Wenn Ingenieure biologische Konstruktionsprinzipien aufgreifen, dann meist um sie in eine evolution\u00e4re Technik zu \u00fcbersetzen. Nicht nur im Gro\u00dfen, sondern auch in kleinsten Dimensionen k\u00f6nnte dies bald zu neuartigen Anwendungen f\u00fchren: Mikro- oder nanostrukturierte Biomaterialien sollen so zum Vorbild f\u00fcr neue Werkstoffe werden. “Nat\u00fcrliche Materialien sind raffiniert aufgebaute Verbundwerkstoffe, die viele interessante Eigenschaften in sich vereinen. Nehmen Sie zum Beispiel Perlmutt aus Muschelschalen. Es ist besonders hart, fest und zugleich enorm z\u00e4h. Solche Stoffe nach dem Vorbild von Biomineralien sind technisch vielseitig einsetzbar”, sagt Joachim Bill, Materialwissenschaftler an der Universit\u00e4t Stuttgart.<\/b><\/p>\n
Unter dem Mikroskop wird das Geheimnis des Perlmutts offenbar: Es ist aus vielen Schichten einer bestimmten Form von kristallinem Kalziumkarbonat aufgebaut. In jeder Schicht lappen winzige, sechseckige Aragonitkristalle wie Dachziegel \u00fcbereinander. Die einzelnen Lagen h\u00e4lt eine d\u00fcnne Schicht Biokleber zusammen. “Dadurch sind Muschelschalen 3.000 Mal bruchfester als reine Aragonitkristalle”, sagt Bill. Sein Team hat eine Art k\u00fcnstliches Perlmutt auf der Basis von Titandioxid entwickelt. Diesen bionisch inspirierten, extrem kratzfesten Werkstoff brachte er auf eine Kunststoffoberfl\u00e4che auf. “Ein namhafter Badewannenhersteller will unser Verfahren vielleicht sogar \u00fcbernehmen”, sagt Bill. Noch sei es aber Grundlagenforschung.<\/p>\n
Die Forscher planen bereits den n\u00e4chsten Coup: Nat\u00fcrliche Biomineralien sind f\u00fcr die Industrie kaum nutzbar. Deshalb sollen die f\u00fcr die Biomineralisation verantwortlichen Gene ver\u00e4ndert werden. So sollen die gew\u00fcnschte Form, Gr\u00f6\u00dfe und chemische Zusammensetzung des Werkstoffes erhalten werden. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft f\u00f6rdert diese Forschung mit rund zwei Millionen Euro j\u00e4hrlich. In sechs Jahren sollen die Materialforscher, die mit drei weiteren Instituten zusammenarbeiten, Ergebnisse vorweisen.<\/p>\n
Derzeit arbeitet das Stuttgarter Team daran, besondere Oxidkeramiken von Viren herstellen zu lassen. Dabei fiel die Wahl auf Zinkoxid. Aus ihm werden lichtdurchl\u00e4ssige elektrisch leitende Schichten hergestellt, die als Kontakte an Leuchtdioden, Solarzellen oder Fl\u00fcssigkristallbildschirmen eingesetzt werden. Zink ist ein in lebenden Organismen wichtiges Spurenelement mit vielen biologischen Aufgaben. “Wir wollen die genetischen Regulationsmechanismen von Modellorganismen so ver\u00e4ndern, dass uns der Stoff in geeigneter Weise zur Verf\u00fcgung steht”, sagt Bill. Vorerst sorgt noch ein Virus f\u00fcr die besondere Strukturierung des Werkstoffes.<\/p>\n
Tabakmosaikviren befallen Pflanzen und manipulieren deren Gene so, dass deren Bl\u00e4tter sich mosaikartig verf\u00e4rben. Im Labor aber \u00fcbernimmt das Virus die Aufgabe eines Katalysators. Gibt man die Viruspartikel in eine \u00fcbers\u00e4ttigte Metallsalzl\u00f6sung aus Zinknitrat, so f\u00e4llt das begehrte Zinkoxid aus und bildet dabei regelm\u00e4\u00dfige Strukturen. Je nachdem, wie die Forscher die Zusammensetzung der Virusproteine ver\u00e4ndern, setzen sich die Zinkoxidkristalle in verschiedenartig strukturierten Schichten ab. Manche davon erinnern an einen Schwamm, andere sehen aus wie ein kurz geschorener Rasen. “Wir k\u00f6nnen speziell strukturierte Lagen im Mikro- und Nanometerbereich erzeugen, die unterschiedliche Werkstoffeigenschaften besitzen”, sagt Bill.<\/p>\n
Auch die synthetische Biologie verbindet biomolekulare Abl\u00e4ufe mit Konzepten der Ingenieure. Dabei dienen, \u00e4hnlich wie in der Biotechnik, biologische Zellen als “Minifabriken”. Spezielle Manipulationen bringen sie dazu, Verbindungen herzustellen, die es in Natur gar nicht gibt: “Code Engineering” nennt Nediljko Budisa, Leiter der Forschergruppe Molekulare Biotechnologie am Max-Planck-Institut (MPI) f\u00fcr Biochemie in Martinsried, die genetischen T\u00fcfteleien. Sie treiben gew\u00f6hnliche Mikroorganismen dazu, Eiwei\u00dfverbindungen zu erzeugen, die das Leben noch gar nicht erfunden hat. Mithilfe dieser k\u00fcnstlichen Proteine k\u00f6nnte die Industrie k\u00fcnftig Kunststoffe umweltschonend und effizienter herstellen. Eingesetzt in Waschmitteln, w\u00e4ren die synthetischen Proteine zehn Mal wirksamer als herk\u00f6mmliche Fettl\u00f6ser.<\/p>\n
Angefangen hat alles als Spielerei. In den 60er-Jahren begannen Genforscher, mit Aminos\u00e4uren zu experimentieren. Sie wollten herausfinden, wie die Natur Eiwei\u00dfe zusammensetzt und welche Wirkung es hat, wenn deren Konstruktionspl\u00e4ne abge\u00e4ndert werden. Eiwei\u00dfe sind die Hauptakteure im K\u00f6rper: Sie transportieren Stoffe, \u00fcbermitteln Botschaften oder f\u00fchren als molekulare Maschinen lebenswichtige Prozesse aus. Die “Steuerm\u00e4nner der Zelle” werden aus Aminos\u00e4uren aufgebaut, deren Abfolge in der Erbinformation festgelegt ist. Auch die \u00dcbersetzung dieser Information w\u00e4hrend der Bildung von Proteinen wird durch den genetischen Code bestimmt.<\/p>\n
“Alle Lebewesen nutzen einen Standardsatz von 20 verschiedenen Aminos\u00e4uren, aus denen die Proteine gebildet werden”, sagt Lars Merkel aus dem Team von Budisa. Doch die Natur benutzt nur ein enges Repertoire der theoretisch m\u00f6glichen Aminos\u00e4uren. “Es fehlen viele Aminos\u00e4ureverbindungen, die beispielsweise Atome wie Fluor, Chlor, Brom oder Silizium enthalten”, sagt Merkel. Das Leben fand daf\u00fcr keinen Nutzen. Mit diesen Bausteinen lie\u00dfen sich jedoch neue therapeutische Proteine oder industriell relevante Enzyme herstellen.<\/p>\n
Dem Ziel sind die MPI-Forscher nun n\u00e4her gekommen. Im Labor haben sie mehrere neue Aminos\u00e4uren hergestellt, darunter auch eine, die das Element Fluor enth\u00e4lt. Wie aber lassen sich die k\u00fcnstlichen Bausteine in ein Zielprotein \u00fcbertragen, um es so f\u00fcr eine bestimmte Anwendung abzu\u00e4ndern? Einen Konstruktionsplan, auf den die Forscher zur\u00fcckgreifen k\u00f6nnten, hat die Natur nie entwickelt. Also versuchen sie es mit einem Kniff. Daf\u00fcr kommen Darmbakterienst\u00e4mme zum Einsatz, die nicht in der Lage sind, einige der 20 nat\u00fcrlichen Aminos\u00e4uren selbst herzustellen. Die Mikroben m\u00fcssen die fehlenden Aminos\u00e4uren deshalb aus dem N\u00e4hrmedium aufnehmen. Sind sie aufgebraucht, stellen sich die Bakterien auf Entzug ein; sie akzeptieren dann auch \u00e4hnlich aufgebaute Verbindungen. Dann geben die Forscher zun\u00e4chst geringe Mengen beispielsweise einer fluorhaltigen Aminos\u00e4ure in die N\u00e4hrl\u00f6sung. Dabei zeigen sich einige der Mikroben nicht besonders w\u00e4hlerisch. Sie \u00fcbernehmen den k\u00fcnstlichen Baustein, bauen ihn in das Zielprotein ein und vermehren sich sogar. “Beim Einbau \u00fcbertragen die synthetischen Aminos\u00e4uren ihre Eigenschaften auf die Proteine”, sagt Merkel. Mittlerweile k\u00f6nnen die Forscher in einem einzigen Experiment gleichzeitig drei verschiedene Aminos\u00e4uren durch k\u00fcnstliche ersetzen.<\/p>\n
“Damit k\u00f6nnten bald v\u00f6llig neue Produktklassen, deren biochemische Synthese bislang nicht m\u00f6glich war, erschlossen werden”, sagt Merkel. So lassen sich mithilfe von fluorhaltigen Proteinen Katalysatoren ma\u00dfschneidern, die in organischen L\u00f6sungsmitteln ebenso gut arbeiten wie in Wasser. “Das funktioniert so \u00e4hnlich wie bei der Teflonpfanne, bei der eine Fluorbeschichtung daf\u00fcr sorgt, dass weder Wasser noch Fett anhaftet”, erkl\u00e4rt Merkel. Die Industrie k\u00f6nnte solche Katalysatoren gut gebrauchen. Kunststoffe, die Fluor enthalten, m\u00fcssen heute noch in energieaufwendigen Prozessen chemisch hergestellt werden. Dank der neuen Methode k\u00f6nnten fluorhaltige Biokunststoffe k\u00fcnftig umweltschonender und billiger produziert werden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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