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Abstract

Der Süßwasserpolyp Hydra gehört zum Stamm der Cnidarier und dient seit über 270 Jahre als Modellorganismus. Die Nesselzellen oder Nematocyten sind charakteristisch für Cnidarier und enthalten spezielle Organelle, die Nematocysten. Diese werden vorwiegend zur Verteidigung und zum Beutefang eingesetzt. Nematocysten bestehen aus einem zylindrischen Körper und einem invertierten Schlauch, der innerhalb von Nano- bis Mikrosekunden wie eine Harpune herausgeschleudert werden kann. Der molekulare Aufbau der elastischen Nesselkapsel, deren Entladung von einem enorm hohen Innendruck (150 bar) angetrieben wird, ist daher von besonderem Interesse für das Gebiet der Biomechanik. Im ersten Teil der Arbeit wurden biochemische und funktionelle Untersuchungen an Proteinen der Nematocystenwand durchgeführt. Das makromolekulare Proteinpolymer der Wandstruktur basiert auf reversiblen Disulfidverknüpfungen. Die Hauptkomponente des Biopolymers sind Minikollagene und das elastische Protein Cnidoin. Diese enthalten an beiden Termini der Proteinkette cysteinreiche Domänen, die für die Polymerisierung essentiell sind. Innerhalb dieser Arbeit wurde erstmalig das Protein CPP-1 in Hydra charakterisiert. Es besitzt eine minikollagenähnliche Architektur mit einer zentralen Polyprolinsequenz und weist Ähnlichkeiten zu den Hydroxyprolin-reichen Glykoproteinen (HRGPs) der Pflanzenzellwand auf. Es konnte gezeigt werden, dass CPP-1 struktureller Bestandteil der Kapselwand ist und wie die HRGPs posttranslational modifiziert wird. Der genetische Knockdown von CPP-1 in Hydra durch siRNAs führte zu einer veränderten Verteilung von Nematocystenproteinen im Verlauf der Morphogenese und deutet auf eine Gerüstfunktion in diesem Prozess. Im zweiten Teil der Arbeit stand die Entwicklung von innovativen Biomaterialien mit Nematocystenproteinen im Fokus. Bei der bioinspirierten Materialsynthese liefert die Natur Strukturen und Funktionalitäten, die als Modell für neuartige Syntheseverfahren verwendet werden. Im Rahmen eines interdisziplinären Kooperationsprojektes wurden mit den cysteinreichen Domänen der Nematocystenproteine Hybridpolymere synthetisiert und funktionelle Oberflächen hergestellt. In einem weiteren Projekt fungierte das Proteinpolymer der Nematocystenwand als Modell für die Herstellung von Nanofasern. Durch Elektrospinning konnten kontinuierliche Fasern aus Cnidoin und CPP-1 synthetisiert werden. Deren Struktur und mechanische Eigenschaften wurden mit dem Atomkraftmikroskop im trockenen und hydratisierten Milieu charakterisiert. Die Biokompatibilität der erhaltenen Fasern wurde durch die Kultur mit humanen mesenchymalen Stammzellen bestätigt. Die etablierten Nanofasern können somit einen Beitrag für die Entwicklung innovativer Zellsubstrate leisten.

Translation of abstract (English)

The freshwater polyp Hydra belongs to the phylum Cnidaria and has served as a model system for over 270 years. Stinging cells or nematocytes are the characteristic feature of all Cnidarians. They produce a specialized organelle, the nematocyst, which is used for defense, locomotion and capture of prey. Each nematocyst consists of a cylindrical capsule body and an inverted tubule, which is expelled in a harpoon-like manner in nano- to microseconds. The composition of the elastic nematocyst, whose discharge is driven by a high osmotic pressure of the capsule (150 bar), has important implications for biomechanical research. In the first part of the thesis project, biochemical and functional properties of candidate nematocyst proteins where analyzed. The protein polymer of the capsule wall is based on disulfide cross-linking. Main components of this biopolymer are short collagens, so-called mini-collagens, and the elastic Cnidoin. Both contain N- and C-terminal cysteine-rich domains, which are essential for polymerization. The Cnidarian proline-rich protein-1 (CPP-1) was characterized here for the first time. CPP-1 shows a minicollagen-like architecture with a central polyproline-sequence and exhibits similarities to the hydroxyproline-rich glycoproteins (HRGPs) in plant cell walls. CPP-1 is localized in the nematocyst wall and exhibits considerable posttranslational modifications. A genetic knockdown of CPP-1 using siRNA treatment led to impaired assembly of nematocyst proteins during morphogenesis suggesting a role for CPP-1 as a scaffold protein. The second part of the thesis is focused on the development of novel biomaterials using nematocyst proteins. For bioinspired materials, biological structures and functions are used as a model to create novel approaches for the synthesis processes. In an interdisciplinary approach, the cysteine-rich domains of nematocyst proteins were utilized to design hybrid polymers and functionalized surfaces. In a second project the polymerization mode of the nematocyst structure was applied for the synthesis of protein nano-fibers. Continuous Cnidoin and CPP-1 fibers could be produced by electrospinning. Using atomic force microscopy, the structure and mechanical properties of the fibers were characterized in dry as well as hydrated state. Furthermore, the biocompatibility of nano-fibers was demonstrated by cell culture experiments using human mesenchymal stem cells indicating that they could serve as promising candidates for the development of novel cell substrates.