Wurm-Kiefer: ultraleichte biologische Schneidwerkzeuge

Die Optimierung biologischer Materialien auf bestimmte Funktionen wie Wasserleitung, mechanische Stütze, enzymatische Funktionen etc. hat die Wissenschafter veranlaßt, darüber nachzudenken, die Natur zu imitieren, auf der Suche nach Materialien für kleinere elektronische Bauelemente, effizientere Signalübertragung, Konstruktionen in Leichtbauweise etc. Das Hauptziel des vorliegenden Post-Doktoralen Projekts ist es, die Struktur eines besonders festen und zähen biologischen Leichtbaumaterials von besonderer Zusammensetzung zu untersuchen: die Kauwerkzeuge des Seeringelwurms (Nereis) die ein paar Prozent Zink (Zn) enthalten. Obwohl die Kiefer von Nereis nicht mineralisiert sind und, abgesehen von Zn, hauptsächlich aus Protein bestehen, weist das Material eine außerordentlich hohe Bruchenergie auf. Die Frage ist nun, wie der geringe Anteil von Zn in der Struktur des Kiefers organisiert ist, daß er die Härte und Zähigkeit des Materials auf so bemerkenswerte Art erhöht. Der erste Schritt, um die Struktur von Nereis Kiefern zu verstehen, wird mit ortsaufgelöster Röntgenstreuung unternommen werden. Die Experimente werden im Röntgenlabor des Gastinstitutes begonnen, und falls sich eine höhere Ortsauflösung als notwendig erweist, mit Synchrotron-Strahlung fortgesetzt werden. Die Spektroskopietechniken "Extended X-ray Absorption Fine Structure" (EXAFS) und "X-ray Absorption Near-Edge Structure" (XANES) werden auf extrahiertes Protein angewendet, um herauszufinden, ob Zn an eines der Kiefer- Proteine chemisch gebunden ist und in welcher Weise. Nano-Härteeindrücke an Nereis Kiefern sind geplant, um den Zusammenhang zwischen lokaler Zn-Konzentration und lokaler Härte zu studieren. Das Projekt ist auf ein Jahr ausgelegt und wird sich mit der Untersuchung des biologischen Materials befassen. Das langfristige Ziel dieser Untersuchungen ist jedoch einen Schritt weiterzugehen und die gewonnene Information zu verwenden, um ein biomimetisches Analogon zum Material, aus dem die Nereis-Kiefer bestehen, mittels Selbstorganisation von extrahiertem und rekombiniertem Protein und Zn zu erzeugen. Die Gruppe von Prof. Galen D. Stucky am Department of Chemistry and Biochemistry, University of California Santa Barbara (UCSB), hat international einen ausgezeichneten Ruf auf dem Gebiet biomimetische Materialien. Die technischen Einrichtungen des Institutes werden ausgiebig genutzt werden, ebenso wie Synchrotron-Strahlung am Argonne National Laboratory (ANL). Auch in Österreich sind biologische und biomimetische Materialien in den letzten Jahren vermehrt in den Mittelpunkt des Interesses getreten. Das Potential solcher Materialien sowohl in wissenschaftlicher Hinsicht als auch vom Standpunkt technischer Anwendungen ist jedoch noch bei weitem nicht ausgeschöpft. Das vorliegende Projekt soll dazu beitragen, die Forschung auf diesem Gebiet zu fördern und die Wissenschaft in Österreich bezüglich neuer Entwicklungen auf dem letzten Stand zu halten.