�Biowissenschaften�

Das geheimnisvolle Glashaus der Diatomeen

Michael Groß

Kieselalgen nutzen ungewöhnliche Biomoleküle, um aus Kieselsäure einen Glaspanzer mit

Nanostrukturen aufzubauen. Nanotechnik und Materialwissenschaft können viel von ihnen lernen.

� Diatomeen (Kieselalgen) sind ein-zellige Algen. Verglichen mit anderen Einzellern sind sie recht jung: Erst vor 185 Millionen Jahren tauchen ih-re Fossilien auf. Dieses Alter liefern auch genetische Abstammungsunter-suchungen. Nach ihrem Erscheinen haben die Diatomeen sich rasant aus-gebreitet. Heute sind sie die arten-reichste Gruppe unter den Algen und man schätzt, dass sie für ein Fünftel der weltweiten CO2-Fixierung ver-antwortlich sind. Damit ist ihr Beitrag zum Abbau des Treibhausgases eben-so bedeutend wie der aller Regenwäl-der zusammen.

Ihren Erfolg verdanken diese Ein-zeller vermutlich zu einem wesentli-chen Teil ihrem schützenden Panzer, der anders als die meisten Biominera-lien nicht auf Calcium beruht, son-dern aus feinst gesponnenem Silici-umdioxid besteht, also quasi aus Glas. Ihre harte Zellwand macht Dia-tomeen für die meisten Fressfeinde unverdaulich, behindert aber in ge-wisser Weise auch die Fortpflanzung. Wie vermehren sich Einzeller in ei-nem eng anliegenden Glaskasten?

Nun, dieser Glaskasten besteht wie eine Petrischale aus einem Bo-den und einem etwas weiteren, den unteren Teil umfassenden Deckel (Abbildung 1). Wenn Diatomeen sich ungeschlechtlich, also durch einfache Zellteilung vermehren, werden beide Halbschalen zu De-ckeln, zu denen die sich teilende

Zelle neue Untersätze synthetisiert. Um zu vermeiden, dass die Nach-kommen dabei im Durchschnitt im-mer kleiner werden, können viele Gruppen von Diatomeen sich auch geschlechtlich fortpflanzen, wobei die Keimzellen zeitweilig auf den Schutz der Schale verzichten.

Die Glasgehäuse der Diatomeen sind teils radialsymmetrisch gebaut, oft aber auch in komplexeren, weni-ger symmetrischen Geometrien. Die äußere Form ebenso wie die Fein-strukturen mit den zur Aufnahme von Nährstoffen erforderlichen Po-ren sind jeweils artspezifisch und erblich. Daraus folgt, dass es eine biomolekulare Grundlage für diese Formbildung geben muss. Jede Art muss Gene besitzen, die für be-stimmte Biomoleküle codieren, die wiederum die Form und Feinstruk-tur der Schalen bestimmen.

Silaffine

� Wie sehen die strukturbestim-menden Biomoleküle in den Dia-tomeen aus? Lange Zeit blieben sie unauffindbar. Erst Ende der 1990er Jahre gelang Nils Kröger im Labor von Manfred Sumper an der Univer-sität Regensburg ein Durchbruch mit der Isolierung von Proteinen aus der Glasschale der Kieselalge Cylindro-theca fusiformis.

Das war schwieriger, als gewöhnli-che Proteine zu isolieren. So kochten die Forscher die Schalen im Deter-genz Natriumlaurylsulfat, ohne dass sich die gesuchten Biomoleküle lös-ten. Im nächsten Schritt gingen die Forscher aggressiver vor und lösten das Siliciumdioxid in wasserfreiem Fluorwasserstoff. Dieses in der Pro-teinbiochemie bisher unübliche Auf-schlussverfahren setzte eine neue Gruppe von Proteinen frei, die Silaffi-ne. Diese Moleküle besitzen eine be-merkenswerte Affinität zu Silicium-verbindungen, etwa der Kieselsäure.

In Reagenzglasversuchen fällte je-des der drei gereinigten Silaffine aus einer homogenen Kieselsäurelösung innerhalb weniger Minuten Silicium-dioxidkügelchen, deren Durchmesser weniger als einen Mikrometer betrug.

Mit der Isolierung dieser offenbar aktiven Proteine waren die Mühen aber noch nicht beendet. Routine-methoden wie die Peptid -sequenzierung funktionierten mit Abb. 1. Bauprinzip einer Kieselalge.

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den Proteinen nicht, da sie offenbar Aminosäuren mit ungewöhnlichen Modifizierungen enthielten. Schließ-lich gelang es den Forschern aller-dings, die zugehörigen Gene auf-zuspüren und anhand der vorherge-sagten Aminosäuresequenz die Pro-teine und ihre offenbar nach der Pro-teinbiosynthese angebrachte Sonder-ausstattung genauer zu analysieren.

Es stellte sich heraus, dass ins-besondere die Aminosäure Lysin mo-difiziert war. An einer Stelle trug ein Lysin bisher unbekannte Po ly amin -mo di fi katio nen, an einer anderen zwei Methylgruppen. Schließlich ge-lang es den Forschern, das Silizium-dioxid unter schonenderen Bedin-gungen aufzulösen, und zwar mit schwach saurer Flusssäure, ähnlich wie sie Glasbläser für das Ätzen von Glas verwenden. Dabei fanden sie Phosphatgruppen an allen Amino-säuren mit Hydroxylfunktionen. Ver-gleichsuntersuchungen mit einem künstlich hergestellten Silaffin ohne diese Modifikationen zeigten, dass es zwar bei neutralem pH-Wert aktiv war, nicht aber im leicht angesäuer-ten Milieu der Diatomeenzelle.1)

Polyamine und Cinguline

� Der Vergleich der Silaffine von ver-schiedenen Arten zeigte, dass sich die Aminosäuresequenzen oft nur wenig ähnelten. Übereinstimmend waren hingegen die Modifikationen mit Po-lyaminseitenketten und Phosphat-gruppen. Dies legte die Vermutung nahe, dass solche Molekülteile für die Schalenbildung wichtiger sind als das Proteingerüst. Diese Erkenntnis führ-te dann zur Identifizierung von rei-nen langkettigen Polyaminen, die of-fenbar auch an der Formgebung der Diatomeenschale beteiligt sind.2)

Die Polyamine sind wie die Silaf-fine so fest in der Schale verankert, dass sie erst bei deren Auflösung frei werden. In den meisten bisher unter-suchten Arten hat man in etwa gleiche Mengen von Silaffinen und Polyami-nen gefunden. Es gibt allerdings ein-zelne Arten, bei denen offenbar nur Polyamine vertreten sind. In Gegen-wart von Phosphationen können die Polyamine, ebenso wie die Silaffine,

im Reagenzglas die Fällung von Kie-selsäure als SiO2-Kügelchen katalysie-ren. Doch von diesen Kügelchen ist es noch ein weiter Weg zum Verständnis der Entstehung der genetisch determi-nierten Feinstrukturen der Kiesel-algen. Auch die vor einigen Jahren se-quenzierten Genome der Kieselalgen Thalassiosira pseudonana (Abbil-dung 2) und Phaeodactylum tricornu-tum haben zwar eine Liste von interes-santen Kandidatengenen erzeugt, aber nicht zu einem Durchbruch geführt.3)

Einen neuen Hoffnungsträger hat Krögers Arbeitsgruppe am Georgia Institute of Technology in Atlanta im Februar diesen Jahres vorgestellt: Die Cinguline sinid modifizierte Protei-ne, die den Silaffinen ähneln. Sie kommen im Taillenband (Cingulum) der Schale von Thalassiosira pseudo-nana vor und bilden dort mikrosko-pisch kleine Ringe, die offenbar als Gerüst für die Struktur dienen.4)

Damit zeigte Krögers Arbeitsgrup-pe zum ersten Mal, dass organische Matrices als Template dienen, um die SiO2-Nano- und Mikromuster zu bil-den, was man bisher nur vermutet hatte. Auch in allen anderen Dia-tomeenarten, die sie daraufhin unter-suchten, wiesen sie solche Gerüste nach. So lässt sich jetzt der Prozess der SiO2-Morphogenese mit bioche-mische Methoden anhand der Mor-phogenese der Cingulin-Ringe unter-suchen.

Biotemplating, Biomimetik und Bioinspiration

� Nanotechniker blicken voller Neid auf die feinziselierten Struktu-ren der Kieselalgen und wüssten ger-ne, wie man solche herstellt, noch da-zu aus wässriger Lösung und bei Nor-maltemperatur. Doch notfalls kann man sich die natürlichen Strukturen ausleihen und als Gerüst verwenden. Diese Vorgehensweise des Biotempla-ting probierte die Arbeitsgruppe von Chad Mirkin am Massachusetts Insti-tute of Technology im Jahr 2004: Die Forscher ätzten alle organischen Be-standteile der Diatomeenschale weg und nutzten das verbleibende SiO2 als Baugerüst für künstliche Kon-strukte. In ihrer ersten Machbarkeits-

studie modifizierten sie das Silicium-dioxid mit Silanreagenzien, koppel-ten DNA-Oligonucleotide an und verkleideten diese mit Gold.5)

Damit wollte Mirkin die hohe Oberfläche der Diatomeenschalen für Surface Enhanced Raman Scattering (Sers) verfügbar machen, was sich dann allerdings nicht bewährte. Spä-ter zeigte sich, dass in einem alterna-tiven Verfahren mit Gold bedampfte Diatomeen für Sers tauglich sind.6)

Krögers Kollege Ken Sandhage, ebenfalls am Georgia Institute of Technology, hat Methoden für reakti-ve Umwandlungen entwickelt, um das Diatomeen-Gerüst vollständig in andere Materialien umzuwandeln (TiO2, MgO, BaTiO3, Si), ohne die Mikro- und Nanostrukturen zu ver-ändern. Die erhaltenen Materialien sind aufgrund der porösen Dia-tomeenstruktur gute Gassensoren. 7)

Versuche, es den Kieselalgen gleichzutun, haben zu einer Vielfalt von Verfahren geführt, die Silicium-dioxid ausfällen. Zahlreiche organi-sche Polymere und Proteine, solange sie die richtige Konzentration an Aminofunktionen aufweisen, können einen Kieselsäureniederschlag erzeu-gen. Dieselben Katalysatoren können auch TiO2 aus löslichen Titan-IV-Komplexen fällen.8)

Abb. 2. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Kieselalge

Thalassiosira pseudonana. Sie war die erste Diatomee, von der das

komplette Genom sequenziert wurde.9)

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Doch mit der kontrollierten Mor-phogenese ist es noch nicht so weit her. Zwar fällen Forscher mit natürli-chen Silaffinen poröse Aggregate und beschichten mit biomimetischen Konstrukten molekulare Gerüste, doch sie sind noch weit entfernt da-von, die Nanospitzen der Kieselalgen zu verstehen und nachzuahmen. Be-vor die Kieselalgen die Nanotechnik revolutionieren, muss die Grund-lagenforschung zuerst noch die ver-bleibenden Rätsel in ihrer Morphoge-nese lösen.

Michael Groß, promovierter Biochemiker,

arbeitet als freier Wissenschaftsautor in

Oxford, England. www.michaelgross.co.uk,

www.proseandpassion.com

Literatur

1) N. Kröger, S. Lorenz, E. Brunner, M. Sum-

per, Science 2002, 298, 584.

2) M. Sumper, E. Brunner, Adv. Funct. Mat.

2006, 16, 17.

3) N. Kröger , N. Poulsen, Annu. Rev. Genet.

2008, 42, 83.

4) A. Scheffel, N. Poulsen, S. Shian, N. Kröger,

Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2011, 108,

3175.

5) N. L. Rosi, C. S. Thaxton, C. A. Mirkin, An-

gew. Chem. 2004, 116, 5616.

6) E. K. Payne, N. L. Rosi,, C. Xue, C. A. Mirkin,

Angew. Chem. 2005, 117, 5192.

7) K. H. Sandhage, JOM 2010, 62, 32.

8) N. Kröger, K. H. Sandhage, MRS Bulletin

2010, 35, 122.

9) E. V. Armbrust, J. A. Berges, C. Bowler et al.

Science 2004, 306, 79.

Kurz notiert

Versorger der Zellhärchen

� Eine Untereinheit des Enzym-komplexes IFT-Komplex 25/27 hat Esben Lorentzen am Max-Planck-In-stitut für Biochemie in Martinsried röntgenkristallographisch charakte-risiert. Der Enzymkomplex versorgt in eukaryotischen Zellen die auf der Oberfläche befindlichen Zilien, we-nige Mikrometer kleine Härchen. Diese Härchen halten die Zellober-fläche in Bewegung und sind so für den Stoffaustausch mit der Umge-bung und die Beweglichkeit der Zel-le essenziell.

Gründungsoffensive fördert Leipziger Biochemiker

� Für das Projekt „Neue Proteinde-tektionsassays zur hochsensitiven point-of-care und Immundiagnostik“ erhält der Leipziger Biochemiker Thole Züchner Fördergelder der Gründungsoffensive Biotechnologie (GO-Bio). Die in seiner Arbeitsgrup-pe entwickelten Proteinnachweisver-fahren sollen Enzyme bereits ab eini-gen Tausend Molekülen und inner-halb von Minuten detektieren.

Biochemische Selbstorganisation

� Mit dem Fluoreszenzmikroskop beobachtete der Biophysiker Martin Loose, wie sich Min-Proteine der Darmbakterien Escherichia coli auf einer künstlichen Lipidmembran selbst organisieren. Dabei entsteht ein wellenförmig oszillierendes Sys-tem, in dem MinD-Proteine auf der Membran binden und von MinE-Proteinen abgelöst werden.

Dieter Sorsche

Proteasen charakterisieren

� Ein zellbasiertes Protease-Test-system hat die Arbeitsgruppe um Roland H. Stauber an der Univer-sitätsmedizin Mainz entwickelt. Das autofluoreszierende Biosensorpro-tein Biotasp bindet und markiert die aktive Threonin-Protease Taspase1, die als Zielverbindung für eine The-rapie bei genetisch bedingter MLL-Typ Leukämie gilt. Die Ergebnisse ermöglichen es, die Substratselekti-vität zu untersuchen und in silico vorherzusagen. Das Testsystem lie-fert eine Voraussetzung, um Taspa-se1-Inhibitoren erkennen zu kön-nen.

Wasserhaushalt der Pflanzen

� Die Anionenkanäle SLAC1 und SLAH3 regulieren in Pflanzen den Wasserhaushalt. Rainer Hedrich und Dietmar Geiger von der Uni-versität Würzburg fanden heraus, dass die Wurzel diese Proteine, die sich in den Schließzellen auf der Blattoberfläche befinden, mit dem Hormon Abscisinsäure bei Boden-trockenheit informiert. SLAH3 rea-giert zudem auf die Nitratkonzen-tration in der Pflanze, die bei gerin-ger Photosyntheseleistung steigt. Dieses Enzym ist folglich ein Sen-sor, der den Wasserhaushalt der Pflanze auf Bodenfeuchte und Pho-tosyntheseleistung abstimmt.

Zellkulturanlage eingeweiht

� Mit einer neuen Zellkulturanla-ge in Frankfurt-Höchst setzt Sano-fi-Aventis seit Juni auf die Ent-wicklung monoklonaler Antikör-per. In der Forschungseinrichtung werden die Antikörper zunächst im Gramm- bis Kilogramm-Maß-stab für klinische Tests produziert. Das Unternehmen, das weltweit zu den größten Produzenten von In-sulin gehört, erweitert sein Spek-trum damit auf therapeutische An-tikörper.

Molekulare Struktur des IFT-Komplex 25/27.

(Quelle: Esben Lorentzen, MPI für Biochemie)

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