Abstracts

Establishing super-resolution imaging of biosilica-embedded proteins in diatoms

by Philip Grger




Institution: Technische Universitt Dresden
Department:
Year: 2017
Posted: 02/01/2018
Record ID: 2213202
Full text PDF: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-227150


Abstract

Kieselalgen auch Diatomeen genannt verfgen ber die einzigartige Fhigkeit, nanostrukturierte, hierarchisch aufgebaute Zellwnde aus Siliziumdioxid auch als Biosilica bekannt mit beispielloser Genauigkeit und Reproduzierbarkeit zu bilden. Ein tieferes Verstndnis fr diesen Prozess, der als Biomineralisation bekannt ist, ist nicht nur auf dem Gebiet der Grundlagenforschung zu Kieselalgen sehr bedeutsam, sondern auch fr die Nutzung dieser Nanostrukturierung in den Materialwissenschaften oder der Nanobiotechnologie. Nach dem derzeitigem Stand der Wissenschaft wird diese Strukturierung durch die Selbstorganisation von Proteinmustern, an denen sich das Siliziumdioxid bildet, erreicht. Um die Funktion und das Zusammenspiel einzelner Proteine, die an diesem Biomineralisationsprozess beteiligt sind, entschlsseln zu knnen, ist es essentiell ihre strukturelle Organisation aufzuklren und diese mit den morphologischen Zellwandmerkmalen zu korrelieren. Die Grenordnung dieser Merkmale ist im Bereich von Nanometern angesiedelt. Mit Hilfe der Elektronenmikroskopie knnen diese Biosilicastrukturen aufgelst werden, jedoch ist keine proteinspezifische Information verfgbar. Ziel dieser Arbeit war es daher, eine Technik zu etablieren, die in der Lage ist, einzelne Biosilica-assozierte Proteine mit Nanometer-Przision zu lokalisieren.Um dieses Ziel zu erreichen, wurde Einzelmolekllokalisationsmikroskopie (single-molecule localization microscopy, kurz: SMLM) beispielhaft in der Kieselalge Thalassiosira pseudonana etabliert. Die Position verschiedener Biosilica-assoziierte Proteine innerhalb des Biosilicas und nach dessen chemischer Auflsung wurde mit einer hohen rumlichen Auflsung bestimmt. Um quantitative Ergebnisse zu erhalten, wurde ein Analyse-Workflow entwickelt, der grafische Benutzeroberflchen und Skripte fr die Visualisierung, das Clustering und die Kolokalisation von SMLM Daten beinhaltet.Um optimale Markierungen fr SMLM an Biosilica-eingebetteten Proteinen zu finden, wurde ein umfassendes Screening von photo-schaltbaren fluoreszierenden Proteinen durchgefhrt. Diese wurden als Fusionsproteine mit Silaffin3, einem Protein, welches eng mit der Biosilica-Zellwand assoziiert ist, exprimiert. Es konnte gezeigt werden, dass nur drei von sechs Kandidaten funktional sind, wenn sie in Biosilica eingebettet sind. Silaffin3 konnte indirekt mittels SMLM mit einer Lokalisationsgenauigkeit von 25 nm detektiert werden. Dies erlaubte es, seine strukturelle Organisation aufzulsen und Silaffin3 als eine Hauptkomponente in der Basalkammer der Fultoportulae zu identifizieren. Diatoms feature the unique ability to form nanopatterned hierarchical silica cell walls with unprecedented accuracy and reproducibility. Gathering a deeper understanding of this process that is known as biomineralization is vitally important not only in the field of diatom research. In fact, the nanopatterning can also be exploited in the fields of material sciences or nanobiotechnology. According to the current understanding, theAdvisors/Committee Members: Schlierf, Michael (advisor), Schlierf, Michael (referee), Diez, Stefan (referee).