Kupfermineral in Kiefer eines marinen Blutegels

Mit Biomineralisation werden Prozesse bezeichnet, durch welche Lebewesen aktiv Mineralien als Bestandteile zum Aufbau und Wachstum ihres Körpers integrieren können. Bekannte Beispiele sind Phosphatmineralien (Hydroxylapatit) im Knochenskelett und in den Zähnen oder Kalkmineralien (Kalzit, Aragonit) in den Schalen von Schnecken und Muscheln. In geologischen Prozessen oder im Labor müssen zur Synthese von Mineralien häufig extreme Temperatur- und/oder Druckbedingungen angewendet werden, während Organismen diese biosynthetisch unter sehr viel milderen Bedingungen herstellen.

LOWENSTEIN beschrieb 1962 erstmals das magnetische Eisenoxid-Mineral Magnetit als Bestandteil der äußeren Zahnschicht bei der Meeresschnecke Chiton. Seither ist eine Vielzahl von Mineralien als Bestandteil von Organismen gefunden und charakterisiert worden.¹ Als jüngstes Beispiel publizierten LICHTENEGGER et al. (2002) die Entdeckung, daß der marine Blutegel Glycera dibranchiata das Kupferchlorid-Mineral Atakamit Cu(OH)₃Cl in seine Zähne einlagert. (Benennung nach der chilenischen Wüste Atacama, wo das Hauptvorkommen dieses Cu-Minerals ist.)

Bereits 1980 war der Befund publiziert worden, daß Kupfer in den Zähnen von marinen Polychäten (Vielborstern) der Gattung Glycera einen Anteil von 13 Gewichts-% ausmacht und zwar unabhängig vom Kupfergehalt im Meerwasser. Glycera setzt seine vier 1,5 mm langen Zähne ein, um die Körperhülle der Beutetiere zu durchstoßen und Gift zu injizieren.

LICHTENEGGER und Mitarbeiter wiesen nun mittels stoffspezifischer mikroskopischer Untersuchungsmethoden (electron microprobe) das Vorkommen von Atakamit in der Zahnspitze nach. Das Mineral ist dort nicht gleichmäßig verteilt, sondern in spezifischer Weise eingelagert.

Elektronenmikroskopisch zeigten die Autoren, daß das Mineral in Form von Fasern, die von einer Proteinmatrix umgeben sind, in der Zahnspitze eingelagert ist. Diese Fasern sind annähernd parallel angeordnet und weisen einen Durchmesser von jeweils 81 ± 14 nm auf. Mittels Synchroton-Röntgenstreuung wurde deren mineralische Struktur untersucht. Aufgrund der Daten scheint der mineralische Anteil der Fasern polykristallin vorzuliegen, d.h. diese bestehen aus aneinander gelagerten einzelnen Kristallen, die jeweils Größen von 1050 nm aufweisen.

Die ausgeprägte Härte der Zahnspitze korreliert nach den veröffentlichten Daten gut mit dem Gehalt an eingebautem Cu-Mineral. Ein Vergleich der physikalischen Eigenschaften mit menschlichen Zahnkomponenten zeigt, daß die Zahnspitzen von Glycera sehr viel härter sind als menschliches Dentin (Zahnbein, Kernsubstanz des Zahns) und fast so hart wie humanes Enamel (Zahnschmelz) und das bei einem durchschnittlichen Mineralanteil von nur 3,95 % im Vergleich zu 70% und 96 % bei Dentin bzw. Enamel.

Der gemessene Kupferanteil in Glycera-Zähnen ist höher als es dem Mineral Atakamit Cu(OH)3Cl entspricht. Die Autoren führen an, daß Kupferionen wie andere Metallkationen (z.B. Eisen und Zink) durch Koordination mit mehreren Liganden als nichtkovalente Vernetzungselemente von Polymeren fungieren könnten. Diese Vermutung wird durch den Befund gestützt, daß im Matrixprotein der Zähne die Aminosäuren Glycin und Histidin mit 63,2 % bzw. 32,5 % einen auffällig hohen Anteil ausmachen. Histidin spielt eine wichtige Rolle in der Bindung von Metallionen an Proteine.

Möglicherweise, so spekulieren LICHTENEGGER et al., hat Kupfer über die strukturellen Eigenschaften hinaus noch eine weitere biologische Bedeutung für Glycera: Kupfer könnte das Gift während der Injektion aktivieren; derartige Wirkungen von Kupfer sind in der Literatur an anderen Beispielen beschrieben.

Mit diesem Befund ist die reichhaltige Palette von genial optimierten Materialkompositionen in der Natur um ein interessantes Beispiel erweitert. Wie LICHTENEGGER und Mitarbeiter erwähnen, stellt dies ein herausforderndes Beispiel und Vorbild für Materialwissenschaftler und Ingenieure dar.

HB

[LICHTENEGGER HC, SCHÖBERL T, BARTL MH, WAITE H & STUCKY GD (2002) High abrasion restistance with sparce mineralisation: copper biomineral in worm jaws. Science 298, 389-392. Weitere Details und technische Informationen unter: http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/ 298/5592/389/DC1]

¹ Eine aktuelle tabellarische Auflistung kann im Internet unter der Adresse: http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/298/5592/375/DC1 (Tabelle 1) eingesehen werden.