Recombinant biomineralizing polypeptides PXSY : structure and dynamics upon the interaction with silica

Diatomeen bilden Zellhüllen aus Kieselsäure, wobei sie die Morphologie des abgelagerten Silikates auf der Nano- bis Mikroebene kontrollieren. Sie nutzen organische Verbindungen, wie Peptide, Kohlenhydrate und Poly(alkylamin), um die Silikat-Bildung zeitlich und räumlich zu steuern. Da die Silikat-Fällung in Diatomeen unter chemisch milden, physiologischen Bedingungen abläuft, ist deren Biomineraisations-Strategie interessant für Umsetzungen in technischen Applikationen. Insbesondere Polypeptide bieten breite Anwendungsmöglichkeiten, da sie in ihrer Sequenz variiert werden können und somit eine vielseitige Klasse von Biomineralisations-Agenzien darstellen. In dieser Arbeit wurden synthetische, Silikat-biomineralisierende Polypeptide mit hoher kationischer Nettoladung, genannt PXSY, bakteriell exprimiert und in Lösung, als auch während der Interaktion mit Silikat strukturell untersucht. Die PXSY Aminosäure-Komposition ist ähnlich jener der Silaffine, kationischen Peptiden aus Diatomeen welche die in vitro Silikat-Bildung induzieren. Die bakterielle Synthese der Polypeptide gelang als Fusion mit einer hydrophoben Pro-Sequenz, die die Ablagerung in Einschlusskörpern bewirkt und dadurch schädliche Interaktionen der kationischen Peptide mit Zellbestandteilen (Nukleinsäuren, Membranen) unterband. Nach chemischer Spaltung der Fusion wurden für das längste Polypeptid der PXSY-Serie (P5S3, 50 Aminosäuren, 20 kationische Ladungen) Ausbeuten bis zu 15 µmol pro Liter Expressionskultur erreicht. In Lösung nehmen die Polypeptide eine gestreckte Konformation mit hohem Anteil an Polyprolin-II-Sekundärstruktur ein. Sie assemblieren, obgleich die kationischen Ladungen eine Abstoßung hervorrufen sollten. Die Assemblierung geht vermutlich zurück auf eine Interaktion der kationischen Aminosäure-Seitenketten mit den Amiden der Peptid-Bindung, die in der gestreckten Konformation exponiert sind. Diese Interaktion ist unter anderem bekannt bei der Bindung von Peptid-Liganden. In Anwesenheit von P5S3 wird die Bildung von Silikat aus übersättigter Kieselsäure-Lösung (30 mmol/L) unterstützt. Demgegenüber ist die Kieselsäure-Polymerisation in schwach übersättigter Lösung (8,3 mmol/L) bei niedrig mikromolarer P5S3-Konzentration verlangsamt. Die Auflösung von Silikat in ungesättigter Umgebung (1 mmol/L) wird bei niedriger P5S3-Konzentration ebenfalls verzögert. Die Interaktion mit Silikat verringert in P5S3 den Anteil der gestreckten Konformation, ersichtlich aus Änderungen im Zirkulardichroismus(CD)-Spektrum. Während der Silikat-Auflösung, bei der durchgängig Kieselsäure frei wird, werden im CD zwei Phasen offenbar: zunächst eine zunehmend stärker werdende P5S3-Silikat Interaktion, gefolgt von der P5S3-Freisetzung. Dies belegt erstmalig die dreifache Wirkung eines biomineralisierenden Polypeptides in der i) induzierten Silikat-Bildung, ii) verzögerten Kieselsäure-Polymerisation und iii) verlangsamten Silikat-Auflösung. Die CD-spektroskopische Untersuchung zeigt, dass diese Wirkungen auf die gleiche Peptid-Silikat Interaktion zurückgehen und von der jeweiligen Kieselsäure- und Peptid-Konzentration bedingt werden.Diatoms are unicellular algae which deposit silica to build mineralized cell walls. They exert spatial and temporal control during the formation of silica, thereby guiding the morphology of the deposited silica on the nano- to microscale. To induce the silica-formation, diatoms employ organic compounds such as peptides, carbohydrates and poly(alkylamines). By this, they are able to deposit silica under chemically benign, i.e. physiological conditions, a feature which renders their biomineralization-strategy interesting for technical applications. Silica-precipitating polypeptides in particular are interesting for biomimetic approaches since they can easily be varied in their amino acid sequence and are therefore a versatile class of biomineralizing agents. In this thesis, synthetic, silica-biomineralizing polypeptides with the general name PXSY were investigated. These peptides bear a high net cationic charge and are similar to silaffins, cationic peptides from diatoms which facilitate the in vitro deposition of silica, in terms of their amino acid sequence. The production of the PXSY polypeptides was achieved by recombinant expression in Escherichia coli, and their structure and dynamics in solution and upon the interaction with silica were assessed. The bacterial overexpression of the PXSY-polypeptides was achieved as fusion with a hydrophobic pro-sequence which mediates the deposition of the fusion in inclusion bodies, thereby preventing possible detrimental interactions of the cationic polypeptide with anionic cellular compounds such as nucleic acids or membrane lipids. After chemical cleavage for removal of the fusion, yields for the longest polypeptide of the PXSY-series (P5S3, 50 amino acids of which 20 are cationic) were in the range of 15 µmol per liter bacterial culture. In solution, the polypeptides adopt an extended structure with a considerable fraction of the polyproline II conformation. They self-assemble, even though their cationic charge should lead to electrostatic repulsion. This assembly presumably results from an interaction of cationic amino acid side chains with the peptide bond amides, the latter being exposed to the solvent in the extended conformation. Comparable interactions are known in folded proteins and in the interaction of proteins with peptide-ligands. P5S3 facilitates the formation of silica from supersaturated 30 mmol/L solutions of silicic acid. By contrast, at lower, but still supersaturated silicic acid concentration of 8.3 mmol/L, P5S3 at low micromolar concentration retards the polycondensation of silicic acid. Furthermore, the dissolution of silica at globally undersaturated 1 mmol/L silicic acid concentration is slowed down in the presence of P5S3 at low micromolar concentration. The extended conformation of P5S3 is reduced upon the interaction with silica, as revealed by circular dichroism (CD) spctroscopy. During the dissolution of silica, two phases are seen in CD spectroscopy during which silicic acid is constantly released: In the first phase, CD indicates a successively more intimate P5S3-silica association with a loss of the extended conformation, whereas in the second phase the spectra reveal a succesive liberation of P5S3 until the silica is dissolved and the peptide is again in the extended conformation it adopts in solution. This analysis for the first time reveals a triple-fold impact of a biomineralizing polypeptide in the i) induced silica-formation, ii) retarded silicic acid polymerisation and iii) retarded silica-dissolution. The CD spectroscopic analysis shows that these different effects are outcomes of the same peptide-silica interaction, though occur depending on the respective concentrations of silicic acid and the polypeptide