Biomimetic Identification of Phase-Selective Peptide-Additives

Biomineralisation is a widespread phenomenon, which enables organisms to form highly ordered materials. During the associated processes, certain properties, such as the crystal morphology and -size or the deposited polymorph of a compound, are tightly controlled. Although the mechanisms that govern the polymorph-selective precipitations are intensively investigated, the respective experiments are often hampered by the difficulties in isolating the involved biomolecules from organisms or biominerals. To circumvent the dependence on biologic samples and related problems, this thesis has applied the Phage Display technique to identify peptides capable of biomimetically controlling the formation of the different calcium carbonate polymorphs during crystallisations. In the first experimental part, phage display was employed for affinity selections on the calcite polymorph of calcium carbonate. The respective screening experiments allowed the identification of several, potentially calcite-affine peptide sequences unreported in the literature. Subsequently, the focus was placed on the preparation of these peptides by automated Solid Phase Peptide Synthesis successfully yielding these peptides or their corresponding derivatives. The second part covered the investigation of the prepared peptides for their influence on the phase selection. Different methods for the crystallisation of calcium carbonate were adopted, modified and employed in the presence of the prepared peptides. Especially the peptide with the sequence (GQNSTTNYHTLVR) strongly shifted the phase composition towards the vaterite polymorph in a concentration-dependent manner. The crystallisation experiments further allowed to postulate a hypothesis that explained the vaterite-selective influence of the peptide by its function as a crystal growth inhibitor of the thermodynamically stable calcium carbonate-phase calcite. Additionally, several, literature-known peptides were prepared and examined in a further set of crystallisation experiments as a comparison to the peptides identified by phage display. These experiments allowed to identify similarities and differences between the individual peptides and they gave general insights into the behaviour of the respective peptide-additives. The third part dealt with investigating the proposed effect of the vaterite selective peptide as a crystal growth inhibitor. The intention was to demonstrate and determine the adsorptions of this peptide towards the individual polymorphs of calcium carbonate. To this purpose, a dye-labelled derivative of the vaterite-selective peptide was prepared to assess the adsorptions qualitatively and quantitatively. The tendency of the dye-labelled peptide to form hydrogels prevented the further development of the adsorption test. In summary, calcite-affine peptides were successfully identified and the effect of these peptides on the phase composition of calcium carbonate was demonstrated through different experimental stages. The newly identified peptides complement known additive structures and facilitate future experiments to gain a deeper insight into the crystallisation- and polymorph control of calcium carbonate.Biomineralisation ist ein weit verbreitetes Phänomen, das Organismen zur Bildung hoch geordneter Materialien befähigt. Während der dazugehörigen Prozesse werden bestimmte Eigenschaften, z. B. die Kristallmorphologie und -größe oder der abgeschiedene Polymorph einer Verbindung, streng kontrolliert. Obwohl die Mechanismen, die die polymorph-selektiven Niederschläge steuern, intensiv untersucht werden, werden die jeweiligen Experimente oft durch die Schwierigkeiten bei der Isolierung der beteiligten Biomoleküle aus Organismen oder Biomineralien gehemmt. Um die Abhängigkeit von biologischen Proben und damit verbundenen Problemen zu umgehen, wendete vorliegende Arbeit die „Phage Display“-Technik an, um Peptiden zu identifizieren, die in der Lage sind, die Bildung der verschiedenen Polymorphe des Calciumcarbonats während der Kristallisation biomimetisch zu kontrollieren. Im ersten experimentellen Teil wurde das „Phage-Display“ für Affinitätsselektionen am Calcit-Polymorph des Calciumcarbonates verwendet. Die entsprechenden Screening-Experimente erlaubten die Identifizierung mehrerer, in der Literatur nicht erfasster und potenziell Calcit-affiner Peptidsequenzen. Anschließend wurde der Schwerpunkt auf die Herstellung dieser Peptide durch automatisierte Festphasen-Peptidsynthese gelegt, wodurch diese Peptide oder ihre entsprechenden Derivate erfolgreich erhalten wurden. Der zweite Teil umfasste die Untersuchung der hergestellten Peptide auf ihren Einfluss auf die Phasenselektion. Verschiedene Methoden zur Kristallisation von Calciumcarbonat wurden übernommen, modifiziert und in Gegenwart der präparierten Peptide angewandt. Insbesondere das Peptid mit der Sequenz (GQNSTTNYHTLVR) verschob die Phasenzusammensetzung stark und konzentrationsabhängig zum Polymorphen Vaterit. Außerdem ermöglichten die Kristallisationsexperimente es, eine Hypothese zu postulieren, die den Vaterit-selektiven Einfluss des Peptides durch seine Wirkung als Kristallwachstumsinhibitor der thermodynamisch stabilen Calciumcarbonat-Phase Calcit erklärte. Darüber hinaus wurden mehrere, in der Literatur bekannte Peptide hergestellt und in einer weiteren Reihe von Kristallisationsexperimenten als Vergleich zu den durch „Phage-Display“ identifizierten Peptiden untersucht. Diese Experimente ermöglichten es, Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen den einzelnen Peptiden zu identifizieren und ergaben allgemeine Einblicke in das Verhalten der jeweiligen Peptid-Additive. Der dritte Teil beschäftigte sich mit der Untersuchung der vorgeschlagenen Wirkungsweise des Vaterit-selektiven Peptids als Kristallwachstumsinhibitor. Dabei war beabsichtigt, die Adsorptionen dieses Peptids an den einzelnen Polymorphen des Calciumcarbonates zu demonstrieren und zu bestimmen. Zu diesem Zweck wurde ein farbstoffmarkiertes Derivat des vateritspezifischen Peptids hergestellt, um die Adsorptionen qualitativ und quantitativ zu bewerten. Die Tendenz des farbstoffmarkierten Peptids zur Bildung von Hydrogelen verhinderte die Weiterentwicklung des Adsorptionstests. In Summe wurden mehrere, Calcit-affine Peptide erfolgreich identifiziert und die Wirkung dieser Peptide auf die Phasenzusammensetzung von Calciumcarbonat konnte über verschiedene experimentelle Phasen nachgewiesen werden. Diese neu identifizierten Peptide ergänzen bereits bekannte Additivstrukturen und ermöglichen zukünftige Experimente, um einen tieferen Einblick in die Kristallisations- und Polymorphkontrolle von Calciumcarbonat zu gewinnen