Biomimetic formation and organization of magnetite nanoparticles  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
117642
Type NN
Principal investigator Pósfai, Mihály
Title in Hungarian Magnetit nanorészecskék biomimetikus szintézise
Title in English Biomimetic formation and organization of magnetite nanoparticles
Keywords in Hungarian magnetit, mágneses baktérium, flagelláris filamentum, bio-nanotechnológia, biomimetikus szintézis
Keywords in English magnetite, magnetotactic bacteria, flagellar filament, bio-nanotechnology, biomimetic synthesis
Discipline
Organic, Biomolecular, and Pharmaceutical Chemistry (Council of Physical Sciences)40 %
Material Science and Technology (chemistry) (Council of Physical Sciences)30 %
Mineralogy, Petrology (Council of Complex Environmental Sciences)30 %
Ortelius classification: Mineralogy
Panel Chemistry 1
Department or equivalent Environmental Mineralogy Research Group (University of Pannonia)
Participants Békéssy, Zsófia
Bereczk-Tompa, Éva
Husztiné Nagy, Georgina
Jankovics, Hajnalka
Molnár, Zsombor
Pekker, Péter
Vonderviszt, Ferenc
Starting date 2015-09-01
Closing date 2019-08-31
Funding (in million HUF) 29.784
FTE (full time equivalent) 7.39
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
lásd az angol összefoglalót

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
lásd az angol összefoglalót

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
lásd az angol összefoglalót

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
lásd az angol összefoglalót
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
1) We will synthesize magnetic nanoparticles of controlled size in the beaker and then assemble these nanoparticles in linear chains. In particular, we will use biological additives that were shown in our labs to be powerful controllers of crystal dimensions in vitro to form a large amount of colloidally stable magnetite nanoparticles. The additive serves as a glue to assemble precursor nanoparticles that eventually form a mesocrystal. 2) We will utilize recombinantly expressed filamentous proteins with periodically repeated biological recognition sites that have either strong affinity to bind iron from solution or to attach to nanoparticles. The filament will thus serve as a template for the formation of magnetite nanofibers.
We will use advanced high-resolution transmission electron microscopy (TEM) techniques, including cryo-TEM and electron holography, to characterize the nucleation and assembly process, as well as the magnetic properties of the products.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
We wish to use design principles learned from biological systems to produce one-dimensional magnetic nanostructures. Our research could answer questions related to templated nucleation processes that are common in biomineralization, and the roles of organic macromolecules in the crystal nucleation and growth processes of inorganic crystals. In addition, if successful, our experiments will produce nanoscale, fibrous magnetic structures that could find several useful applications.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
This project will pave the way towards a better understanding of mesocrystal formation at the nanoscale. In addition, we anticipate that the outcomes of our research will be the starting points towards nano- and biomedical applications of 1D magnetic nanostructures.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
One-dimensional magnetic nanostructures have magnetic properties superior to non-organized materials due to a strong uniaxial shape anisotropy. Magnetosome chains in magnetotactic bacteria represent a biological paradigm of such a magnet, where magnetite crystals of controlled dimensions are synthesized in organelles called magnetosomes and are arranged into linear chains. The biological materials thus display a hierarchical architecture that is hardly matched by synthetic materials. In this project, we thus aim at applying the design principles used by the microorganisms to grow one-dimensional magnetic nanostructures along biological templates, using two different approaches.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Génsebészeti módszerekkel mutáns bagteriális flagellumokat állítottunk elő, amelyek a felületükön periodikus vas- illetve magnetit-kötő helyeket tartalmaztak. Ezeket a mutáns flgellumokat olyan felületként használtuk, amelyen vagy előre gyártott magnetit nanorészecskéket, vagy oldatból vas-ionokat kötöttünk meg. A kétféle eljárással hasonló, mágneses nanorészecskékkel részben borított nanoszálakat kaptunk, amelyek külső mágneses tér hatására a szuszpenzióban orientálódtak. A mágneses nanoszálak előállítása során új ismereteket szereztünk két, mágneses baktériumokban előforduló fehérje (MamI és Mms6) biomineralizációban jászott szerepéről, valamint általánosságban a kristályok vizes oldatból történő nukleációjáról. A fentieken túl részt vettünk magnetit mezokristályok szerkezetének és mágneses tulajdonságainak jellemzésében, valamint vizsgáltuk és jellemeztük a mágneses baktériumokban előforduló hosszúkás, lövedék formájú magnetit magnetoszómák mágneses tulajdonságait elektronholográfia alkalmazásával.
Results in English
We genetically engineered mutant bacterial filaments with specifically designed functional sites on their surfaces that were able to either bind or nucleate magnetic nanoparticles from solution. The engineered filaments were thus used as templates for making magnetic nanofibers. As a result, we produced webs of magnetic filaments that aligned in external magnetic fields. In addition, by these experiments we gained new knowledge both on the biomineralizing functions of the Mms6 and MamI proteins in magnetotactic bacteria and on the nucleation of crystalline nanoparticles from solutions in general. We also participated in research that produced magnetic mesocrystals and their chains, and characterized the structural, chemical and magnetic properties of these mesocrystals; plus studied and characterized the magnetic properties of elongated, bullet-shaped magnetosomes from magnetotactic bacteria by using electron holography.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=117642
Decision
Yes





 

List of publications

  
Pósfai M., Husztiné Nagy G., Molnár Zs., Fodor M., Ható Z., Kristóf T., Pekker P., Vonderviszt F.: Karbonátok és mágneses nanorészecskék nukleációja ásványokon és biológiai felületeken, Műszaki Kémiai Napok, Veszprém, április 16-18. Conference Proceedings, 69., 2019
Pósfai, M.: What have magnetotactic bacteria ever done for us?, Goldschmidt Conference on Geochemistry, Barcelona, 18-23. August. (invited, keynote), 2019
Nagy G., Papp L., Pósfai M., Vonderviszt F.: Magnetit-kötő flagelláris filamentumok kötési tulajdonságainak vizsgálata eltérő morfológiájú magnetit nanorészecskékkel, Magyar Biofizikai Társaság XXVII. Kongresszusa, Debrecen. Programfüzet, 36., 2019
Reichel, V., Kovács, A., Kumari, M., Bereczk-Tompa, É., Schneck, E., Pósfai, M., Hirt, A.M., Duchamp, M., Dunin-Borkowski, R.E. and Faivre, D.: Single crystalline superstructured stable single domain magnetite nanoparticles, Angewandte Chemie, under review, 2016
Bereczk-Tompa, É., Pósfai, M., Tóth, B., Vonderviszt, F.: Magnetite-binding flagellar filaments displaying the MamI loop motif, ChemBioChem, 2016
Bereczk-Tompa, É., Vonderviszt, F., Tóth, B., Pósfai, M.: Flagellar nanotubes engineered with magnetosome-associated proteins for magnetite binding, 5th International Meeting on Magnetotactic Bacteria, Carry-le-Rouet, France, 11-15 September, 2016
Reichel, V., Kovács, A., Kumari, M., Bereczk-Tompa, É., Schneck, E., Diehle, P., Pósfai, M., Hirt, A.M., Duchamp, M., Dunin-Borkowski, R.E. and Faivre, D.: Single crystalline superstructured stable single domain magnetite nanoparticles, Scientific Reports 7, 45484, 2017
Bereczk-Tompa, É., Pósfai, M., Tóth, B., Vonderviszt, F.: Magnetite-binding flagellar filaments displaying the MamI loop motif, ChemBioChem 17, 2075-2082, 2016
Pósfai, M.: Earth sciences problems for TEMs of the future, Workshop on Scientific Directions for Future Electron Microscopy, Jülich, 24-26 October 2016 (invited), 2016
Pósfai M., Bereczk-Tompa É., Kovács A., Dunin-Borkowski, R.E., Tóth B., Vonderviszt F.: Biogén nanokristályok vizsgálata és egydimenziós mágneses nanostruktúrák létrehozása. (Magnetic properties of biogenic nanocrystals and biomimetic synthesis of one-dimens, Műszaki Kémiai Napok, Veszprém, április 25-27., 2017
Bereczk-Tompa, É., Vonderviszt, F., Horváth, B., Szalai, I., Pósfai, M.: Fabrication of magnetic nanofibers on biological templates, Goldschmidt Conference on Geochemistry, Paris, August 13-18., 2017
Bereczk-Tompa, É., Vonderviszt, F., Horváth, B., Szalai, I., Pósfai, M.: Biotemplated synthesis of magnetic filaments, Nanoscale, under revision, 2017
Bereczk-Tompa, É., Vonderviszt, F., Horváth, B., Szalai, I., Pósfai, M.: Biotemplated synthesis of magnetic filaments, Nanoscale, 9, 15062 – 15069 (doi:10.1039/C7NR04842D), 2017
Klein, Á., Kovács, M., Muskotál, A., Jankovics, H., Tóth, B., Pósfai, M., Vonderviszt, F.: Nanobody-displaying flagellar nanotubes, Scientific Reports, 8:3584, doi:10.1038/s41598-018-22085-3., 2018
Bereczk-Tompa, É., Vonderviszt, F., Tóth, B., Horváth, B., Szalai, I., Pósfai, M.: Biologically templated synthesis of magnetic filaments, 13th Multinational Congress on Microscopy, Rovinj, Sept. 24-29., 2017




 

Events of the project

  
2020-12-16 17:13:18
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: MŰKKI MTA-PE Levegőkémiai Kutatócsoport (Pannon Egyetem), Új kutatóhely: MÜKKI Környezeti Ásványtan Kutatócsoport (Pannon Egyetem).
2019-12-05 13:30:56
Résztvevők változása
2019-08-07 13:20:28
Résztvevők változása
2018-05-03 16:17:04
Résztvevők változása
2017-10-06 08:54:23
Résztvevők változása
2016-11-24 14:26:25
Résztvevők változása



Back »