Bioinspirierte Grenzflächen

Designer-Peptide & Bioinpirierte Synthese

Natürliche Biomineralisationsprozesse werden im Labor vereinfacht nachgestellt. Dabei werden die zugrundeliegenden Mechanismen der Materialsynthese und -strukturierung untersucht.

Der Natur abgeschaut: Bioinspirierte Herstellung von anorganischen Materialien (hier: Calciumcarbonat, CaCO3) mit Hilfe von Seeigel-Proteinen.

Unser Modellsystem ist der Seeigel. Aus seinem Calciumcarbonat-Skelett werden Proteine isoliert, die im Reagenzglas (in vitro) die Mineralisation von Calciumcarbonat steuern. Welche Art von Desinger-Proteinen diese Steuerung erzielen können, ist aktueller Forschungsgegenstand.

In Kooperation mit Prof. Franz Brümmer, Universität Stuttgart, Institut für Biomaterialien und biomolekulare Systeme, Abteilung Biobasierte Materialien.

Durch die Verwendung von tropfenbasierter Mikrofluidik (mikrofluidische Droplets), wird die Aufteilung einer Zelle in kleinere Reaktionsräume (Kompartimentierung) nachgeahmt. Dies kontrolliert die in vitro Mineralisation, genau wie in einer natürlichen Zelle. Es können viele verschiedene Reaktionsbedingungen parallel getestet und dabei die Reaktionsbedingungen präzise kontrolliert werden.

In Kooperation mit Dr. Fania Geiger, Max-Planck-Institut für Medizinische Forschung, Abteilung für Zelluläre Biophysik.

Bakteriophagen als molekulare Bausteine

Die Peptide entscheiden über die mechanische Stabilität. Je nachdem, welches Peptide in der Synthese eingesetzt wird entstehen Schichtsysteme, die eine höhere Härte (blaues Dreieck) oder eine höhere Bruchzähigkeit (rotes Dreieck) im Vergleich zum ursprünglichen System (grünes Dreieck) haben.

Bakteriophagen sind molekular adressierbare biologische Nanodrähte, die sich als Biotemplat zur Abscheidung von anorganischen Funktionsmaterialien eignen. An die Proteinhülle von Phagen können Moleküle chemisch (kovalent) gekoppelt werden oder biochemische Funktionen mittels Gentechnik verändert werden. Phagen als Biotemplat (Gerüststrukturen) ermöglichen die Synthese von anorganischen Halbleitermaterialien unter sanften Reaktionsbedingungen mit technisch interessanten 2D und 3D Strukturen. So werden Funktionsmaterialien synthetisiert, bei denen die Eigenschaften des Hybridmaterials durch das Templat eingestellt werden. Mögliche Anwendungen sind elektronische Bauteile und medizinische Implantate.

Phagen als Bausteine: durch gentechnische und chemische Verfahren werden Phagen an verschiedenartige Elemente gekoppelt.

Modifizierte Phagen werden zudem für selbstorganisierende Nano-Architekturen und neuartige enzymgesteuerte Konstrukte eingesetzt. Gentechnik und chemische Linkermoleküle werden verwendet, um die Phagen mit Mikro- und Nanopartikeln zu koppeln und Netzwerkarchitekturen aufzubauen. Dadurch werden vollständig selbstorganisierte, chemisch aktive Strukturen aufgebaut und deren Einfluss auf den Stofftransport sowie auf Enzymaktivitäten untersucht. Dieser Ansatz zielt auf die Entwicklung von Hochleistungs-Phagensystemen für Synthese, Detektion und Fortbewegung ab.

In Kooperation mit Prof. Peer Fischer, Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, Micro, Nano, und Molekular Systems Gruppe.