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Forschungsprojekt aus §26 oder §27 Mitteln
Laufzeit : 2019-01-01 - 2021-12-31

Kohlenstoffröhren (engl. carbon nanotubes (CNTs)) sind zylinderförmige Nanostrukturen, die rein aus Kohlenstoffatomen aufgebaut sind. Auf Grund ihrer herausragenden mechanischen und elektrischen Eigenschaften, sowie thermischen Leitfähigkeit, werden CNTs bereits als Zusätze in neuen Werkstoffen eingesetzt. CNTs wurden in letzter Zeit aber auch für Anwendungen in der Medizin näher betrachtet, da sie auf Grund ihres geringen Durchmessers Zellen und Gewebe durchdringen können. Nachdem CNTs chemisch inert sind und sich z.B. in Wasser nicht lösen, muss ihre Oberfläche chemisch oder durch Binden von Biomolekülen angepasst werden, um so mit weiteren Molekülen beladen zu werden oder mit ihrer Umgebung in Wechselwirkung treten zu können. Dazu werden bevorzugt Proteine verwendet, da diese meistens gut biokompatibel sind und funktionelle Gruppen zum weiteren Binden anbieten. Aber, die Proteine - und somit deren funktionelle Gruppen - sind auf der CNT-Oberfläche meist nur unregelmäßig und auch nicht dicht gebunden. Eine Alternative zur Funktionalisierung von CNTs mit – zudem geschlossenen und hoch geordneten - Proteinschichten bieten S-Schichtproteine (engl. surface layer - Oberflächenschicht), die bereits seit langem zum Modifizieren von Oberflächen in der Nanobiotechnologie eingesetzt werden. S-Schichtproteine umschließen bei vielen Bakterienstämmen und bei allen Archaeen die Zellen vollständig und können als eine der häufigsten Biopolymere der Erde angesehen werden. S-Schichten zeigen Gitterparameter im Nanometerbereich, wobei sich auf Grund ihrer Struktur chemisch funktionelle Gruppen und genetisch eingebrachte funktionelle Domänen an streng definierten Positionen und in gleicher Orientierung wiederholen. Eine wesentliche Eigenschaft von S-Schichtproteinen liegt aber in ihrer Fähigkeit, von selbst wieder zweidimensionale Gitter in Lösung und an Grenzflächen, wie z.B. an festen Trägern, auszubilden. Das Projektziel liegt in der Erforschung der Rekristallisation von S-Schichtproteinen auf Kohlenstoffröhren und in der Anwendung der Erkenntnisse zur Herstellung neuartiger Materialien, wie z.B. für die Biosensorik. Der Schlüssel dazu liegt in den Eigenschaften der S-Schichtproteine selbst, die eine hochspezifische Funktionalisierung der CNT Oberfläche erlauben. Im weiteren sollen neuartige Hybridstrukturen, wie z.B. Container zum Transport von Wirkstoffen, auf der Grundlage der Biomineralisation an S-Schichten entwickelt werden. Weiters sollen metallische Nanopartikel in den Poren der S-Schicht, also direkt auf dem Kohlenstoffgitter, abgelagert und somit die elektronischen Eigenschaften der „ein-dimensionalen“ Kohlenstoffröhren direkt beeinflusst werden. Diese Beispiele eines Bausatzes aus S-Schicht und Kohlenstoffröhren zeigen, dass dieses Projektes zu einer neuen Technologie zur biologischen Funktionalisierung von Kohlenstoffröhren führen kann.
Forschungsprojekt aus §26 oder §27 Mitteln
Laufzeit : 2017-08-01 - 2020-07-31

Aufgrund der globalen Erwärmung wird eine Erhöhung der Durchschnittstemperaturen erwartet, demzufolge werden sich mehr Dürre-resistente Arten wie Eiche und Kiefer in den österreichischen Wäldern durchsetzen. Da diese in der Lage sind Extraktstoffe während der sogenannten „Kernholzbildung“ in die Mikrostruktur der einzelnen Zellen einzubauen, weisen diese Bäume eine erhöhte natürliche Dauerhaftigkeit auf. Abgesehen davon, dass diese Extrakte den Baum ein langes Leben ermöglichen, sind sie für Konstruktionsholz im Außenbereich essentiell um das Holz vor mikrobiellen Abbau zu schützen. In Zukunft werden diese Extrakte auch eine große Rolle für die Bioraffinerie spielen um neue Produkte für Medizin und Kosmetik zu erschließen. Die Kehrseite der Medaille ist aber, dass Extrakte in der Papier und Holzindustrie nicht immer erwünscht sind, da technische Prozesse wie Aufschluss oder Verleimung gestört werden. Wissenschaftler erforschen seit langem die Verkernung der Bäume und zeigen auf, dass sie eine hohe Variabilität aufweist, sie ist artspezifisch, standortabhängig und durch Umweltbedingungen beeinflusst. Bei manchen Holzarten kann man diesen Prozess mit einem Trocknungs- und Imprägnierungsprozess vergleichen. Bei der Untersuchung der Kernzholzbildung wurden oft unterschiedliche nasschemische und chromatographische Methoden verwendet, wobei die natürliche Holzmikrostruktur verloren geht und auch die Verknüpfung einzelner Komponenten. Deshalb ist die Wechselwirkung der einzelnen Zellwandkomponenten mit den Extrakten auf der Mirko- und Nanoebene nicht restlos geklärt. Eine Wissenslücke besteht besonders bei der Biosynthese der Extrakte sowie deren Transport zu den einzelnen Zellen, offene Fragen sind z.B.: ob die radialen Holzstrahlen die Hauptrolle übernehmen oder es ein komplexes Zusammenspiel unterschiedlicher Komponenten und Prozesse auf Mirkoebene ist? Ist es ein schneller oder langsamer Polymerisationsprozess, von der Jahreszeit, Umweltbedingungen und dem Alter abhängig? Mit diesem Projekt sollen diese Wissenslücken mittels Untersuchung von nativen, nie getrockneten Kernholzproben durch moderne bildgebende und spektroskopische Analysemethoden gefüllt werden. Dabei soll die Fluoreszenzmikroskopie einen Überblick über die Verteilung der Extrakte geben. Darüber hinaus wird mittels Raman-Mikroskopie und TOF-SIMS ein detaillierteres Bild über die chemische Zusammensetzung in Kontext mit der Mikrostruktur gegeben. Co-lokalisiertes ESEM wird die Ultrastruktur der wechselnden Zellwände bei der Kernholzbildung aufklären. Mit diesen Ansätzen werden wir die Kernholzbildung von Kiefern-, Douglasie- und Eichenbäumen untersuchen, indem wir 1) den Extrakten von der Biosynthese bis zur Zellwandimprägnierung folgen, 2) die Wechselwirkungen der Extrakte mit anderen Zellwandkomponenten studieren und 3) die Rolle der natürlichen sowie künstlichen Trocknung bestimmen, da sich bei Vorversuchen mit der Trocknung von natürlichen Proben eine Art „self-sealing“ von Mikrorissen und Tüpfel gezeigt hat. Diese in-situ Studien werden die Verteilung der Extrakte im Zusammenhang mit der Mikro- und Nanostruktur, sowie Veränderungen, Löslichkeit und Wechselwirkungen entschlüsseln und neue Einblicke in die Biologie der Kernholzbildung geben. Geplante Trocknungversuche werden neue wissenschaftliche Erkenntnisse auf dem Gebiet der Pflanzenphysiologie aber auch hinsichtlich der Optimierung von industriellen Anwendungen und Prozessen geben.
Forschungsprojekt aus §26 oder §27 Mitteln
Laufzeit : 2017-01-01 - 2021-12-31

Bakterielle Oberflächenproteine (S-Schicht) haben die Fähigkeit Protein-Kristallschichten mit Regelmäßigkeit im Nanometerbereich auf Luft/Wasser Grenzflächen und auf vielen verschiedenen Substraten zu bilden. Diese werden momentan als „Nano-Templates“ für unterschiedliche biotechnologische Anwendungen getestet. Die Art und Weise wie diese Proteine selbst assemblieren und dabei geordnete Nanostrukturen formen, ist jedoch noch nicht vollständig geklärt. In diesem Zusammenhang beabsichtigen wir die Rekristallisation von drei S-Schicht Proteinen, Wildtyp SbpA und die rekombinanten Proteine rSbpA31-1068 und rSbpA31-918 auf (molekular kontrollierten) hydrophoben und hydrophilen Disulfiden zu erforschen. Zunächst werden wir die Adsorptionskinetik und die Rekristallisation dieser drei bakteriellen Proteine untersuchen. Zweitens wollen wir den Zusammenhang zwischen der Kinetik und den physikalischen Eigenschaften der gebildeten Proteinkristalle (z.B. Kristallgröße, Gitterparameter) herausfinden. Zuletzt möchten wir die Frage der Rekristallisationswege in Abhängigkeit von den Substrat-Eigenschaften für diese bakteriellen Proteine klären (was uns auch Verständnis über Protein/Substrat Interaktionen liefert, vor allem über die Wiedererkennung der Proteine von hydrophoben und/oder hydrophilen Teilen.

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