Biomineralisation

Lebende Zellen stellen die ersten Mikro-Fabrikationswerkstätten der Welt dar. Sie haben unterschiedliche Spezialabteilungen für die Versorgung mit Rohstoffen und koordinieren Fabrikation, Logistik bis hin zu Verteidigungsstrategien. Bemerkenswerterweise erstreckt sich das Maß der Kontrolle in Organismen über verschiedene Längenskalen, von Ångstrom [Å] über [µm] bis Meter [m], in Abhängigkeit vom Grad der Kommunikation zwischen Molekülen und Zellen. Die Interaktionen zwischen den einzelnen Abteilungen beruhen auf Boten im Nano-Bereich, beispielsweise Enzyme, die konzertiert eine ganze Bandbreite chemischer Reaktionen katalysieren. In der Nanowelt der Enzyme wiederum sind es oftmals einzelne Metall-Ionen oder Elektronen, die konkret im [Å]-Bereich wirksam sind. Diese phänomenale Bandbreite gilt es für neue Materialien zu nutzen.

Von urtümlichen Zellen zu neuen Materialien

Die ältesten Materialien, die die Menschheit für verschiedene Zwecke im Alltag gebrauchte (Baustoff, Werkzeug, Schmuck, Geld), waren natürlicher Art, also Stein, Holz, Knochen und Schalentiere. Viele einzigartige Materialeigenschaften von Knochen, Zähnen oder Perlen sind die direkte Folge eines hierarchischen Aufbaus, der von Organismen wie beispielsweise Muscheln oder Wirbeltieren hervorgebracht wird. Neben geologischen Mineralien (z.B. Diamant) und biogenen Stromatolithen zählt der Perlmuttanteil von Muscheln und Schnecken mit zu den ältesten “harten Erfindungen“ der Natur. Interessant ist, dass die Pionierleistung der Perlmutt-Erfindung sich in einer atemberaubend kurzen Zeitspanne von vermutlich weniger als 100 Mio. Jahren abspielte – nach Fossilfunden zu urteilen etwa vor 560 Millionen Jahren. Um sich von der Natur Design-Prinzipien für die Materialsynthese abschauen zu können, erscheint es sinnvoll zu verstehen, warum sich der Prozess der Schalenbildung und allgemein der Biomineralisation genau in diesem kleinen Zeitfenster der Evolution entwickeln konnte.

Dieser Herausforderung möchte sich der Programmbereich Biomineralisation am INM konzeptionell und methodisch stellen. Durch die Zusammenarbeit zwischen Zellbiologen und Materialwissenschaftlern entsteht eine neue Blickrichtung auf die Evolution von Materialien, indem fundamentale Regeln aufgeklärt werden, nach denen mineralisierte lebende Materie organisiert ist und funktioniert. Dieses Wissen wollen wir gezielt für das Design von neuen Materialien einsetzen. Das materialwissenschaftliche Umfeld des INM sowie die Einbeziehung theoretischer Ansätze und Modellierung, eine explizite Stärke des Campus Saarbrücken, bietet die Chance, biologische Konzepte mit dem Design neuer Materialien zu verknüpfen. und überraschend neue Applikationsfelder auf allen Längenskalen zu erobern.