Authors:	Markl, Julia Sofia
Title:	Analysis and modification of biosilica-forming sponge (Suberites domuncula) primmorph cells and hydroxyapatite-forming human SaOS-2 cells
Online publication date:	15-Jul-2016
Year of first publication:	2016
Language:	english
Abstract:	The marine sponge Suberites domuncula (Demospongiae) produces biosilica spicules by enzymatically controlled biomineralization and is a potential natural source for bioactive sponge compounds. S. domuncula cell culture is possible by generating three‐dimensional cell aggregates termed primmorphs. In this thesis, as an initial step, a comparative transcriptome analysis was performed. A new bioreactor for S. domuncula cell culture was developed. It yields a significant improvement and upscaling of primmorph production. With different analytical approaches it was shown that most if not all primmorph cells engulfed large numbers of nanoparticles and microparticles, respectively. By quantitative PCR, it was determined that uptake of silica core-shell microparticles enhanced the expression of proteins involved in spiculogenesis. It was also found that the biosilica spicules were specifically coated by nano‐screenMAG‐CMX nanoparticles in vivo, whereas such coating of extracted spicules in vitro required prior chemical silanization. Magnetic and fluorescent properties to primmorph individuals, their cells, and their spicules were introduced by using nanoparticles. Human bone-forming SaOS‐2 cells with the gene encoding S. domuncula silicatein‐α were stably transfected, which significantly enhanced their bone‐forming capacity. The present experiments with sponge cells and human SaOS‐2 cells open new possibilities in biology, material science and biomedicine in the context of research, production, modification and application of biosilica. Der marine Schwamm Suberites domuncula (Demospongiae) produziert Biosilikatnadeln durch enzymatisch kontrollierte Biomineralisierung und könnte eine natürliche Quelle für bioaktive Stoffe aus Schwämmen sein. Zellen von S. domuncula lassen sich als dreidimensionale Zellaggregate kultivieren, so genannte Primmorphe. In dieser Arbeit wurde als Einstieg eine vergleichende Transkriptomanalyse durchgeführt. Es wurde ein neuer Bioreaktor entwickelt, der die Zellkultur von S. domuncula signifikant verbessert. Mit unterschiedlichen analytischen Verfahren wurde gezeigt, dass nahezu alle Zellen einer Suspension, die zur Bildung von Primmorphen führt, große Mengen an Nano- und Mikropartikeln aufnehmen können. Quantitative PCR ergab bei Aufnahme von Silikat core‐shell Mikropartikeln erhöhte Expressionsraten von Proteinen, die an der Bildung von Biosilikatnadeln beteiligt sind. Es wurde herausgefunden, dass in Primmorphen befindliche Biosilikatnadeln in vivo spezifisch mit Nano-screenMAG-CMX Nanopartikeln beschichtet wurden, wohingegen eine solche Beschichtung bei extrahierten Nadeln, also in vitro, eine vorhergehende chemische Silanisierung erforderte. Über Nanopartikel erhielten Primmorphe, ihre Zellen und ihre Nadeln magnetische und fluoreszierende Eigenschaften. Mit für S. domuncula Silicatein‐α codierender DNA wurden knochenbildende human SaOS‐2 Zellen stabil transfiziert, wodurch sich ihre osteogene Kapazität signifikant erhöhte. Die vorliegenden Experimente mit Schwammzellen und menschlichen SaOS‐2 Zellen eröffnen neue Möglichkeiten in der Biologie, Materialwissenschaft und Biomedizin im Kontext der Erforschung, Produktion, Modifikation und Anwendung von Biosilikaten.
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-4084
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000005723
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	130 Blätter
Appears in collections:	JGU-Publikationen