Expression of biomineralization proteins in bacteria and plants

Abstract

The fascinating properties of natural biominerals, such as stiffness combined with toughness, are difficult to mimick in synthetic pathways. Therefore, this work investigated the biosynthesis of biomineralization proteins in different organisms for producing synthetic minerals under the control of a protein phase. The soluble nacre protein perlucin from Haliotis was produced in bacteria but remained insoluble after native extraction. It was partially solubilized when fused to a GFP, which was additionally identified to be a strong inhibitor of calcium carbonate formation. Various forms of synthetic biominerals were obtained in simple calcium carbonate precipitation assays depending on the first ionic interaction partner, assay volume and protein concentrations. In comparison to bacteria as less complex organisms, the biomineralization proteins perlucin, N16N and ovocleidin-17 were also expressed in the plant cell wall of Arabidopsis and Nicotiana, which has not been described in the literature so far. This work demonstrated that N16N-GFP and ovocleidin-17-GFP can be expressed in epidermal leaf cells of Nicotiana. In perlucin-GFP transformed Arabidopsis, the plant morphology changed although neither the protein nor RNA were detected. The expression of foreign biomineralization proteins in biotechnologically relevant plants was demonstrated for the first time, opening routes toward new and improved materials.

Biomineralien mit ihren herausragenden Eigenschaften sind schwierig in synthetischen Systemen herzustellen. Daher wurde in dieser Arbeit die Herstellung von Biomineralisationsproteinen in verschiedenen Organismen untersucht, mit dem Ziel künstliche Biomineralien unter der Kontrolle einer Proteinphase zu synthetisieren. Das lösliche Perlmutt-Protein Perlucin aus Haliotis wurde im bakteriellen System hergestellt. Obwohl Perlucin aus Bakterien unlöslich war, konnte es durch Fusion an GFP nativ extrahiert werden. Dabei wurde entdeckt, dass GFP inhibierend auf die Bildung von Calciumcarbonat wirkt. Hiermit konnten verschiedene synthetische Biomineralien in Abhängigkeit des ersten ionischen Interaktionspartners, Reaktionsvolumen und Proteinkonzentration erzeugt werden. Vergleichend zu dem bakteriellen Expressionssystem wurden die Proteine Perlucin, N16N und Ovocleidin-17 in der pflanzlichen Zellwand von Arabidopsis und Nicotiana exprimiert. Dieser Ansatz ist derzeit in der Literatur noch nicht beschrieben. Es wurde gezeigt, dass N16N-GFP und Ovocleidin-17-GFP in Nicotiana exprimiert werden. Obwohl von Perlucin-GFP weder Protein noch RNA nachgewiesen werden konnten, traten in Arbabidopsis morphologische Veränderungen auf. Die erfolgreiche Expression von Biomineralisationsproteinen in biotechnologisch relevanten Organismen bietet eine Grundlage für die Herstellung von neuen und verbesserten BiokompositMaterialien.