Genetically optimized M13 phages as functionalized bio-templates for the generation of bio/inorganic nanostructured materials

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Die Bildung anorganischer Funktionsmaterialien, wie Kondensatoren oder Aktuatoren, erfordert einen erheblichen verfahrenstechnischen Aufwand sowie harte Reaktionsbedingungen (Temperatur, Druck). Darüber hinaus ist die Herstellung von Materialien mit Abmessungen im Größenbereich von Nanometern aufgrund technischer Einschränkungen bei der Strukturierung und Assemblierung von Komponenten durch herkömmliche Syntheseverfahren beschränkt. Die Anwendung von Prinzipien der Biomineralisation zur Bildung von neuartigen Materialien bietet dagegen innovative Ansätze, um Restriktionen traditioneller Herstellungsmethoden zu überwinden.Biomineralien werden unter Umgebungsbedingungen gebildet, wobei der Mineralisierungsprozess durch biologische Moleküle gesteuert wird (z.B. Proteine, Polysaccharide etc.). Biomineralien weisen im Nanometerbereich eine präzise Strukturierung auf und zeigen oft Multifunktionalität.In diesem Projekt sollen funktionalisierte Biotemplate, M13-Phagen, für die kontrollierte Mineralisation von Titandioxid (TiO2), Zinkoxid (ZnO) und Gold (Au) eingesetzt werden. Dazu werden M13 Phagen genetisch modifiziert, um strukturiert Biomineralisationspeptide auf deren Oberflächen zu exprimieren. Zudem ist die Einbringung einer zweiten Funktionalität in die Phagen geplant, um eine spezifische Anbindung dieser Template an ein zweites anorganisches Material, z.B. ein Substrat, zu erzielen. Das Ziel dieses Vorhabens ist die Phagentemplat-basierende Bildung von Multischichtmaterialien aus alternierenden Titandioxid- und Goldlagen (TiO2/Au) bzw. Zinkoxid- und Goldlagen (ZnO/Au). Peptide, die spezifisch an die genannten anorganischen Materialen binden und deren kontrollierte Mineralisation aus Precursor-Lösungen initiieren, werden aus Peptid-Bibliotheken mittels der Phagen-Display Methode identifiziert und anschließend in Bezug auf Bindung und Mineralisierung charakterisiert.Ein weiterer Schwerpunkt innerhalb des geplanten Vorhabens ist die Charakterisierung der bioorganisch/anorganischen Grenzflächen in den mittels der Phagentemplaten aufgebauten TiO2/Au- und ZnO/Au-Mehrschichtsystemen, um grundlegende Kenntnisse über deren Struktur und elementare Zusammensetzung zu gewinnen. Dafür sollen neueste elektronenmikroskopische Methoden angewendet werden, um Faktoren zu ermitteln, die die Strukturbildung sowie den atomistischen, chemischen und elektronischen Aufbau an den Grenzflächen zwischen den verschiedenen Schichten zu bestimmen. Die detaillierten Untersuchungen hinsichtlich des Zusammenwirkens von organischen und anorganischen Komponenten soll auch zur Aufklärung der Synthesemechanismen beitragen und die gezielte Modifizierung der Reaktionsparameter sowie der Biotemplate erlauben, um eine Basis für die Generierung von Materialien mit maßgeschneiderten Funktionen bereitzustellen.