{"id":129868,"date":"2023-08-03T07:26:00","date_gmt":"2023-08-03T05:26:00","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=129868"},"modified":"2023-08-01T11:24:27","modified_gmt":"2023-08-01T09:24:27","slug":"mit-programmierbaren-bakterien-holz-neu-erfinden","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/mit-programmierbaren-bakterien-holz-neu-erfinden\/","title":{"rendered":"Mit programmierbaren Bakterien \u201eHolz\u201c neu erfinden"},"content":{"rendered":"\n

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M\u00f6bel und andere Gegenst\u00e4nde aus holz\u00e4hnlichem Material mithilfe von Mikroorganismen herstellen und damit die zwar nachwachsende, aber dennoch endliche Ressource Holz schonen: Dies erarbeitet ein Team von Forschenden der Universit\u00e4t Freiburg und des Leibniz Instituts f\u00fcr Neue Materialien (INM) in Saarbr\u00fccken im Projekt DELIVER. Ziel ist eine Datenbank mit hunderten Materialien unterschiedlichster, kontrollierbarer Eigenschaften, die je nach gew\u00fcnschter Anwendung aus Holzabf\u00e4llen hergestellt werden k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n

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Mithilfe von Bakterien k\u00f6nnen aus Holzabf\u00e4llen nachhaltige Biokomposite mit den verschiedensten Eigenschaften entstehen. \u00a9 Johannes Falkenstein, Uni Freiburg<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Was sich fantastisch anh\u00f6rt, funktioniert tats\u00e4chlich: In Vorarbeiten konnten Forschende des Exzellenzclusters CIBSS \u2013 Centre for Integrative Biological Signalling Studies der Universit\u00e4t Freiburg mithilfe von Ans\u00e4tzen der Synthetischen Biologie bereits zeigen, dass es m\u00f6glich ist, Bakterien so zu programmieren, dass sie Proteine bilden, mit denen aus Holzabf\u00e4llen \u2013 etwa S\u00e4gesp\u00e4nen oder landwirtschaftlichen Reststoffen \u2013 holz\u00e4hnliche Materialien hergestellt werden k\u00f6nnen. Die daraus entstehenden Biokomposite sind damit zu 100 Prozent nat\u00fcrlichen Ursprungs \u2013 also nachhaltig, recycelbar und beinhalten zudem biologisch unbedenklich abbaubare Klebstoffe \u2013 und k\u00f6nnen je nach Anwendung mit den gew\u00fcnschten Materialeigenschaften kontrolliert erzeugt werden.<\/p>\n\n\n\n

Dass dies keine biologische Spielerei ist, sondern dringend n\u00f6tig, zeigen uns vor allem die letzten Jahre: Holz ist zwar ein nachwachsender Rohstoff und W\u00e4lder machen in Deutschland gut ein Drittel der Fl\u00e4che aus. Allerdings ist diese Ressource begrenzt und noch dazu durch den Klimawandel zunehmend bedroht.<\/p>\n\n\n\n

Andererseits gilt Holz als eines der Materialsysteme der Zukunft und ist derzeit schon einer der meistgenutzten nat\u00fcrlichen Werkstoffe. Auch aus Holz hergestellte Verbundwerkstoffe machen im Bau- und M\u00f6belbereich einen entscheidenden Anteil aus. Eine \u00f6kologisch vertr\u00e4glichere Alternative zu diesen herk\u00f6mmlichen Holzverbundstoffen, die ebenso multifunktional und robust mit entsprechenden mechanischen Eigenschaften sind, w\u00e4re \u00e4u\u00dferst w\u00fcnschenswert. Aus diesem Grund wird schon seit einiger Zeit an nachhaltigeren M\u00f6glichkeiten geforscht, etwa an pilzbasierten Alternativen. Nachteil war bisher \u2013 ebenso wie die begrenzten Eigenschaften \u2013 die lange Wachstumsperiode.<\/p>\n\n\n\n

Aus Bakterien und Holzabf\u00e4llen wird neuer Werkstoff f\u00fcr M\u00f6bel und mehr<\/h3>\n\n\n\n
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Der neue Werkstoff k\u00f6nnte eine nachhaltige Alternative zu Holz sein, der permanent verf\u00fcgbar w\u00e4re und nicht erst nachwachsen m\u00fcsste. \u00a9 Johannes Falkenstein, Uni Freiburg<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Am Institut f\u00fcr Biologie der Universit\u00e4t Freiburg und am CIBSS forscht die Arbeitsgruppe Synthetische Biologie von Prof. Dr. Wilfried Weber, welche im Sommer ans INM nach Saarbr\u00fccken zieht, schon seit Jahren an Biomaterialien, zun\u00e4chst an Hydrogelen und Nanomaterialien f\u00fcr die Diagnostik. <\/p>\n\n\n\n

\u201eAuf diesem Gebiet sind programmierbare Organismen und optisch steuerbare Eigenschaften am Institut schon gut etabliert\u201c, berichtet Dr. Manuel Finkbeiner, Postdoc in Webers Team. \u201eWarum nicht \u00fcbertragen auf Baumaterialien, stellte sich die Frage? Also beides kombinieren \u2013 die synthetische Biologie und den Werkstoff Holz -, um daraus ein biologisches Verbundmaterial zu entwickeln.\u201c<\/p>\n\n\n\n

Vor diesem Hintergrund entstand die Idee f\u00fcr ein gro\u00df angelegtes Projekt zur Entwicklung von neuen nachhaltigen, holzbasierten Materialien an der Universit\u00e4t Freiburg: DELIVER (Data-driven Engineering of Sustainable Living Materials), an dem die Exzellenzcluster CIBSS und liv<\/em>MatS (Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems) mit zahlreichen Forschenden beteiligt sind. Am Ende sollen Bioverbundstoffe stehen, deren Eigenschaften ma\u00dfgeblich von programmierbaren Mikroorganismen im Material beeinflusst werden. Damit kann nicht nur die Ressource Holz, sondern auch die Umwelt geschont werden. Denn der neue holz\u00e4hnliche Werkstoff entsteht mit bakteriellen Proteinen als Klebstoff auf einer v\u00f6llig biologischen Basis und kann nach Gebrauch komplett recycelt werden. Die biologischen Klebstoffe bauen sich in der Natur bedenkenlos ab, oder das gesamte Produkt kann problemlos der thermischen oder biologischen Verwertung zugef\u00fchrt werden. Ganz im Gegensatz zu vielen bisherigen Werkstoffen aus Holz, in denen Kleber auf petrochemischer Basis verarbeitet sind und die dann als Sonderm\u00fcll gelten.<\/p>\n\n\n\n

Mithilfe von Optogenetik Materialeigenschaften steuern<\/h3>\n\n\n\n

Ausgangsstoff f\u00fcr das neuartige Holzmaterial sind Reststoffe: \u201eBisher haben wir Sp\u00e4ne aus Fichtenholz sowie eine Mischung aus Buchen- und Eschenholz getestet, die z. B. im S\u00e4gewerk anfallen\u201c, berichtet Rosanne Schmachtenberg, Doktorandin aus Webers Arbeitsgruppe. Die Sp\u00e4ne werden zun\u00e4chst gesiebt, sodass eine einigerma\u00dfen homogene Fraktion entsteht. Dann werden lebende Zellen dazugegeben \u2013 als Beispiel: Bakterien der Spezies Escherichia coli<\/em> -, die so programmiert wurden, dass sie den notwendigen \u201eKleber\u201c auf Naturbasis herstellen und die Holzfasern zu einem neuen Werkstoff vernetzen. <\/p>\n\n\n\n

\u201eDas sieht in etwa so aus wie nasser Sand\u201c, erkl\u00e4rt Johannes Falkenstein, Wissenschaftler im Team. \u201eDiese Mischung kann man in beliebig gro\u00dfe Formen pressen. Dann wird das Ganze im Backofen oder Trockenschrank getrocknet, wobei das Material aush\u00e4rtet und die Bakterien abget\u00f6tet werden. Heraus kommt ein Material, das \u00e4hnlich aussieht wie eine Pressspanplatte.\u201c<\/p>\n\n\n\n

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M\u00f6bel aus dem neuen Werkstoff: Demonstratoren f\u00fcr Hocker (links) oder Schrank (rechts). \u00a9 Johannes Falkenstein, Uni Freiburg<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Hinzu kommen weitere Variationsm\u00f6glichkeiten durch Methoden der Optogenetik: \u201eJe nach Wellenl\u00e4nge des Lichts und eingesetztem Fotorezeptor l\u00e4sst sich die Genaktivit\u00e4t der Mikroorganismen so beeinflussen, dass man die Materialeigenschaften des Produkts steuern kann. Man kann die Objekte auch nur teilweise dem Licht aussetzen und erh\u00e4lt dann Zonen mit unterschiedlichen Eigenschaften, also ein anisotropes Material\u201c, erkl\u00e4rt die Doktorandin. \u201eDas hei\u00dft, dann k\u00f6nnte der beleuchtete Teil fester, der unbeleuchtete Teil por\u00f6ser ausfallen.\u201c <\/p>\n\n\n\n

So ist die Anzahl der Variationsm\u00f6glichkeiten je nach Wahl und Kombination der Versuchsbedingungen enorm gro\u00df.<\/p>\n\n\n\n

Das Ergebnis ist ein stabiles und sehr nachhaltiges holz\u00e4hnliches Material f\u00fcr vielerlei Anwendungen. So sind in den Vorarbeiten schon eine Reihe von Demonstratoren f\u00fcr Gegenst\u00e4nde des Alltags entstanden, beispielsweise ein Hocker oder ein Schrank. <\/p>\n\n\n\n

\u201eDerzeit testen wir Formen f\u00fcr gr\u00f6\u00dfere Bretter und arbeiten auch mit lokalen Schreinereien zusammen, die testen, was man noch alles daraus machen k\u00f6nnte\u201c, sagt Falkenstein.<\/p>\n\n\n\n

K\u00fcnstliche Intelligenz beh\u00e4lt den \u00dcberblick \u2013 Variationsm\u00f6glichkeiten enorm<\/h3>\n\n\n\n

Dank DELIVER soll es aber nicht nur bei den Vorarbeiten bleiben: Im Projekt soll nun eine Vielzahl an Bedingungen, etwa f\u00fcr Bakterienwachstum und optogenetische Steuerung, aber auch verschiedene Mikroorganismenspezies oder Holzabf\u00e4lle getestet werden. <\/p>\n\n\n\n

\u201eWir wollen verschiedene Bakterien, aber auch Hefen untersuchen und herausfinden, was sich am besten eignet\u201c, berichtet Finkbeiner. \u201eVielleicht erweist sich ja auch eine Mischung als besonders produktiv. Wir starten nun sehr viele Kombinationsexperimente.\u201c<\/p>\n\n\n\n

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Screening verschiedenster Versionen des holz\u00e4hnlichen Werkstoffs. \u00a9 Johannes Falkenstein, Uni Freiburg<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Die geplante Zahl an Experimenten und die damit einhergehenden M\u00f6glichkeiten, also Versuchsbedingungen und die damit verkn\u00fcpften Materialeigenschaften, sind enorm. Damit die Forschenden hier den \u00dcberblick behalten, kommen Methoden des maschinellen Lernens zum Einsatz, um durch Modelle neue Materialeigenschaften vorherzusagen, Beziehungen zwischen genetischem Programm und Materialeigenschaft zu dokumentieren, aber auch die Experimente sinnvoll zu planen. <\/p>\n\n\n\n

\u201eAm Ende soll eine Materialbibliothek mit allen m\u00f6glichen Kombinationen entstehen, aus der man dann passgenau ermitteln kann, was man f\u00fcr die gew\u00fcnschte Anwendung braucht\u201c, so der Postdoc. \u201eDadurch kann man die Materialien ganz gezielt und passgenau herstellen.\u201c <\/p>\n\n\n\n

Die Bioverbundwerkstoffe werden sich in einer ganzen Reihe von Eigenschaften unterscheiden, etwa in der H\u00e4rte, Flexibilit\u00e4t oder auch in der Farbe. \u201e<\/p>\n\n\n\n

Das kann man theoretisch weit treiben\u201c, meint er. \u201eDenkbar w\u00e4ren auch ganz spezifische Eigenschaften, z.B. in Form von feuerfesten Materialien oder Beschichtungen.\u201c<\/p>\n\n\n\n

Konkret stehen nun erst einmal logistische Arbeiten an. <\/p>\n\n\n\n

\u201eWir sind noch relativ am Anfang\u201c, so Finkbeiner. \u201eJetzt werden zun\u00e4chst Abl\u00e4ufe entwickelt, vor allem mit den anderen Gruppen. Viele Fragen sind zu kl\u00e4ren: Beispielsweise, wie Materialien \u00fcbergeben oder Ergebnisse kommuniziert werden.\u201c <\/p>\n\n\n\n

Es werde aber in jedem Fall am Ende des Projekts ein konkretes, praxistaugliches Material stehen, so die Forschenden: \u201eBestimmt noch nicht im gro\u00dfen Ma\u00dfstab, aber das System soll in Grundz\u00fcgen erarbeitet sein. Und wir sind nat\u00fcrlich im Gespr\u00e4ch mit der M\u00f6bel- und Biotechnologieindustrie, um auszuloten, welche Felder am besten zu uns passen w\u00fcrden und welche Anwendungen sich f\u00fcr die Zukunft noch anbieten.\u201c<\/p>\n\n\n\n

Infobox: Projekt DELIVER \u2013 Data-driven Engineering of Sustainable Living Materials<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

Laufzeit: Januar 2023 \u2013 Dezember 2024<\/p>\n\n\n\n

Beteiligte Arbeitsgruppen und Institutsleiter:<\/h3>\n\n\n\n