Enzymy gąbek: mali biobudowniczy natury

Biomineralizacja to proces formowania przez żywy organizm struktur kompozytowych zawierających materiał nieorganiczny - przykładem mogą być skorupki jaj lub zęby. Biokrzemionka jest ważnym biominerałem, produkowanym na gigatonową skalę dzięki wykorzystaniu zdolności biosylifikacyjnych organizmów morskich, takich jak gąbki krzemionkowe.

Delikatne, misterne struktury biokrzemionkowe obserwowane u gąbek krzemionkowych mają wielkość od nanometrów do milimetrów. Te piękne, otwarte konstrukcje w kształcie prętów i gwieździstych kolców z biokrzemionki zachwycają naukowców odkąd zostały odkryte. Jednak dla obserwatora kierującego się względami praktycznymi mają one inne, ciekawsze cechy: nanometrycznej wielkości struktury krzemionkowe służą do budowy ważnych elementów w mikro- i nanoelektronice, takich jak izolatory i falowody optyczne. Ponadto z biokrzemionką wiązane są nadzieje na biokompatybilność, czyli właściwość istotną w przypadku implantów medycznych.

Profesor Werner E. G. Müller z niemieckiego Centrum Medycznego Uniwersytetu Jana Gutenberga w Moguncji oraz jego współpracownicy z Instytutu Chemii Fizjologicznej korzystają z grantu dla doświadczonych naukowców, by odkryć fundamentalne mechanizmy biomineralizacji, a w szczególności biosylifikacji, i wykorzystać te procesy w nowych, interesujących technologiach.

"Piękno natury polega na tym, że znajduje ona sposoby na osiągnięcie swoich celów. W chemii przemiana ograniczana jest przez energię aktywacji wymaganą do zainicjowania reakcji chemicznej. Aby coś zaczęło się dziać, potrzebne jest źródło energii" - mówi Werner Müller. "Dla porównania, w reakcjach biochemicznych problem ten rozwiązywany jest dzięki wykorzystaniu naturalnych katalizatorów, które zmniejszają potrzebną ilość energii aktywacji. W biosylifikacji kluczową rolę katalityczną odgrywają enzymy".

Jak zauważa profesor, wytwarzanie nanostruktur krzemionkowych i elementów optycznych rzeczywiście wymaga obecnie ekstremalnych warunków: w przypadku światłowodów krzemionkowych są to temperatury rzędu 1000ºC. Jednak gąbki uzyskują zbliżone rezultaty w temperaturze otoczenia i przy dużo mniejszym wydatku energetycznym dzięki zastosowaniu enzymów, które przyspieszają przebieg procesów chemicznych, wiążąc się chwilowo z reagującymi substratami.

Budowanie w oparciu o nowy paradygmat

"Odkrycie w ostatniej dekadzie silikateiny (enzymatycznego katalizatora) i jej roli w formowaniu nieorganicznej biokrzemionki zaowocowało wśród naukowców zmianą podejścia badawczego. Wiemy obecnie, że tylko kilka enzymów może kontrolować przebieg reakcji, ale nasze badania wskazują, że nie ogranicza się to wyłącznie do biokrzemionki. Przy użyciu określonych enzymów możliwe jest wytworzenie innych biomateriałów zawierających metale" - wyjaśnia profesor Müller. Jego zespół kontynuuje badania nad biosylifikacją, wykorzystując najnowocześniejsze techniki zaczerpnięte z biologii strukturalnej, biochemii, bioinżynierii i inżynierii materiałowej. Badania te przyniosły już namacalny efekt w postaci weryfikacji koncepcji Si-Bone nagrodzonej przez ERBN.

"Struktury tworzone przez gąbki są niezmiernie różnorodne i podobnie jest w przypadku kości zwierzęcych. Każdy gatunek ma swój własny plan budowy ciała. Nawet jeśli nie wiemy w jaki sposób jest to determinowane u ludzi, odkryliśmy, że wzrost kości jest także kontrolowany przez enzymy, co doprowadziło nas do wyprodukowania implantów protetycznych przy użyciu biokrzemionki uzyskanej in vitro. Podczas doświadczeń na zwierzętach implanty te wykazały wysoką biokompatybilność i nie były odrzucane przez organizm docelowy".

"Odkrywamy także inne korzyści: materiały te ulegają z czasem biodegradacji, więc nie ma potrzeby operacyjnego usuwania ich, jak ma to miejsce w przypadku metalowych trzpieni używanych do leczenia złamań. Co więcej, taka powolna biodegradacja umożliwia kontrolowaną odbudowę tkanki kostnej, więc w rzeczywistości biokrzemionka może wspomagać regenerację kości. Nie jest to zaskoczeniem, ponieważ ludzkie ciało zawiera biokrzemionkę, a gąbki szklane były jednymi z pierwszych organizmów, które ewoluowały na Ziemi. Sądzi się, że są one przodkami kręgowców, więc ma to odzwierciedlenie w wysokiej biokompatybilności.

"W ramach prac nad weryfikacją koncepcji Si-Bone nasze badania sięgają nawet dalej. Pragniemy w szczególności poznać ewentualną rolę silikateiny w zapobieganiu lub nawet w leczeniu osteoporozy - związanej z wiekiem choroby kości, która dla dotkniętych nią osób jest źródłem dużych wydatków i cierpień, występującej coraz częściej na skutek wydłużenia się życia człowieka".

- Źródło: Profesor Werner Ernst Ludwig Georg Müller
- Koordynator projektu: Centrum Medyczne Uniwersytetu Jana Gutenberga w Moguncji, Niemcy
- Tytuł projektu: From gene to biomineral: Biosynthesis and application of sponge biosilica
- Akronim projektu: BIOSILICA
- strona internetowa instytutu
- Siódmy program ramowy (7PR) (Nabór wniosków do ERBN): Grant dla doświadczonych naukowców 2011
- Finansowanie przez KE 2 200 000 EUR
- Czas trwania projektu 5 lat

Bibliografia
Müller W.E.G., Wang X.H., Grebenjuk V., Diehl-Seifert B., Steffen R., Schloßmacher U., Trautwein A., Neumann S. i Schröder H.C. (2013), Silica as a morphogenetically active inorganic polymer: effect on the BMP-2-dependent and RUNX2-independent pathway in osteoblast-like SaOS-2 cells; Biomaterials Sci. 1: 669-678
Müller W.E.G., Schröder H.C., Burghard Z., Pisignano D. i Wang X.H. (2013), Silicateins - A novel paradigm in bioinorganic chemistry: Enzymatic synthesis of inorganic polymeric silica; Chemistry Eur. J., 19:5790-5804
Wang X.H., Schröder H.C., Wang K., Kaandorp J.A. i Müller W.E.G. (2012), Genetic, biological and structural hierarchies during sponge spicule formation: From soft sol-gels to solid 3D silica composite structures; Soft Matter, 8:9501-9518.