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HYDROPHOBINE

erstellt von huenken zuletzt verändert: 05.01.2011 13:59

Projekt:
HYDROPHOBINE
Hydrophobine zur Funktionalisierung von mineralischen Oberflächen zur Prävention von mikrobiellem Biofilmwachstum
Laufzeit:
01.08.2008 bis 31.07.2011
Koordinator:
Prof. Dr. Reinhard Fischer

Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Angewandte Biowissenschaften (Angewandte Mikrobiologie)
Hertzstrasse 16
76187 Karlsruhe
Projektpartner:
Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Technische Chemie (Wasser- und Geotechnologie)

BASF AG

Programm:
Sonderprogramm GEOTECHNOLOGIEN
Themenschwerpunkt: Mineraloberflächen: Von atomaren Prozessen zur Geotechnik
Ziele:
Die Wahl des Materials und die Strukturierung der Grenzfläche zwischen einer natürlichen und einer künstlichen mineralischen Oberfläche beeinflusst Biokompatibilität und damit Bakterienadhäsion bzw. –wachstum in Form von Biofilmen entscheidend. Das Ziel von HYDROPHOBINE ist die neuartige Modifizierung mineralischer Oberflächen zur Vermeidung von unerwünschtem mikrobiellen Biofilmwachstum auf Basis einer selbstassemblierenden Klasse biologischer Makromoleküle, der Hydrophobine. Diese kleinen, an der Oberfläche von Pilzen natürlich vorkommenden Proteine, bilden spontan auf einer Reihe von Oberflächen außerordentlich stabile nanoskalige Filme und generieren eine in ihren Eigenschaften modifizierte hydrophobe Grenzfläche der beschichteten Struktur. Es besteht zudem die Möglichkeit Hydrophobinmoleküle als Anker für andere Moleküle zu verwenden, um dadurch Oberflächen z.B. mit Enzymen zu funktionalisieren. In diesem interdisziplinären Vorhaben werden gezielt strukturierte, mit Hydrophobinen beschichtete keramische Oberflächen hergestellt, im Hinblick auf ihre Eigenschaften für Zelladhäsion, -differenzierung und -wachstum von Bakterien untersucht und durch Modifikationen für spezifische Anwendungsanforderungen optimiert.

Die Abteilung für Angewandte Mikrobiologie der Universität Karlsruhe (AG Fischer) ist, in enger Zusammenarbeit mit der BASF AG, für die Auswahl der zu untersuchenden keramischen Materialien und die Bereitstellung von mit natürlichen bzw. modifizierten Hydrophobinen beschichteten mineralischen Oberflächen verantwortlich. Die Beschichtung der Oberflächen erfolgt in einen "self-assembly"-Verfahren, bei dem die Proteine einen nanoskaligen Film auf der Oberfläche bilden sollen. Dieser Beschichtungsprozess wird mit Hilfe von Protein-spezifischen Markersubstanzen überprüft. Veränderungen in der Hydrophobizität des behandelten keramischen Materials werden im Vergleich zu unbehandelten Materialien überprüft (z. B. Kontakt-Winkelmessungen). Die Stabilität der Hydrophobin beschichteten Keramikoberflächen wird im Hinblick auf Proteaseabbau untersucht. Dazu werden gezielt Proteaseaktivitäten in gewachsenen Biofilmen geprüft und beschichtete und unbeschichtete Materialien verglichen, um induzierte Proteaseaktivitäten zu erkennen. In Experimenten mit Proteaseinhibitoren soll der Hydrophobinabbau inhibiert werden.

Zudem ist die AG Fischer für die Herstellung von Hydrophobin und Hydrophobinderivat produzierenden E. coli Stämmen und die Aufreinigung im Pilotmasstab zuständig. Die BASF AG wird die getesteten E. coli Stämme für die Gewinnung des Proteins in größerem Maßstab einsetzen und weitere Beschichtungsexperimente durchführen.

Die AG Fischer untersucht und charakterisiert, in Abgrenzung zum Projektpartner Forschungszentrum Karlsruhe, den Anteil und die Funktion von Pilzen in natürlichen Biofilmen auf den unbeschichteten/beschichteten keramischen Oberflächen. Hierzu wird mit einem Schnelltest das Vorhandensein von Pilzen anhand der Konzentration von 1,3-beta-D-glucan in verschiedenen Biofilmen, aus natürlichem Milieu mit Grau- oder Klarwässern, getestet. Anschließend sollen die positiv getesteten Biofilme durch das Erstellen einer Klonbibliothek durch die Firma nadicom GmbH charakterisiert werden.

Das Ziel des Instituts für Technische Chemie – Bereich Wasser- und Geotechnologie des Forschungszentrums Karlsruhe ist die mikrobiologische und molekularbiologische Untersuchung des Wachstumsverhaltens von Bakterien auf mit natürlichen und modifizierten Hydrophobinen beschichteten Oberflächen. Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH) und quantitative RealTime PCR werden zur Kalkulation der Zellzahl pro qcm eingesetzt. Genetische Fingerprint-Verfahren (PCR-DGGE) dienen der Charakterisierung der adhärenten Bakterien und ermöglichen die Durchführung von taxonomischen Diversitätsstudien vor dem Hintergrund einer Selektion von Umweltbakterien durch die Proteinbeschichtung der Oberflächen. Molekularbiologische Expressionsanalysen für Adhäsionsgene und deren Genprodukte zeigen eine Korrelation zwischen Oberflächenbehandlung und Biofilmbildung bei ausgewählten Mikroorganismengruppen an.

Beim Auftreten von Bakterien und Pilzen, die trotz der durch die Hydrophobine vermittelten Oberflächeneigenschaften ein Biofilmwachstum zeigen, sollen diese Bakterien taxonomisch über die ribosomale DNA charakterisiert werden. Hier soll die Startupfirma nadicom GmbH zur Herstellung von Klonbanken involviert werden. Eine Transkriptomanalyse auf mRNA Ebene soll zeigen, welche Gene bei diesen "resistenen Bakterien" bei der Besiedlung der Oberfläche aktiviert sind.

Die Ergebnisse ermöglichen eine gezielte Modifikation der natürlichen Hydrophobine zur Optimierung der Funktion auf Keramikoberflächen. Die Dauerhaftigkeit der unterschiedlichen Beschichtungen mit natürlichen oder modifizierten Hydrophobinen wird in einem Langzeitexperiment im Hinblick auf die Biofilmbildung, die Eigenschaften der Oberfläche und die Stabilität der Hydrophobine überprüft.

Die Aufgabe der BASF AG, die kürzlich ein mikrobielles Produktionsverfahren zur großtechnischen Herstellung der Hydrophobine etablieren konnte, ist die Bereitstellung dieser Proteine. Sie trifft zusammen mit dem Kooperationspartner Universität Karlsruhe eine Auswahl an Mineraloberflächen, die im Rahmen des Forschungsvorhabens für die Beschichtungen und Biofilmanalysen verwendet werden sollen. Hierbei sind die Industriekontakte der BASF zu relevante Industrieunternehmen sehr wichtig, um die Forderungen und spezifischen Problematiken der keramischen Industrie in der Anwendung ihrer Produkte aufzunehmen und gezielt in das Forschungsvorhaben zu integrieren. Die bestehenden Industriekontakte zu Industrieunternehmen der keramischen Industrie werden weiter ausgebaut. Ausgehend von den mikrobiologischen und molekularbiologischen Ergebnissen zur Biofilmvermeidung und Selektion von Mikroorganismen der Projektpartner Universität Karlsruhe und Forschungszentrum Karlsruhe werden die natürlichen Hydrophobine modifiziert und die physikochemischen und biologischen Eigenschaften gezielt durch Kopplung mit bioaktiven Substanzen optimiert.