Förderprojekte

Förderbeginn 01.01.2017

Antimikrobielle Beschichtung basierend auf Spinnenseiden- und Muschelproteinen

Prof. Dr. Thomas Scheibel
Universität Bayreuth
Chair of Biomaterials

Prof. Dr. Phillip Messersmith
University of California, Berkeley
Standard

Bestimmte Beschichtungen verhindern u.a. die Ansiedlung von Bakterien auf Oberflächen, weshalb sie eine ressourcenfreundliche Alternative zum Arzneimitteleinsatz bei Infektionskrankheiten darstellen. In diesem Projekt werden Beschichtungen auf Basis von rekombinanten Spinnenseidenproteinen (Spidroine) hergestellt und über aus Muscheln abgeleitete Klebstoffmoleküle an Polymer- und Metalloberflächen befestigt. Beschichtungen aus rekombinanten Spidroinen, die von der Dragline Seide aus Araneus diadematus abgeleitet sind, weisen eine geringe Adhäsion von Säugetierzellen und Bakterien auf. Um eine Vielzahl an verschiedenen Oberflächen beschichten zu können, werden die Spidroine mit 3,4-Dihydroxyphenylalanin (DOPA) haltigen Molekülen konjugiert. Biomedizinische Anwendungen profitieren von einer Ansprechempfindlichkeit gegenüber Umgebungsänderungen, weshalb im zweiten Ansatz eine pH-schaltbare, antimikrobielle Oberfläche hergestellt wird. Dafür wird die pH-abhängige Dimerisierung der N-terminalen Domäne von Spidroinen aus Latrodectus hesperus ausgenutzt, die erneut über DOPA-Verankerungsmoleküle an Oberflächen befestigt werden.

Abschlussbericht
Im Rahmen der Kooperation wurden Oberflächenbeschichtungen basierend auf dem Spinnenseidenprotein eADF4(C16) entwickelt. Durch Zugabe von Phosphationen in die wässrige Proteinlösung entstanden supramolekulare Strukturen, die auf der Oberfläche als 2-30 nm dicke Schicht adsorbieren. Unabhängig vom Substrat (hydrophob, hydrophil, organisch und anorganisch) konnten auf verschiedenen Oberflächen ohne vorherige Aktivierung Beschichtungen hergestellt werden. Die ursprünglich geplante Funktionalisierung mit DOPA-modifizierten Peptiden war nicht nötig, da eADF4(C16) selbst durch Bildung von ß-Faltblatt-Kristallen ein stabiles, hydrogel-artiges Netzwerk bildete und damit eine selbstständige, widerstandsfähige Beschichtung ergab. Die Oberflächencharakterisierung erfolge durch AFM, REM und GIWAXS.

Des Weiteren wurde die antimikrobielle Wirkung der Beschichtungen überprüft. Nach Inkubation für 24 Stunden bei 37°C zeigten sowohl Gramnegative (Escherichia coli), als auch Grampositive (Staphylococcus epidermidis) Bakterien ein bis zu 99% vermindertes Wachstum auf den Oberflächen. Da keine toten Bakterien beobachtet wurden, wird von einer bakteriostatischen, nicht von einer bakteriziden Wirkung der Proteinschicht ausgegangen.

Aufgrund der milden Assemblierungsbedingungen in wässrigem Milieu ohne Einsatz chemischer Crosslinker und der antimikrobiellen Wirkung sind potentielle Anwendungen auf dem Gebiet der biomedizinischen Oberflächenfunktionalisierung möglich. Die erzielten Ergebnisse wurden bereits publiziert (Ref. 1).

Die durch BaCaTeC bereitgestellten Reisemittel ermöglichten einen direkten Erfahrungsaustausch auf dem Gebiet der Protein- und Oberflächenmodifikation. Perspektivisch soll auch in Zukunft eine Zusammenarbeit zwischen den Arbeitsgruppen erfolgen.

Referenz:
(1) Zha, R. H., Delparastan, P., Fink, T. D., Bauer, J., Scheibel, T. & Messersmith, P. B. (2019). Universal nanothin silk coatings via controlled spidroin self-assembly. Biomaterials science, 7(2), 683-695.