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- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-opus-10341
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.10776
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 3 August 2008 |
| Referee: | Eike (Prof. Dr.) Brunner |
| Date of exam: | 11 July 2008 |
| Institutions: | Biology, Preclinical Medicine > Institut für Biophysik und physikalische Biochemie > Alumni or Retired > Prof. Dr. Eike Brunner |
| Keywords: | NMR-Spektroskopie , Festkörper-NMR-Spektroskopie , Biomineralisation , Kieselalgen , Dynamische Lichtstreuung , Silicate , Diatomeen , Ditylum brightwellii , Stephanopyxis turris , diatoms , NMR spectroscopy , biomineralisation , Ditylum brightwellii , Stephanopyxis turris |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 570 Life sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 10776 |
Abstract (German)
Diatomeen sind einzellige, photosynthetische Eukaryonten. Sie besitzen Zellwände aus amorphem Siliziumdioxid, deren artspezifische Muster sehr vielfältig sind. Über den Entstehungsprozess dieser komplexen Strukturen ist bis heute nur wenig bekannt. Die Entdeckung von organischen Zellwandkomponenten (Silaffine und Polyamine) ließ jedoch darauf schließen, dass diese eine wichtige Rolle bei der ...
Abstract (German)
Diatomeen sind einzellige, photosynthetische Eukaryonten. Sie besitzen Zellwände aus amorphem Siliziumdioxid, deren artspezifische Muster sehr vielfältig sind. Über den Entstehungsprozess dieser komplexen Strukturen ist bis heute nur wenig bekannt. Die Entdeckung von organischen Zellwandkomponenten (Silaffine und Polyamine) ließ jedoch darauf schließen, dass diese eine wichtige Rolle bei der Biomineralisation der Diatomeen spielen. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung des Biomineralisationsprozesses bei Diatomeen mithilfe der Flüssigkeits- und Festkörper-NMR-Spektroskopie.
In diesem Zusammenhang wurden zunächst Modellexperimente zur anioneninduzierten Polyaminaggregation durchgeführt. Dies geschah mittels dynamischer Lichtstreuung und 31P NMR-Spektroskopie am synthetischen Polyamin Poly(allylamin) (PAA), sowie an natürlichen Polyaminen der Kieselalge Stephanopyxis turris. Insbesondere wurde der Einfluss von Pyrophosphationen auf die Selbstaggregation untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass im Vergleich zu Orthophosphat jeweils nur die halbe Konzentration von Pyrophosphat notwendig ist, um die Phasentrennungsprozesse der PAA-Lösungen zu induzieren, was wahrscheinlich auf die größere Zahl der negativen Ladungen pro Molekül zurückzuführen ist. Im Einklang damit konnte ebenso gezeigt werden, dass der Zustand von natürlichen Polyaminen durch die Anwesenheit von Pyrophosphat stärker beeinflusst wird als durch die Anwesenheit von Orthophosphat. Außerdem ist die Wechselwirkung zwischen Polyaminen und Phosphationen stark pH-abhängig.
Die organischen Moleküle, welche fest in das Silikat der Diatomeenzellwände eingelagert oder mit ihm assoziiert sind, sind für den Biomineralisationsprozess von großer Bedeutung. Um diese Moleküle in ihrer natürlichen Umgebung untersuchen zu können, wurden isolierte, 13C- und 15N-angereicherte Diatomeenzellwände von Stephanopyxis turris, Coscinodiscus granii und Thalassiosira pseudonana 13C- und 15N-Festkörper-NMR-spektroskopisch vermessen. Mithilfe von ein- und zweidimensionalen 13C NMR-Experimenten konnte nach erfolgreicher Signalzuordnung der Gehalt an Aminosäuren und Kohlenhydraten in den Zellwänden abgeschätzt werden. Dieser variierte sehr stark von Art zu Art und machte zwischen 1 und 15 % der Gesamtmasse der Zellwand aus. Zusätzlich wurde der Einfluss des Hydratisierungszustands und der Messtemperatur auf die Zellwandproben untersucht. Die Gegenwart von Wasser bzw. ein Absenken der Temperatur wirkten sich auf die 13C MAS NMR-Signale der meisten organischen Komponenten kaum aus, was darauf hindeutet, dass sie stark immobilisiert vorliegen. Jedoch existieren andere Biomoleküle, welche im hydratisierten Zustand wesentlich beweglicher sind und deshalb sehr schmale Linien aufweisen. Daraus wurde geschlossen, dass einige Biomoleküle in den silifizierten Zellwänden für Wasser zugänglich sind und somit entweder auf der Zellwandoberfläche, oder in für Wasser zugänglichen Poren im Silikatgerüst lokalisiert sein müssen. Die Anwesenheit von langkettigen Polyaminen konnte anhand eines 15N {1H} CP NMR-Experiments nachgewiesen werden. Die in diesem Abschnitt durchgeführten Festkörper-NMR-Experimente lieferten ein Gesamtbild der organischen Moleküle in den Zellwänden, jedoch konnten aufgrund der starken Signalüberlagerung keine Aussagen hinsichtlich ihrer Nachbarschaft oder Wechselwirkungen mit dem Silikat getroffen werden.
Kieselalgen sind in der Lage, Kieselsäure bis zu ihrem Einbau in eine neu entstehende Zellwand im Zellinneren zu speichern. In diesem Zusammenhang wurden 29Si NMR-Experimente an Ditylum brightwellii-Zellen durchgeführt, um die intrazelluläre Form von Kieselsäure zu detektieren und zu charakterisieren. Diese Experimente knüpften an die Arbeit von Gröger et al. [Gröger 2008a] an. Zunächst wurden die Versuchsbedingungen an die hier verwendete Diatomeenart angepasst. Mithilfe von 29Si MAS-NMR-spektroskopischen Experimenten an ganzen, gefrorenen Zellen wurde gezeigt, dass die Kieselalge Ditylum brightwellii Silizium in Form von Monokieselsäure speichert. Dies konnte auch anhand von Flüssigkeits-NMR-spektroskopischen Messungen bestätigt werden. Der ermittelte Kieselsäuregehalt betrug 0,14 pmol/Zelle. Ob und in welcher Form Monokieselsäure im Zellinneren zum Beispiel durch die Anlagerung organischer Moleküle stabilisiert wird, ist mithilfe dieser Messungen nicht vorherzusagen.
Im letzten Abschnitt dieser Arbeit wurde die Phosphorylierung von Silaffinen der Kieselalge T. pseudonana, welche am Lehrstuhl Biochemie I der Universität Regensburg isoliert worden sind, 31P NMR-spektroskopisch nachgewiesen.
Translation of the abstract (English)
Diatoms are unicellular, photosynthetic eucaryotes. Their silica-based cell walls exhibit species-specific patterns. The mechanisms yielding such intricate structures are not well understood. In addition, certain organic cell wall components (silaffins and polyamines) can be found in diatom cell walls. The latter are assumed to play a crucial role in diatom biomineralisation. The aim of this work ...
Translation of the abstract (English)
Diatoms are unicellular, photosynthetic eucaryotes. Their silica-based cell walls exhibit species-specific patterns. The mechanisms yielding such intricate structures are not well understood. In addition, certain organic cell wall components (silaffins and polyamines) can be found in diatom cell walls. The latter are assumed to play a crucial role in diatom biomineralisation. The aim of this work is the characterisation of the biomineralisation process in diatoms by means of liquid- and solid-state NMR spectroscopic techniques.
Model experiments were performed in order to study the anion-induced self-assembly behaviour of a synthetic long-chain polyamine (poly(allylamine) (PAA)) as well as natural polyamines isolated from Stephanopyxis turris. In particular, the PAA self-assembly mediated by pyrophosphate was investigated. The threshold values for phase separation events were found to occur at about half the threshold concentration for orthophosphate.
The organic molecules which are tightly associated with the silica of diatom cell walls play a crucial role in the biomineralisation process. 13C and 15N solid-state NMR spectroscopy was performed on isolated, 13C- and 15N-isotope labelled cell walls from Stephanopyxis turris, Coscinodiscus granii und Thalassiosira pseudonana in order to study these molecules in their natural environment. Signal assignment was accomplished using one- and two-dimensional 13C NMR spectra. Furthermore, the amount of amino acids and carbohydrates in the cell walls was estimated. In addition, the influence of hydration and temperature on the cell wall samples was investigated.
Diatoms are able to store silicic acid inside the cell. In order to detect and characterise the intracellular form of silicic acid 29Si NMR experiments were performed on intact Ditylum brightwellii cells. It was found that D. brightwellii is able to accumulate monosilicic acid.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 12:25
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