Dem Schalenbau von Kieselalgen auf der Spur

Kieselalgen (Diatomeen) sind einzellige Mikroalgen, die Silikatschalen aufbauen, in welchen sie leben. Diese Silikatgehäuse weisen artspezifische, filigrane Strukturmerkmale auf. Der biosynthetische Aufbau dieser Silikate erfolgt im Vergleich zur Laborsynthese unter milden physiologischen Bedingungen (bezüglich pH-Wert, Druck und Temperatur). Der Aufbau der auffälligen Strukturen erfolgt unter maßgeblicher Beteiligung von Proteinen, die aufgrund ihrer Funktion als Silaffine (Silikatliebend, -anziehend) bezeichnet werden.

Zur Untersuchung der spezifischen Wechselwirkung zwischen Silaffinen und Silikat haben Kröger et al. (1999; 2000) Verfahren entwickelt, um die Proteine aus Diatomeen zu isolieren. In ersten Versuchen wurden durch Einsatz von wasserfreier Fluorwasserstoffsäure (HF) Peptide mit niedrigem Molekulargewicht aus Diatomeenschalen isoliert, die als Silaffine charakterisiert werden konnten. Bei Zugabe dieser Peptide zu Kieselsäurelösungen (H₂SiO₃) erhält man Silikatkügelchen, die sich allerdings in Form, Größe und auch hinsichtlich der Bildungsbedingungen und -geschwindigkeit von denjenigen unterscheiden, die die Gehäuse von Kieselalgen aufbauen.

Abb.1: Exemplare der Kieselalgen Thalassiosira (Mitte) und Corethron (rechts). Foto: R. M. Crawford, Alfred-Wegener-Institut, Bremerhaven

Durch Optimierungen der Extraktionsmethoden konnten schließlich mit Polyaminen modifizierte Silaffine gewonnen werden. Beim herkömmlichen Extraktionsverfahren gehen diese Modifikationen verloren. Die unter physiologischen Bedingungen positiv geladenen Amingruppen stellen die Keimbildungsstellen dar und die Polyamine steuern möglicherweise auch die Größe der Silikatteilchen.

In ihrer jüngsten Arbeit haben Kröger et al. (2002) die Methoden derart optimiert, daß es gelang, Silaffine mit Polyaminen in ihrer natürlichen phosphorylierten Form zu gewinnen. Sie extrahierten die Kieselskelette von Cylindrotheca fusiformis mit Ammoniumfluorid (NH₄F) unter leicht sauren Bedingungen (pH 5), dadurch werden die Silikate durch Komplexbildung gelöst. Die so erhaltenen Peptide zeigten ein höheres Molekulargewicht als die mit herkömmlichen Methoden gewonnenen. Nach Behandlung dieser massereicheren Silaffine mit wasserfreier HF waren sie hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften mit den bereits bekannten identisch. Die Analyse ergab, daß etwa acht Phosphatgruppen pro Peptid vorhanden sind; 11 der 15 Aminosäuren sind modifiziert: alle 7 Serine sind phosphoryliert, die Polyamine (teilweise phosphoryliert) sind an Lysinmoleküle gebunden.

Die mit den herkömmlichen Methoden isolierten Silaffine konnten im Experiment nur bei Zugabe von Phosphatpuffer Silikate aus Kieselsäure-Lösungen ausfällen. Die positiv geladenen Polyamine und die negativ geladenen Phosphatgruppen ermöglichen als sogenannte Zwitterionen eine komplexe zwischenmolekulare Wechselwirkung und Zusammenlagerung. Eine Zusammenlagerung zwischen mehreren Silaffinzwitterionen konnte mit Hilfe von spektroskopischen Methoden dokumentiert werden. Diese Komplexe scheinen in den Kieselalgen für die Erzeugung der charakteristischen Strukturen der Kieselskelette ursächlich zu sein. Vermutlich sind an der Feinabstimmung dieser Steuerung auch noch weitere organische Bestandteile der Gehäuse, wie z.B. Polysaccharide beteiligt.

Die mit Phosphorsäureestern und Polyaminen modifizierten Silaffine bewirkten in phosphatfreier Pufferlösung nach 10 Minuten die Ausfällung von Silikat (86 Mol Silikat/Mol Peptid) und zwar in Form von Kügelchen mit einem Durchmesser von 400-700 nm. Die natürlichen Biosilikatteilchen in Kieselalgen weisen einen Durchmesser von 10-100 nm auf.

Mikroskopische Beobachtung der Bildung von Silikatpartikeln mit Silaffinen ergab, daß sich zunächst (nach 3-4 Minuten) eine unregelmäßig verzweigte Silikatphase zeigte, aus der sich im Verlauf von weiteren zwei Minuten Kügelchen zu bilden beginnen, die aus Silikat und Protein, also einem Kompositmaterial bestehen. Möglicherweise verläuft die Bildung des Kieselskeletts auch in C. fusiformis über ähnliche Stufen.

Diese Einsichten in die faszinierenden Mechanismen der Strukturbildung bei so unscheinbaren Organismen (in manchen geologischen Formationen gesteinsbildend) führen vor Augen, daß auch gerade dort staunenswerte, von uns bisher erst ansatzweise erkannte und verstandene Systeme etabliert sind. Diese stellen für Ingenieure und Materialwissenschaftler eine große Herausforderung dar, können aber auch als eine wahre Fundgrube für Inspirationen und als Vorbilder für technische Anwendungen genutzt werden.

HB

[Kröger N, Deutzmann R & Sumper M (1999) Science 286, 1129-1132; Kröger N, Deutzmann R, Bergsdorf C & Sumper M (2000) PNAS 97, 14133-14138; Kröger N, Lorenz S, Brunner E & Sumper M (2002) Self-assembly of highly phosphorylated silaffins and their function in biosilica morphogenesis. Science 298, 584-586.]