Bioadhesion von Plattwürmern

Synthetische Klebstoffe finden breite Verwendung in unserem Leben, unter anderem in der Medizin und Industrie. Diese Kleber beinhalten jedoch toxische und karzinogene Komponenten. Im Gegensatz dazu sind biologische Klebstoffe von Tieren und Pflanzen nicht toxisch, gewebekompatibel, und funktionieren unter feuchten oder nassen Bedingungen. Jedoch ist über die natürlichen Klebemechanismen nur sehr wenig bekannt. Es ist das Ziel deren Funktionsweise aufzuklären und biomimetische Kleber für medizinische und industrielle Anwendungen zu entwickeln. Plattwürmer besitzen ein Zwei-Drüsen Klebesytem mit dem sich die Tiere an jeder beliebegen Oberfläche im Meer- und Süßwasser festhalten und wieder loslassen können. Dieses Klebesystem besteht aus mehreren hundert Klebeorganen. Jedes dieser Klebeorgane besteht aus drei Zellen: eine Klebedrüse, einer Loslassdrüse und einer Stützzelle, genannt Ankerzelle. Im vorliegenden Projekt wurden 20 verschiedene Plattwurmarten ausgewählt die im Meer, im Süßwasser und im brackischen Bereichen vorkommen. Darüber hinaus wurde bei der Auswahl der Arten darauf geachtet Vertreter zu verweden, die unterschiedlichten Habitaten leben: in ruhigen Gewässern, in exponierten Stränden mit Wellen, in Ebbe- und Flutregionen, im Sand, auf Pflanzen, unter Steinen, oder sogar auf Pfeilschwanzkrebsen. Auch eine Spezies einer parasitischen Plattwurmart ist vertreten, die sich mit einem klebrigen Sekret auf der Haut von Fischen festhalten kann. Schließlich war auch die Verfügbarkeit der Tiere ein Kriterium und die Möglichkeit Kulturen im Labor verfügbar zu haben. In unserer Hypothese gehen wir davon aus, daß Plattwürmer entsprechene Anpassungen evolviert haben, um das Ankleben in den unterschiedlichsten Lebensbereichen zu gewähleisten. Diese Annahme wird durch die Beobachtung unterstützt, daß es von zwei Klebeproteinen die wir beim Plattwurm Macrostomum lignano identifiziert haben, keine Verwandten Proteine in 61 anderen Vertretern der Plattwürmer gibt. In den letzten Jahren haben wir eine Kollektion von Methoden für die Identifikation von Klebeproteinen bei Plattwürmern und Polypen im Labor etabliert. Das vorliegende Projekt vereint eine eine besonders geeignete Auswahl von Plattwurmarten, eine etabliertes Set von Methoden und - zusammen mit Kooperationspartnern - fundiertes Wissen zu Biologie der Plattwürmer. Die erwarteten Ergebnisses sind eine Liste von Klebeproteinen, die als Ausgangsmoleküle für die Entwickling Plattwurm-basierter biomimmetischer Klebstoffe dienen kann.

Viele freilebende Platyhelminthen (Plattwürmer) können sich sehr schnell an jedes natürliche Substrat anheften und wieder ablösen. Diese Fähigkeit macht sie zu geeigneten Kandidaten für die Untersuchung der temporären Bioadhäsion. Wir haben zwei riesige Adhäsionsproteine identifiziert, die bei dem marinen Plattwurm Macrostomum lignano die Anheftung vermitteln. Auf der Grundlage eines umfangreichen Datensatzes waren wir in der Lage, ein neuartiges Modell der temporären Adhäsion von Plattwürmern vorzuschlagen. Der natürliche Lebensraum von M. lignano ist die Lagune von Venedig, Italien, und die Tiere leben an Stränden mit niedriger Energie zwischen Sandkörnern. Wir stellten die Hypothese auf, dass Plattwurmarten aus anderen Lebensräumen angepasste Klebeproteine besitzen. Daher war es das Ziel dieses Projekts, Adhäsionsproteine verschiedener Plattwürmer aus unterschiedlichen Lebensräumen zu identifizieren, darunter Süßwasser, Brackwasser und dem Meer. Es ist bemerkenswert, dass wir in den identifizierten Regionen der Adhäsionsproteine keine wesentlichen Variationen gefunden haben. Zur weiteren Charakterisierung der Adhäsionsbiologie von Plattwürmern untersuchten wir die Morphologie der Adhäsionsorgane, sequenzierten alle Gene (Transkriptome) mehrerer Arten, analysierten die Expression der Adhäsionsproteine (In-situ-Hybridisierung) und schalteten die Produktion der Proteine aus (RNA-Interferenz), um ihre Beteiligung am Adhäsionsprozess zu untersuchen. Aufgrund der Größe der Adhäsionsproteine war es eine Herausforderung, ihre vollständige Aminosäuresequenz zu identifizieren. Aus diesem Grund haben wir die Oxford Nanopore Long-Read-Sequenzierung im Labor etabliert. Mit dieser Technologie war es möglich, die Sequenz der Klebeprotein zu beschreiben. Handelsübliche Klebstoffe sind oft giftig und krebserregend, können Allergien auslösen und Umweltprobleme verursachen. Außerdem sind synthetische Klebstoffe unter nassen Bedingungen nur begrenzt leistungsfähig, insbesondere bei medizinischen Anwendungen. Im Gegensatz dazu sind biologische Klebstoffe biokompatibel, biologisch abbaubar, ungiftig und in der Lage, auf einer Vielzahl von Oberflächen zu haften, auch unter Wasser. Besonders hervorzuheben ist, dass die Klebstoffe der Plattwürmer reversibel sind: Sie können sich sehr schnell und freiwillig von allen natürlichen Oberflächen ablösen. Daher können biologische reversible Klebstoffe den Bedarf an neuartigen Klebstoffen sowohl in der Industrie als auch in der Biomedizin decken. Die Ergebnisse dieses Projekts können dazu beitragen, neue Sequenzen von Klebeproteinen für die Herstellung synthetischer Klebstoffe für medizinische oder industrielle Anwendungen zu finden.