Recombinant biomineralizing polypeptides PXSY : structure and dynamics upon the interaction with silica
Date issued
Authors
Editors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
License
Abstract
Diatomeen bilden Zellhüllen aus Kieselsäure, wobei sie die Morphologie des abgelagerten Silikates auf der Nano- bis Mikroebene kontrollieren. Sie nutzen organische Verbindungen, wie Peptide, Kohlenhydrate und Poly(alkylamin), um die Silikat-Bildung zeitlich und räumlich zu steuern. Da die Silikat-Fällung in Diatomeen unter chemisch milden, physiologischen Bedingungen abläuft, ist deren Biomineraisations-Strategie interessant für Umsetzungen in technischen Applikationen. Insbesondere Polypeptide bieten breite Anwendungsmöglichkeiten, da sie in ihrer Sequenz variiert werden können und somit eine vielseitige Klasse von Biomineralisations-Agenzien darstellen. In dieser Arbeit wurden synthetische, Silikat-biomineralisierende Polypeptide mit hoher kationischer Nettoladung, genannt PXSY, bakteriell exprimiert und in Lösung, als auch während der Interaktion mit Silikat strukturell untersucht. Die PXSY Aminosäure-Komposition ist ähnlich jener der Silaffine, kationischen Peptiden aus Diatomeen welche die in vitro Silikat-Bildung induzieren.
Die bakterielle Synthese der Polypeptide gelang als Fusion mit einer hydrophoben Pro-Sequenz, die die Ablagerung in Einschlusskörpern bewirkt und dadurch schädliche Interaktionen der kationischen Peptide mit Zellbestandteilen (Nukleinsäuren, Membranen) unterband. Nach chemischer Spaltung der Fusion wurden für das längste Polypeptid der PXSY-Serie (P5S3, 50 Aminosäuren, 20 kationische Ladungen) Ausbeuten bis zu 15 µmol pro Liter Expressionskultur erreicht.
In Lösung nehmen die Polypeptide eine gestreckte Konformation mit hohem Anteil an Polyprolin-II-Sekundärstruktur ein. Sie assemblieren, obgleich die kationischen Ladungen eine Abstoßung hervorrufen sollten. Die Assemblierung geht vermutlich zurück auf eine Interaktion der kationischen Aminosäure-Seitenketten mit den Amiden der Peptid-Bindung, die in der gestreckten Konformation exponiert sind. Diese Interaktion ist unter anderem bekannt bei der Bindung von Peptid-Liganden.
In Anwesenheit von P5S3 wird die Bildung von Silikat aus übersättigter Kieselsäure-Lösung (30 mmol/L) unterstützt. Demgegenüber ist die Kieselsäure-Polymerisation in schwach übersättigter Lösung (8,3 mmol/L) bei niedrig mikromolarer P5S3-Konzentration verlangsamt. Die Auflösung von Silikat in ungesättigter Umgebung (1 mmol/L) wird bei niedriger P5S3-Konzentration ebenfalls verzögert.
Die Interaktion mit Silikat verringert in P5S3 den Anteil der gestreckten Konformation, ersichtlich aus Änderungen im Zirkulardichroismus(CD)-Spektrum. Während der Silikat-Auflösung, bei der durchgängig Kieselsäure frei wird, werden im CD zwei Phasen offenbar: zunächst eine zunehmend stärker werdende P5S3-Silikat Interaktion, gefolgt von der P5S3-Freisetzung.
Dies belegt erstmalig die dreifache Wirkung eines biomineralisierenden Polypeptides in der i) induzierten Silikat-Bildung, ii) verzögerten Kieselsäure-Polymerisation und iii) verlangsamten Silikat-Auflösung. Die CD-spektroskopische Untersuchung zeigt, dass diese Wirkungen auf die gleiche Peptid-Silikat Interaktion zurückgehen und von der jeweiligen Kieselsäure- und Peptid-Konzentration bedingt werden.