von Bob Yirka , Phys.org
Ein Forscherteam mit Mitgliedern aus Frankreich, Deutschland und Israel hat herausgefunden, dass Proteine, die axiale Filamente bilden, dafür verantwortlich sind, dass Meeresschwämme Glasskelette entwickeln. In ihrem auf der Open-Access-Website Science Advances veröffentlichten Artikel beschreibt die Gruppe ihre Studie über die Meerestiere, was sie herausgefunden hat und warum sie glaubt, dass ihre Arbeit zu Fortschritten bei der Entwicklung von Materialien für neue opto-elektronische Geräte führen könnte.
Meeresschwämme, so die Forscher, gehören zu den ältesten Lebewesen der Erde – fossile Aufzeichnungen zeigen, dass sie eine halbe Milliarde Jahre alt sind. Im Laufe dieser Zeit, so die Forscher, haben sie sich zu stacheligen Glasstrukturen entwickelt, aus denen ihre einzigartigen Anhängsel bestehen (seltsamerweise haben sie kein Gewebe oder Organe). Sie stellen außerdem fest, dass bisher nur wenig geforscht wurde, um besser zu verstehen, wie solche Strukturen im Laufe der Reifung der Kreatur entstehen, was bedauerlich ist, denn es ist klar, dass sie dies ohne feurig heiße Öfen tun. Um herauszufinden, wie die Meerestiere in der Lage sind, gläserne Strukturen zu erzeugen, untersuchten die Forscher drei Arten von Schwämmen und insbesondere deren ausgeprägte Spicula (nadelförmige Strukturen).
Das Team nutzte Röntgenbeugung und ein Elektronenmikroskop, um die Spicula und die axialen Fäden, um die sie sich bilden, genauer zu betrachten. Dabei stellte die Gruppe fest, dass die Filamente aus Proteinen bestehen, die in einer hexagonalen kristallinen Struktur gestapelt sind. Die Forscher stellten fest, dass die Strukturen bei allen drei untersuchten Schwämmen nahezu identisch waren, obwohl jeder von ihnen eine einzigartige Form der Spicula aufwies: nadelartige Spicula bei Thethyra aurantium, dreifach verzweigte Spicula bei Stryphnus ponderosus und stachelige Spicula bei Geodia cydonium. Das Team fand heraus, dass die Unterschiede in den sich ergebenden Formen darauf zurückzuführen sind, wie die Proteine verteilt und angeordnet waren. Das Glas besteht aus Ablagerungen von Siliziumdioxid auf den Stacheln – das Protein dient als Vorlage.
Die Forscher vermuten, dass weitere Untersuchungen der Kreaturen zur Entwicklung eines ähnlichen Mechanismus für die Herstellung winziger Glaskomponenten für optoelektronische Geräte, Plasmonik und vielleicht Solarzellen führen könnten.
Weitere Informationen: Vanessa Schoeppler et al. Shaping highly regular glass architectures: A lesson from nature, Science Advances (2017). DOI: 10.1126/sciadv.aao2047
Abstract
Forscher haben entdeckt, dass Proteine, die der Bildung von kristallähnlichen Anhängseln zugrunde liegen, für das symmetrische Wachstum verschiedener Arten von deutlich geformten Spicules (oder spitzen, nadelförmigen Strukturen) in Meeresschwämmen verantwortlich sind – einem der ältesten mehrzelligen Organismen, dessen fossile Aufzeichnungen mehr als eine halbe Milliarde Jahre zurückreichen. Ihre Erkenntnisse geben Aufschluss darüber, wie sich symmetrische Strukturen in biologischen Organismen entwickeln, und können möglicherweise auf Technologien angewendet werden, die nanokristalline Materialien verwenden, wie z. B. künstlich hergestellte anorganische winzige Kristalle, die derzeit für eine Vielzahl von Anwendungen erforscht werden. Bislang sind die Mechanismen der Kristallbildung in lebenden Organismen noch weitgehend unbekannt, was Vanessa Schoeppler und Kollegen dazu veranlasste, die dreidimensionale Organisation der stacheligen Verzweigungen, der so genannten Axialfilamente, aus denen die Schwämme bestehen, genauer zu untersuchen. Die Autoren konzentrierten sich auf drei Arten von Meeresschwämmen aus der Klasse der Demospongiae: nadelförmige Strongyloxea (Tethya aurantium), tetrapodenförmige Dichotriaen (Stryphnus ponderosus) und Steraster (Geodia cydonium) mit hyperverzweigten kugelförmigen Spicula. Interessanterweise zeigten die Ergebnisse, dass die Proteinkristalle, aus denen die Filamente bestehen, das Verzweigungsverhalten der Schwammspicula bestimmen. Die Autoren weisen darauf hin, dass die untersuchten Schwämme zwar unterschiedlich geformte Spicula aufweisen, aber alle identische Merkmale haben, die mit den Proteinkristallen zusammenhängen, die Teil des Axialfilaments sind. Schoeppler et al. weisen darauf hin, dass weitere Untersuchungen zur Regulierung der Filamentverzweigung notwendig sind, um möglicherweise die künftige Entwicklung neuartiger Materialien für Solarzellen, Plasmonik, Optoelektronik und Sensorik zu unterstützen
Journal information: Science Advances