Klebe- und Antihaft-Proteine von Seesternen

Marine biologische Klebstoffe sind eine vielversprechende Ressource für zukünftige biomedizinische Anwendungen. Sie sind nicht nur ungiftig, biologisch abbaubar und biokompatibel, sie können auch, im Gegensatz zu herkömmlichen künstlich produzierten Klebstoffen, direkt in wässrigen Lösungen angewendet werden. Trotz des vorhandenen Potentials sind natürliche Klebstoffe heutzutage weitgehend unerforscht. Ziel dieses Projektes ist es den Mechanismus der reversiblen Anhaftung von Seesternen zu charakterisieren, um eine zukünftige medizinische Verwendung von reversiblen Klebstoffen zu ermöglichen. Seesterne bewegen sich auf kleinen Füßchen fort, die sie mittels eines proteinhaltigen Klebstoffes anhaften und mithilfe einer bisher unbekannten Substanz wieder lösen. In der Seesternart Asterias rubens sind einzelne Komponenten des Klebstoffes erforscht, aber die Substanz mit der sie sich wieder loslösen ist unbekannt. Das erste Ziel dieses Projektes ist es die unbekannten Antihaft-Proteine in Asterias rubens zu identifizieren. Diese Erkenntnis würde uns in der Entwicklung eines reversiblen Klebstoffes ein entscheidendes Stück voranbringen. Des Weiteren werden Klebstoffe und Antihaft-Proteine einer zusätzliche Seesternart Asterina gibbosa analysiert. Diese Art ist weit verbreitet, klein und im Gegensatz zu Asterias rubens pflanzt sie sich auch unter Laborbedingungen problemlos fort. Durch diese Eigenschaften erhoffen wir uns, dass wir die Funktion einzelner Klebeprotein direkt bei lebenden Tieren analysieren können. Zusätzlich ist Asterina gibbosa nur entfernt zu Asterias rubens verwandt und es gibt Hinweise, dass Unterschiede in der Zusammensetzung der Klebstoffe bestehen. Durch den Vergleich dieser beiden Arten werden wir die essentiellen Bestandteile von reversiblen Klebstoffen zu entschlüsseln. Basierend auf unseren Ergebnissen werden wir ein Klebeprotein auswählen um einen wichtigen Klebstoffbestandteil herzustellen. Dieses Projekt trägt dazu bei, biologische Anhaftungsmechanismen zu verstehen und setzt damit den Grundstein für zukünftige biomedizinische und industrielle Anwendungen von biomimetischen Klebstoffen.

Viele Meeresorganismen produzieren biologische Klebstoffe für verschiedene Zwecke. Diese biologischen Klebstoffe sind umweltfreundlich, biologisch abbaubar und haften unter extremen Bedingungen auf verschiedenen Oberflächen. In den letzten Jahren gab es wachsende Bemühungen, bioinspirierte Klebstoffe zu entwickeln. Bisher konzentrierten sich die meisten Versuche auf von Muscheln inspirierte DOPA-basierende Technologien. Die temporäre Haftung von Seesternen könnte jedoch ein neues Designparadigma für die Entwicklung bioinspirierter Klebstoffe und proteinhaltiger Biomaterialien liefern. Seesterne haften stark, aber vorübergehend an Unterwassersubstraten durch die Sekretion einer Proteinmischung. Wir haben entdeckt, dass beim Seestern Asterias rubens der Klebstoff aus 15 Proteinen besteht, die bei der Anhaftung unterschiedliche Funktionen erfüllen. Zwei Proteine binden an die Oberfläche, während die restlichen die Kohäsionsfestigkeit garantieren und eine Bindungsmatrix bilden. Außerdem identifizierten wir eine Proteinase, die wahrscheinlich als Loslöse-Enzym wirkt. Vermutlich schwächt diese Proteinase die Bindung zwischen dem Klebstoff und der Fußoberfläche der Seesterne und ermöglicht so ein Ablösen. Darüber hinaus untersuchten wir, ob die in Asterias rubens identifizierten Proteinsequenzen in 17 weiteren Seesternarten vorhanden sind, die verschiedene Taxa und Fußmorphologien repräsentieren. Unsere Ergebnisse zeigten eine hohe Konservierung der großen Proteine, die den strukturellen Kern des Klebstoffs bilden, während die oberflächenbindenden Proteine wahrscheinlich unter den Seesternarten variabler sind. Darüber hinaus haben wir den Klebstoff des kleinen Fünfeck-Seesterns Asterina gibbosa detailliert charakterisiert. Die Untersuchung vom Klebstoff von A. gibbosa ermöglicht einen direkten Vergleich mit der entfernt verwandten Art A. rubens. Wir fanden auffallende Ähnlichkeiten in der Morphologie der Klebefüßchen und der Topographie und Zusammensetzung des abgesonderten Klebstoffmaterials. Die Klebeproteine sind zwischen beiden Arten konserviert, aber die oberflächenbindenden Proteine in A. gibbosa unterscheiden sich in Größe und funktionellen Domänen von A. rubens. Die weitere Charakterisierung der oberflächenbindenden Proteine läuft derzeit. Insgesamt liefern unsere Ergebnisse ein Modell für die temporäre Anhaftung von Seesternen, einschließlich einer umfassenden Liste der beteiligten Proteine. Wir glauben, dass unsere Ergebnisse einen wesentlichen Schritt zum Verständnis der temporären Anhaftung von Stachelhäutern, aber auch von marinen Klebstoffsystemen im Allgemeinen darstellen. Darüber hinaus könnte der faszinierende Unterwasser-Klebemechanismus von Seesternen auch den Weg für die Entwicklung biomimetischer Klebstoffe und Beschichtungen ebnen.