s-layer? biomolekulare template zur erzeugung von ... · 14.02.2005 1 institut für radiochemie...

14.02.2005

1

Institut für Radiochemie

Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft

Dr. Johannes Raff

S-Layer? Biomolekulare Template

zur Erzeugung von Nanostrukturen

Dr. Johannes Raff

Gliederung

14.02.2005

2



Dr. Johannes Raff

• Vorwort• Biologie und Nanotechnologie• Bakterielle S-Layer • Anwendungsmöglichkeiten von S-Layern

NanotechnologieBionik

• Ausblick

Vorwort I

14.02.2005

3



Dr. Johannes Raff


Ziel der radioökologischen Forschungen des Instituts für Radio-chemie ist der Schutz von Mensch und Umwelt vor den Gefahren des Eintrags radioaktiver Schwermetalle, insbesondere der Acti-niden in die Geo- und Biosphäre. Dazu müssen die molekularen Wechselwirkungsmechanismen der Actiniden in den Geo- und Bio-systemen und bei den Transferprozessen aufgeklärt werden, um zu einem besseren Verständnis der makroskopischen Phänomene beizutragen. Dies ermöglicht

• die Entwicklung und Einschätzung von Sanierungsmethoden für die Altlasten aus dem Uranerzbergbau

• einen Beitrag zur Langzeitsicherheit von nuklearen Endlagern• die Klärung des Verhaltens störfallbedingter radioaktiver Kontaminationen in der Umwelt

Vorwort II

14.02.2005

4



Dr. Johannes Raff

Biologischer Teilaspekt:Viele Mirkoorganismen sind in der Lage, Metalle zu binden, zureduzieren, zu oxidieren oder zu mineralisieren. Vor diesemHintergrund sind Isolate aus stark Radionuklid- und/oder Schwermetall-belasteten Umgebungen von besonderem Interesse, da hier für die Organismen der Schutz vor toxischen Metallen überlebensnotwendig ist.

Eine wichtige Form des Schutzes vor Schwermetallen/Radio-nukliden ist die Bindung auf der Oberfläche

→ schneller Prozess, reversibel, stoffwechselunabhängig,z.T. sehr selektiv

→ Nutzung dieser Eigenschaften für die Nanotechnologieund zur Entwicklung neuer Biosanierungsverfahren

Biologie und Nanotechnologie

14.02.2005

5



Dr. Johannes Raff

Die Nanotechnologie ist interdisziplinär. Sie berührt die Physik, die Chemie, die Biologie und andere Materialwissenschaften.

Physik

Chemie BiologieNano-

techno-logie

Medizin

Bio-technologie

Biochemie

Material-wissenschaften

Elektronik

Informatik

Pharmazie

Dimensionen biologischer Strukturen im Vergleich

14.02.2005

6



Dr. Johannes Raff

Die Nutzung biologi-scher Strukturen für die Nanotechnologie ist auf Grund der Größe vieler wichtiger Biomoleküle ein naheliegender An-satz.

MenschWerkzeugeSchrauben

AdernSandPollenWolken menschliches Haar

Rote Blutkörperchen (7,5 µm), BakterienTabakrauchRuß (5-500 nm)Viren (3-100 nm) Proteine, MakromoleküleDNA DurchmesserAtom-RadienBohr-Radius (0,5 ·10-10 m)

Klassischer Elektronenradius (2,8·10-15 m)

Biologische Nanostrukturen

14.02.2005

7



Dr. Johannes Raff

Kollagen (Bild 1x1 µm )http://www.med.niigata-u.ac.jp/an3/collagen.htm

Feinstruktur von Diatomeen(Balken 2,5 µm)M. Sumper (2002) Science, 295 (5564) 2430-2433

DNA (Bild 1x1 µm )http://www.biophysik.physik.uni-muenchen.de/join/DNAnanostrukturen_deutsch.htm

S-Layer Phytoplankton (Ø ≤ 10 µm )http://www.bigelow.org/foodweb/chain3.html

A

B

Bakterielle S-Layer

14.02.2005

8



Dr. Johannes Raff

S-Layer von engl. „surface layer“, auch S-Schicht= äußerste parakristalline Proteinschicht vieler Bakterien die

zur Selbstorganisation befähigt ist

(Glyko)proteinschicht:4-30 nm dick

2-8 nm große Poren

Funktion:Ionen-/MolekülfalleMolekularsiebSchutzAnheften an OberflächenTrägermatrix für ExoenzymeFormerhaltung

Monomere:Mr = 40-500 kDa schwer

isoelektrischer Punkt pH 3-6Lys, Thr, Glu, Asp reich

Proteingitter:Konstanten

von 10-40 nmund verschiedene

Symmetrien (s.rechts)

p1 p2 p4

p3 p6

Mikroskopische Aufnahmen von S-Layern

14.02.2005

9



Dr. Johannes Raff

REMU.B. Sleytr et al. (1999) Angew. Chem. 111, 1098-1120 (Balken 100 nm)

AFMHöhenbild

Amplitudenbild

TEM

REM= RasterelektronenmikroskopAFM= engl.: atomic force microscope,

Atomkraft- oder Rasterkraft-mikroskop

TEM= Transmissionselektronen-mikroskop

Anwendungsmöglichkeiten von S-Layern

14.02.2005

10



Dr. Johannes Raff

Ausgangssituation:S-Layer bilden monomolekulare hochgeordnete Proteingitter durchSelbstassemblierung (in vivo und in vitro). Die Oberfläche ist durch eine räumlich definierte Anordnung von funktionellen Gruppen und Poren mit einheitlicher Größe gekennzeichnet.

Selbstassemblierungsprodukte (AFM):Röhren

Röhren fallen zusammen doppel-

schichtig

Bilder: S. Matys, IfWW, TU-Dresden

einzelschichtig

„Sheets“

I S-Layer als Templat zur Metallclustererzeugung (FZR)

14.02.2005

11



Dr. Johannes Raff

Die Poren der S-Layer haben eine einheitliche Größe. Diese Eigenschaft zusammen mit der Fähigkeit, verschiedene Metalle zu binden, ermöglicht die Erzeugung von z.B. Pd-Metallclusterndefinierter Größe (20-40 Atome, Ø ≤ 1 nm) bei gleichzeitig hoher Beladungsdichte.→ Katalysatortechnik→ Sensortechnik

HydrolysePd/Pt-Salze

A

Zellwand

S-Layer

Metallcluster auf isolierten S-Layern (TEM)Bilder (unten): M. Mertig et.al.(1999)Eur. Phys. J. D 9, 45-48

B

+ Reduktions-mittel

Metall-cluster

II S-Layer zur Erzeugung von Nanostrukturen

14.02.2005

12



Dr. Johannes Raff

S-Layer lassen sich auf Grund ihrer Fähigkeit zur Selbstassemblie-rung als monomolekulare Schicht leicht auf verschiedenste Ober-flächen aufbringen. Diese können mittels lithographischer Techniken strukturiert werden. Nach Metallisierung oder Anbindung funktioneller Biomoleküle ent-stehen so leitfähige oder funkti-onalisierte Nanostrukturen.→ Sensortechnik→ Halbleiter-

technologie

Bilder: U.B. Sleytr et al. (1997) FEMS Microbiol. Rev. 20 (1-2) 151-175Links: AFM-Abbildung eines strukturierten S-Layers (Balken 2 µm)

III Ultrafiltrationsmembran

14.02.2005

13



Dr. Johannes Raff

Die Porendurchmesser verschiedener S-Layer können von 2-8 nm variieren, je nach Bakterium. Auf der Oberfläche eines S-Layers ist die Größe der Poren jedoch einheitlich → Nutzung stabilisierter S-Layer

als Ultrafiltrationsmembran =S-Schicht-Ultrafiltrations-membran (SUM)

→ scharfe Trenngrenze → Möglichkeit zur Funktionali-

sierung der SUM´s(Ladung, Anbindung von Molekülen usw.)

Bild: U.B. Sleytr et al. (1999) Angew. Chem. 111, 1098-1120

IV Funktionalisierung von S-Layern

14.02.2005

14



Dr. Johannes Raff

Die regelmäßige Verteilung von aktivier-baren Carboxylgruppen (typischerweiseAsp + Glu 15% Anteil) auf der S-Layer-Oberfläche erwies sich als ideal zur Immobilisierung von funktionellen Bio-molekülen, z.B. Enzyme, Antikörper. → Anwendung als Biosensor→ Immunotests → Entwicklung von Vakkzinen

Bild: U.B. Sleytr et al. (1997) FEMS Microbiol. Rev. 20 (1-2) 151-175

V S-Layer als Träger von funktionellen Lipidmembranen

14.02.2005

15



Dr. Johannes Raff

Lipidmembrane und –vesikel sind wegen ihrer Bedeutung für biologische Prozesse von großem Interesse für die Bioanalytik, Biotechnologie, Bionik und Medizin. Lipiddoppelschichten besitzen nur eine geringe mechanische Stabilität. Durch Rekristallisation von S-Layern auf Lipidmembranen lässt sich deren Stabilität deutlich erhöhen. → Membranforschung→ Biosensoren, Diagnostik→ Stabilisierung von Liposomen und

Anbindung funktioneller Moleküle (Anwendung als Carrier, zur Arznei-mittelverabreichung, Herstellung künstlicher Viren – Gentherapie)

Bilder: U.B. Sleytr et al . (1999) Angew. Chem. 111, 1098-1120 ( a, b TEM-Aufnahmen, Balken 80 nm)

VI S-Layer als Bindungsmatrix für giftige Metalle (FZR)

14.02.2005

16



Dr. Johannes Raff

Viele S-Layer besitzen die Eigenschaft, Metallionen zu binden. Besonders ausgeprägt ist dies bei S-Layern von Haldenisolaten. So zeigen diese zwar ähnliche Bindungskapazitäten, aber eine deutlich höhere Affinität zu bestimmten Metallen. Entscheidend dafür ist eine definierte Anordnung funktioneller Gruppen und die Existenz vonsehr kleinen „Reaktionsräumen“→ Herstellung von Verbund-

materialien (Biokeramik aus SiO2 und S-Layer/Zellen) zur selektiven Bindung vonMetallionen

→ Reinigung kontaminierter Wässer

→ Rückgewinnung von Metallen

Partikel mit eingebetteten S-Layern

Partikel mit eingebetteten Zellen

Beispiel

14.02.2005

17



Dr. Johannes Raff

Sorption von Uran und Kupfer an Biokeramiken:

Links: Biokeramikpartikel vor der Beladung, mittig nach der Inkubation mit Uranylnitrat- und rechts nach der Inkubation mit Kupferchlorid-Lösung.

Reinigungsstrategie

14.02.2005

18



Dr. Johannes Raff

Regeneration der Säule durch Auswaschen des Urans und erneute Ver-wendung des Materials

Citrat

UU

U UU

Al Pb Cu CdCdHgAl

CuPb

FeCr

Cd HgAl

Cu

PbZn Fe

CrU

U U U

U UUU

U

UAl Pb

CuCd

Al Pb

Zn

Selektive Bindung bestimmter Metalle

Cd HgAlKontaminiertes Wasser (z.B. Sickerwasser von Halden)

CuPbZn Fe

Cr

Filtersäule ge-füllt mit der Biokeramik (Bulkpartikeloder beschicht-ete Träger)

U ...

Ausblick

14.02.2005

19



Dr. Johannes Raff

Genetische oder chemische Modifikation der Oberflächenstrukturen (Zellen, S-Layer) zur Erhöhung der Selektivität und Kapazität. Durch verschiedene Modifikationen sollen außerdem S-Layer-Variantenerzeugt werden, die in der Lage sind weitere Metalle zu binden.

→ Erzeugung von Metallclustern aus weiteren Metallen und aus Kombinationen von Metallen

→ Herstellung von Biokeramiken mit der Selektivität für einzelne Metalle zur Kombination und Reinigung unterschiedlichster Sicker- und Abwässer – „Baukastenprinzip“.

→ Reinigung von Trinkwässern

Danksagung

14.02.2005

20



Dr. Johannes Raff

Institut für Werkstoffwissenschaft, Technische Universität DresdenSabine MatysProf. Dr. Wolfgang Pompe

Institut für Radiochemie (FZR)Dr. Sonja Selenska-PobellDr. Katrin PollmannDr. Mohamed Merroun

Dr. André RossbergDr. Christoph HennigDr. Harald FunkeDr. Andreas Scheinost

Dr. Harald Forestendorf

Prof. Dr. Gert Bernhard

Gesellschaft zur Förderung von Medizin-Bio- und Umwelttechnologien e.V., DresdenUlrich SoltmannProf. Dr. Horst Böttcher

Kallies Feinchemie AG

Wisutec – Wismut Umwelt GmbHInstitut für Kern- und Hadronenphysik (FZR)PD Dr. Karim Fahmy Finanzielle Förderung

Deutsche ForschungsgemeinschaftBundesministerium für Bildung und ForschungEuropäsche Union

Institut für Kernchemie, Universität MainzProf. Dr. Tobias Reich

s-layer? biomolekulare template zur erzeugung von ... · 14.02.2005 1 institut für radiochemie...

Documents