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Das Geheimnis der Nano-Kiesel

Seit mehr als 100 Millionen Jahren verspinnen einzellige Algen Kieselsäure zu einem filigranen Skelett, das ihnen als schützende Zellwand dient. Regensburger Biochemiker konnten jetzt die eigenartigen Proteine entschlüsseln, die diesen Vorgang steuern.


Diatomeen, auch Kieselalgen genannt, sind einzellige Algen mit einer starren Außenwand. Ihr "Gehäuse", das von einem filigranen System aus Poren und Leisten durchzogen ist, besteht wie ein Schuhkarton aus einem Behälter mit darüber gestülptem Deckel. Sein Grundriß ist oft kreisförmig, bei manchen Arten aber auch dreieckig, elliptisch oder irregulär geformt. Manche dieser primitiven Einzeller haben ihre Form seit hundert Millionen Jahren beibehalten.

In der Regel vermehren sich die Diatomeen ungeschlechtlich. Bei der Zellteilung lösen sich die Schalenhälften voneinander, und der Behälter wird zum Deckel. Die beiden Tochterzellen erzeugen die neuen Behälter dann in wenigen Minuten durch biologisch gesteuerte Ausfällung von Kieselsäure; mikroskopisch betrachtet, entstehen dabei amorphe (nicht kristalline) Netzwerke, die im Nanometermaßstab aber dennoch wohlgeordnet sind.

Bei diesem Modellfall einer einfachen Biomineralisation schaffen die urtümlichen Algen ein außergewöhnliches Kunststück: Sie produzieren einen keramischen Werkstoff, der in der Industrie in einem Ofen bei Rotglut gebrannt werden müßte, bei Normaltemperatur und Atmosphärendruck. Wie sie das fertigbringen, ist nach wie vor ein Rätsel. Immerhin konnten Nils Kröger, Manfred Sumper und ihre Biochemiker-Kollegen an der Universität Regensburg das Geheimnis nun ein wenig lüften: Es gelang ihnen, Zusammensetzung und Eigenschaften jener außergewöhnlichen Proteine aufzuklären, die die Abscheidung des Kieselskeletts bewirken (Science, Bd. 286, S. 1129, 5. 11. 1999).

Proteine zu isolieren, die die Biomineralisation fördern, ist notorisch schwierig. Oft zeichnen sie sich durch Aminosäuren mit geladenen (sauren oder basischen) Seitenketten aus. So bestehen die Proteine, die an der Bildung unserer Knochen und Zähne mitwirken, typischerweise zu über einem Drittel aus sauren Aminosäuren. Außerdem enthalten sie erhebliche Mengen an nachträglich modifizierten Aminosäuren, und zu allem Überfluß hängen an ihnen oft noch Zuckerketten. All das kann eine Isolierung mit herkömmlichen Verfahren der Proteinbiochemie so gut wie unmöglich machen.

Auch die Regensburger Forscher hatten mit derlei Schwierigkeiten zu kämpfen. Schon um die Proteine aus den Zellwänden der Art Cylindrotheca fusiformis herauszupräparieren, mußten sie zu ungewöhnlichen Mitteln greifen. So genügte es nicht, die Schalen mit einer Lösung des Tensids Natriumlaurylsulfat auszukochen. Diese Behandlung löst normalerweise jedes Protein; doch in diesem Fall blieb eiweißhaltiges Material in den kieseligen Zellwandfragmenten zurück. Erst als die Wissenschaftler die Silicatstrukturen mit hochaggressivem Fluorwasserstoff (HF) chemisch zerstörten, wurde dieses Material frei und konnte untersucht werden.

Wie sich zeigte, bestand es aus zwei verschiedenen Gruppen von Proteinen. Die erste enthielt recht große Moleküle, die offenbar hauptsächlich als Verstärkungsstrukturen dienen; denn sie finden sich nur in bestimmten Streifen der Schalen. Als Prototypen dieser Gruppe beschrieben Kröger und seine Mitarbeiter schon vor drei Jahren ein Protein, das sie HEP-200 tauften (HF-extrahierbares Protein, Molekulargewicht 200000).

Die Makromoleküle der zweiten Gruppe haben ein erheblich geringeres Molekulargewicht im Bereich von 4000 bis 17000. Sie machen etwa fünf Prozent des Trockengewichts der gereinigten Zellwände von Diatomeen aus. Da sie eine ausgeprägte Affinität zu Siliciumverbindungen zeigen, wurden sie Silaffine getauft. Tatsächlich ist jeder der drei Hauptvertreter dieser Gruppe imstande, aus einer homogenen Kieselsäurelösung innerhalb von Minuten kugelförmige Siliciumdioxid-Teilchen auszufällen, deren Durchmesser im Bereich von 500 bis 700 Nanometern (millionstel Millimetern) liegen.

Die weitere Erforschung dieser Moleküle war ebenso hürdenreich wie ihre Isolierung. Zunächst versuchten Kröger und seine Kollegen, in der üblichen Weise die Abfolge der Aminosäuren zu bestimmen, indem sie eine nach der anderen vom Ende der Kette abspalteten und identifizierten. Dabei ergaben sich allerdings Sequenzen mit Lücken: Einige der Aminosäuren waren offenbar nach der Synthese des Proteins noch so stark chemisch verändert worden, daß sie von den Analyseverfahren nicht erfaßt wurden. Die eng verwandten Silaffine 1A und 1B zum Beispiel enthielten unidentifizierte Bausteine in den Positionen 3 und 4, denen die Regensburger Forscher zunächst die Bezeichnungen X und X' gaben.

Hinweise auf deren wahre Identität erhoffte sich Krögers Team von den Genen, auf denen die ursprüngliche Aminosäuresequenz dieser Silaffine codiert sein sollte. Mit der ermittelten lückenhaften Sequenzinformation über Silaffin-1B konnten sie einen biochemischen "Angelhaken" konstruieren und damit tatsächlich einen Schnipsel des betreffenden Gens aus dem Erbgut "fischen". Nachdem sie ihn mittels Polymerase-Kettenreaktion vermehrt hatten, vermochten sie mit seiner Hilfe aus einer Genbibliothek des Organismus schließlich das vollständige Gen (sil1p) zu identifizieren.

Die daraus hergeleitete Aminosäuresequenz war erheblich länger als die der gereinigten Silaffine selbst. Offenbar entstehen die Silaffine 1A und 1B durch enzymatische Nachbearbeitung des ursprünglichen Genprodukts, wobei unter anderem die ersten 107 Aminosäuren abgespalten werden. Die verbleibenden Bausteine enthalten im wesentlichen ein kurzes Sequenzmotiv in siebenfacher Wiederholung. Von diesen sieben Kopien finden sich bei den Extrakten aus der Zellwand allerdings nur ein oder zwei Exemplare. Dort, wo im Silaffin 1B die modifizierten Aminosäuren X und X' sitzen, enthält die genetisch ermittelte Sequenz die normale Aminosäure Lysin.

Säuretauglich durch Anhängsel

Die nächste interessante Frage war, worin die Modifikation dieser Lysine besteht. Die massenspektrometrische Analyse von X' ergab ein Molekulargewicht, das zu einem Lysin paßt, das zwei Methylgruppen an seinem Stickstoffatom trägt. Weitere Untersuchungen an Zerfallsprodukten der Verbindung bestätigten diese Annahme. Schwieriger zu knacken war die Aminosäure X in Position 3. Hier brauchte es Massen- plus Kernmagnetresonanz-Spektroskopie sowie ein gutes Quentchen Kombinationsgabe, bis feststand, daß dieses Lysin ein kettenförmiges Polyamin als Anhängsel trägt, in dem sich jeweils drei Kohlenstoffatome mit einem Stickstoff abwechseln. Eine solche chemische Modifikation ist bisher noch in keinem anderen Protein gefunden worden.

Welche Funktion haben diese seltsam abgewandelten Lysin-Gruppen? Um das herauszufinden, stellten die Forscher synthetisch Peptide mit unveränderten Lysin-Bausteinen her, die genau der genetisch festgelegten Aminosäuresequenz entsprachen. Wie sich zeigte, fördern diese die Silicatbildung im neutralen Bereich zwar ähnlich effizient; bei den leicht sauren Bedingungen in Diatomeenzellen verschwindet ihre Aktivität jedoch völlig. Die nachträgliche "Korrektur" der Aminosäuren macht die Proteine also "säuretauglich".

Die Fähigkeit der Silaffine, gewöhnliche Kieselsäure innerhalb von Minuten in einen Festkörper mit komplexer Nanostruktur umzuwandeln, dürfte auch das Interesse der Ingenieure und Materialwissenschaftler wecken. Könnte man die Rezepte der Biomineralisation von Zähnen, Knochen, Perlmutt und anderen natürlichen Keramik-Materialien in technische Verfahren umsetzen, ließen sich zum Beispiel Keramiken mit leichtschmelzenden Kunststoffen kombinieren.

Doch die Natur beläßt es nicht bei funktionaler Perfektion allein, sondern weiß den Nutzen stets auch mit Ästhetik zu verbinden. Und so entpuppen sich die nanostrukturierten Schalen der Diatome-en im Elektronenmikroskop oft als Miniatur-Kunstwerke von atemberaubender Schönheit. Von der Fähigkeit, Atome in derart nützlicher und zugleich ästhetischer Weise anzuordnen, sind wir Menschen noch weit entfernt.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 2000, Seite 24
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
1 / 2000

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 1 / 2000

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