Heterologe Expression hochmolekularer repetitiver Spinnenseiden-basierter Proteine in planta sowie deren mechanische und immunologische Charakterisierung [kumulative Dissertation]

Abstract

Spinnenseiden sind ein aus Proteinen bestehendes Biomaterial mit herausragenden mechanischen Eigenschaften. Sie weisen eine hochrepetitive Primärstruktur aus modularen Konsensus-Motiven und ein Molekulargewicht von mindestens 250 kDa bis zu mehreren hundert kDa auf. Für mögliche Anwendungen ist die biotechnologische Herstellung in ausreichender Menge und Qualität entscheidend. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der heterologen Expression hochmolekularer repetitiver Spinnenseidenproteine von Nephilaclavipes und davon abgeleiteter, mit Elastin-ähnlichen Polypeptiden fusionierten Proteinen. Mittels der Intein-basierten Multimerisierung wurde erstmals die heterologe Expression von Spinnenseiden-basierter Proteine in planta mit einem Molekulargewicht größer als 250 kDa gezeigt. Für die Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften wurden Proteinfilme mittels Rasterkraftmikroskopie untersucht. Außerdem werden erstmalig immunologische Analysen von Spinnenseiden-basierten Fusionsproteinen gezeigt. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen den Einfluss der primären Strukturelemente auf die mechanischen Eigenschaften.

Spider silks represent a protein-based biomaterial with outstanding mechanical properties. They consist of large and repetitive proteins composed of modular consensus motifs, showing a molecular weight from at least 250 kDa to several hundred kDa. Biotechnological production of spider silk proteins is the way to prevent limitations in all intended applications. Here, the heterologous expression of high-molecular weight spider silk proteins originated from Nephilaclavipes and spider silk-derived proteins fused to elastin-like peptides (ELPs) is presented. For that reason, three different multimerization strategies were applied. By the intein-mediated multimerization, the heterologous expression of native-sized spider silk-like proteins in planta larger than 250 kDa was shown for the first time. For further characterization, protein layers were analyzed by atomic force microscopy. In addition, the first immunological analysis of spider silk-like fusion proteins are shown. All in all, the results of this study provide an important contribution about the influence of the primary structure elements on the mechanical and biological properties.