Moreover, due to the non-toxicity and bioinactivity of the PMSA, it is suggested that PMSA acts as osteoconductive material. Both components, PLASSM and PMSA, when added together, form arnbifunctional 2-component implant material, that is (i)non-toxic(biocompatible), (ii)moldable, (iii) self-hardening at a controlled and clinically suitable rate to allows a tight insertion into any bone defect (iv) biodegradable, (v)forms a porous material upon exposure to body biomimetic conditions, and (vi)displays both osteoinductive (silicatein)and osteoconductive (PMSA) properties.rnPreliminary in vivo experiments were carried out with rabbit femurs, by creatingrnartificial bone defects that were subsequently treated with the bifunctional 2-component implant material. After 9 weeks of implantation, both computed tomography (CT) and morphological analyses showed complete resorption of the implanted material, concurrent with complete bone regeneration. The given data can be considered as a significant contribution to the successful introduction of biosilica-based implants into the field of bone substitution surgery.

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.