Authors:	Elkhooly, Tarek Abbas Ali
Title:	Coating of surfaces of composite materials with enzymatically formed biosilica
Online publication date:	12-Mar-2014
Year of first publication:	2014
Language:	english
Abstract:	Die Bildung kieselsäurehaltiger Spicula in marinen Schwämmen ist nur möglich durch die enzymatische Aktivität des Silicatein-ï ¡ in Verbindung mit der stöchiometrischen Selbstassemblierung des Enzyms mit anderen Schwammproteinen. Die vorliegende Arbeit basiert auf einem biomimetischen Ansatz mit dem Ziel, unterschiedliche Oberflächen für biotechnologische und biomedizinische Anwendungen mit Biosilica und Biotitania zu beschichten und zu funktionalisieren. Für biotechnologische Anwendungen ist dabei das Drucken von Cystein-getaggtem Silicatein auf Gold-Oberflächen von Bedeutung, denn es ermöglichte die Bildung definierter Biotitania-Strukturen (Anatas), welche als Photokatalysator den Abbau eines organischen Farbstoffs bewirkten. Des Weiteren zeigte sich die bio-inspirierte Modifikation von Tyrosin-Resten an rekombinantem Silicatein-ï ¡ï  (via Tyrosinase) als vielversprechendes Werkzeug zur Beschleunigung der Selbstassemblierung des Enzyms zu mesoskaligen Filamenten. Durch eine solche Modifikation konnte Silicatein auch auf der Oberfläche von anorganischen Partikeln immobilisiert werden, welches die Assemblierung von anorganisch-organischen Verbundwerkstoffen in wäßriger Umgebung förderte. Die resultierenden supramolekularen Strukturen könnten dabei in bio-inspirierten und biotechnologischen Anwendungen genutzt werden. Weiterhin wurde in der vorliegenden Arbeit die Sekundärstruktur von rekombinantem Silicatein-ï ¡ (Monomer und Oligomer) durch Raman Spektroskopie analysiert, nachdem das Protein gemäß einer neu etablierten Methode rückgefaltet worden war. Diese Spektraldaten zeigten insbesondere Änderungen der Proteinkonformation durch Solubilisierung und Oligomerisierung des Enzyms. Außerdem wurden die osteoinduzierenden und osteogenen Eigenschaften unterschiedlicher organischer Polymere, die herkömmlich als Knochenersatzmaterial genutzt werden, durch Oberflächenmodifikation mit Silicatein/Biosilica verbessert: Die bei der Kultivierung knochenbildender Zellen auf derart oberflächenbehandelten Materialien beobachtete verstärkte Biomineralisierung, Aktivierung der Alkalischen Phosphatase, und Ausbildung eines typischen zellulären Phänotyps verdeutlichen das Potential von Silicatein/Biosilica für der Herstellung neuartiger Implantat- und Knochenersatzmaterialien. The siliceous spicules of marine sponges are generated due to a collaborative effort between the enzymatic activity of silicatein-ï ¡ and the stoichiometric self-assembly of silicatein-ï ¡ with other sponge proteins. This study is based on a biomimetic approach that aims to design a functional biosilica and biotitania coating on different surfaces for biotechnological and biomedical application. For biotechnological application, the immobilization and patterning of cysteine-tagged silicatein on gold surfaces has assisted the deposition of biotitania (anatase polymorph), acting as photocatalyst for the degradation of organic dye (methylene blue). Furthermore, the bioinspired modification of tyrosine residues on the recombinant silicatein-ï ¡ surface via tyrosinase has shown to be a promising tool to accelerate and enlarge the molecular self-assembly of silicatein into mesoscale filamentous structures. By using the same enzymatic treatment, silicatein can be immobilized on the surfaces of inorganic particles, promoting the assembly of inorganic-organic composites in an aqueous environment. Both supramolecular structures have a potential utility in the manufacturing of bioinspired devices for many biotechnological applications. Furthermore, in the present study, secondary structural analysis of recombinant silicatein-ï ¡ in its monomeric and oligomeric forms was accomplished by Raman spectroscopy after refolding of the protein, according to a newly established methodology. The spectral data revealed conformational changes upon solubilization and oligomerization of this enzyme. On the other hand, silicatein/biosilica-based approaches are presented that have improved the osteoinductive and osteogenic properties of different organic biocompatible polymers, which are conventionally used as bone substitutes and for bone regeneration. By investigating the effect of functionalization of surfaces via biosilica on osteoblast-like cells, increased biomineralization, upregulation of alkaline phosphatase as an early osteogenic marker, and formation of an osteoblastic phenotype were confirmed. Therefore, the surface-modification of biomaterials with biosilica has resulted in various composite materials with new property combinations, greatly enhanced performance, and applicability as implants/bone substitutes.
DDC:	570 Biowissenschaften 570 Life sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 04 Medizin
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3715
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-36892
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	144 S.
Appears in collections:	JGU-Publikationen