EP1740707A1 - Enzyme and template-controlled synthesis of silica from non-organic silicon compounds as well as aminosilanes and silazanes and use thereof - Google Patents

Enzyme and template-controlled synthesis of silica from non-organic silicon compounds as well as aminosilanes and silazanes and use thereof

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Publication number
EP1740707A1
EP1740707A1 EP05746455A EP05746455A EP1740707A1 EP 1740707 A1 EP1740707 A1 EP 1740707A1 EP 05746455 A EP05746455 A EP 05746455A EP 05746455 A EP05746455 A EP 05746455A EP 1740707 A1 EP1740707 A1 EP 1740707A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
collagen
seq
polypeptide
sequence
silicatein
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05746455A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Heiko Schwertner
Werner E.G. Müller
Heinz C. SCHRÖDER
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Schwertner Heiko Dr
Original Assignee
Schwertner Heiko Dr
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Filing date
Publication date
Application filed by Schwertner Heiko Dr filed Critical Schwertner Heiko Dr
Publication of EP1740707A1 publication Critical patent/EP1740707A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12PFERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P3/00Preparation of elements or inorganic compounds except carbon dioxide

Definitions

  • Silicon compounds are of exceptional economic importance. You will u. a. used in the glass, fiberglass and porcelain industry, in the cement production, for the production of ceramics, in the paint, rubber, plastic and paper industry, in the detergent industry, in the paint, Soap and cosmetics production as well as in medicine / dentistry, e.g. B. at the dental manufactory / repair. Certain silicates have molecular sieve and ion exchange properties as well as catalytic properties (see, inter alia: CD Römpp Chemie Lexikon - Version 1.0, Stuttgart / New York: Georg Thieme Verlag 1995).
  • the end product of the condensation is a polymeric silicon dioxide (Si0 2 ) x , which is amorphous because chain-lengthening and branching processes take place in a disorderly manner during the condensation.
  • Si0 2 ) x polymeric silicon dioxide
  • the silicon atoms are at the center of regular tetrahedra, the corners of which form four oxygen atoms.
  • the oxygen atoms simultaneously belong to the neighboring, irregularly linked tetrahedra.
  • the skeleton of the diatoms (diatoms) and the sponges consists of amorphous Si0 2 ("Biosilica").
  • the Si0 2 synthesis in these organisms is characterized by high (structural) specificity and controllability, which enables the synthesis of defined structures in the microscopic and submicroscopic range (nanostructures).
  • silica sponges have the ability to form their silicate frameworks under mild conditions, ie at a relatively low temperature and pressure. This is due to the fact that specific enzymes are involved in their synthesis. In contrast, drastic conditions such as high pressure and high temperature are usually required for the chemical synthesis of the silicates. That is why the production of many silicon compounds using conventional methods is cost-intensive and also not very environmentally friendly.
  • the first enzyme is silicatein, which occurs in three forms, silicatein- ⁇ , -ß and - ⁇ (PCT / US99 / 30601.
  • Methods, compositions, and biomimetic catalysts, such as silicateins and block copolypeptides used to catalyze and spatially direct the polycondensation of Silicon alkoxides, metal alkoxides, and their organic conjugates to make silica, polysiloxanes, polymetallo-oxanes, and mixed poly (silicon / met-allo) oxane materials under environmentally benign conditions.
  • Silicatein- ⁇ was cloned from the marine pebble sponge Suberites domuncula (Krasko A, Batel R, Schröder HC, Müller IM, Müller WEG (2000) Expression of silicatein and collagen genes in the marine sponge S. domuncula is controlled by silicate and myotrophin. Europ J Biochem 267: 4878-4887).
  • Silicatein-ß which was also cloned from S. domuncula, has several advantageous properties compared to silicatein- ⁇ in terms of its catalytic abilities and their technical / medical applicability. (DE 103 52 433.9. Enzymatic synthesis, modification and degradation of silicon (IV) and other metal (IV) compounds. German Patent Office 2003. Applicant: Johannes Gutenberg University Mainz; inventor: Müller WEG, Schwertner H , Schröder HC).
  • silicateine, silicatein- ⁇ and silicatein- ⁇ are only able to form amorphous silicon dioxide (polysilicic acids and polysilicates) from organic silicon compounds (alkoxysilanes) (Cha JN, Shimizu K, Zhou Y, Christianssen SC , Chmelka BF, Stucky GD, Morse DE (1999) Silicatein filaments and subunits from a marine sponge direct the polymerization of silica and silicones in vitro. Proc Natl Acad Sei USA 96: 361-365; and patents cited above).
  • the second enzyme is a silicase (DE 102 46 186.4. Degradation and modification of silicates and silicones by silicase and use of the reversible enzyme. German Patent Office 2002. Applicant: Johannes Gutenberg University Mainz; inventor: Müller WEG, Krasko A , Schröder HC; PCT / EP03 / 10983. Degradation and modification of silicates and silicones by silicase and use of the reversible enzyme. European Patent Office 2003. Applicant: Johannes Gutenberg University Mainz.
  • Silicase an enzyme which degrades biogenous amorphous silica: Contribution to the metabolism of silica deposition in the demosponge Suberites domuncula Prog Mol Subcell Biol 33: 250-268).
  • Silicase in particular the enzyme from the S. domuncula sea sponge, is able to dissolve both amorphous and crystalline silicon dioxide. This releases silica.
  • the silicase has the ability to dissolve lime material in analogy to the carbonic anhydrase.
  • this enzyme in the presence of a suitable template (e.g. collagen), is also capable of synthesizing amorphous silicon dioxide (silica) from non-organic short-chain metasilicates and from one or more Si-N bonds containing aminosilanes or silazanes.
  • a suitable template e.g. collagen
  • collagen is a main component of the extracellular matrix of tissues and organs.
  • Collagen fibrils have an extremely high tensile strength. As a result, they are particularly able to give the connective and support tissue mechanical stability. The formation of collagen fibrils is also an important process in wound healing.
  • the collagens form a large family of proteins: 19 types of collagen have been described which are encoded by at least 33 different genes (Prockop and Kivirikko (1995) Annu Rev Biochem 64: 403-434).
  • Members of the collagen family include both fibrillary and non-fibrillar proteins.
  • Fibrillar collagen types I, II, III, V and XI are able to form fibrils with a band pattern.
  • the so-called non-fibrillary collagens occur together with the fibrillary collagens (fibril-associated collagens) or in the basement membranes (type IV; basement membrane collagens). This group also includes short-chain collagens.
  • Some collagens - like types XV and XVIII - are only known because of their cDNA.
  • the common structural feature of all collagens is the triple helix, which consists of three twisted polypeptide chains ( ⁇ chains), which have the repeating sequence G-x-y; x is mostly proline and y is often hydroxyproline.
  • This triplet determines the characteristic helical conformation of the collagen ⁇ -helix and its property to assemble with similar polypeptide chains to form the triple helix (Brodsky and Ramshaw (1997) Matrix Biol 15: 545-554).
  • the triple helix is usually composed of the polypeptide chains of different collagen types ( ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3).
  • the resulting structure is highly stable due to the position of glycine (a small amino acid) close to the axis of the helix, the stabilizing effect of proline and the formation of hydrogen bonds (Bella et al. (1994) Science 266: 75-81).
  • Type I collagen forms the main amount of collagen in the organism.
  • Type II collagen is the fibril-forming collagen of the cartilage. at In each of these collagen types there are three ⁇ chains. The length of the tropocollagen molecules thus formed is 280 nm. An offset arrangement of these building blocks is found in the collagen fibrils. The staggered arrangement of these molecules causes transverse streaks to appear within the collagen fibers every 68 nm.
  • Type IV collagen is specialized for the formation of spatial lattices and occurs in the basement membranes.
  • Type VI collagen found in the interstitial connective tissue has only a relatively short triple helix; the two globular domains at the ends of this dumbbell-type collagen interact with type I collagen and membrane-bound integrins.
  • the type VIII collagen is used to anchor the basement membrane under squamous epithelia.
  • the Type VIII and Type X collagens are short chain collagens; the type VIII collagens associate into a hexagonal network.
  • Type IX collagen belongs to the fibril-associated collagens and occurs together with type I I collagen in the calcifying areas of the enchondral cartilage.
  • Collagen is also a major protein in the sponges' extracellular matrix and acts as a matrix for spicule formation (sponge needle formation) (Krasko et al. (2000) Eur J Biochem 267: 4878-4887). Collagen fibrils in sponges are very similar to those in vertebrates (Gross et al. (1956) J Histochem Cytochem 4: 227-246; Garrone et al. (1975) J Ultrastruct Res 52: 261-275; Garrone (1978) Physiogenesis of connective tissue. Karger, Basel).
  • FASEB J 14: 2022-2031 consists of (i) a non-collagenic ⁇ / -terminal domain, (ii) a collagenous internal domain and (iii) a non-collagenic C-terminal domain ,
  • the internal domain in S. domuncula is unusually short with only 24 Gxy collagen triplets.
  • the collagen of the fresh water sponge Ephydatia muelleri has two internal domains with 79 Gxy triplets (Exposito et al. (1991) J Biol Chem 266: 21923-21928).
  • the organization of the genes coding for the fibrillar sponge collagens is thus very similar to that of the vertebrate collagen genes.
  • silicase and other carbonic anhydrases and silicateins are capable, in the presence of suitable templates such as collagen, of also non-organic silicon compounds, in particular metasilicates, and aminosilanes containing one or more Si-N bonds or to implement silazanes in silica.
  • suitable templates such as collagen, of also non-organic silicon compounds, in particular metasilicates, and aminosilanes containing one or more Si-N bonds or to implement silazanes in silica.
  • silicateins catalyze the hydrolysis of organic silicon compounds with one or more Si-O bonds (alkoxysilanes) (with subsequent condensation of the released silanols to form amorphous silicon dioxide; see Zhou et al. (1999) Angew. Chem. [ Int.
  • a method for the in vitro or in vivo synthesis of amorphous silicon dioxide (silica, condensation products of silicic acid) and other metal (IV) compounds is thus generally provided, using a polypeptide or a metal complex of a polypeptide which is either characterized in that the polypeptide comprises an animal, plant, bacterial or fungal carbonic anhydrase domain which has at least 25%, preferably at least 50%, more preferably at least 75% and most preferably at least 95% sequence identity to the in SEQ ID No.
  • polypeptide comprises an animal, bacterial, plant or fungus silicatein- ⁇ -domain or silicatein- ⁇ -domain which is at least 25%, preferably at least 50%, further preferably at least 75 % and most preferably at least 95% sequence identity to that shown in SEQ ID No. 3 and SEQ ID No. 5, respectively sequence.
  • Another aspect of the present invention relates to the use of a template which is a polypeptide of collagen from S. domuncula according to SEQ ID No. 7 or a polypeptide which is homologous thereto and which has at least 25%, preferably at least 50%, more preferably at least 75 in its amino acid sequence % and most preferably at least 95% has sequence identity to, or contains, or consists of, the sequence shown in SEQ ID No. 7.
  • the template (collagen or other polypeptide) according to the invention can be characterized in that it has been produced synthetically or in that it is present in a prokaryotic or eukaryotic cell extract or lysate.
  • the cell extract or lysate can be obtained from a cell ex vivo or ex vitro, for example a recombinant bacterial cell or a sea sponge.
  • the template according to the invention (collagen or other polypeptide) can be purified by conventional methods known in the art and can therefore be essentially free of other proteins.
  • a method according to the invention is preferred which is characterized in that compounds such as silicas (orthosilicic acid and metasilicic acid) or their salts (orthosilicates and metasilicates) or other metal (IV) compounds are used as reactants (substrates) for the synthesis.
  • compounds such as silicas (orthosilicic acid and metasilicic acid) or their salts (orthosilicates and metasilicates) or other metal (IV) compounds are used as reactants (substrates) for the synthesis.
  • a method according to the invention which is characterized in that compounds such as alkyl- and dialkylaminosilanes, bis (alkylamino) silanes or bis (dialkylamino) silanes, tris (alkylamino) silanes or tris (dialkylamino) silanes, tetrakis ( alkylamino) silanes or tetrakis (dialkylamino) silanes and alkyl- or aryl-substituted derivatives of these compounds (generally: aminosilanes), which are characterized in that they contain one or more Si-N bonds.
  • compounds such as alkyl- and dialkylaminosilanes, bis (alkylamino) silanes or bis (dialkylamino) silanes, tris (alkylamino) silanes or tris (dialkylamino) silanes, tetrakis ( alkylamino) silanes or tetrakis (dialky
  • a method according to the invention which is characterized in that di-, tri-, tetra- and polysilazanes as well as alkyl- or aryl-substituted derivatives of these compounds (generally: silazanes), including the cyclic compounds (cyclotrisilazanes, cyclotetrasilazanes and other derivatives).
  • Another aspect of the present invention is the use of the method for modifying surfaces of glass, metals, metal oxides, plastics, biopolymers or other materials.
  • the method can be used for the synthesis of defined two- and three-dimensional structures from amorphous silicon dioxide (silica, condensation products of silicic acid) and other polymeric metal (IV) compounds.
  • amorphous silicon dioxide sica, condensation products of silicic acid
  • IV polymeric metal
  • a still further aspect of the present invention relates to a chemical compound or silica (amorphous silicon dioxide) -containing structure or surface which has been obtained by the method according to the invention.
  • SEQ ID No. 2 shows the nucleotide sequence of the sponge silicase cDNA and SEQ ID No. 1 shows the polypeptide of the sponge silicase derived from the nucleotide sequence (SlA_SUBDO).
  • the deduced amino acid sequence of the sponge silicase is very similar to the amino acid sequences of the carbonic anhydrase family.
  • the eukaryote-type carbonic anhydrase domain PFAM00194
  • the carbonic anhydrases form a family of zinc metal enzymes (Sly and Hu (1995) Annu Rev Biochem 64: 375-401).
  • the three zinc-binding conserved histidine residues are found in the silicase at amino acids aa-is-i, aa-i83 and aa 206 (see SEQ ID No. 1).
  • carbonic anhydrases from other organisms (some of which are commercially available) can also be used in the process according to the invention.
  • SEQ ID No. 1 The amino acid sequence of the silicase from S. domuncula (SIA_SUBDO) used according to the invention.
  • SEQ ID No. 2 The nucleic acid sequence of the silicase from S. domuncula used according to the invention.
  • SEQ ID No. 3 The amino acid sequence of the silicate one- ⁇ from S. domuncula (SIA_SUBDO) used according to the invention.
  • SEQ ID No. 4 The nucleic acid sequence of the silicate one- ⁇ from S. domuncula used according to the invention.
  • SEQ ID No. 5 The amino acid sequence of the silicate one- ⁇ from S. domuncula (SIA_SUBDO) used according to the invention.
  • SEQ ID No. 6 The nucleic acid sequence of the silicate one- ⁇ from S. domuncula used according to the invention.
  • SEQ ID No. 7 The amino acid sequence of collagen 3 from S. domuncula (SIA_SUBDO) used according to the invention.
  • SEQ ID No. 8 The nucleic acid sequence of collagen 3 from S. domuncula used according to the invention.
  • Protein information about the proteins is: Protein information about CAexpresL.prt (long form): Molecular weight: 43130.74 Dalton + 25000 Da GST ⁇ > 68 kDa
  • Proteins (long and short form of silicase). Protein information about the proteins is:
  • Figure 4 Expression of non-fibrillar collagen 3 from S. domuncula in the pBAD / glll expression vector. From top to bottom are shown: nucleotide sequence of the collagen 3 clone with binding sites of the "forward primer” and the "reverse primer”; inserted sequence of the non-fibrillary collagen 3 of S.
  • domuncula in the expression vector pBAD / glll (the restriction sites of ⁇ / col and H / ndlll are underlined); the primers used for expression in pBAD / glll ("forward primer” Col3_f and "reverse primer” Col 3_r; the restriction sites of ⁇ / col and / - / ' ndlll are marked); amino acid sequence of the recombinant protein derived from the nucleotide sequence.
  • Sponge collagens A. Comparison of the deduced amino acid sequences of the cDNA of the S. domuncula collagen (COL1_SUBDO) with those of the collagen from E. muelleri (COL4_EPHMU). conserveed amino acid residues (similar or related in terms of their physicochemical properties) in the sequences are shown in white on black. NC1: non-collagenic ⁇ / -terminal domain. COL: collagen internal domain. NC2: non-collagenic C-terminal domain. B. Comparison of S. domuncu / a collagen with the collagen of E. muelleri. NC1: non-collagenic N-terminal domain. COL: collagen internal domain. NC2: non-collagenic C-terminal domain. Numbers: number of amino acids.
  • the amount of SiO 2 formed increased sharply with an increasing amount of collagen (1.2 to 10 ⁇ g / ml) (from 0.022 to 0.023 to 0.068 to 0.070 OD units).
  • An increase in the Na metasilicate concentration did not lead to any further increase, but rather to a decrease in the SiO 2 formation (up to 0.027 OD units).
  • BSA bovine serum albumin
  • very little Si0 2 was formed (0.008 OD units); however, in the presence of carbonic anhydrase alone, the Si0 2 formation was 0.019-0.029 OD units. Without the addition of catechol, the Si0 2 formation was somewhat lower.
  • the concentrations given are the final concentrations after adding all components to the batches. To detect the amorphous silicon dioxide formed, the reaction batches were further treated as described in FIG. 5 and the amount of insoluble SiO 2 formed was determined.
  • the concentrations given are the final concentrations after adding all components to the batches.
  • the reaction batches were treated further as described in FIG. 5 and the amount of insoluble SiO 2 formed was determined.
  • the results show that with the addition of increasing amounts of fibrillar collagen (cattle) - in contrast to recombinant, non-fibrillary sponge collagen - the amount of insoluble Si0 2 formed initially increases, but then drops again.
  • the amount of SiO 2 formed increased sharply with increasing amount of sponge collagen (1 to 4 ⁇ g / ml) (from 0.002 to 0.010 OD units). Similar to the results obtained with Na metasilicate (see FIG.
  • the evidence of the silica products formed is shown with the aid of a "High Performance Field Emission Electron Probe Microanaiyzer (EPMA)".
  • the results of the element analysis for Si are shown in a batch with carbonic anhydrase and collagen (A) and a control (absence of carbonic anhydrase and collagen; B).
  • the cDNA SDSIA) coding for the silicase from the sea sponge S. domuncula and the polypeptide (SIA_SUBDO) derived from the nucleotide sequence have the following properties. Length of the cDNA: 1395 nucleotides (nt); open reading grid: from nt ⁇ 22 - nt ⁇ 24 to nt ⁇ 259 - nt ⁇ 26 i (stop codon); Length of the polypeptide: 379 amino acids; molecular weight (M r ) of the polypeptide: 43131; isoelectric point (pl): 6.5.
  • the recombinant S. domuncula silicase was produced as a glutathione S-transferase (GST) fusion protein.
  • GST glutathione S-transferase
  • Both a long and a shortened fragment of the cDNA coding for S. domuncula silicase (called: SDSIA) were cloned into a pGEX-4T-2 plasmid which contained the GST gene (FIG. 2).
  • the results for the purified short form of the silicase with a size of 32 kDa are shown below; Analogous results are obtained for the long form (M r 43 kDa), which is however less efficient.
  • the cDNA sequence (short form) coding for the silicase is amplified by PCR using the following primers: Forward primer: ATACTC GAG TCG AAA TGC CAC CGT CAC TTC TCC ACA TCA and Reverse primer: ATATCT AGA AA CCA ATA TAT CTT CCT GAC CAG CTC TCT; and cloned into pBAD / glllA (restriction nucleases for insertion in the expression onsvektor: Xnol and Xba ⁇ ). After transformation of E. coli XL1-Blue, the expression of the fusion protein with L-arabinose is induced.
  • the recombinant silicatein- ⁇ was produced in E. coli using the oligo-histidine expression vector pBAD / glllA (Invitrogen), in which the recombinant protein is secreted into the periplasmic space on the basis of the gene III signal sequence .
  • the cDNA sequence (short form) coding for the silicatein- ⁇ was amplified by PCR using the following primers: forward primer: TAT CC ATG GAC TAC CCT GAA GCT GTA GAC TGG AGA ACC and reverse primer: TAT T CTA GA A TTA TAG GGT GGG ATA AGA TGC ATC GGT AGC; and cloned into pBAD / glllA (restriction nucleases for insertion into the expression vector: ⁇ / col and Xba ⁇ ).
  • the recombinant sponge silicatein polypeptide (short form) has a molecular weight of -28.5 kDa ( ⁇ 26 kDa silicatein plus 2 kDa vector) and an isol-electric point of pI 6.16.
  • Both native collagen from vertebrates such as bovine collagen and from invertebrates (such as from marine demospongia) as well as recombinant collagen (in particular from the marine sponge S. domuncula) can be used as a template. Some methods for their presentation are described below ,
  • the clone used to produce the recombinant collagen codes for a non-fibrillary collagen (collagen 3) from the sea sponge Suberites domuncula; this collagen has the advantage that it (1) has a relatively low molecular weight and (2) is not further modified post-translationally.
  • the cDNA sequence coding for the sponge collagen 3 can be amplified by means of PCR using suitable primers and converted into a suitable expression vector to be subcloned.
  • the expression was carried out successfully, inter alia, with the bacterial oligo-histidine expression vectors pBAD / glllA (Invitrogen) and pQTK_1 (Qiagen).
  • the expression vector pBAD / glllA has the advantage that, based on the gene III signal sequence, the recombinant protein is secreted into the periplasmic space. The signal sequence is removed after the membrane passage.
  • pQTK_1 the bacteria are extracted with PBS / 8 M urea. After sonication, the suspension is centrifuged.
  • the fusion protein is purified from the supernatant by metal chelate affinity chromatography using a Ni-NTA agarose matrix (Qiagen), as described by Hochuli et al. (J Chromatogr 411: 177-184; 1987).
  • the extract is placed on the column; it is then washed with PBS / urea and the fusion protein is eluted from the column with 150 mM imidazole in PBS / urea.
  • the collagen preparations are characterized by SDS-PAGE, determination of the amino acid composition, the isoelectric point and by electron microscopy.
  • the molecular weights can be determined by SDS-PAGE.
  • the molecular weight of the protein obtained after expression of the cDNA amplified using the above primers is ⁇ 28.5 kDa.
  • the isoelectric point can be determined by titration in aqueous solution.
  • the IEP of sponge collagen is usually at pH 6.5 - 8.5 (for comparison, IEP of bovine collagen: pH 7.0 ⁇ 0.09). That from SEQ ID No. 8 cDNA-derived peptide shown (see SEQ ID No. 7) has a predicted isoelectric point of 8.185.
  • the charge at pH 7.0 is 4,946.
  • Amino acid composition The determination of the amino acid composition can be carried out with the help of an automatic amino acid analyzer.
  • Electron microscopy The electron-microscopic characterization of the isolated sponge collagen can be carried out by transmission electron microscopy (TEM). For this purpose, the freeze-dried collagen sample is contrasted negatively with a 2% phosphotungstic acid (Harris, Negative staining and cryoelectron microscopy. Royal Microscopical Society Microscopy Handbook No 35.BIOS Scientific Publishers Ltd, Oxford, UK).
  • TEM transmission electron microscopy
  • silicatein activity (silicatein- ⁇ and silicatein- ⁇ ) has been described (PCT / US99 / 30601; DE 10037270 A 1; PCT / EP01 / 08423; DE 103 52 433.9).
  • the silica can e.g. B. with the help of a molybdate-based detection method, such as. B. the colorimetric "Silicon Test" (Merck; 1.14794) can be determined quantitatively.
  • the amount of silica can be calculated from the absorbance values at 810 nm using a calibration curve with a silicon standard (Merck 1.09947).
  • silica is in the form of a metasilicate (sodium salt or salt of another alkali, alkaline earth or metal ion), silicon Complex (which is in equilibrium with free orthosilicic acid or orthosilicate; for example silicon catecholate [dipotassium tricatecholatosilicon] or in the form of orthosilicic acid or an orthosilicate in a suitable buffer (for example 50 mM Tris-HCl pH 7.0, 100 mM NaCl, 0 , 1 mM ZnS0 4 and 0.1 mM ß-mercaptoethanol or other buffer; the presence of Zn is advantageous in the incubation with silicase or carbonic anhydrases, which are Zn enzymes) over a for the desired amount of the silica product formed (amorphous Silicon dioxide) adapted period with a template and an enzyme.
  • the incubation can be carried out at different temperatures. Room temperature (22 ° C.) has proven to be advantageous, but also higher (eg
  • the metasilicate can either be dissolved in the buffer used or previously (possibly as a higher concentrated stock solution) in an alkaline solution (such as 0.01 N NaOH). In the latter case, the metasilicate solution obtained must be neutralized (advantageous pH: 7.2).
  • the template is one or more different molecules, molecular aggregates or surfaces which have functional groups which interact with orthosilicic acid, oligomeric or polymeric silicic acids and their salts (orthosilicates, metasilicates).
  • the molecules containing the hydroxyl groups are collagen or a silicatein (see FIGS. 7-10).
  • the collagen is a collagen from a sponge, in particular a collagen according to SEQ ID No. 7 or a polypeptide homologous thereto, which has at least 25%, preferably at least 50%, in its amino acid sequence. more preferably has at least 75% and most preferably at least 95% sequence identity to the sequence shown in SEQ ID No. 7, or parts thereof.
  • the collagen specified in SEQ ID No. 7 is a non-fibrillary collagen (collagen 3) the sea sponge S. domuncula. This collagen was found to be more efficient than fibrillar bovine collagen (see Figure 10).
  • the silicatein is a silicatein from a sponge according to SEQ ID No. 3 or a polypeptide homologous to it which has at least 25%, preferably at least 50%, more preferably at least 75 in its amino acid sequence % and most preferably at least 95% has sequence identity to the sequence shown in SEQ ID No. 3, or parts thereof (see FIGS. 7-10).
  • silicatein- ⁇ SEQ ID No. 3
  • silicatein- ⁇ SEQ ID No. 5
  • a polypeptide homologous to it can also be active, the amino acid sequence of which is at least 25%, preferably at least 50%, more preferably at least 75% and am most preferably has at least 95% sequence identity to the sequence shown in SEQ ID No. 5, or parts thereof are used.
  • a mixture of one or more templates can also be used (see FIGS. 7-10).
  • the collagen from a sponge according to SEQ ID No. 7 or a polypeptide homologous thereto, which in its amino acid sequence has at least 25%, preferably at least 50%, more preferably at least 75% and most preferably at least 95% sequence identity to that in SEQ ID No. 7, or parts thereof, can be provided both in vivo, in a cell extract or lysate or in purified form.
  • the enzyme is a polypeptide of a silicase from Sube tes domuncula according to SEQ ID No. 1 or a homologous polypeptide which in the amino acid sequence of the carbonic anhydrase domain is at least 25%, preferably at least 50%, more preferably at least 75% and most preferably has at least 95% sequence identity to the sequence shown in SEQ ID No. 1, a metal complex of the polypeptide, or parts thereof (see Figures 7-10).
  • polypeptide homologous thereto which is in the amino acid sequence of the carbonic anhydrase domain at least 25%, preferably at least 50%, more preferably at least 75% and most preferably at least 95% sequence identity to the sequence shown in SEQ ID No. 1 can be provided both in vivo, in a cell extract or lysate or in purified form.
  • the amount of insoluble Si0 2 formed increases with increasing concentration of carbonic anhydrase (see FIGS. 8 and 9).
  • the amount of Si0 2 formed depends on the concentration of the template used; an increase is found with increasing concentration of, for example, silicatein- ⁇ (see FIG. 8) or collagen (see FIG. 9).
  • the incubation with silicatein and carbonic anhydrase can be carried out simultaneously (see FIG. 9) or in succession (see FIGS. 7, 8 and 10).
  • biomaterials and composite materials can serve as templates for the formation of silica, such as fibrillary chitin, which is obtained by a process described (DE 102 10 571.5.
  • Composition and process for producing modified fibrillar chitin and potentiating additives) biologically highly active preparations and their use as protection and food supplements during prenatal and postnatal development and adult life phases in humans and animals.
  • Applicant and inventor Müller WEG, Schröder HC, Lorenz B, Senyuk OF, Gorowoj LF).
  • the method is also suitable for the synthesis of other polymeric metal (IV) compounds from purely inorganic metal (IV) compounds, where also (1) a template (molecule, molecular aggregate or surface) and (2) a polypeptide or a metal complex of a polypeptide is used for the synthesis, which is either characterized in that the polypeptide comprises an animal, plant, bacterial or fungal carbonic anhydrase domain which has at least 25% sequence similarity to the sequence shown in SEQ ID No. 1, or in that the polypeptide an animal, bacterial, vegetable or fungal silicatein- ⁇ -domain or silicatein- ⁇ -domain which comprises at least 25%, preferably at least 50%, more preferably at least 75% and most preferably at least 95% sequence identity to the sequence shown in SEQ ID No. 3 or sequence shown in SEQ ID No. 5.
  • a template molecule, molecular aggregate or surface
  • a polypeptide or a metal complex of a polypeptide is used for the synthesis, which is either characterized in that the polypeptide comprises an
  • the material (or the reaction mixture) can be centrifuged off in a table centrifuge (12,000 x g; 15 min; 4 ° C), washed with ethanol and air-dried. The sediment can then be hydrolyzed with 1 M NaOH. In the resulting solution, the released silicate is using a molybdate-based detection method, such as. B. the colorimetric "Silicon Test" from Merck, measured quantitatively.
  • the detection of the silica product formed can also be carried out using a "High Performance Field Emission Electron Probe Microanalyzer (EPMA)".
  • EPMA Electron Probe Microanalyzer
  • a JXA-8900RL Electron Probe Microanalyzer (JEOL, Inc., Peabody, MA, USA) was used for the experiment shown in FIG. This device combines high resolution scanning electron microscopy (SEM) with high quality X-ray analysis.
  • biomaterials which either consist of the template materials mentioned (hydroxyl group-containing molecules) themselves or are coated with them. These can also be surfaces of glass, metals, metal oxides, plastics, biopolymers or other materials.
  • a literature overview of surface-modified biomaterials can be found in: Ratner BD et al (ed.) Biomaterials Science - An Introduction to Materials in Medicine. Academic Press, San Diego, 1996.
  • the conditions used in conventional physical / chemical methods to make these modifications often have a deleterious (destructive) effect on the biomaterials.
  • the method according to the invention uses "mild" conditions which protect the biomaterials, since it is based solely on biochemical / enzymatic reactions.
  • the method according to the invention is also used in the production of surface modifications (coating) of collagen, which serves as tissue, bone or denture material, and of collagen fleeces ("tissue engineering").
  • the surface modifications serve to increase the stability and porosity and to improve the resorbability.
  • sponge collagen As with other collagens, the advantages of sponge collagen as a biomaterial are biodegradability and low toxicity and immunogenicity.
  • sponge collagen does not have the disadvantages of collagen previously obtained primarily from animal skins and bones of pigs, calves and cattle, in which the possibility of infection by pathogenic germs cannot be excluded.
  • Another advantage of the process is that no organic solvents have to be used to dissolve the starting substrates used (silicas and metasilicates and their salts), as is the case with organic silicon compounds (e.g. TEOS). This prevents damage to the biopolymers to be modified, such as collagen.
  • silica amorphous silicon dioxide

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Abstract

The present invention relates to a method for synthesis of amorphous silicon dioxide (silica, condensation products of silicic acid) and other polymeric metal (IV) compounds from non-organic silicon compounds or metal (IV) compounds as well as from aminosilanes and silazanes, whereby (1) a template (collagen or another molecule, interacting with orthosilicic acid or polymeric silicic acid and salts thereof or other metal (IV) compounds) and (2) a silicase/carbonic anhydrase or a silicatein or similar polypeptide are used for synthesis. Said invention also relates to the technical use thereof.

Description

Enzvm- und Template-gesteuerte Synthese von Silica aus nicht-organischen Siliciumverbindungen sowie Aminosilanen und Silazanen und VerwendungEnzvm- and template-controlled synthesis of silica from non-organic silicon compounds as well as aminosilanes and silazanes and use
Beschreibungdescription
1. Stand der Technik1. State of the art
Siliciumverbindungen sind von außerordentlicher wirtschaftlicher Bedeutung. Sie werden u. a. benutzt in der Glas-, Faserglas- und Porzellan-Industrie, bei der Zement-Produktion, zur Herstellung von Keramiken, in der Lack-, Kautschuk-, Kunststoff- und Papier-Industrie, in der Waschmittel-Industrie, bei der Farben-, Seifen- und Kosmetika-Produktion sowie in der Medizin/Zahnmedizin, z. B. bei der Dental-Manufaktur/Reparatur. Bestimmte Silicate besitzen Molekularsieb- und Ionenaustauscher- Eigenschaften sowie katalytische Eigenschaften (siehe u. a.: CD Römpp Chemie Lexikon - Version 1.0, Stuttgart/New York: Georg Thieme Verlag 1995).Silicon compounds are of exceptional economic importance. You will u. a. used in the glass, fiberglass and porcelain industry, in the cement production, for the production of ceramics, in the paint, rubber, plastic and paper industry, in the detergent industry, in the paint, Soap and cosmetics production as well as in medicine / dentistry, e.g. B. at the dental manufactory / repair. Certain silicates have molecular sieve and ion exchange properties as well as catalytic properties (see, inter alia: CD Römpp Chemie Lexikon - Version 1.0, Stuttgart / New York: Georg Thieme Verlag 1995).
Die Orthokieselsäure (H Si04) ist eine sehr schwache Säure. Verdünnte Lösungen sind lediglich bei kleinen pH-Werten (pH 2 - 3) einige Zeit beständig. Bei einer Erhöhung oder Erniedrigung des pH kommt es zur intermolekularen Wasserabspaltung (Kondensation), wobei als erstes Kondensationsprodukt die Dikieselsäure (Pyrokie- selsäure; HβSi20 ) auftritt. Als weitere Kondensationsprodukte entstehen zunächst - bei einer kleineren Gliederzahl (n = 3, 4 oder 6) - zyklische Kieselsäuren sowie auch käfigartige Kieselsäuren und Polykieselsäuren. Diese Metakieselsäuren besitzen die Bruttozusammensetzung (H2Si03)n. Das Endprodukt der Kondensation ist ein poly- meres Siliciumdioxid (Si02)x, das amorph ist, da bei der Kondensation kettenverlängernde und verzweigende Prozesse ungeordnet nebeneinander ablaufen. Bei allen Kieselsäuren befinden sich die Siliciumatome im Mittelpunkt von regelmäßigen Tetraedern, deren Ecken jeweils vier Sauerstoffatome bilden. Bei den Polykieselsäuren bzw. im amorphen Siliciumdioxid gehören die Sauerstoffatome gleichzeitig den benachbarten, miteinander unregelmäßig verknüpften Tetraedern an. 1.1. BiosilicaOrthosilicic acid (H Si0 4 ) is a very weak acid. Diluted solutions are only stable for some time at low pH values (pH 2-3). When the pH is increased or decreased, intermolecular elimination of water (condensation) occurs, the first condensation product being silicic acid (pyro silicic acid; HβSi 2 0). Cyclic silicas as well as cage-like silicas and polysilicic acids are initially formed as further condensation products - with a smaller number of links (n = 3, 4 or 6). These metasilicas have the gross composition (H 2 Si0 3 ) n . The end product of the condensation is a polymeric silicon dioxide (Si0 2 ) x , which is amorphous because chain-lengthening and branching processes take place in a disorderly manner during the condensation. For all silicas, the silicon atoms are at the center of regular tetrahedra, the corners of which form four oxygen atoms. In the case of polysilicic acids or in amorphous silicon dioxide, the oxygen atoms simultaneously belong to the neighboring, irregularly linked tetrahedra. 1.1. biosilica
Auch das Skelett der Kieselalgen (Diatomeen) und der Kieselschwämme besteht aus amorphem Si02 ("Biosilica"). Die Si02-Synthese bei diesen Organismen ist durch hohe (strukturelle) Spezifität und Regulierbarkeit ausgezeichnet, was die Synthese definierter Strukturen im mikroskopischen und submikroskopischen Bereich (Nano- strukturen) ermöglicht. Darüber hinaus besitzen Kieselschwämme die Fähigkeit, ihre Silicatgerüste unter milden Bedingungen, d. h. bei relativ niedriger Temperatur und niedrigem Druck, zu bilden. Dies beruht auf der Tatsache, dass an ihrer Synthese spezifische Enzyme beteiligt sind. Im Gegensatz hierzu sind zur chemischen Synthese der Silicate meist drastische Bedingungen wie hoher Druck und hohe Temperatur erforderlich. Deshalb ist die Herstellung vieler Siliciumverbindungen auf herkömmlichen Wege kostenintensiv und auch wenig umweltfreundlich.The skeleton of the diatoms (diatoms) and the sponges consists of amorphous Si0 2 ("Biosilica"). The Si0 2 synthesis in these organisms is characterized by high (structural) specificity and controllability, which enables the synthesis of defined structures in the microscopic and submicroscopic range (nanostructures). In addition, silica sponges have the ability to form their silicate frameworks under mild conditions, ie at a relatively low temperature and pressure. This is due to the fact that specific enzymes are involved in their synthesis. In contrast, drastic conditions such as high pressure and high temperature are usually required for the chemical synthesis of the silicates. That is why the production of many silicon compounds using conventional methods is cost-intensive and also not very environmentally friendly.
Zwei Enzyme, die bei silicatbildenden Organismen an der Synthese des Si02- Skeletts beteiligt ist, und ihre technische Verwendung wurden beschrieben. Bei dem ersten Enzym handelt es sich um Silicatein, das in drei Formen, Silicatein-α, -ß und - γ, vorkommt (PCT/US99/30601. Methods, compositions, and biomimetic catalysts, such as silicateins and block copolypeptides, used to catalyze and spatially direct the polycondensation of Silicon alkoxides, metal alkoxides, and their organic conjugates to make silica, polysiloxanes, polymetallo-oxanes, and mixed poly(silicon/ met- allo)oxane materials under environmentally benign conditions. Inventors/ Applicants: Morse DE, Stucky GD, Deming, TD, Cha J, Shimizu K, Zhou Y; DE 10037270 A1. Silicatein-vermittelte Synthese von amorphen Silicaten und Siloxanen und ihre Verwendung. Deutsches Patentamt 2000. Anmelder und Erfinder: Müller WEG, Lorenz B, Krasko A, Schröder HC; PCT/EP01/08423. Silicatein-mediated synthesis of amor- phous silicates and siloxanes and use thereof. Inventors/Applicants: Müller WEG, Lorenz B, Krasko A, Schröder HC). Silicatein-α wurde aus dem marinen Kieselschwamm Suberites domuncula kloniert (Krasko A, Batel R, Schröder HC, Müller IM, Müller WEG (2000) Expression of silicatein and collagen genes in the marine sponge S. domuncula is controlled by silicate and myotrophin. Europ J Biochem 267:4878-4887). Silicatein-ß, das ebenfalls aus S. domuncula kloniert wurde, zeichnet sich durch einige vorteilhafte Eigenschaften im Vergleich zu Silicatein-α hinsichtlich seiner katalytischen Fähigkeiten und deren technische/medizinische Anwendbar- keit aus (DE 103 52 433.9. Enzymatische Synthese, Modifikation und Abbau von Si- licium(IV)- und anderer Metall(IV)-Verbindungen. Deutsches Patentamt 2003. Anmelder: Johannes Gutenberg-Universität Mainz; Erfinder: Müller WEG, Schwertner H, Schröder HC).Two enzymes that are involved in the synthesis of the Si0 2 skeleton in silicate-forming organisms and their technical use have been described. The first enzyme is silicatein, which occurs in three forms, silicatein-α, -ß and - γ (PCT / US99 / 30601. Methods, compositions, and biomimetic catalysts, such as silicateins and block copolypeptides, used to catalyze and spatially direct the polycondensation of Silicon alkoxides, metal alkoxides, and their organic conjugates to make silica, polysiloxanes, polymetallo-oxanes, and mixed poly (silicon / met-allo) oxane materials under environmentally benign conditions. Inventors / Applicants: Morse DE , Stucky GD, Deming, TD, Cha J, Shimizu K, Zhou Y; DE 10037270 A1. Silicatein-mediated synthesis of amorphous silicates and siloxanes and their use. German Patent Office 2000. Applicant and inventor: Müller WEG, Lorenz B, Krasko A , Schröder HC; PCT / EP01 / 08423. Silicatein-mediated synthesis of amorphous silicates and siloxanes and use thereof. Inventors / Applicants: Müller WEG, Lorenz B, Krasko A, Schröder HC). Silicatein-α was cloned from the marine pebble sponge Suberites domuncula (Krasko A, Batel R, Schröder HC, Müller IM, Müller WEG (2000) Expression of silicatein and collagen genes in the marine sponge S. domuncula is controlled by silicate and myotrophin. Europ J Biochem 267: 4878-4887). Silicatein-ß, which was also cloned from S. domuncula, has several advantageous properties compared to silicatein-α in terms of its catalytic abilities and their technical / medical applicability. (DE 103 52 433.9. Enzymatic synthesis, modification and degradation of silicon (IV) and other metal (IV) compounds. German Patent Office 2003. Applicant: Johannes Gutenberg University Mainz; inventor: Müller WEG, Schwertner H , Schröder HC).
Beide, Silicateine, Silicatein-α und Silicatein-ß, sind nach dem Stand der Technik lediglich in der Lage, aus organischen Siliciumverbindungen (Alkoxysilanen) amorphes Siliciumdioxid (Polykieselsäuren und Polysilicate) zu bilden (Cha JN, Shimizu K, Zhou Y, Christianssen SC, Chmelka BF, Stucky GD, Morse DE (1999) Silicatein filaments and subunits from a marine sponge direct the polymerization of silica and silicones in vitro. Proc Natl Acad Sei USA 96:361-365; sowie oben zitierte Patente).According to the state of the art, both silicateine, silicatein-α and silicatein-β are only able to form amorphous silicon dioxide (polysilicic acids and polysilicates) from organic silicon compounds (alkoxysilanes) (Cha JN, Shimizu K, Zhou Y, Christianssen SC , Chmelka BF, Stucky GD, Morse DE (1999) Silicatein filaments and subunits from a marine sponge direct the polymerization of silica and silicones in vitro. Proc Natl Acad Sei USA 96: 361-365; and patents cited above).
Bei dem zweiten Enzym handelt es sich um eine Silicase (DE 102 46 186.4. Abbau und Modifizierung von Silicaten und Siliconen durch Silicase und Verwendung des reversiblen Enzyms. Deutsches Patentamt 2002. Anmelder: Johannes Gutenberg- Universität Mainz; Erfinder: Müller WEG, Krasko A, Schröder HC; PCT/EP03/10983. Abbau und Modifizierung von Silicaten und Siliconen durch Silicase und Verwendung des reversiblen Enzyms. European Patent Office 2003. Applicant: Johannes Gutenberg-Universität Mainz. Inventors: Müller WEG, Krasko A, Schröder HC; Schröder HC, Krasko A, Le Pennec G, Adell T, Wiens M, Hassanein H, Müller IM, Müller WEG (2003) Silicase, an enzyme which degrades biogenous amorphous silica: Contribu- tion to the metabolism of silica deposition in the demosponge Suberites domuncula. Prog Mol Subcell Biol 33:250-268). Die Silicase, und zwar insbesondere das Enzym aus dem Meeresschwamm S. domuncula, ist in der Lage, sowohl amorphes als auch kristallines Siliciumdioxid aufzulösen. Hierbei kommt es zur Freisetzung von Kieselsäure. Daneben besitzt die Silicase die Fähigkeit, in Analogie zu der Carboanhydra- se Kalkmaterial aufzulösen.The second enzyme is a silicase (DE 102 46 186.4. Degradation and modification of silicates and silicones by silicase and use of the reversible enzyme. German Patent Office 2002. Applicant: Johannes Gutenberg University Mainz; inventor: Müller WEG, Krasko A , Schröder HC; PCT / EP03 / 10983. Degradation and modification of silicates and silicones by silicase and use of the reversible enzyme. European Patent Office 2003. Applicant: Johannes Gutenberg University Mainz. Inventors: Müller WEG, Krasko A, Schröder HC; Schröder HC, Krasko A, Le Pennec G, Adell T, Wiens M, Hassanein H, Müller IM, Müller WEG (2003) Silicase, an enzyme which degrades biogenous amorphous silica: Contribution to the metabolism of silica deposition in the demosponge Suberites domuncula Prog Mol Subcell Biol 33: 250-268). Silicase, in particular the enzyme from the S. domuncula sea sponge, is able to dissolve both amorphous and crystalline silicon dioxide. This releases silica. In addition, the silicase has the ability to dissolve lime material in analogy to the carbonic anhydrase.
Bisher wurde nicht offenbart, dass dieses Enzym in Gegenwart eines geeigneten Template (z. B. Kollagen) auch in der Lage ist, eine Synthese von amorphem Siliciumdioxid (Silica) aus nicht-organischen kurzkettigen Metasilicaten sowie aus eine oder mehrere Si-N-Bindungen enthaltenden Aminosilanen oder Silazanen zu bewirken. 1.2. KollagenSo far it has not been disclosed that this enzyme, in the presence of a suitable template (e.g. collagen), is also capable of synthesizing amorphous silicon dioxide (silica) from non-organic short-chain metasilicates and from one or more Si-N bonds containing aminosilanes or silazanes. 1.2. collagen
Kollagen ist neben Elastin, polyanionischen Proteoglykanen und Struktur-Glykopro- teinen Hauptbestandteil der extrazellulären Matrix der Gewebe und Organe. Kollagenfibrillen besitzen eine außerordentlich große Zugfestigkeit. Dadurch sind sie insbesondere in der Lage, dem Binde- und Stützgewebe mechanische Stabilität zu verleihen. Weiterhin ist die Bildung von Kollagenfibrillen ein wichtiger Prozess bei der Wundheilung.In addition to elastin, polyanionic proteoglycans and structural glycoproteins, collagen is a main component of the extracellular matrix of tissues and organs. Collagen fibrils have an extremely high tensile strength. As a result, they are particularly able to give the connective and support tissue mechanical stability. The formation of collagen fibrils is also an important process in wound healing.
Bei Vertebraten bilden die Kollagene eine große Proteinfamilie: 19 Kollagentypen wurden beschrieben, die von mindestens 33 verschiedenen Genen kodiert werden (Prockop und Kivirikko (1995) Annu Rev Biochem 64:403-434). Unter den Mitgliedern der Kollagen-Familie befinden sich sowohl fibrilläre als auch nichtfibrilläre Proteine. Die fibrillären Kollagentypen I, II, III, V und XI sind in der Lage, Fibrillen mit einem Bandenmuster zu bilden. Die sogenannten nichtfibrillären Kollagene kommen zusammen mit den fibrillären Kollagenen (fibrillenassoziierte Kollagene) oder in den Basalmembranen (Typ IV; Basalmembran-Kollagene) vor. Weiterhin gehören zu dieser Gruppe die kurzkettigen Kollagene. Einige Kollagene - wie die Typen XV und XVIII - sind nur aufgrund ihrer cDNA bekannt.In vertebrates, the collagens form a large family of proteins: 19 types of collagen have been described which are encoded by at least 33 different genes (Prockop and Kivirikko (1995) Annu Rev Biochem 64: 403-434). Members of the collagen family include both fibrillary and non-fibrillar proteins. Fibrillar collagen types I, II, III, V and XI are able to form fibrils with a band pattern. The so-called non-fibrillary collagens occur together with the fibrillary collagens (fibril-associated collagens) or in the basement membranes (type IV; basement membrane collagens). This group also includes short-chain collagens. Some collagens - like types XV and XVIII - are only known because of their cDNA.
Das gemeinsame Strukturmerkmal aller Kollagene ist die Tripelhelix, die aus drei umeinander gewundenen Polypeptidketten (α-Ketten) besteht, welche die sich wiederholende Sequenz G-x-y besitzen; x ist meist Prolin und y häufig Hydroxyprolin. Dieses Triplet bedingt die charakteristische helicale Konformation der Kollagen-α- Helix und deren Eigenschaft, mit ähnlichen Polypeptidketten unter Ausbildung der Tripelhelix zu assemblieren (Brodsky und Ramshaw (1997) Matrix Biol 15:545-554). Meist ist die Tripelhelix aus den Polypeptidketten unterschiedlicher Kollagentypen (α1 , α2, α3) zusammengesetzt. Die resultierende Struktur besitzt aufgrund der Position von Glycin (einer kleinen Aminosäure) nahe der Achse der Helix, der stabilisierenden Wirkung von Prolin und der Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen eine hohe Stabilität (Bella et al. (1994) Science 266:75-81).The common structural feature of all collagens is the triple helix, which consists of three twisted polypeptide chains (α chains), which have the repeating sequence G-x-y; x is mostly proline and y is often hydroxyproline. This triplet determines the characteristic helical conformation of the collagen α-helix and its property to assemble with similar polypeptide chains to form the triple helix (Brodsky and Ramshaw (1997) Matrix Biol 15: 545-554). The triple helix is usually composed of the polypeptide chains of different collagen types (α1, α2, α3). The resulting structure is highly stable due to the position of glycine (a small amino acid) close to the axis of the helix, the stabilizing effect of proline and the formation of hydrogen bonds (Bella et al. (1994) Science 266: 75-81).
Das Typ I Kollagen bildet die Hauptmenge des Kollagens im Organismus. Bei dem Typ II Kollagen handelt es sich um das Fibrillen-bildende Kollagen des Knorpels. Bei diesen Kollagentypen sind jeweils drei α-Ketten zusammengelagert. Die Länge der so gebildeten Tropokollagenmoleküle beträgt 280 nm. In den Kollagen-Fibrillen wird eine versetzte Anordnung dieser Bausteine gefunden. Durch die gestaffelte Anordnung dieser Moleküle kommt es alle 68 nm zum Auftreten von Querstreifen innerhalb der Kollagenfasern.Type I collagen forms the main amount of collagen in the organism. Type II collagen is the fibril-forming collagen of the cartilage. at In each of these collagen types there are three α chains. The length of the tropocollagen molecules thus formed is 280 nm. An offset arrangement of these building blocks is found in the collagen fibrils. The staggered arrangement of these molecules causes transverse streaks to appear within the collagen fibers every 68 nm.
Bei den sogenannten Minoritäten-Kollagenen wird die Tripelhelix nur noch in einigen Abschnitten des Moleküls gefunden; andere Abschnitte weisen globuläre Domänen auf. Zu ihnen gehören die Kollagentypen IV bis XIX. Die Typ V- und Typ XI- Minoritätenkollagene bilden allerdings auch Fibrillenstrukturen aus. Das Typ IV- Kollagen ist für die Ausbildung räumlicher Gitterwerke spezialisiert und kommt in den Basalmembranen vor. Das im interstitiellen Bindegewebe vorkommende Typ VI- Kollagen besitzt nur eine relativ kurze Tripelhelix; die beiden globulären Domänen an den Enden dieses hanteiförmigen Kollagentyps treten mit dem Typ I-Kollagen sowie Membran-ständigen Integrinen in Wechselwirkung. Das Typ Vll-Kollagen dient der Verankerung der Basalmembran unter Plattenepithelien. Die Typ VIII- und Typ X- Kollagene sind kurzkettige Kollagene; die Typ Vlll-Kollagene assoziieren zu einem hexagonalen Netzwerk. Das Typ IX-Kollagen gehört zu den Fibrillen-assoziierten Kollagenen und kommt zusammen mit Typ I I-Kollagen in den kalzifizierenden Bereichen des enchondralen Knorpels vor.In the so-called minority collagens, the triple helix is only found in some sections of the molecule; other sections have globular domains. They include collagen types IV to XIX. The type V and type XI minority collagens, however, also form fibril structures. Type IV collagen is specialized for the formation of spatial lattices and occurs in the basement membranes. Type VI collagen found in the interstitial connective tissue has only a relatively short triple helix; the two globular domains at the ends of this dumbbell-type collagen interact with type I collagen and membrane-bound integrins. The type VIII collagen is used to anchor the basement membrane under squamous epithelia. The Type VIII and Type X collagens are short chain collagens; the type VIII collagens associate into a hexagonal network. Type IX collagen belongs to the fibril-associated collagens and occurs together with type I I collagen in the calcifying areas of the enchondral cartilage.
1.2.1. Klonierung und Sequenzierung von Kollagen aus Schwämmen1.2.1. Cloning and sequencing of collagen from sponges
Kollagen ist auch ein Hauptprotein der extrazellulären Matrix der Schwämme und fungiert als Matrix für die Spicula-Bildung (Bildung der Schwamm-Nadeln) (Krasko et al. (2000) Eur J Biochem 267:4878-4887). Kollagenfibrillen bei Schwämmen sind denjenigen bei Vertebraten sehr ähnlich (Gross et al. (1956) J Histochem Cytochem 4:227-246; Garrone et al. (1975) J Ultrastruct Res 52:261-275; Garrone (1978) Phy- logenesis of connective tissue. Karger, Basel). Elektronenmikroskopische Untersuchungen des Kollagens aus dem Meeresschwamm Geodia cydonium zeigen 20 bis 25 nm dicke Kollagenfibrillen mit einer Periodizität von 19,5 nm (Diehl-Seifert et al. (1985) J Cell Sei 79:271-285; Gramzow et al. (1988) J Histochem Cytochem 36:205- 212). Das von uns aus dem Meeresschwamm S. domuncula klonierte Kollagen (Schröder et al. (2000) FASEB J 14:2022-2031) besteht aus (i) einer nicht- kollagenen Λ/-terminalen Domäne, (ii) einer kollagenen internen Domäne und (iii) einer nicht-kollagenen C-terminalen Domäne. Die interne Domäne ist bei S. domuncula ungewöhnlich kurz mit lediglich 24 G-x-y Kollagentripletts. Im Gegensatz dazu besitzt das Kollagen des Süßwasserschwammes Ephydatia muelleri zwei interne Domänen mit 79 G-x-y Tripletts (Exposito et al. (1991) J Biol Chem 266:21923-21928). Die Organisation der Gene, die für die fibrillären Schwamm-Kollagene kodieren, ähnelt somit sehr derjenigen der Vertebraten-Kollagen-Gene.Collagen is also a major protein in the sponges' extracellular matrix and acts as a matrix for spicule formation (sponge needle formation) (Krasko et al. (2000) Eur J Biochem 267: 4878-4887). Collagen fibrils in sponges are very similar to those in vertebrates (Gross et al. (1956) J Histochem Cytochem 4: 227-246; Garrone et al. (1975) J Ultrastruct Res 52: 261-275; Garrone (1978) Physiogenesis of connective tissue. Karger, Basel). Electron microscopic examinations of the collagen from the sea sponge Geodia cydonium show 20 to 25 nm thick collagen fibrils with a periodicity of 19.5 nm (Diehl-Seifert et al. (1985) J Cell Sei 79: 271-285; Gramzow et al. (1988) J Histochem Cytochem 36: 205-212). The collagen that we cloned from the sea sponge S. domuncula (Schröder et al. (2000) FASEB J 14: 2022-2031) consists of (i) a non-collagenic Λ / -terminal domain, (ii) a collagenous internal domain and (iii) a non-collagenic C-terminal domain , The internal domain in S. domuncula is unusually short with only 24 Gxy collagen triplets. In contrast, the collagen of the fresh water sponge Ephydatia muelleri has two internal domains with 79 Gxy triplets (Exposito et al. (1991) J Biol Chem 266: 21923-21928). The organization of the genes coding for the fibrillar sponge collagens is thus very similar to that of the vertebrate collagen genes.
Die Expression von Kollagen in Schwammzellen (benutzt wurden Primmorphe, eine spezielle Form von aus Schwamm-Einzelzellen gebildeten 3D-Zellaggregaten; DE 19824384. Herstellung von Primmorphe aus dissoziierten Zellen von Schwämmen, Korallen und weiteren Inverteb raten: Verfahren zur Kultivierung von Zellen von Schwämmen und weiteren Invertebraten zur Produktion und Detektion von bioaktiven Substanzen, zur Detektion von Umweltgiften und zur Kultivierung dieser Tiere in Aquarien und im Freiland. Erfinder und Anmelder: Müller WEG, Brummer F; Müller et al. (1999) Mar Ecol Prog Ser 178:205-219) wird durch Myotrophin stimuliert (Schröder et al. (2000) FASEB J 14:2022-2031 ; Krasko et al. (2000) Eur J Biochem 267:4878-4887). Myotrophin ist ein wachstumsförderndes Protein, das von den Erfindern ebenfalls aus S. domuncula cloniert wurde.The expression of collagen in sponge cells (primmorphs, a special form of 3D cell aggregates formed from single sponge cells; DE 19824384 were used. Production of primmorphs from dissociated cells of sponges, corals and other invertebrates: methods for culturing cells of sponges and further invertebrates for the production and detection of bioactive substances, for the detection of environmental toxins and for the cultivation of these animals in aquariums and in the field Inventor and applicant: Müller WEG, Brummer F; Müller et al. (1999) Mar Ecol Prog Ser 178: 205- 219) is stimulated by myotrophin (Schröder et al. (2000) FASEB J 14: 2022-2031; Krasko et al. (2000) Eur J Biochem 267: 4878-4887). Myotrophin is a growth-promoting protein that was also cloned from S. domuncula by the inventors.
2. Gegenstand der Erfindung2. Subject of the invention
Überraschenderweise konnte nun von den Erfindern gezeigt werden, dass die Silicase und andere Carboanhydrasen sowie Silicateine in der Lage sind, in Gegenwart geeigneter Template wie Kollagen auch nicht-organische Siliciumverbindungen, insbesondere Metasilicate, sowie ein oder mehrere Si-N-Bindungen enthaltende Amino- silane oder Silazane in Silica umzusetzen. Bisher war nur bekannt, dass Silicateine die Hydrolyse organischer Siliciumverbindungen mit einer oder mehreren Si-O- Bindungen (Alkoxysilane) katalysieren (mit nachfolgender Kondensation der freigesetzten Silanole unter Bildung von amorphem Siliciumdioxid; siehe Zhou et al. (1999) Angew. Chem. [Int. Ed.] 38:780-782; PCT/US99/30601 ; DE 10037270 A 1; PCT/EP01/08423). Von den Carboanhydrasen-Domänen enthaltende Enzymen war bekannt, dass sie zwar in der Lage sind, anorganische Polysilicate (Polykieselsäu- ren) sowie amorphes und auch kristallines Siliciumdioxid unter Freisetzung von Kieselsäure zu spalten (Schröder et al. (2003) Prog Mol Subcell Biol 33:250-268; DE 102 46 186.4; PCT/EP03/10983), nicht dagegen zur Katalyse einer Templategesteuerten Synthese von amorphem Siliciumdioxid (Silica) aus Orthosilicaten und Metasilicaten.Surprisingly, it has now been possible for the inventors to show that the silicase and other carbonic anhydrases and silicateins are capable, in the presence of suitable templates such as collagen, of also non-organic silicon compounds, in particular metasilicates, and aminosilanes containing one or more Si-N bonds or to implement silazanes in silica. So far, it was only known that silicateins catalyze the hydrolysis of organic silicon compounds with one or more Si-O bonds (alkoxysilanes) (with subsequent condensation of the released silanols to form amorphous silicon dioxide; see Zhou et al. (1999) Angew. Chem. [ Int. Ed.] 38: 780-782; PCT / US99 / 30601; DE 10037270 A 1; PCT / EP01 / 08423). Enzymes containing the carbonic anhydrase domains were known to be able to remove inorganic polysilicates (polysilicic acid). ren) and amorphous and also crystalline silicon dioxide with the release of silica (Schröder et al. (2003) Prog Mol Subcell Biol 33: 250-268; DE 102 46 186.4; PCT / EP03 / 10983), but not for the catalysis of a template-controlled Synthesis of amorphous silicon dioxide (silica) from orthosilicates and metasilicates.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird somit allgemein ein Verfahren zur in vitro oder in vivo Synthese von amorphem Siliciumdioxid (Silica, Kondensationsprodukte der Kieselsäure) und anderen Metall(IV)-Verbindungen zur Verfügung gestellt, wobei ein Polypeptid oder ein Metallkomplex eines Polypeptids eingesetzt wird, das entweder dadurch gekennzeichnet ist, dass das Polypeptid eine tierische, pflanzliche, bakterielle oder Pilz Carboanhydrase-Domäne umfasst, die mindestens 25%, bevorzugt mindestens 50%, weiter bevorzugt mindestens 75% und am meisten bevorzugt mindestens 95% Sequenzidentität zu der in SEQ ID Nr. 1 gezeigten Sequenz aufweist, oder dadurch, dass das Polypeptid eine tierische, bakterielle, pflanzliche oder Pilz Silicatein-α-Domäne oder Silicatein-ß-Domäne umfasst, die mindestens 25%, bevorzugt mindestens 50%, weiter bevorzugt mindestens 75% und am meisten bevorzugt mindestens 95% Sequenzidentität zu der in SEQ ID Nr. 3 bzw. in SEQ ID Nr. 5 gezeigten Sequenz aufweist.According to a first aspect of the present invention, a method for the in vitro or in vivo synthesis of amorphous silicon dioxide (silica, condensation products of silicic acid) and other metal (IV) compounds is thus generally provided, using a polypeptide or a metal complex of a polypeptide which is either characterized in that the polypeptide comprises an animal, plant, bacterial or fungal carbonic anhydrase domain which has at least 25%, preferably at least 50%, more preferably at least 75% and most preferably at least 95% sequence identity to the in SEQ ID No. 1 sequence, or in that the polypeptide comprises an animal, bacterial, plant or fungus silicatein-α-domain or silicatein-β-domain which is at least 25%, preferably at least 50%, further preferably at least 75 % and most preferably at least 95% sequence identity to that shown in SEQ ID No. 3 and SEQ ID No. 5, respectively sequence.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung eines Templates, das ein Polypeptid von Kollagen aus S. domuncula gemäß SEQ ID Nr. 7 oder ein dazu homologes Polypeptid, das in seiner Aminosäuresequenz mindestens 25%, bevorzugt mindestens 50%, weiter bevorzugt mindestens 75% und am meisten bevorzugt mindestens 95% Sequenzidentität zu der in SEQ ID Nr. 7 gezeigten Sequenz besitzt oder Teile davon enthält oder daraus besteht.Another aspect of the present invention relates to the use of a template which is a polypeptide of collagen from S. domuncula according to SEQ ID No. 7 or a polypeptide which is homologous thereto and which has at least 25%, preferably at least 50%, more preferably at least 75 in its amino acid sequence % and most preferably at least 95% has sequence identity to, or contains, or consists of, the sequence shown in SEQ ID No. 7.
Das erfindungsgemäße Template (Kollagen oder anderes Polypeptid) kann dadurch gekennzeichnet sein, dass es synthetisch hergestellt worden ist oder dass es in einem prokaryotischen oder eukaryotischen Zellextrakt oder -lysat vorliegt. Der Zellextrakt oder das Lysat kann aus einer Zelle ex vivo oder ex vitro gewonnen werden, zum Beispiel einer rekombinanten bakteriellen Zelle oder einem Meeresschwamm. Das erfindungsgemäße Template (Kollagen oder anderes Polypeptid) kann nach herkömmlichen im Stand der Technik bekannten Verfahren gereinigt werden und somit im wesentlichen frei von anderen Proteinen vorliegen.The template (collagen or other polypeptide) according to the invention can be characterized in that it has been produced synthetically or in that it is present in a prokaryotic or eukaryotic cell extract or lysate. The cell extract or lysate can be obtained from a cell ex vivo or ex vitro, for example a recombinant bacterial cell or a sea sponge. The template according to the invention (collagen or other polypeptide) can be purified by conventional methods known in the art and can therefore be essentially free of other proteins.
Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass zur Synthese Verbindungen wie Kieselsäuren (Orthokieselsäure und Metakie- selsäure) oder deren Salze (Orthosilicate und Metasilicate) oder andere Metall(IV)- Verbindungen als Reaktanten (Substrate) eingesetzt werden.A method according to the invention is preferred which is characterized in that compounds such as silicas (orthosilicic acid and metasilicic acid) or their salts (orthosilicates and metasilicates) or other metal (IV) compounds are used as reactants (substrates) for the synthesis.
Bevorzugt ist weiterhin ein erfindungsgemäßes Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass zur Synthese Verbindungen wie Alkyl- und Dialkylaminosilane, Bis(alkylamino)silane bzw. Bis(dialkylamino)silane, Tris(alkylamino)silane bzw. Tris(dialkylamino)silane, Tetrakis(alkylamino)silane bzw. Tetrakis(dialkylamino)silane sowie Alkyl- oder Aryl-substitutierte Derivate dieser Verbindungen (allgemein: Ami- nosilane) eingesetzt werden, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sie ein oder mehrere Si-N-Bindungen enthalten.Also preferred is a method according to the invention, which is characterized in that compounds such as alkyl- and dialkylaminosilanes, bis (alkylamino) silanes or bis (dialkylamino) silanes, tris (alkylamino) silanes or tris (dialkylamino) silanes, tetrakis ( alkylamino) silanes or tetrakis (dialkylamino) silanes and alkyl- or aryl-substituted derivatives of these compounds (generally: aminosilanes), which are characterized in that they contain one or more Si-N bonds.
Bevorzugt ist weiterhin ein erfindungsgemäßes Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass zur Synthese Di-, Tri-, Tetra- und Polysilazane sowie Alkyl- oder Aryl-substitutierte Derivate dieser Verbindungen (allgemein: Silazane), einschließlich der cyclischen Verbindungen (Cyclotrisilazane, Cyclotetrasilazane und weitere Derivate), eingesetzt werden.Also preferred is a method according to the invention, which is characterized in that di-, tri-, tetra- and polysilazanes as well as alkyl- or aryl-substituted derivatives of these compounds (generally: silazanes), including the cyclic compounds (cyclotrisilazanes, cyclotetrasilazanes and other derivatives).
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung des Verfahrens zur Modifikation von Oberflächen von Glas, Metallen, Metalloxiden, Kunststoffen, Biopolymeren oder anderen Materialien.Another aspect of the present invention is the use of the method for modifying surfaces of glass, metals, metal oxides, plastics, biopolymers or other materials.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren zur Synthese definierter zwei- und dreidimensialer Strukturen aus amorphem Siliciumdioxid (Silica, Kondensationsprodukte der Kieselsäure) und anderen polymeren Me- tall(IV)-Verbindungen verwendet werden. Ein noch weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine chemische Verbindung oder Silica (amorphes Siliciumdoxid)-enthaltende Struktur oder Oberfläche, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten wurde.According to a further aspect of the present invention, the method can be used for the synthesis of defined two- and three-dimensional structures from amorphous silicon dioxide (silica, condensation products of silicic acid) and other polymeric metal (IV) compounds. A still further aspect of the present invention relates to a chemical compound or silica (amorphous silicon dioxide) -containing structure or surface which has been obtained by the method according to the invention.
SEQ ID Nr. 2 zeigt die Nucleotidsequenz der Schwamm-Silicase-cDNA und SEQ ID Nr. 1 zeigt das aus der Nucleotidsequenz abgeleitete Polypeptid der Schwamm- Silicase (SlA_SUBDO). Die abgeleitete Aminosäuresequenz der Schwamm-Silicase besitzt eine große Ähnlichkeit zu den Aminosäuresequenzen der Carboanhydrase- Familie. Die Eukaryonten-Typ-Carboanhydrase-Domäne (PFAM00194SEQ ID No. 2 shows the nucleotide sequence of the sponge silicase cDNA and SEQ ID No. 1 shows the polypeptide of the sponge silicase derived from the nucleotide sequence (SlA_SUBDO). The deduced amino acid sequence of the sponge silicase is very similar to the amino acid sequences of the carbonic anhydrase family. The eukaryote-type carbonic anhydrase domain (PFAM00194
[www.ncbi.nlm.nig.gov]) wird bei der Schwamm-Silicase im Aminosäure-Bereich von aa87 bis aa335 gefunden. Die meisten der charakteristischen Aminosäuren, welche die Eukaryonten-Typ-Carboanhydrase-Signatur bilden (Fujikawa-Adachi et al. (1999) Biochim Biophys Acta 1431:518-524; Okamoto et al. (2001) Biochim Biophys Acta 1518:311-316), sind auch in der Schwamm-Silicase vorhanden.[www.ncbi.nlm.nig.gov]) is found in the sponge silicase in the amino acid range from aa 87 to aa 335 . Most of the characteristic amino acids that make up the eukaryotic type carbonic anhydrase signature (Fujikawa-Adachi et al. (1999) Biochim Biophys Acta 1431: 518-524; Okamoto et al. (2001) Biochim Biophys Acta 1518: 311-316 ) are also present in the sponge silicase.
Die Carboanhydrasen bilden eine Familie von Zinkmetall-Enzymen (Sly und Hu (1995) Annu Rev Biochem 64:375-401). Die drei Zink-bindenden konservierten Histi- dinreste werden in der Silicase bei den Aminosäuren aa-is-i, aa-i83 und aa206 gefunden (siehe SEQ ID Nr. 1).The carbonic anhydrases form a family of zinc metal enzymes (Sly and Hu (1995) Annu Rev Biochem 64: 375-401). The three zinc-binding conserved histidine residues are found in the silicase at amino acids aa-is-i, aa-i83 and aa 206 (see SEQ ID No. 1).
Neben der Schwamm-Silicase können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch (z. T. kommerziell erhältliche) Carboanhydrasen aus anderen Organismen verwendet werden.In addition to the sponge silicase, carbonic anhydrases from other organisms (some of which are commercially available) can also be used in the process according to the invention.
Die Erfindung soll nun im folgenden durch die beigefügten Beispiele genauer beschrieben werden, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. In den beigefügten Sequenzen und Figuren zeigen:The invention will now be described in more detail below by means of the attached examples, but without being restricted thereto. The attached sequences and figures show:
SEQ ID No. 1 : Die Aminosäuresequenz der erfindungsgemäß verwendeten Silicase aus S. domuncula (SIA_SUBDO).SEQ ID No. 1: The amino acid sequence of the silicase from S. domuncula (SIA_SUBDO) used according to the invention.
SEQ ID No. 2: Die Nukleinsäuresequenz der erfindungsgemäß verwendeten Silicase aus S. domuncula. SEQ ID No. 3: Die Aminosäuresequenz des erfindungsgemäß verwendeten Silicat- eins-α aus S. domuncula (SIA_SUBDO).SEQ ID No. 2: The nucleic acid sequence of the silicase from S. domuncula used according to the invention. SEQ ID No. 3: The amino acid sequence of the silicate one-α from S. domuncula (SIA_SUBDO) used according to the invention.
SEQ ID No. 4: Die Nukleinsäuresequenz des erfindungsgemäß verwendeten Silicat- eins-α aus S. domuncula.SEQ ID No. 4: The nucleic acid sequence of the silicate one-α from S. domuncula used according to the invention.
SEQ ID No. 5: Die Aminosäuresequenz des erfindungsgemäß verwendeten Silicat- eins-ß aus S. domuncula (SIA_SUBDO).SEQ ID No. 5: The amino acid sequence of the silicate one-β from S. domuncula (SIA_SUBDO) used according to the invention.
SEQ ID No. 6: Die Nukleinsäuresequenz des erfindungsgemäß verwendeten Silicat- eins-ß aus S. domuncula.SEQ ID No. 6: The nucleic acid sequence of the silicate one-β from S. domuncula used according to the invention.
SEQ ID No. 7: Die Aminosäuresequenz des erfindungsgemäß verwendeten Kollagens 3 aus S. domuncula (SIA_SUBDO).SEQ ID No. 7: The amino acid sequence of collagen 3 from S. domuncula (SIA_SUBDO) used according to the invention.
SEQ ID No. 8: Die Nukleinsäuresequenz des erfindungsgemäß verwendeten Kollagens 3 aus S. domuncula.SEQ ID No. 8: The nucleic acid sequence of collagen 3 from S. domuncula used according to the invention.
Figur 1:Figure 1:
A. Elektronenmikroskopische Aufnahmen von isoliertem Kollagen von Geodia cydonium. (A-a) Bündel von Kollagenfibrillen. (A-b) Negativ gefärbte Fibrillen. B. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von Schwamm-Si02-Skelettelementen. Oben von links nach rechts: Tylostyle (Suberites domuncula), Spheraster (Geodia cydonium), Sterraster (Geodia cydonium). Unten von links nach rechts: Sterraster (Geodia cydonium) in zunehmender Vergrößerung.A. Electron micrographs of isolated collagen from Geodia cydonium. (Aa) Bundle of collagen fibrils. (Ab) Negatively colored fibrils. B. scanning electron micrographs of sponge Si0 2 skeleton elements. Top left to right: Tylostyle (Suberites domuncula), Spheraster (Geodia cydonium), Sterraster (Geodia cydonium). Bottom left to right: Sterraster (Geodia cydonium) in increasing magnification.
Figur 2:Figure 2:
Nucleotidsequenz des Carboanhydrase (Silicase)-Klons (S. domuncula) sowie For- ward Primer (Positiv-1 und Positiv-2) und Reverse Primer (Negativ-1) zur Amplifizie- rung der für die lange und die kurze Silicase-Form kodierenden cDNA zur Klonierung in den Expressionsvektor pGEX-4T-2 und Aminosäuresequenz der rekombinanten Proteine (lange und kurze Form der Silicase). Protein-Information über die Proteine ist: Protein-Information über CAexpresL.prt (lange Form): Molekulargewicht: 43130,74 Dalton + 25000 Da GST ~~> 68 kDaNucleotide sequence of the carbonic anhydrase (silicase) clone (S. domuncula) as well as forward primer (positive-1 and positive-2) and reverse primer (negative-1) for the amplification of the coding for the long and the short silicase form cDNA for cloning into the expression vector pGEX-4T-2 and amino acid sequence of the recombinant proteins (long and short form of the silicase). Protein information about the proteins is: Protein information about CAexpresL.prt (long form): Molecular weight: 43130.74 Dalton + 25000 Da GST ~~> 68 kDa
379 Aminosäuren46 Stark basische(+) Aminosäuren (K,R)46 Stark saure (-)Aminosäuren (D,E)120 Hydrophobe Aminosäuren (A,I,L,F,W,V)103 Polare Aminosäuren (N,C,Q,S,T,Y)7,666 Isoelektrischer Punkt 2,871 Ladung bei pH 7,0379 amino acids46 strongly basic (+) amino acids (K, R) 46 strongly acidic (-) amino acids (D, E) 120 hydrophobic amino acids (A, I, L, F, W, V) 103 polar amino acids (N, C, Q , S, T, Y) 7.666 Isoelectric point 2.871 charge at pH 7.0
Protein-Information über CAexpresS.PRO(1 ,2-"4) (kurze Form):Molekulargewicht: 32271 ,28 Dalton + 25000 Dalton GST ~~> 57 kDa284 Aminosäuren 35 Stark basische (+)Aminosäuren (K,R)39 Stark saure (-)Aminosäuren (D,E)91 Hydrophobe Aminosäuren (A,I,L,F,W,V)70 Polare Aminosäuren (N,C,Q,S,T,Y)6.701 Isoele.ktrischer Punkt -1 ,795 Ladung bei pH 7,0Protein information about CAexpresS.PRO (1, 2- "4) (short form): Molecular weight: 32271, 28 Dalton + 25000 Dalton GST ~~> 57 kDa284 amino acids 35 Strongly basic (+) amino acids (K, R) 39 Stark acidic (-) amino acids (D, E) 91 hydrophobic amino acids (A, I, L, F, W, V) 70 polar amino acids (N, C, Q, S, T, Y) 6,701 isoelectric point -1, 795 charge at pH 7.0
Figur 3:Figure 3:
Nucleotidsequenz des Carboanhydrase (Silicase)-Klons (S. domuncula) sowie For- ward Primer (Positiv-1 und Positiv-2) und Reverse Primer (Negativ-1) zur Amplifizie- rung der für die lange und die kurze Silicase-Form kodierenden cDNA zur Klonierung in den Expressionsvektor pBAD/glll A und Aminosäuresequenz der rekombinantenNucleotide sequence of the carbonic anhydrase (silicase) clone (S. domuncula) as well as forward primer (positive-1 and positive-2) and reverse primer (negative-1) for the amplification of the coding for the long and the short silicase form cDNA for cloning into the expression vector pBAD / glll A and amino acid sequence of the recombinant
Proteine (lange und kurze Form der Silicase). Protein-Information über die Proteine ist:Proteins (long and short form of silicase). Protein information about the proteins is:
Lange Form: Molekulargewicht: 48430,78 DaltonLong form: molecular weight: 48430.78 daltons
424 Aminosäuren424 amino acids
49 Stark basische(+) Aminosäuren (K,R)49 strongly basic (+) amino acids (K, R)
53 Stark saure (-)Aminosäuren (D,E)53 strongly acidic (-) amino acids (D, E)
137 Hydrophobe Aminosäuren (A,I,L,F,W,V)137 hydrophobic amino acids (A, I, L, F, W, V)
111 Polare Aminosäuren (N,C,Q,S,T,Y)111 polar amino acids (N, C, Q, S, T, Y)
7,005 Isoelektrischer Punkt7.005 isoelectric point
0,045 Ladung bei pH 7,00.045 charge at pH 7.0
Kurze Form: Molekulargewicht: 33 702,52 DaltonShort form: molecular weight: 33,702.52 daltons
330 Aminosäuren330 amino acids
0,045 Ladung bei pH 6,520.045 charge at pH 6.52
Figur 4: Expression von nichtfibrillärem Kollagen 3 von S. domuncula im pBAD/glll- Expressionsvektor. Von oben nach unten werden gezeigt: Nucleotidsequenz des Kollagen 3-Klons mit Bindestellen des "Forward primer" und des "Reverse primer"; inserierte Sequenz des nichtfibrillären Kollagens 3 von S. domuncula im Expressionsvektor pBAD/glll (die Restriktionsstellen von Λ/col und H/ndlll sind unterstrichen); die benutzten Primer für die Expression in pBAD/glll ("Forward Primer" Col3_f und "Reverse Primer" Col 3_r; die Restriktionsstellen von Λ/col und /-/'ndlll sind markiert); aus der Nucleotidsequenz abgeleitete Aminosäuresequenz des rekombinanten Proteins.Figure 4: Expression of non-fibrillar collagen 3 from S. domuncula in the pBAD / glll expression vector. From top to bottom are shown: nucleotide sequence of the collagen 3 clone with binding sites of the "forward primer" and the "reverse primer"; inserted sequence of the non-fibrillary collagen 3 of S. domuncula in the expression vector pBAD / glll (the restriction sites of Λ / col and H / ndlll are underlined); the primers used for expression in pBAD / glll ("forward primer" Col3_f and "reverse primer" Col 3_r; the restriction sites of Λ / col and / - / ' ndlll are marked); amino acid sequence of the recombinant protein derived from the nucleotide sequence.
Figur 5:Figure 5:
Schwammkollagene. A. Vergleich der deduzierten Aminosäuresequenzen der cDNA des S. domuncula Kollagens (COL1_SUBDO) mit denjenigen des Kollagens aus E. muelleri (COL4_EPHMU). Konservierte Aminosäurereste (ähnlich oder verwandt im Hinblick auf ihre physikalisch-chemischen Eigenschaften) in den Sequenzen werden in weiß auf schwarz gezeigt. NC1: nicht-kollagene Λ/-terminale Domäne. COL: kollagene interne Domäne. NC2: nicht-kollagene C-terminale Domäne. B. Vergleich des S. domuncu/a-Kollagens mit dem Kollagen von E. muelleri. NC1 : nicht-kollagene N- terminale Domäne. COL: kollagene interne Domäne. NC2: nicht-kollagene C- terminale Domäne. Zahlen: Anzahl der Aminosäuren.Sponge collagens. A. Comparison of the deduced amino acid sequences of the cDNA of the S. domuncula collagen (COL1_SUBDO) with those of the collagen from E. muelleri (COL4_EPHMU). Conserved amino acid residues (similar or related in terms of their physicochemical properties) in the sequences are shown in white on black. NC1: non-collagenic Λ / -terminal domain. COL: collagen internal domain. NC2: non-collagenic C-terminal domain. B. Comparison of S. domuncu / a collagen with the collagen of E. muelleri. NC1: non-collagenic N-terminal domain. COL: collagen internal domain. NC2: non-collagenic C-terminal domain. Numbers: number of amino acids.
Figur 6:Figure 6:
A. Herstellung von rekombinantem Silicatein-α. B. Herstellung von rekombinanter Silicase.A. Preparation of recombinant silicatein-α. B. Production of Recombinant Silicase.
Figur 7:Figure 7:
In dem hier gezeigten Experiment wurden 100 μM Na-Metasilicat in Abwesenheit oder Gegenwart von 20 μg/ml rekombinantem Silicatein-α oder Rinderserumalbumin (BSA) in Puffer (50 mM Tris-HCI pH 7,0, 100 mM NaCI, 0,1 mM ZnS04 und 0,1 mM ß-Mercaptoethanol) für 10 min bei Raumtemperatur inkubiert. Danach wurde - wie in der Figur angegeben - 4 μg/ml rekombinantes Schwamm-Kollagen, 10 μg /ml Carbo- anhydrase (aus Rinder-Erythrozyten) und/oder 10 mM Catechol hinzugefügt und für weitere 2 h bei Raumtemperatur inkubiert. Bei allen angegebenen Konzentrationen handelt es sich um die Endkonzentration nach Zusatz jeweils aller Komponenten zu den Ansätzen. Zum Nachweis des gebildeten amorphen Siliciumdioxids wurden die Reaktionsansätze in einer Tischzentrifuge abzentrifugiert (12 000 x g; 15 min; 4°C), mit Ethanol gewaschen und luftgetrocknet. Anschließend wurden die Sedimente mit 1 M NaOH hydrolysiert und das freigesetzte Silicat unter Anwendung eines Molyb- dat-gestützten Nachweisverfahrens (kolorimetrischer "Silicon Test" der Firma Merck) quantitativ gemessen.In the experiment shown here, 100 μM Na-metasilicate in the absence or presence of 20 μg / ml recombinant silicatein-α or bovine serum albumin (BSA) in buffer (50 mM Tris-HCl pH 7.0, 100 mM NaCl, 0.1 mM ZnS0 4 and 0.1 mM β-mercaptoethanol) incubated for 10 min at room temperature. Then - as indicated in the figure - 4 μg / ml recombinant sponge collagen, 10 μg / ml carbonic anhydrase (from bovine erythrocytes) and / or 10 mM catechol were added and incubated for a further 2 h at room temperature. All stated concentrations are the final concentrations after adding all components to the batches. To detect the amorphous silicon dioxide formed, the Centrifuged reaction batches in a table centrifuge (12,000 xg; 15 min; 4 ° C), washed with ethanol and air dried. The sediments were then hydrolyzed with 1 M NaOH and the silicate released was measured quantitatively using a molybdate-based detection method (colorimetric "silicone test" from Merck).
Der Versuch zeigt, dass maximale Mengen an amorphem Silica in Gegenwart von Kollagen, Silicatein-α und Carboanhydrase (0,098 - 0,117 OD-Einheiten) sowie in Gegenwart von Kollagen und Silicatein-α (0,138 OD-Einheiten) synthetisiert werden. Geringere Mengen an unlöslichem Si02 wurden in Abwesenheit der Carboanhydrase (0,057 OD-Einheiten) und in Abwesenheit von Silicatein-α (0,037 und 0,048 OD- Einheiten) bestimmt. In Abwesenheit von Kollagen wurden sowohl mit als auch ohne Silicatein oder Carboanhydrase oder beiden Enzymen nur sehr geringe Mengen an unlöslichem Si02 (0,014 - 0,019 bzw. 0,022 bzw. 0 - 0,018 bzw. 0,008 OD-Einheiten) gemessen. Ebenfalls wurde auch in Gegenwart von Kollagen alleine nur wenig unlösliches Si02 gebildet (0,008 und 0,032 OD-Einheiten). In Gegenwart von BSA anstelle von Silicatein und Kollagen wurden sowohl mit als auch ohne Carboanhydrase nur sehr geringe Si02-Mengen gemessen (0.015 OD-Einheiten). Der Zusatz von Ca- techol führte zu einer Erniedrigung der Menge an unlöslichem Si02.The experiment shows that maximum amounts of amorphous silica are synthesized in the presence of collagen, silicatein-α and carbonic anhydrase (0.098 - 0.117 OD units) and in the presence of collagen and silicatein-α (0.138 OD units). Smaller amounts of insoluble Si0 2 were determined in the absence of carbonic anhydrase (0.057 OD units) and in the absence of silicatein-α (0.037 and 0.048 OD units). In the absence of collagen, only very small amounts of insoluble SiO 2 (0.014-0.019 or 0.022 or 0-0.018 or 0.008 OD units) were measured either with or without silicatein or carbonic anhydrase or both enzymes. Also in the presence of collagen alone, only a little insoluble Si0 2 was formed (0.008 and 0.032 OD units). In the presence of BSA instead of silicatein and collagen, only very small amounts of Si0 2 were measured (0.015 OD units) both with and without carbonic anhydrase. The addition of catechol led to a reduction in the amount of insoluble SiO 2 .
Figur 8:Figure 8:
In dem hier gezeigten Experiment wurde 100 μM Na-Metasilicat in Abwesenheit oder Gegenwart von 20 bis 400 μg/ml rekombinantem Silicatein-α oder Rinderserumalbumin (BSA; 20 μg /ml) in Puffer (50 mM Tris-HCI pH 7,0, 100 mM NaCI, 0,1 mM ZnS04 und 0,1 mM ß-Mercaptoethanol) für 10 min bei Raumtemperatur inkubiert. Danach wurde - wie in der Figur angegeben - 4 μg/ml rekombinantes Schwamm- Kollagen, 10 μg/ml Carboanhydrase (Rinder-Erythrozyten) und/oder 10 mM Catechol hinzugefügt und für weitere 5 h bei Raumtemperatur inkubiert. Bei allen angegebenen Konzentrationen handelt es sich um die Endkonzentration nach Zusatz jeweils aller Komponenten zu den Ansätzen. Zum Nachweis des gebildeten amorphen Silici- umdioxids wurden die Reaktionsansätze wie in Figur 5 beschrieben weiter behandelt und die Menge an gebildetem unlöslichem Si02 bestimmt. Es wurde gefunden, dass die Menge an unlöslichem Si02 mit zunehmender Konzentration an Carboanhydrase ansteigt (von 0,002 bis 0,050 OD-Einheiten). Eine Präinkubation mit Silicatein-α (10 min) führte zu keiner weiteren Erhöhung, sondern unter den angewandten Bedingungen zu einer Abnahme der Si02-Bildung (0,015 und 0,030). In Gegenwart von BSA anstelle von Silicatein und Kollagen wurden nur sehr geringe Si02-Mengen gemessen (0.020 OD-Einheiten OD-Einheiten). Ohne Zusatz von Catechol waren die Mengen an gebildetem unlöslichem Si02 größer.In the experiment shown here, 100 μM Na metasilicate in the absence or presence of 20 to 400 μg / ml recombinant silicatein-α or bovine serum albumin (BSA; 20 μg / ml) in buffer (50 mM Tris-HCl pH 7.0, 100 mM NaCl, 0.1 mM ZnS0 4 and 0.1 mM β-mercaptoethanol) for 10 min at room temperature. Then - as indicated in the figure - 4 μg / ml recombinant sponge collagen, 10 μg / ml carbonic anhydrase (bovine erythrocytes) and / or 10 mM catechol were added and incubated for a further 5 h at room temperature. All stated concentrations are the final concentrations after adding all components to the batches. To detect the amorphous silicon dioxide formed, the reaction batches were treated further as described in FIG. 5 and the amount of insoluble SiO 2 formed was determined. It was found that the amount of insoluble Si0 2 increased with increasing concentration of carbonic anhydrase (from 0.002 to 0.050 OD units). A pre-incubation with silicatein-α (10 min) did not lead to any further increase, but to a decrease in Si0 2 formation (0.015 and 0.030) under the conditions used. In the presence of BSA instead of silicatein and collagen, only very small amounts of Si0 2 were measured (0.020 OD units OD units). Without the addition of catechol, the amounts of insoluble SiO 2 formed were greater.
Figur 9:Figure 9:
In dem hier gezeigten Experiment wurden 100 μM Na-Metasilicat und 4 μg/ml re- kombinantes Schwamm-Kollagen in Gegenwart von steigenden Konzentrationen (2 bis 20 μg/ml) an Carboanhydrase (aus Rinder-Erythrozyten) in Puffer (50 mM Tris- HCI pH 7,0, 100 mM NaCI, 0,1 mM ZnS04 und 0,1 mM ß-Mercaptoethanol) in Gegenwart von 10 mM Catechol für 2 h bei Raumtemperatur inkubiert. Hierbei stieg die Menge an gebildetem unlöslichem Si02 stark an (von 0,015 bis 0,060 OD-Einheiten). Ebenso stieg die Menge an gebildetem Si02 mit zunehmender Menge an Kollagen (1 ,2 bis 10 μg/ml) stark an (von 0,022 - 0,023 auf 0,068 - 0,070 OD-Einheiten). Eine Erhöhung der Na-Metasilicat-Konzentration führte zu keiner weiteren Steigerung, sondern zu einer Abnahme der Si02-Bildung (bis zu 0,027 OD-Einheiten). In Gegenwart von Rinderserumalbumin (BSA; 20 μg /ml) anstelle von Kollagen wurde nur sehr wenig Si02 gebildet (0,008 OD-Einheiten); in Gegenwart der Carboanhydrase alleine lag die Si02-Bildung dagegen bei 0,019 - 0,029 OD-Einheiten. Ohne Zusatz von Catechol war die Si02-Bildung etwas geringer. Bei den angegebenen Konzentrationen handelt es sich um die Endkonzentration nach Zusatz jeweils aller Komponenten zu den Ansätzen. Zum Nachweis des gebildeten amorphen Siliciumdioxids wurden die Reaktionsansätze wie in Figur 5 beschrieben weiter behandelt und die Menge an gebildetem unlöslichem Si02 bestimmt.In the experiment shown here, 100 μM Na metasilicate and 4 μg / ml recombinant sponge collagen were used in the presence of increasing concentrations (2 to 20 μg / ml) of carbonic anhydrase (from bovine erythrocytes) in buffer (50 mM Tris HCl pH 7.0, 100 mM NaCl, 0.1 mM ZnS0 4 and 0.1 mM β-mercaptoethanol) in the presence of 10 mM catechol for 2 h at room temperature. Here, the amount of insoluble Si0 2 formed increased sharply (from 0.015 to 0.060 OD units). Likewise, the amount of SiO 2 formed increased sharply with an increasing amount of collagen (1.2 to 10 μg / ml) (from 0.022 to 0.023 to 0.068 to 0.070 OD units). An increase in the Na metasilicate concentration did not lead to any further increase, but rather to a decrease in the SiO 2 formation (up to 0.027 OD units). In the presence of bovine serum albumin (BSA; 20 μg / ml) instead of collagen, very little Si0 2 was formed (0.008 OD units); however, in the presence of carbonic anhydrase alone, the Si0 2 formation was 0.019-0.029 OD units. Without the addition of catechol, the Si0 2 formation was somewhat lower. The concentrations given are the final concentrations after adding all components to the batches. To detect the amorphous silicon dioxide formed, the reaction batches were further treated as described in FIG. 5 and the amount of insoluble SiO 2 formed was determined.
Figur 10:Figure 10:
In dem hier gezeigten Experiment wurden 100 μM Si-Catecholat-Komplex in Abwesenheit oder Gegenwart von 20 μg/ml rekombinantem Silicatein-α in Puffer (50 mM Tris-HCI pH 7,0, 100 mM NaCI, 0,1 mM ZnS04 und 0,1 mM ß-Mercaptoethanol) für 10 min bei Raumtemperatur inkubiert. Danach wurde - wie in der Figur angegeben - entweder rekombinantes Schwamm-Kollagen (1 bis 4 μg/ml) oder gereinigtes Rinder- Kollagen (2 bis 10 μg/ml) sowie 10 μg/ml Carboanhydrase (aus Rinder-Erythrozyten) hinzugefügt und für weitere 3 h bei Raumtemperatur inkubiert. Bei den angegebenen Konzentrationen handelt es sich um die Endkonzentration nach Zusatz jeweils aller Komponenten zu den Ansätzen. Zum Nachweis des gebildeten amorphen Silicium- dioxids wurden die Reaktionsansätze wie in Figur 5 beschrieben weiter behandelt und die Menge an gebildetem unlöslichem Si02 bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass bei Zusatz steigender Mengen an fibrillärem Kollagen (Rind) - im Gegensatz zu rekombinantem, nicht-fibrillärem Schwamm-Kollagen - die Menge an gebildetem unlöslichem Si02 zunächst ansteigt, aber dann wieder abfällt. Ebenso wie bei der Benutzung von Na-Metasilicat (siehe Figur 7) stieg die Menge an gebildetem Si02 mit zunehmender Menge an Schwamm-Kollagen (1 bis 4 μg/ml) stark an (von 0,002 auf 0,010 OD-Einheiten). Ähnlich wie bei den mit Na-Metasilicat erhaltenen Ergebnissen (siehe Figur 5) war die Si02-Bildung in Gegenwart von Catechol geringer, was durch eine Verschiebung des Gleichgewichts in Richtung Si-Catecholat-Komplex erklärt werden kann. In Gegenwart der Carboanhydrase alleine wurde kein unlösliches Si02 gebildet (nicht gezeigt in der Abbildung). Eine Erhöhung der Konzentration von rekombinantem Silicatein-α auf 40 und 400 μg/ml führte zu einer Abnahme der Si02- Bildung (nicht gezeigt in der Abbildung).In the experiment shown here, 100 μM Si-catecholate complex in the absence or presence of 20 μg / ml recombinant silicatein-α in buffer (50 mM Tris-HCl pH 7.0, 100 mM NaCl, 0.1 mM ZnS0 4 and 0.1 mM β-mercaptoethanol) for 10 min at room temperature. Then - as indicated in the figure - either recombinant sponge collagen (1 to 4 μg / ml) or purified bovine collagen (2 to 10 μg / ml) and 10 μg / ml carbonic anhydrase (from bovine erythrocytes) added and incubated for a further 3 h at room temperature. The concentrations given are the final concentrations after adding all components to the batches. To detect the amorphous silicon dioxide formed, the reaction batches were treated further as described in FIG. 5 and the amount of insoluble SiO 2 formed was determined. The results show that with the addition of increasing amounts of fibrillar collagen (cattle) - in contrast to recombinant, non-fibrillary sponge collagen - the amount of insoluble Si0 2 formed initially increases, but then drops again. As with the use of Na metasilicate (see FIG. 7), the amount of SiO 2 formed increased sharply with increasing amount of sponge collagen (1 to 4 μg / ml) (from 0.002 to 0.010 OD units). Similar to the results obtained with Na metasilicate (see FIG. 5), the SiO 2 formation was lower in the presence of catechol, which can be explained by a shift in the equilibrium towards the Si catecholate complex. In the presence of the carbonic anhydrase alone, no insoluble Si0 2 was formed (not shown in the figure). Increasing the concentration of recombinant silicatein-α to 40 and 400 μg / ml led to a decrease in Si0 2 formation (not shown in the figure).
Figur 11:Figure 11:
Gezeigt ist der Nachweis der gebildeten Silica-Produkte mit Hilfe eines "High Performance Field Emission Electron Probe Microanaiyzer (EPMA)". Die Inkubation wurde in Abwesenheit (= Kontrolle) oder in Gegenwart von 50 μg/ml Carboanhydrase (aus Rinder-Erythrozyten; Firma Calbiochem) und 30 μg/ml Kollagen in Puffer (50 mM Tris-HCI pH 7,0, 100 mM NaCI, 0,1 mM ZnS04 und 0,1 mM ß-Mercaptoethanol) mit 1 mM Na-Metasilicat bei Raumtemperatur durchgeführt. Die Inkubationszeit für betrug 4 h. Gezeigt sind die Ergebnisse der Element-Analyse für Si in einem Ansatz mit Carboanhydrase und Kollagen (A) und einer Kontrolle (Abwesenheit von Carboanhydrase und Kollagen; B).The evidence of the silica products formed is shown with the aid of a "High Performance Field Emission Electron Probe Microanaiyzer (EPMA)". The incubation was carried out in the absence (= control) or in the presence of 50 μg / ml carbonic anhydrase (from bovine erythrocytes; Calbiochem company) and 30 μg / ml collagen in buffer (50 mM Tris-HCl pH 7.0, 100 mM NaCl, 0.1 mM ZnS0 4 and 0.1 mM β-mercaptoethanol) with 1 mM Na metasilicate at room temperature. The incubation period was 4 hours. The results of the element analysis for Si are shown in a batch with carbonic anhydrase and collagen (A) and a control (absence of carbonic anhydrase and collagen; B).
3. Herstellung und Nachweis der für das Verfahren benötigten Komponenten3. Production and verification of the components required for the process
3.1. Herstellung der Silicase Die Reinigung der Silicase aus natürlichen Quellen wie Geweben oder Zellen sowie die rekombinante Herstellung des Enzyms wurden beschrieben und sind Stand der Technik (DE 102 46 186.4. Abbau und Modifizierung von Silicaten und Siliconen durch Silicase und Verwendung des reversiblen Enzyms. Deutsches Patentamt 2002. Anmelder: Johannes Gutenberg-Universität Mainz; Erfinder: Müller WEG, Krasko A, Schröder HC; PCT/EP03/10983. Abbau und Modifizierung von Silicaten und Siliconen durch Silicase und Verwendung des reversiblen Enzyms. European Patent Office 2003. Applicant: Johannes Gutenberg-Universität Mainz. Inventors: Müller WEG, Krasko A, Schröder HC).3.1. Production of the silicase The purification of the silicase from natural sources such as tissues or cells and the recombinant production of the enzyme have been described and are state of the art (DE 102 46 186.4. Degradation and modification of silicates and silicones by silicase and use of the reversible enzyme. German Patent Office 2002. Applicant : Johannes Gutenberg University Mainz; inventor: Müller WEG, Krasko A, Schröder HC; PCT / EP03 / 10983. Degradation and modification of silicates and silicones by silicase and use of the reversible enzyme. European Patent Office 2003. Applicant: Johannes Gutenberg University Mainz.Inventors: Müller WEG, Krasko A, Schröder HC).
Die für die Silicase aus dem Meeresschwamm S. domuncula codierende cDNA SDSIA) sowie das aus der Nucleotidsequenz abgeleitete Polypeptid (SIA_SUBDO) besitzen folgende Eigenschaften. Länge der cDNA: 1395 Nucleotide (nt); offenes Leseraster: von ntι22 - ntι24 bis ntι259 - ntι26i (Stoppcodon); Länge des Polypeptids: 379 Aminosäuren; relative Molekülmasse (Mr) des Polypeptids: 43131; isoelektrischer Punkt (pl): 6,5.The cDNA SDSIA) coding for the silicase from the sea sponge S. domuncula and the polypeptide (SIA_SUBDO) derived from the nucleotide sequence have the following properties. Length of the cDNA: 1395 nucleotides (nt); open reading grid: from ntι 22 - ntι 24 to ntι 259 - ntι 26 i (stop codon); Length of the polypeptide: 379 amino acids; molecular weight (M r ) of the polypeptide: 43131; isoelectric point (pl): 6.5.
Für die hier beschriebenen Experimente wurde die rekombinante S. domuncula Silicase als Glutathion S-Transferase (GST)-Fusionsprotein hergestellt. Sowohl ein langes als auch ein verkürztes Fragment der für die S. domuncula Silicase codierende cDNA (genannt: SDSIA) wurden in ein pGEX-4T-2-Plasmid kloniert, welches das GST-Gen enthielt (Figur 2). Gezeigt sind im Folgenden die Ergebnisse für die gereinigte kurze Form der Silicase mit einer Größe von 32 kDa; analoge Ergebnisse werden für die lange Form (Mr 43 kDa), die jedoch weniger effizient ist, erhalten.For the experiments described here, the recombinant S. domuncula silicase was produced as a glutathione S-transferase (GST) fusion protein. Both a long and a shortened fragment of the cDNA coding for S. domuncula silicase (called: SDSIA) were cloned into a pGEX-4T-2 plasmid which contained the GST gene (FIG. 2). The results for the purified short form of the silicase with a size of 32 kDa are shown below; Analogous results are obtained for the long form (M r 43 kDa), which is however less efficient.
Eine weitere Alternative ist die Herstellung der rekombinanten Silicase in E. coli unter Benutzung des Oligo-Histidin-Expressionsvektors pBAD/gl|IA (Invitrogen), bei dem auf Grund der Gen Ill-Signalsequenz das rekombinante Protein in den periplasmati- schen Raum sezerniert wird (Figur 3). Die für die Silicase kodierende cDNA-Sequenz (kurze Form) wird mittels PCR unter Verwendung folgender Primer amplifiziert: Forward primer: ATACTC GAG TCG AAA TGC CAC CGT CAC TTC TCC ACA TCA und Reverse primer: ATATCT AGA AA CCA ATA TAT CTT CCT GAC CAG CTC TCT; und in pBAD/glllA einkloniert (Restriktionsnucleasen zur Insertion in den Expressi- onsvektor: Xnol und Xba\). Nach Transformation von E. coli XL1-Blue wird die Expression des Fusionsproteins mit L-Arabinose induziert.Another alternative is the production of the recombinant silicase in E. coli using the oligo-histidine expression vector pBAD / gl | IA (Invitrogen), in which the recombinant protein is secreted into the periplasmic space on the basis of the gene III signal sequence (Figure 3). The cDNA sequence (short form) coding for the silicase is amplified by PCR using the following primers: Forward primer: ATACTC GAG TCG AAA TGC CAC CGT CAC TTC TCC ACA TCA and Reverse primer: ATATCT AGA AA CCA ATA TAT CTT CCT GAC CAG CTC TCT; and cloned into pBAD / glllA (restriction nucleases for insertion in the expression onsvektor: Xnol and Xba \). After transformation of E. coli XL1-Blue, the expression of the fusion protein with L-arabinose is induced.
Ebenso kann auch ein Insert benutzt werden, welches das gesamte abgeleitete Sili- case-Protein (lange Form) umfasst.It is also possible to use an insert which comprises the entire derived silicone protein (long form).
3.2. Herstellung von Silicatein3.2. Manufacture of silicatein
Die Reinigung des Silicatein-α und des Silicatein-ß aus natürlichen Quellen wie Geweben oder Zellen sowie die rekombinante Herstellung der Enzyme wurden beschrieben und sind Stand der Technik (DE 10037270 A 1. Silicatein-vermittelte Synthese von amorphen Silicaten und Siloxanen und ihre Verwendung. Deutsches Patentamt 2000. Anmelder und Erfinder: Müller WEG, Lorenz B, Krasko A, Schröder HC; PCT/EP01/08423. Silicatein-mediated synthesis of amorphous silicates and si- loxanes and use thereof. Inventors/Applicants: Müller WEG, Lorenz B, Krasko A, Schröder HC; DE 103 52 433.9. Enzymatische Synthese, Modifikation und Abbau von Silicium(IV)- und anderer Metall(IV)-Verbindungen. Deutsches Patentamt 2003. Anmelder: Johannes Gutenberg-Universität Mainz; Erfinder: Müller WEG, Schwertner H, Schröder HC).The purification of the silicatein-α and the silicatein-β from natural sources such as tissues or cells and the recombinant production of the enzymes have been described and are state of the art (DE 10037270 A 1. Silicatein-mediated synthesis of amorphous silicates and siloxanes and their use. German Patent Office 2000. Applicant and inventor: Müller WEG, Lorenz B, Krasko A, Schröder HC; PCT / EP01 / 08423. Silicatein-mediated synthesis of amorphous silicates and siloxanes and use thereof. Inventors / Applicants: Müller WEG, Lorenz B , Krasko A, Schröder HC; DE 103 52 433.9. Enzymatic synthesis, modification and degradation of silicon (IV) and other metal (IV) compounds. German Patent Office 2003. Applicant: Johannes Gutenberg University Mainz; Inventor: Müller WEG, Schwertner H, Schröder HC).
Für die hier beschriebenen Experimente erfolgte die Herstellung des rekombinanten Silicatein-α in E. coli unter Benutzung des Oligo-Histidin-Expressionsvektors pBAD/glllA (Invitrogen), bei dem auf Grund der Gen Ill-Signalsequenz das rekombinante Protein in den periplasmatischen Raum sezerniert wird. Die für das Silicatein-α kodierende cDNA-Sequenz (kurze Form) wurde mittels PCR unter Verwendung folgender Primer amplifiziert: Forward primer: TAT CC ATG GAC TAC CCT GAA GCT GTA GAC TGG AGA ACC und Reverse primer: TAT T CTA GA A TTA TAG GGT GGG ATA AGA TGC ATC GGT AGC; und in pBAD/glllA einkloniert (Restriktionsnu- cleasen zur Insertion in den Expressionsvektor: Λ/col und Xba\). Nach Transformation von E. coli XL1-Blue wurde die Expression des Fusionsproteins mit L-Arabinose induziert. Das rekombinante Schwamm-Silicatein-Polypeptid (kurze Form) besitzt ein Molekulargewicht von -28,5 kDa (~26 kDa Silicatein plus 2 kDa Vektor) und einen isolelek- trischen Punkt von pl 6,16.For the experiments described here, the recombinant silicatein-α was produced in E. coli using the oligo-histidine expression vector pBAD / glllA (Invitrogen), in which the recombinant protein is secreted into the periplasmic space on the basis of the gene III signal sequence , The cDNA sequence (short form) coding for the silicatein-α was amplified by PCR using the following primers: forward primer: TAT CC ATG GAC TAC CCT GAA GCT GTA GAC TGG AGA ACC and reverse primer: TAT T CTA GA A TTA TAG GGT GGG ATA AGA TGC ATC GGT AGC; and cloned into pBAD / glllA (restriction nucleases for insertion into the expression vector: Λ / col and Xba \). After transformation of E. coli XL1-Blue, the expression of the fusion protein was induced with L-arabinose. The recombinant sponge silicatein polypeptide (short form) has a molecular weight of -28.5 kDa (~ 26 kDa silicatein plus 2 kDa vector) and an isol-electric point of pI 6.16.
Ebenso kann auch ein Insert benutzt werden, welches das gesamte abgeleitete Sili- catein-α-Protein (lange Form) umfasst.It is also possible to use an insert which comprises the entire derived silicacein α-protein (long form).
3.3. Herstellung von Schwammkollagen3.3. Production of sponge collagen
Sowohl natives Kollagen (aus Vertebraten wie beispielsweise Rinderkollagen sowie aus Invertebraten (wie beispielsweise aus marinen Demospongien) als auch rekom- binantes Kollagen (insbesondere aus dem marinen Schwamm S. domuncula) kann als Template benutzt werden. Im folgenden werden einige Verfahren zu ihrer Darstellung beschrieben.Both native collagen (from vertebrates such as bovine collagen and from invertebrates (such as from marine demospongia) as well as recombinant collagen (in particular from the marine sponge S. domuncula) can be used as a template. Some methods for their presentation are described below ,
3.3.1. Isolierung von nativem Schwamm-Kollagen3.3.1. Isolation of native sponge collagen
Ein einfaches Verfahren zur Isolierung von Kollagen aus verschiedenen marinen Schwämmen wurde beschrieben (DE 100 10 113 A 1. Verfahren zur Isolierung von Schwammkollagen sowie Herstellung von nanopartikulärem Kollagen. Anmelder: W. Schatton. Erfinder: Kreuter J, Müller WEG, Schatton W, Swatschek D, Schatton M; Swatschek et al. (2002) Eur J Pharm Biopharm 53:107-113). Das Schwammkollagen wird dabei mit hoher Ausbeute (> 30%) erhalten.A simple process for isolating collagen from various marine sponges has been described (DE 100 10 113 A 1. Process for isolating sponge collagen and producing nanoparticulate collagen. Applicant: W. Schatton. Inventor: Kreuter J, Müller WEG, Schatton W, Swatschek D, Schatton M; Swatschek et al. (2002) Eur J Pharm Biopharm 53: 107-113). The sponge collagen is obtained with a high yield (> 30%).
3.3.2. Herstellung von rekombinantem Schwamm-Kollagen3.3.2. Production of recombinant sponge collagen
Der zur Herstellung des rekombinanten Kollagens verwendete Klon codiert für ein nichtfibrilläres Kollagen (Kollagen 3) aus dem Meeresschwamm Suberites domuncula; dieses Kollagen besitzt den Vorteil, dass es (1) ein relativ niedriges Molekulargewicht hat und (2) posttranslational nicht weiter modifiziert wird.The clone used to produce the recombinant collagen codes for a non-fibrillary collagen (collagen 3) from the sea sponge Suberites domuncula; this collagen has the advantage that it (1) has a relatively low molecular weight and (2) is not further modified post-translationally.
Die für das Schwamm-Kollagen 3 kodierende cDNA-Sequenz kann mittels PCR unter Verwendung geeigneter Primer amplifiziert und in einen geeigneten Expressions- vektor subkloniert werden. Mit Erfolg wurde die Expression unter anderem mit den bakteriellen Oligo-Histidin-Expressionsvektoren pBAD/glllA (Invitrogen) und pQTK_1 (Qiagen) durchgeführt. Als Primer für die PCR (bei anschließender Verwendung von pBAD/glllA) können dienen; Forward primer: TAT cc atg gTG GCA ATA TCA GGT CAG GCT ATA GGA CCT C und Reverse primer: TAT AA GC TT CGC TTT GTG CAG ACA ACA CAG TTC AGT TC; Restriktionsnucleasen zur Insertion in den Expressionsvektor: Λ/col und -//ndlll. Nach Transformation von Escherichia co//-Stamm XL1-Blue mit dem Plasmid (Expressionsvektor) wird die Expression des Fusionsproteins mit L-Arabinose (bei pBAD/glllA) bzw. mit Isopropyl-ß-D-thiogalactopyranosid (IPTG; bei pQTK_1) induziert. Der Expressionsvektor pBAD/glllA besitzt den Vorteil, dass auf Grund der Gen Ill-Signalsequenz das rekombinante Protein in den peri- plasmatischen Raum sezemiert wird. Die Signalsequenz wird nach der Membran- Passage entfernt. Bei Verwendung von pQTK_1 werden die Bakterien mit PBS/8 M Harnstoff extrahiert. Nach Ultrabeschallung wird die Suspension zentrifugiert. Die Reinigung des Fusionsproteins aus dem Überstand erfolgt durch Metall-Chelat- Affinitätschromatographie unter Benutzung einer Ni-NTA-Agarose-Matrix (Qiagen), wie von Hochuli et al. (J Chromatogr 411:177-184; 1987) beschrieben. Der Extrakt wird auf die Säule gegeben; anschließend wird mit PBS/Hamstoff gewaschen und das Fusionsprotein von der Säule mit 150 mM Imidazol in PBS/Harnstoff eluiert.The cDNA sequence coding for the sponge collagen 3 can be amplified by means of PCR using suitable primers and converted into a suitable expression vector to be subcloned. The expression was carried out successfully, inter alia, with the bacterial oligo-histidine expression vectors pBAD / glllA (Invitrogen) and pQTK_1 (Qiagen). Can serve as primers for the PCR (with subsequent use of pBAD / glllA); Forward primer: TAT cc atg gTG GCA ATA TCA GGT CAG GCT ATA GGA CCT C and reverse primer: TAT AA GC TT CGC TTT GTG CAG ACA ACA CAG TTC AGT TC; Restriction nucleases for insertion into the expression vector: Λ / col and - // ndlll. After transformation of Escherichia co // strain XL1-Blue with the plasmid (expression vector), expression of the fusion protein is induced with L-arabinose (for pBAD / glllA) or with isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside (IPTG; for pQTK_1) , The expression vector pBAD / glllA has the advantage that, based on the gene III signal sequence, the recombinant protein is secreted into the periplasmic space. The signal sequence is removed after the membrane passage. When using pQTK_1, the bacteria are extracted with PBS / 8 M urea. After sonication, the suspension is centrifuged. The fusion protein is purified from the supernatant by metal chelate affinity chromatography using a Ni-NTA agarose matrix (Qiagen), as described by Hochuli et al. (J Chromatogr 411: 177-184; 1987). The extract is placed on the column; it is then washed with PBS / urea and the fusion protein is eluted from the column with 150 mM imidazole in PBS / urea.
Die Charakterisierung der Kollagen-Präparationen erfolgt über SDS-PAGE, Bestimmung der Aminosäurezusammensetzung, des isoelektrischen Punkts sowie durch Elektronenmikroskopie.The collagen preparations are characterized by SDS-PAGE, determination of the amino acid composition, the isoelectric point and by electron microscopy.
Molekulargewicht, isoelektrischer Punkt: Die Bestimmung der Molekulargewichte kann durch SDS-PAGE erfolgen. Das Molekulargewicht des Proteins, das nach Expression der unter Benutzung der oben genannten Primer amplifizierten cDNA erhalten wird, beträgt ~ 28,5 kDa.Molecular weight, isoelectric point: The molecular weights can be determined by SDS-PAGE. The molecular weight of the protein obtained after expression of the cDNA amplified using the above primers is ~ 28.5 kDa.
Der isoelektrische Punkt (IEP) kann durch Titration in wässriger Lösung bestimmt werden. Der IEP von Schwammkollagen liegt meist bei pH 6,5 - 8,5 (zum Vergleich, IEP von Rinderkollagen: pH 7,0 ± 0,09). Das aus der SEQ ID No. 8 gezeigten cDNA abgeleitete Peptid (siehe SEQ ID No. 7) besitzt einen vorhergesagten isoelektrischen Punkt von 8,185. Die Ladung bei pH 7,0 ist 4,946. Aminosäurezusammensetzung: Die Bestimmung der Aminosäurezusammensetzung kann mit Hilfe eines automatischen Aminosäureanalysators durchgeführt werden.The isoelectric point (IEP) can be determined by titration in aqueous solution. The IEP of sponge collagen is usually at pH 6.5 - 8.5 (for comparison, IEP of bovine collagen: pH 7.0 ± 0.09). That from SEQ ID No. 8 cDNA-derived peptide shown (see SEQ ID No. 7) has a predicted isoelectric point of 8.185. The charge at pH 7.0 is 4,946. Amino acid composition: The determination of the amino acid composition can be carried out with the help of an automatic amino acid analyzer.
Elektronenmikroskopie. Die elektronenmikroskopische Charakterisierung des isolierten Schwammkollagens kann durch Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) erfolgen. Dazu wird die gefriergetrocknete Kollagenprobe mit einer 2%igen Phosphorwolframsäure negativ kontrastiert (Harris, Negative staining and cryoelectron micros- copy. Royal Microscopical Society Microscopy Handbook No 35. BIOS Scientific Publishers Ltd, Oxford, UK).Electron microscopy. The electron-microscopic characterization of the isolated sponge collagen can be carried out by transmission electron microscopy (TEM). For this purpose, the freeze-dried collagen sample is contrasted negatively with a 2% phosphotungstic acid (Harris, Negative staining and cryoelectron microscopy. Royal Microscopical Society Microscopy Handbook No 35.BIOS Scientific Publishers Ltd, Oxford, UK).
3.4. Nachweis der Silicase-Aktivität3.4. Detection of silicase activity
Die Methode zum Nachweis der Silicase-Aktivität von (kommerziellen) Carboanhy- drasen-Präparationen (z. B. aus Rinder-Erythrozyten; Firma Calbiochem) bzw. der rekombinanten Schwamm-Silicase wurde beschrieben (DE 102 46 186.4; PCT/EP03/10983).The method for detecting the silicase activity of (commercial) carbonic anhydride preparations (eg from bovine erythrocytes; Calbiochem company) or the recombinant sponge silicase has been described (DE 102 46 186.4; PCT / EP03 / 10983 ).
3.5. Nachweis der Silicatein-Aktivität3.5. Detection of silicatein activity
Die Methode zum Nachweis der Silicatein-Aktivität (Silicatein-α und Silicatein-ß) wurde beschrieben (PCT/US99/30601; DE 10037270 A 1; PCT/EP01/08423; DE 103 52 433.9).The method for the detection of silicatein activity (silicatein-α and silicatein-β) has been described (PCT / US99 / 30601; DE 10037270 A 1; PCT / EP01 / 08423; DE 103 52 433.9).
Die Kieselsäure kann z. B. mit Hilfe eines Molybdat-gestützten Nachweisverfahrens, wie z. B. dem kolorimetrischen "Silicon Test" (Merck; 1.14794), quantitativ bestimmt werden. Die Menge an Kieselsäure kann anhand einer Kalibrierungskurve mit einem Siliciumstandard (Merck 1.09947) aus den Extinktionswerten bei 810 nm berechnet werden.The silica can e.g. B. with the help of a molybdate-based detection method, such as. B. the colorimetric "Silicon Test" (Merck; 1.14794) can be determined quantitatively. The amount of silica can be calculated from the absorbance values at 810 nm using a calibration curve with a silicon standard (Merck 1.09947).
4. Beschreibung des Verfahrens der Silica-Svnthese4. Description of the method of silica synthesis
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird Kieselsäure in Form eines Metasilicats (Natriumsalz oder Salz eines anderen Alkali-, Erdalkali- oder Metallions), Silicium- Komplexes (der mit freier Orthokieselsäure bzw. Orthosilicat im Gleichgewicht steht; beispielsweise Silicium-Catecholat [Dikaliumtricatecholatosilicium] oder in Form von Orthokieselsäure bzw. eines Orthosilicats in einem geeigneten Puffer (beispielsweise 50 mM Tris-HCI pH 7,0, 100 mM NaCI, 0,1 mM ZnS04 und 0,1 mM ß- Mercaptoethanol oder anderer Puffer; die Gegenwart von Zn ist vorteilhaft bei der Inkubation mit Silicase oder Carboanhydrasen, die Zn-Enzyme darstellen) über einen für die gewünschte Menge des gebildeten Silica-Produktes (amorphes Siliciumdioxid) angepassten Zeitraum mit einem Template und einem Enzym inkubiert. Die Inkubation kann bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt werden. Als vorteilhaft hat sich Raumtemperatur (22°C) erwiesen, aber auch höhere (z. B. 37°C) oder niedrigere Temperaturen (z. B. 15°C) wurden mit Erfolg angewandt.In the process according to the invention, silica is in the form of a metasilicate (sodium salt or salt of another alkali, alkaline earth or metal ion), silicon Complex (which is in equilibrium with free orthosilicic acid or orthosilicate; for example silicon catecholate [dipotassium tricatecholatosilicon] or in the form of orthosilicic acid or an orthosilicate in a suitable buffer (for example 50 mM Tris-HCl pH 7.0, 100 mM NaCl, 0 , 1 mM ZnS0 4 and 0.1 mM ß-mercaptoethanol or other buffer; the presence of Zn is advantageous in the incubation with silicase or carbonic anhydrases, which are Zn enzymes) over a for the desired amount of the silica product formed (amorphous Silicon dioxide) adapted period with a template and an enzyme. The incubation can be carried out at different temperatures. Room temperature (22 ° C.) has proven to be advantageous, but also higher (eg 37 ° C.) or lower temperatures (eg B. 15 ° C) were used successfully.
Das Metasilicat kann hierzu entweder in dem benutzten Puffer gelöst werden oder zuvor (eventuell als höher konzentrierte Stock-Lösung) in einer alkalischen Lösung (wie 0,01 N NaOH). Im letzteren Fall muss die erhaltene Metasilicat-Lösung neutralisiert werden (vorteilhafter pH: 7,2).For this purpose, the metasilicate can either be dissolved in the buffer used or previously (possibly as a higher concentrated stock solution) in an alkaline solution (such as 0.01 N NaOH). In the latter case, the metasilicate solution obtained must be neutralized (advantageous pH: 7.2).
Bei dem Template handelt es sich um ein oder mehrere unterschiedliche Moleküle, Molekülaggregate oder Oberflächen, die funktioneile Gruppen besitzen, die mit Orthokieselsäure, oligomeren oder polymeren Kieselsäuren sowie deren Salzen (Or- thosilicate, Metasilicate) in Wechselwirkung treten.The template is one or more different molecules, molecular aggregates or surfaces which have functional groups which interact with orthosilicic acid, oligomeric or polymeric silicic acids and their salts (orthosilicates, metasilicates).
Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn es sich bei den Hydroxylgruppenenthaltenden Molekülen um Kollagen oder um ein Silicatein handelt (siehe Figur 7- 10).It has proven to be advantageous if the molecules containing the hydroxyl groups are collagen or a silicatein (see FIGS. 7-10).
Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn es sich bei dem Kollagen um ein Kollagen aus einem Schwamm handelt, insbesondere um ein Kollagen gemäß SEQ ID Nr. 7 oder ein dazu homologes Polypeptid, das in seiner Aminosäuresequenz mindestens 25%, bevorzugt mindestens 50%, weiter bevorzugt mindestens 75% und am meisten bevorzugt mindestens 95% Sequenzidentität zu der in SEQ ID Nr. 7 gezeigten Sequenz besitzt, oder Teile davon. Bei dem in SEQ ID Nr. 7 angegebenen Kollagen handelt es sich um ein nicht-fibrilläres Kollagen (Kollagen 3) aus dem Meeresschwamm S. domuncula. Dieses Kollagen erwies sich effizienter als fi- brilläres Rinder-Kollagen (siehe Figur 10).It has turned out to be particularly advantageous if the collagen is a collagen from a sponge, in particular a collagen according to SEQ ID No. 7 or a polypeptide homologous thereto, which has at least 25%, preferably at least 50%, in its amino acid sequence. more preferably has at least 75% and most preferably at least 95% sequence identity to the sequence shown in SEQ ID No. 7, or parts thereof. The collagen specified in SEQ ID No. 7 is a non-fibrillary collagen (collagen 3) the sea sponge S. domuncula. This collagen was found to be more efficient than fibrillar bovine collagen (see Figure 10).
Als besonders vorteilhaft hat sich weiterhin herausgestellt, wenn es sich bei dem Silicatein um ein Silicatein aus einem Schwamm gemäß SEQ ID Nr. 3 oder ein dazu homologes Polypeptid handelt, das in seiner Aminosäuresequenz mindestens 25%, bevorzugt mindestens 50%, weiter bevorzugt mindestens 75% und am meisten bevorzugt mindestens 95% Sequenzidentität zu der in SEQ ID Nr. 3 gezeigten Sequenz besitzt, oder Teile davon (siehe Figur 7-10).It has also proven to be particularly advantageous if the silicatein is a silicatein from a sponge according to SEQ ID No. 3 or a polypeptide homologous to it which has at least 25%, preferably at least 50%, more preferably at least 75 in its amino acid sequence % and most preferably at least 95% has sequence identity to the sequence shown in SEQ ID No. 3, or parts thereof (see FIGS. 7-10).
Neben Silicatein-α (SEQ ID Nr. 3) kann auch Silicatein-ß (SEQ ID Nr. 5) oder ein dazu homologes Polypeptid handelt, das in seiner Aminosäuresequenz mindestens 25%, bevorzugt mindestens 50%, weiter bevorzugt mindestens 75% und am meisten bevorzugt mindestens 95% Sequenzidentität zu der in SEQ ID Nr. 5 gezeigten Sequenz besitzt, oder Teile davon verwendet werden.In addition to silicatein-α (SEQ ID No. 3), silicatein-β (SEQ ID No. 5) or a polypeptide homologous to it can also be active, the amino acid sequence of which is at least 25%, preferably at least 50%, more preferably at least 75% and am most preferably has at least 95% sequence identity to the sequence shown in SEQ ID No. 5, or parts thereof are used.
Auch eine Mischung von einem oder mehreren Templaten (beispielsweise Kollagen und Silicatein) kann verwendet werden (siehe Figuren 7-10).A mixture of one or more templates (for example collagen and silicatein) can also be used (see FIGS. 7-10).
Das Kollagen aus einem Schwamm gemäß SEQ ID Nr. 7 oder ein dazu homologes Polypeptid, das in seiner Aminosäuresequenz mindestens 25%, bevorzugt mindestens 50%, weiter bevorzugt mindestens 75% und am meisten bevorzugt mindestens 95% Sequenzidentität zu der in SEQ ID Nr. 7 gezeigten Sequenz besitzt, oder Teile davon, kann sowohl in vivo, in einem Zellextrakt oder -lysat oder in gereinigter Form zur Verfügung gestellt werden.The collagen from a sponge according to SEQ ID No. 7 or a polypeptide homologous thereto, which in its amino acid sequence has at least 25%, preferably at least 50%, more preferably at least 75% and most preferably at least 95% sequence identity to that in SEQ ID No. 7, or parts thereof, can be provided both in vivo, in a cell extract or lysate or in purified form.
Bei dem Enzym handelt es sich um ein Polypeptid einer Silicase aus Sube tes domuncula gemäß SEQ ID Nr. 1 oder ein dazu homologes Polypeptid, das in der Aminosäuresequenz der Carboanhydrase-Domäne mindestens 25%, bevorzugt mindestens 50%, weiter bevorzugt mindestens 75% und am meisten bevorzugt mindestens 95% Sequenzidentität zu der in SEQ ID Nr. 1 gezeigten Sequenz besitzt, ein Metallkomplex des Polypeptids, oder Teile davon (siehe Figuren 7-10). Das Polypeptid einer Silicase aus S. domuncula gemäß SEQ ID Nr. 1 oder ein dazu homologes Polypeptid, das in der Aminosäuresequenz der Carboanhydrase-Domäne mindestens 25%, bevorzugt mindestens 50%, weiter bevorzugt mindestens 75% und am meisten bevorzugt mindestens 95% Sequenzidentität zu der in SEQ ID Nr. 1 gezeigten Sequenz besitzt, kann sowohl in vivo, in einem Zellextrakt oder -lysat oder in gereinigter Form zur Verfügung gestellt werden.The enzyme is a polypeptide of a silicase from Sube tes domuncula according to SEQ ID No. 1 or a homologous polypeptide which in the amino acid sequence of the carbonic anhydrase domain is at least 25%, preferably at least 50%, more preferably at least 75% and most preferably has at least 95% sequence identity to the sequence shown in SEQ ID No. 1, a metal complex of the polypeptide, or parts thereof (see Figures 7-10). The polypeptide of a S. domuncula silicase according to SEQ ID No. 1 or a polypeptide homologous thereto which is in the amino acid sequence of the carbonic anhydrase domain at least 25%, preferably at least 50%, more preferably at least 75% and most preferably at least 95% sequence identity to the sequence shown in SEQ ID No. 1 can be provided both in vivo, in a cell extract or lysate or in purified form.
Vorteilhaft ist auch die Verwendung kommerzieller Carboanhydrasen, wie der Carboanhydrase von Rinder-Erythrozyten (siehe Figur 7-10).It is also advantageous to use commercial carbonic anhydrases, such as the carbonic anhydrase from bovine erythrocytes (see FIGS. 7-10).
Der Zusatz von Catechol, das freie Kieselsäure komplexiert, führt zu einer Erniedrigung der Menge an unlöslichem Si02 (siehe Figur 7 und 10).The addition of catechol, which complexes free silica, leads to a reduction in the amount of insoluble SiO 2 (see FIGS. 7 and 10).
Maximale Mengen an amorphem Silica werden in Gegenwart von Kollagen, Silicatein und Carboanhydrase sowie in Gegenwart von Kollagen und Silicatein synthetisiert (siehe Figur 7). Geringere Mengen an unlöslichem Si02 werden in Gegenwart von Kollagen und Carboanhydrase erhalten (siehe Figur 7). Eine Präinkubation mit Silicatein kann in Abhängigkeit von den angewandten Bedingungen (Inkubationszeit) auch zu einer Abnahme der Si02-Bildung führen (siehe Figur 8). In Abwesenheit von Kollagen werden mit Silicatein oder Carboanhydrase oder beiden Enzymen nur sehr geringe Mengen an unlöslichem Si02 gebildet (siehe Figur 7). Ebenfalls wird in Gegenwart von Kollagen alleine nur wenig unlösliches Si02 gebildet (siehe Figur 7). Kontrollexperimente mit BSA anstelle von Silicatein und Kollagen als Template zeigen nur eine sehr geringe Bildung von unlöslichem Si02 (siehe Figuren 7-9).Maximum amounts of amorphous silica are synthesized in the presence of collagen, silicatein and carbonic anhydrase as well as in the presence of collagen and silicatein (see Figure 7). Smaller amounts of insoluble Si0 2 are obtained in the presence of collagen and carbonic anhydrase (see Figure 7). Depending on the conditions used (incubation time), preincubation with silicatein can also lead to a decrease in Si0 2 formation (see FIG. 8). In the absence of collagen, only very small amounts of insoluble SiO 2 are formed with silicatein or carbonic anhydrase or both enzymes (see FIG. 7). Likewise, only slightly insoluble SiO 2 is formed in the presence of collagen (see FIG. 7). Control experiments with BSA instead of silicatein and collagen as a template show only a very slight formation of insoluble SiO 2 (see FIGS. 7-9).
Die Menge an gebildetem unlöslichem Si02 steigt mit zunehmender Konzentration an Carboanhydrase an (siehe Figur 8 und 9).The amount of insoluble Si0 2 formed increases with increasing concentration of carbonic anhydrase (see FIGS. 8 and 9).
Weiterhin hängt die Menge an gebildetem Si02 von der Konzentration des verwendeten Templates ab; eine Zunahme wird mit steigender Konzentration beispielsweise von Silicatein-α (siehe Figur 8) oder von Kollagen gefunden (siehe Figur 9).Furthermore, the amount of Si0 2 formed depends on the concentration of the template used; an increase is found with increasing concentration of, for example, silicatein-α (see FIG. 8) or collagen (see FIG. 9).
Eine Erhöhung der Na-Metasilicat-Konzentration führte zu keiner weiteren Steigerung, sondern zu einer Abnahme der Si02-Bildung (siehe Figur 9). Neben Metasilicaten können auch Silicium-Komplexe (beispielsweise der Silicium- Catechol-Komplex) verwendet werden; auch hier steigt die Menge an gebildetem Si02 mit zunehmender Menge an Kollagen an (siehe Figur 10). Bei der Verwendung des Silicium-Catechol-Komplexes anstelle von Metasilicat sind die Ausbeuten an gebildetem unlöslichen Si02 jedoch geringer (vgl. Figuren 7-9 und Figur 10).An increase in the Na metasilicate concentration did not lead to any further increase, but rather to a decrease in the SiO 2 formation (see FIG. 9). In addition to metasilicates, silicon complexes (for example the silicon-catechol complex) can also be used; here too the amount of Si0 2 formed increases with the amount of collagen (see FIG. 10). However, when using the silicon-catechol complex instead of metasilicate, the yields of insoluble SiO 2 formed are lower (cf. FIGS. 7-9 and FIG. 10).
Auch die Verwendung anderer Silicium-Komplexe wie der Silicium-Komplexe mit Gallussäure oder Tropolon (Tristropolonatosiliciumchlorid) ist möglich.The use of other silicon complexes such as the silicon complexes with gallic acid or tropolon (tristropolonato silicon chloride) is also possible.
Die Inkubation mit Silicatein und Carboanhydrase kann gleichzeitig (siehe Figur 9) oder aufeinanderfolgend (siehe Figur 7, 8 und 10) durchgeführt werden.The incubation with silicatein and carbonic anhydrase can be carried out simultaneously (see FIG. 9) or in succession (see FIGS. 7, 8 and 10).
Neben Kollagen können eine Reihe weiterer Biomaterialien und Komposit- Materialien als Template für die Silica-Bildung dienen, wie fibrilläres Chitin, das nach einem beschriebenen Verfahren gewonnen wird (DE 102 10 571.5. Zusammensetzung und Verfahren zur Herstellung von modifiziertes fibrilläres Chitin und potenzierende Zusatzstoffe enthaltenden, biologisch hochaktiven Präparaten und ihre Anwendung als Protektions- und Nahrungsergänzungsmittel während der prä- und postnatalen Entwicklung und adulter Lebensphasen bei Mensch und Tier. Anmelder und Erfinder: Müller WEG, Schröder HC, Lorenz B, Senyuk OF, Gorowoj LF).In addition to collagen, a number of other biomaterials and composite materials can serve as templates for the formation of silica, such as fibrillary chitin, which is obtained by a process described (DE 102 10 571.5. Composition and process for producing modified fibrillar chitin and potentiating additives) , biologically highly active preparations and their use as protection and food supplements during prenatal and postnatal development and adult life phases in humans and animals. Applicant and inventor: Müller WEG, Schröder HC, Lorenz B, Senyuk OF, Gorowoj LF).
Das Verfahren eignet sich auch zur Synthese anderer polymerer Metall(IV)- Verbindungen aus rein anorganischen Metall(IV)-Verbindungen, wobei ebenfalls (1) ein Template (Molekül, Molekülaggregat oder Oberfläche) und (2) ein Polypeptid oder ein Metallkomplex eines Polypeptids zur Synthese eingesetzt wird, das entweder dadurch gekennzeichnet ist, dass das Polypeptid eine tierische, pflanzliche, bakterielle oder Pilz Carboanhydrase-Domäne umfasst, die mindestens 25% Sequenzähnlichkeit zu der in SEQ ID Nr. 1 gezeigten Sequenz aufweist, oder dadurch, dass das Polypeptid eine tierische, bakterielle, pflanzliche oder Pilz Silicatein-α-Domäne oder Silicatein-ß-Domäne umfasst, die mindestens 25%, bevorzugt mindestens 50%, weiter bevorzugt mindestens 75% und am meisten bevorzugt mindestens 95% Sequenzidentität zu der in SEQ ID Nr. 3 bzw. in SEQ ID Nr. 5 gezeigten Sequenz aufweist. 4.1. Nachweis des gebildeten SiliciumdioxidsThe method is also suitable for the synthesis of other polymeric metal (IV) compounds from purely inorganic metal (IV) compounds, where also (1) a template (molecule, molecular aggregate or surface) and (2) a polypeptide or a metal complex of a polypeptide is used for the synthesis, which is either characterized in that the polypeptide comprises an animal, plant, bacterial or fungal carbonic anhydrase domain which has at least 25% sequence similarity to the sequence shown in SEQ ID No. 1, or in that the polypeptide an animal, bacterial, vegetable or fungal silicatein-α-domain or silicatein-β-domain which comprises at least 25%, preferably at least 50%, more preferably at least 75% and most preferably at least 95% sequence identity to the sequence shown in SEQ ID No. 3 or sequence shown in SEQ ID No. 5. 4.1. Detection of the silicon dioxide formed
Zum Nachweis der Produkte (gebildetes amorphes Siliciumdioxid) kann das Material (bzw. der Reaktionsansatz) in einer Tischzentrifuge abzentrifugiert (12 000 x g; 15 min; 4°C), mit Ethanol gewaschen und luftgetrocknet werden. Anschließend kann das Sediment mit 1 M NaOH hydrolysiert. In der entstandenen Lösung wird das freigesetzte Silicat unter Anwendung eines Molybdat-gestützten Nachweisverfahrens, wie z. B. dem kolorimetrischen "Silicon Test" der Firma Merck, quantitativ gemessen werden.To detect the products (amorphous silicon dioxide formed), the material (or the reaction mixture) can be centrifuged off in a table centrifuge (12,000 x g; 15 min; 4 ° C), washed with ethanol and air-dried. The sediment can then be hydrolyzed with 1 M NaOH. In the resulting solution, the released silicate is using a molybdate-based detection method, such as. B. the colorimetric "Silicon Test" from Merck, measured quantitatively.
Der Nachweis des gebildeten Silica-Produktes (Element-Analyse) kann auch mit Hilfe eines "High Performance Field Emission Electron Probe Microanalyzer (EPMA)" erfolgen. Benutzt wurde für das in Figur 11 gezeigte Experiment ein JXA-8900RL Electron Probe Microanalyzer (JEOL, Inc., Peabody, MA, USA). Dieses Gerät kombiniert hochauflösende Rasterlektronenmikroskopie (REM) mit Hochqualitäts- Röntgenstrahlenanalyse.The detection of the silica product formed (element analysis) can also be carried out using a "High Performance Field Emission Electron Probe Microanalyzer (EPMA)". A JXA-8900RL Electron Probe Microanalyzer (JEOL, Inc., Peabody, MA, USA) was used for the experiment shown in FIG. This device combines high resolution scanning electron microscopy (SEM) with high quality X-ray analysis.
Die Ansätze für die Analyse mittels des "High Performance Field Emission Electron Probe Microanalyzer" enthielten 1 mM Na-Metasilicat in 50 mM Tris-HCI pH 7,0, 100 mM NaCI, 0,1 mM ZnS04 und 0,1 mM ß-Mercaptoethanol. Die Inkubation wurde in Abwesenheit (= Kontrollen) oder in Gegenwart von 50 μg/ml Carboanhydrase (aus Rinder-Erythrozyten; Firma Calbiochem) und 30 μg/ml Kollagen für 4 h bei Raumtemperatur durchgeführt.The approaches for analysis using the "High Performance Field Emission Electron Probe Microanalyzer" contained 1 mM Na metasilicate in 50 mM Tris-HCl pH 7.0, 100 mM NaCI, 0.1 mM ZnS0 4 and 0.1 mM ß- mercaptoethanol. The incubation was carried out in the absence (= controls) or in the presence of 50 μg / ml carbonic anhydrase (from bovine erythrocytes; Calbiochem company) and 30 μg / ml collagen for 4 h at room temperature.
Auf die Träger wurden jeweils 100 μl der Proben (Ansätze nach Inkubation) aufgebracht. Die Träger mit den Präparaten wurde einer Kohlenstoffbedampfung (Emitech K959) unter Vakuum (10"4 mbar) unterworfen. Neben Si wurden Ca, Na und Cl bestimmt.100 μl of the samples (batches after incubation) were applied to the supports. The carrier with the preparations was subjected to Kohlenstoffbedampfung (Emitech K959) under vacuum (10 mbar "4). In addition to Si Ca, Na and Cl were determined.
Die Ergebnisse zeigten, dass eine deutliche Bildung von Siliciumaggregaten in den Ansätzen mit Carboanhydrase und Kollagen nachweisbar war, nicht dagegen in den Kontrollen (Abwesenheit von Carboanhydrase und Kollagen) (siehe Figur 11) . Es ergaben sich keine Übereinstimmungen in den Lokalisierungen der Signale für Si, Ca, Na und Cl.The results showed that a clear formation of silicon aggregates was detectable in the batches with carbonic anhydrase and collagen, but not in the controls (absence of carbonic anhydrase and collagen) (see FIG. 11). There were no matches in the localization of the signals for Si, Ca, Na and Cl.
5. Verwendungen des Verfahrens5. Uses of the procedure
Für das beschriebene Verfahren zur enzymatischen Synthese von amorphem Silica aus anorganischen (nicht-organischen) Siliciumverbindungen ergeben sich eine Reihe unterschiedlicher industriell-technischer Verwendungen, und zwar:The described process for the enzymatic synthesis of amorphous silica from inorganic (non-organic) silicon compounds has a number of different industrial and technical uses, namely:
1.) Verwendung zur Oberflächenmodifikation von Biomaterialien, die entweder aus den genannten Template-Materialien (Hydroxylgruppen-enthaltende Moleküle) selbst bestehen oder mit ihnen beschichtet sind. Dies können auch Oberflächen von Glas, Metallen, Metalloxiden, Kunststoffen, Biopolymeren oder anderen Materialien sein. Eine Literatur-Übersicht über Oberflächen-modifizierte Biomaterialien findet sich in: Ratner BD et al (Hrsg) Biomaterials Science - An Introduction to Materials in Medici- ne. Academic Press, San Diego, 1996. Die bei herkömmlichen physikalisch/chemischen Methoden zur Herstellung dieser Modifikationen angewandten Bedingungen haben oft einen schädlichen (destruierenden) Effekt auf die Biomaterialien. Das erfindungsgemäße Verfahren benutzt im Vergleich zu den herkömmliche Verfahren "milde" Bedingungen, welche die Biomaterialien schonen, da es allein auf biochemisch/enzymatischen Reaktionen beruht. Insbesondere ergibt sich eine Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch bei der Herstellung von Oberflächen-Modifikationen (Coating) von Kollagen, das als Gewebe-, Knochen- oder Zahnersatzmaterial dient, und von Kollagen-Vliesen ("Tissue Engineering"). Die Oberflächen-Modifikationen dient hierbei der Erhöhung der Stabilität und der Porosität sowie die Verbesserung der Resorbierbarkeit.1.) Use for the surface modification of biomaterials which either consist of the template materials mentioned (hydroxyl group-containing molecules) themselves or are coated with them. These can also be surfaces of glass, metals, metal oxides, plastics, biopolymers or other materials. A literature overview of surface-modified biomaterials can be found in: Ratner BD et al (ed.) Biomaterials Science - An Introduction to Materials in Medicine. Academic Press, San Diego, 1996. The conditions used in conventional physical / chemical methods to make these modifications often have a deleterious (destructive) effect on the biomaterials. In comparison to the conventional methods, the method according to the invention uses "mild" conditions which protect the biomaterials, since it is based solely on biochemical / enzymatic reactions. In particular, the method according to the invention is also used in the production of surface modifications (coating) of collagen, which serves as tissue, bone or denture material, and of collagen fleeces ("tissue engineering"). The surface modifications serve to increase the stability and porosity and to improve the resorbability.
Die Vorteile von Schwammkollagen als Biomaterial sind, wie bei anderen Kollage- nen, Bioabbaubarkeit sowie eine niedrige Toxizität und Immunogenizität. Das Schwammkollagen besitzt jedoch nicht die Nachteile des bisher vornehmlich aus Tierhäuten und Knochen von Schweinen, Kälbern und Rindern gewonnenen Kollagens, bei dem die Möglichkeit einer Infektion durch pathogene Keime nicht ausgeschlossen werden kann. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens liegt darin, dass zur Lösung der verwendeten Ausgangssubstrate (Kieselsäuren und Metasilicate sowie deren Salze) keine organischen Lösungsmittel verwendet werden müssen, wie es bei organischen Siliciumverbindungen (z. B. TEOS) der Fall ist. Somit wird eine Schädigung der zu modifizierenden Biopolymeren wie von Kollagen vermieden.As with other collagens, the advantages of sponge collagen as a biomaterial are biodegradability and low toxicity and immunogenicity. However, sponge collagen does not have the disadvantages of collagen previously obtained primarily from animal skins and bones of pigs, calves and cattle, in which the possibility of infection by pathogenic germs cannot be excluded. Another advantage of the process is that no organic solvents have to be used to dissolve the starting substrates used (silicas and metasilicates and their salts), as is the case with organic silicon compounds (e.g. TEOS). This prevents damage to the biopolymers to be modified, such as collagen.
2.) Verwendung zur Modifikation oder zur Synthese von Nano-Strukturen aus Silica (amorphem Siliciumdioxid). Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, definierte zwei- und dreidimensionale Strukturen aus Silica (oder anderen polymeren Metall(IV)-Verbindungen) im Nano-Maßstab aus rein anorganischen Ausgangssubstraten (Kieselsäure, Metakieselsäure und deren Salze) zu synthetisieren. Die gebildeten Strukturen können in der Nanotechnologie angewandt werden.2.) Use for modification or for the synthesis of nano-structures from silica (amorphous silicon dioxide). Using the method according to the invention, it is possible to synthesize defined two- and three-dimensional structures from silica (or other polymeric metal (IV) compounds) on a nano scale from purely inorganic starting substrates (silicic acid, metasilicic acid and their salts). The structures formed can be used in nanotechnology.
3.) Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung dreidimensionaler, mit Silica beschichteter Matrizes aus Kollagenen mit definierten physikalischchemischen Eigenschaften zur Herstellung von Geweben/Organen des menschlichen Organismus mit körpereigenen Zellen, die als Ersatzgewebe zur Behandlung von onkologischer Defekten, posttraumatischer Organ- und Gewebeschäden, Brandverletzungen, Gefäßverschlüssen sowie chirurgischen Wunden dienen können. Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass (1) durch die Silica-Beschichtung Unverträglichkeits- und Abstoßungsreaktionen durch den Empfängerorganismus vermieden werden und (2) keine Schädigung der Matrizes (Kollagen) durch organische Lösungsmittel eintreten kann (die Ausgangssubstrate sind wasserlöslich im Gegensatz zu den nach dem Stand der Technik zu verwendenden organischen Siliciumverbindungen wie TEOS). 3.) Use of the method according to the invention for the production of three-dimensional, silica-coated matrices from collagens with defined physicochemical properties for the production of tissues / organs of the human organism with the body's own cells, which are used as replacement tissue for the treatment of oncological defects, post-traumatic organ and tissue damage, burn injuries , Vascular occlusions and surgical wounds can serve. The particular advantage of the method according to the invention is that (1) the silica coating avoids intolerance and rejection reactions by the recipient organism and (2) no damage to the matrices (collagen) by organic solvents can occur (the starting substrates are water-soluble in contrast) to the organic silicon compounds to be used according to the prior art such as TEOS).

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Synthese von amorphem Siliciumdioxid und anderen polymeren Metall(IV)-Verbindungen, wobei (1) ein Templat mit (2) nicht-organischen Siliciumverbindungen oder Metall(IV)-Verbindungen und/oder Aminosilanen und Sila- zanen als Substrat und (3) einem Polypeptid oder einem Metallkomplex eines Polypeptids zur Synthese in Kontakt gebracht werden, wobei das Polypeptid eine tierische, pflanzliche, bakterielle oder Pilz Carboanhydrase-Domäne umfasst, die mindestens 25% Sequenzidentität zu der in SEQ ID Nr. 1 gezeigten Sequenz aufweist, oder das Polypeptid eine tierische, bakterielle, pflanzliche oder Pilz Sili- catein-α-Domäne oder Silicatein-ß-Domäne umfasst, die mindestens 25% Sequenzidentität zu der in SEQ ID Nr. 3 bzw. in SEQ ID Nr. 5 gezeigten Sequenz aufweist.1. A process for the synthesis of amorphous silicon dioxide and other polymeric metal (IV) compounds, wherein (1) a template with (2) non-organic silicon compounds or metal (IV) compounds and / or aminosilanes and silazanes as substrate and (3) a polypeptide or a metal complex of a polypeptide is brought into contact for synthesis, the polypeptide comprising an animal, plant, bacterial or fungal carbonic anhydrase domain which has at least 25% sequence identity to the sequence shown in SEQ ID No. 1, or the polypeptide comprises an animal, bacterial, vegetable or fungus silicatein α-domain or silicatein β-domain which has at least 25% sequence identity to the sequence shown in SEQ ID No. 3 or in SEQ ID No. 5 ,
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Synthese ein Templat verwendet wird, das funktioneile Gruppen besitzt, die mit Orthokieselsäure, oligomeren oder polymeren Kieselsäuren sowie deren Salzen oder anderen rein nicht-organischen Metall(IV)-Verbindungen oder Aminosilanen oder Silaza- nen in Wechselwirkung treten.2. The method according to claim 1, characterized in that a template is used for the synthesis, which has functional groups with orthosilicic acid, oligomeric or polymeric silicas and their salts or other purely non-organic metal (IV) compounds or aminosilanes or silaza - interact.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Synthese Verbindungen wie Orthokieselsäure, oligomere oder polymere Kieselsäuren sowie deren Salzen oder andere Metall(IV)-Verbindungen als Substrat eingesetzt werden.3. The method according to claim 1, characterized in that compounds such as orthosilicic acid, oligomeric or polymeric silicas and their salts or other metal (IV) compounds are used as the substrate for the synthesis.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Synthese ein oder mehrere Si-N-Bindungen enthaltende Aminosilane oder Silazane als Substrat eingesetzt werden.4. The method according to claim 1, characterized in that for synthesis one or more Si-N bonds containing aminosilanes or silazanes are used as the substrate.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei es sich bei den Templaten um Hydroxylgruppen-enthaltende Moleküle, Molekülaggregate oder Oberflächen handelt. 5. The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the templates are hydroxyl-containing molecules, molecular aggregates or surfaces.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei es sich bei den Hydroxylgruppen-enthaltenden Molekülen um Kollagen und/oder Silicatein handelt.6. The method according to claim 5, wherein the hydroxyl-containing molecules are collagen and / or silicatein.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei es sich bei dem Kollagen um ein Kollagen aus einem Schwamm handelt.7. The method of claim 6, wherein the collagen is a sponge collagen.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei es sich bei dem Kollagen um ein Kollagen aus einem Schwamm gemäß SEQ ID Nr. 7 oder ein dazu homologes Polypeptid, das in seiner Aminosäuresequenz mindestens 25% Sequenzidentität zu der in SEQ ID Nr. 7 gezeigten Sequenz besitzt oder Teile davon handelt.8. The method according to claim 7, wherein the collagen is a collagen from a sponge according to SEQ ID No. 7 or a homologous polypeptide which has at least 25% sequence identity in its amino acid sequence to the sequence shown in SEQ ID No. 7 or parts of it.
9. Verfahren nach Anspruch 6, wobei es sich bei dem Silicatein um ein Silicatein aus einem Schwamm gemäß SEQ ID Nr. 3 oder ein dazu homologes Polypeptid, das in seiner Aminosäuresequenz mindestens 25% Sequenzidentität zu der in SEQ ID Nr. 3 oder in SEQ ID Nr. 5 gezeigten Sequenz besitzt oder Teile davon handelt.9. The method according to claim 6, wherein the silicatein is a silicatein from a sponge according to SEQ ID No. 3 or a homologous polypeptide which in its amino acid sequence has at least 25% sequence identity to that in SEQ ID No. 3 or in SEQ ID No. 5 shown sequence or parts thereof.
10.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Mischung von einem oder mehreren Templaten verwendet wird.10.The method according to any one of claims 1 to 9, wherein a mixture of one or more templates is used.
11.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei ein Polypeptid einer Silicase aus Suberites domuncula gemäß SEQ ID Nr. 1 oder ein dazu homologes Polypeptid, das in der Aminosäuresequenz der Carboanhydrase-Domäne mindestens 25% Sequenzidentität zu der in SEQ ID Nr. 1 gezeigten Sequenz besitzt, ein Metallkomplex des Polypeptids, oder Teile davon verwendet wird.11.The method according to any one of claims 1 to 10, wherein a polypeptide of a silicase from Suberites domuncula according to SEQ ID No. 1 or a homologous polypeptide which in the amino acid sequence of the carbonic anhydrase domain at least 25% sequence identity to that in SEQ ID No. 1 shown sequence, a metal complex of the polypeptide, or parts thereof is used.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei das Polypeptid einer Silicase aus Suberites domuncula gemäß SEQ ID Nr. 1 oder ein dazu homologes Polypeptid, das in der Aminosäuresequenz der Carboanhydrase-Domäne mindestens 25% Sequenzidentität zu der in SEQ ID Nr. 1 gezeigten Sequenz besitzt in vivo, in einem Zellextrakt oder -lysat oder in gereinigter Form zur Verfügung gestellt wird. 12. The method according to any one of claims 1 to 11, wherein the polypeptide of a silicase from Suberites domuncula according to SEQ ID No. 1 or a homologous polypeptide which in the amino acid sequence of the carbonic anhydrase domain at least 25% sequence identity to that in SEQ ID No. 1 sequence has been provided in vivo, in a cell extract or lysate or in purified form.
13. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Kollagen aus einem Schwamm gemäß SEQ ID Nr. 7 oder ein dazu homologes Polypeptid, das in seiner Aminosäuresequenz mindestens 25% Sequenzidentität zu der in SEQ ID Nr. 7 gezeigten Sequenz besitzt oder Teile davon in vivo, in einem Zellextrakt oder -lysat oder in gereinigter Form zur Verfügung gestellt wird.13. The method according to claim 7, wherein the collagen from a sponge according to SEQ ID No. 7 or a homologous polypeptide which has in its amino acid sequence at least 25% sequence identity to the sequence shown in SEQ ID No. 7 or parts thereof in vivo, is provided in a cell extract or lysate or in a purified form.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei als Oberflächen Glas, Metalle, Metalloxide, Kunststoffe, Biopolymere oder andere Materialien modifiziert werden.14. The method according to any one of claims 1 to 13, wherein the surfaces are modified glass, metals, metal oxides, plastics, biopolymers or other materials.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei definierte zwei- und dreidi- mensialer Strukturen aus amorphem Siliciumdioxid oder andere polymeren Me- tall(IV)-Verbindungen synthetisiert werden. 15. The method according to any one of claims 1 to 13, wherein defined two- and three-dimensional structures are synthesized from amorphous silicon dioxide or other polymeric metal (IV) compounds.
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