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14.02.2005
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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
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Institut für Radiochemie
Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft
Dr. Johannes Raff
• Vorwort• Biologie und Nanotechnologie• Bakterielle S-Layer • Anwendungsmöglichkeiten von S-Layern
NanotechnologieBionik
• Ausblick
Vorwort I
14.02.2005
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Institut für Radiochemie
Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft
Dr. Johannes Raff
Institut für Radiochemie
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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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Institut für Radiochemie
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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
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Institut für Radiochemie
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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
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