Osteosynthese: Bio-Leim aus Miesmuscheln

27. November 2017

Um sich am Meeresboden festhalten zu können, produzieren Miesmuscheln eine Art Superklebstoff. Chemikern ist es nun gelungen, den Muschelkleber von umprogrammierten Darmbakterien produzieren zu lassen. In der Medizin könnte dieser bei Knochenbrüchen angewendet werden.

Chemiker von der Technischen Universität Berlin haben Stämme des Darmbakteriums Escherichia Coli so umprogrammiert, dass diese den biologischen Unterwasserklebstoff von Miesmuscheln produzieren. Das Besondere an dem neuen biogenen Superklebstoff: Die Klebeeigenschaften können durch Bestrahlen mit Licht angeschaltet werden.

Neue Möglichkeiten dringend benötigt

Dadurch ergeben sich lang ersehnte Möglichkeiten zum Kleben von gebrochenen Knochen oder Zähnen, die mit diesem Bioklebstoff wieder zusammenwachsen könnten.

Die regenerative Medizin benötigt dringend leistungsfähige Klebstoffe, die biokompatibel sind – also gut verträglich für den Organismus, in den sie eingesetzt werden. Damit könnten sowohl oberflächliche Hautwunden behandelt oder auch der Einsatz von Platten und Schrauben bei Knochenbrüchen überflüssig gemacht werden. Biologische Haft-Proteine könnten zukünftig nicht nur Knochenfragmente kleben, sondern auch das Zusammenwachsen des Knochens ermöglichen.

Der Muschel-Superkleber

Das Team um Prof. Nediljko Budisa haben ein biotechnologisches Verfahren entwickelt, mit dem der biologische Unterwasserklebstoff von Miesmuscheln hergestellt werden kann.

Miesmuscheln leben hauptsächlich in den Gezeiten- und Schelfbereichen der Meere. Dort müssen sie den starken Strömungen und dem Salzwasser standhalten. Sie benutzen einen Superkleber, um sich am Meeresboden festhalten zu können. Dieser muss auch noch bei Niedrigwasser funktionieren, wenn Muschelbänke nicht mehr von Wasser bedeckt sind.

Mithilfe dieses Klebers kann sich die lebende Muschel beinahe an allen Oberflächen festhalten. An ihrem Fuß scheidet sie Fäden aus, die aus einem Proteinkleber bestehen. Der wichtigste Bestandteil dieses Proteinklebers ist die Aminosäure 3,4-Dihydroxyphenylalanin, kurz „DOPA“ genannt.

Ein klebriger Herstellungsprozess

„Um diese Muschelproteine herzustellen, benutzen wir Darmbakterien, die wir umprogrammiert haben“, erläutert Prof. Nediljko Budisa. „Sie sind unsere Chemiefabrik, mit der wir den Superleim produzieren.“ Als erstes wird dazu das Gen für ein spezielles Enzym in das Genom von Escherichia coli  Genom eingeführt. Das Enzym stammt aus dem Bakterium Methanocaldococcus jannaschii und wurde von den Forschern genetisch verändert. Anschließend wird das veränderte Darmbakterium mit der Aminosäure ONB-DOPA (ortho-Nitrobenzyl-DOPA) gefüttert.

Im ONB-DOPA sind die für die starke Klebewirkung verantwortlichen Dihydroxyphenyl-Gruppen geschützt. Das ist ähnlich wie bei einem Aufkleber, dessen Selbstklebefläche mit einer Schutzfolie versehen ist. Das umprogrammierte Bakterium baut nun diese ‚mit Schutzfolie versehene‘ Aminosäure in Proteine ein, und man erhält ein Haftprotein, dessen Klebestellen noch geschützt sind.

Erst nachdem das geschützte Haftprotein aus den Bakterien herausgelöst und gereinigt worden ist, werden die Schutzgruppen mit Hilfe von Licht einer bestimmten Wellenlänge (365 nm) entfernt. Das Haftprotein verliert dadurch – bildlich gesprochen – seine Schutzfolie, seine Klebestellen werden aktiviert, und das Protein kann zielgerichtet als Klebstoff verwendet werden.

Vom Verfahren zum Produkt

Die Herstellung oder Anreicherung von Muschel-Haft-Proteinen ist bisher nicht befriedigend gelöst: Die Isolierung dieser Bio-Leime aus Muscheln und anderen natürlichen Quellen ist ineffizient und teuer. So lassen sich aus 10.000 Miesmuscheln nur 1 bis 2 Gramm dieses Superklebers gewinnen. Hinzu kommt, dass das Klebstoff-Protein aus Muscheln nicht homogen gewonnen werden kann. Jede Charge ist unterschiedlich.

Auch dass das Haft-Protein der Miesmuschel wegen seiner guten Klebeeigenschaften quasi sofort verwendet werden müsste, ist ein Nachteil. Das neue Verfahren der Wissenschaftler kann zu erheblichen Verbesserungen führen: eine Erhöhung der Ausbeute, die Vermeidung von Tierleid, ein homogeneres Produkt, dessen Klebeeigenschaften angeschaltet werden können.

Zwei Wissenschaftler der Arbeitsgruppe Budisa wollen sich mit dieser umweltfreundlichen Idee ausgründen. „Diese Strategie bietet neue Wege zur Herstellung von DOPA-basierten Nassklebstoffen für die Anwendung in Industrie und Biomedizin mit dem Potential, Knochenchirurgie und Wundheilung zu revolutionieren“, davon sind Christian Schipp und Dr. Matthias Hauf überzeugt.

 

Der Text basiert auf einer Pressemitteilung der Technischen Universität Berlin.

 

Quelle:

Photoactivatable Mussel-Based Underwater Adhesive Proteins by an Expanded Genetic Code.
Dr. Matthias Hauf et al., ChemBioChem, doi:

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1 Kommentar:

Dies scheint mir ein wirklich vielversprechender Ansatz.

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