Mikroalgen für die Biosynthese molekularer Kristalle nutzbar gemacht
Es wurde gezeigt, dass Dinoflagellaten Stickstoff-Heterozyklen aus wässrigen Lösungen in Stickstoffspeicherkristallen anreichern und für ihr Wachstum nutzen. Das Kristallisationsverhalten ließ sich gezielt steuern, um molekulare Kristalle mit maßgeschneiderter Morphologie und optischen Eigenschaften herzustellen.
Dinoflagellaten können viele Stickstoff-Heterozyklen aus wässrigen Lösungen rasch in Stickstoffspeicherkristallen anreichern und offenbaren damit einen allgemeinen Mechanismus ihres Metabolismus von gelöstem organischem Stickstoff. Das Kristallisationsverhalten lässt sich so steuern, dass Kristalle mit maßgeschneiderter Morphologie und optischen Eigenschaften entstehen, darunter doppelbrechende Xanthin-Sphärolithe, und dass sich Mikroalgen als zelluläre Fabriken zur Herstellung molekularer Kristalle aus wässrigen Lösungen unter Umgebungsbedingungen nutzen lassen.
Hochreflektierende biogene Kristalle wie Guanin haben Potenzial als biokompatible Alternativen zu toxischen anorganischen optischen Materialien. Gentechnisch veränderte mikrobielle Zellen werden bereits vielfach zur Herstellung hochwertiger Metaboliten eingesetzt, doch die Biosynthese funktioneller kristalliner Materialien war bislang nicht möglich.
Bei marinen Dinoflagellaten dienen Guanin-Kristalle als Stickstoffspeicher mit hoher Kapazität, die genutzt werden, um periodische Defizite an Umweltstickstoff zu überbrücken. Wurden stickstoffstarvierte Zellen von Amphidinium carterae in ein Kulturmedium überführt, das gelöstes Guanin in einer Konzentration von etwa 40 μM als einzige Stickstoffquelle enthielt, wurde das Guanin rasch aus dem Medium entfernt, gleichzeitig mit dem Auftreten doppelbrechender, polykristalliner Sphäroide, die aus der β-Polymorphie von Guanin bestanden. Diese polykristallinen Sphäroide befinden sich in zentral gelegenen, membranumhüllten Vakuolen.
Die Vakuolen beginnen bereits 1–10 min nach Exposition gegenüber exogenem Guanin, Kristalle anzusammeln, sind nach etwa 1–5 h vollständig ausgebildet und beginnen nach 12–48 h zu zerfallen. Dinoflagellaten können zahlreiche Stickstoff-Heterozyklen direkt aufnehmen, kristallisieren und zu ihrem Wachstum nutzen, was darauf hindeutet, dass die Speicherung organischen Stickstoffs in Kristallen und die anschließende Freisetzung organischen Stickstoffs aus diesen Kristallen eine allgemeine Strategie ihres Metabolismus von gelöstem organischem Stickstoff ist.
Stickstoff-Heterozyklen wie Guanin sind Hauptbestandteile von gelöstem organischem Stickstoff mit niedrigem Molekulargewicht, einer häufigen und persistenten Form reduzierten marinen Stickstoffs. Anthropogene Einflüsse haben zu einem Anstieg des gelösten organischen Stickstoffs geführt, und ein schlüssiges Verständnis dafür, wie Mikroalgen Stickstoff-Heterozyklen metabolisieren, ist entscheidend für das Verständnis des Kreislaufs von gelöstem organischem Stickstoff in den Ozeanen. Die Stickstoffspeicherstrategien der Dinoflagellaten sind auch für ihre Symbiose mit Korallen von zentraler Bedeutung, da von Dinoflagellaten transportierter organischer Stickstoff es Korallenriffen ermöglicht, in nährstoffarmen Gewässern zu gedeihen.
Die Fähigkeit von Dinoflagellaten, Stickstoff-Heterozyklen rasch aus wässrigen Lösungen zu kristallisieren, ist bemerkenswert, da diese schwer löslichen Moleküle für eine Rekristallisation in vitro extreme pH-Werte oder organische Lösungsmittel erfordern. Die Ergebnisse zeigen, wie sich Mikroalgen als zelluläre Fabriken zur Herstellung molekularer Kristalle aus wässrigen Lösungen nutzen lassen, mit möglichen weiteren Anwendungen bei der Kristallisation von Arzneimitteln und der Bioremediation von Schadstoffen.