Algen kennen wohl die meisten unter uns nur als mehr oder weniger angenehme Bewohner von Gew\u00e4ssern aller Art. Zu Unrecht, denn die \u00e4u\u00dferst vielseitigen und gen\u00fcgsamen Lebewesen k\u00f6nnten uns zuk\u00fcnftig in vielerlei Hinsicht von gro\u00dfem Nutzen sein. Wissenschaftler der Universit\u00e4t Stuttgart erforschen derzeit, wie man sie als Mikroroboter in der Biomedizin oder bei der Umweltsanierung einsetzen k\u00f6nnte.<\/p>\n
Die Idee, Mikroroboter in der Medizin einzusetzen, um Wirkstoffe gezielt platzieren zu k\u00f6nnen \u2013 auch in gew\u00f6hnlich unzug\u00e4nglichen Geweben und K\u00f6rperh\u00f6hlen \u2013, oder sie f\u00fcr bildgebende Verfahren einzusetzen, gibt es seit wenigen Jahren. Die Roboter von etwa der Gr\u00f6\u00dfe einer Zelle sollen gezielt gesteuert, biologisch abbaubar und beliebig oft einsetzbar sein, ohne dem Patienten zu schaden, sodass eine Behandlung mit ihnen als der Inbegriff minimalinvasiver medizinischer Eingriffe gilt.<\/p>\n
Was sich f\u00fcr den Laien eher wie Science-Fiction anh\u00f6rt, existiert tats\u00e4chlich schon in den Anf\u00e4ngen: Versuche wurden mit verschiedenen Mikroorganismen als drahtlose Wirkstofftransporter gemacht. Dabei erwiesen sich schwimmende Organismen \u2013 wie etwa Bakterien \u2013 als besonders geeignet, vor allem magnetotaktische Arten, da diese durch Anlegen eines Magnetfelds gezielt durch den K\u00f6rper gesteuert werden k\u00f6nnen. Gerade Bakterien haben jedoch gewisse Einschr\u00e4nkungen: Sie k\u00f6nnen \u2013 je nach Art und Dosis \u2013 f\u00fcr Tiere und Menschen pathogen sein bzw. ungewollte Reaktionen des Immunsystems ausl\u00f6sen. Dar\u00fcber hinaus sind besonders magnetotaktische Arten im Labor schwer und relativ aufwendig zu kultivieren. Und sie sind nicht besonders effiziente Lastentr\u00e4ger: Ihre Schwimmgeschwindigkeit verringert sich mit Ladung erheblich.<\/p>\n
Algen als schnelle Mikrotransporter f\u00fcr medizinische Zwecke<\/p>\n
Eine gute Alternative zu den bakteriellen Schwimmern k\u00f6nnten Mikroalgen sein: Dr. Giulia Santomauro vom Institut f\u00fcr Materialwissenschaft der Universit\u00e4t Stuttgart erforscht die gr\u00fcnen Eukaryonten schon seit Jahren. Ihr bevorzugtes Forschungsobjekt ist derzeit die kugelf\u00f6rmige, nur rund zehn Mikrometer gro\u00dfe und sehr einfach zu kultivierende Mikroalge Chlamydomonas reinhardtii. Die Biologin hat es geschafft, sie dazu zu bringen, Fremdelemente aufzunehmen. \u201eIch halte die Algen dazu in Medium mit den Fremdstoffen, wie etwa Zink\u201c, berichtet sie. “Sie nehmen diese Elemente auf und verstoffwechseln sie; ich untersuche anschlie\u00dfend, was das f\u00fcr Auswirkungen auf die Alge hat.\u201c Unter den Fremdelementen, die die Wissenschaftlerin ihren gr\u00fcnen Versuchsorganismen ins Futter gibt, ist auch Terbium \u2013 ein Metall der Seltenen Erden, das beispielsweise f\u00fcr Brennstoffzellen, Laser oder auch Handys gebraucht wird. \u201eDie Algen sind \u00fcberaus schnelle Schwimmer, und wenn sie Terbium aufgenommen haben, ist das Besondere an ihnen, dass sie magnetisch sind und dazu auch noch leuchten\u201c, erkl\u00e4rt Santomauro. \u201eDas brachte mich auf die Idee, sie als Mikrotransporter f\u00fcr verschiedenste Stoffe zu verwenden.\u201c<\/p>\n
Mit Erfolg: Gemeinsam mit Kollegen vom Max-Planck-Institut f\u00fcr Intelligente Systeme in Stuttgart untersuchte die Wissenschaftlerin die magnetischen Eigenschaften von mit Terbium-Ionen (Tb3+) behandelten Algen. Bei den Tests lie\u00dfen sich die lebenden Algen nicht nur einfach durch die Magnete anziehen, sondern sie richteten sich an den Feldlinien aus und schwammen schnell und aktiv auf die Magnete zu. Da es sich hierbei um ein superparamagnetisches Ph\u00e4nomen handelt \u2013 die Zellen also nur Magnetismus zeigen, wenn auch Magnete anwesend sind \u2013, agglomerieren die Algen auch nicht, sondern zeigen anschlie\u00dfend wieder ihr nat\u00fcrliches Bewegungsverhalten.<\/p>\n
Weiterhin wurden die Mikroorganismen gemeinsam mit menschlichen Zellen bei K\u00f6rpertemperatur in Medium inkubiert. \u201eDie Temperatur von 37 Grad ist eigentlich sehr hei\u00df f\u00fcr die Algen, aber beide Zellarten haben problemlos \u00fcberlebt\u201c, sagt Santomauro. \u201eDas hei\u00dft, menschliche und Algenzellen sind biokompatibel \u2013 nat\u00fcrlich eine der wichtigsten Fragen, wenn man sie als Mikroroboter im K\u00f6rper einsetzen m\u00f6chte. Nach der Auslieferung des Wirkstoffs werden die Algen von den Entgiftungsorganen des K\u00f6rpers wie jeder andere Fremdstoff wieder ausgeschieden. Aber dadurch, dass Algen mit Terbium leuchten, k\u00f6nnen wir das ganz leicht in Stuhl und Urin kontrollieren.\u201c Im n\u00e4chsten Schritt wollen die Forscher nun geeignete Partikel als Medikamenten-Platzhalter auf den Algenzellen befestigen, um Transport und Abladen der Partikel zu untersuchen.<\/p>\n
Wertstoffe einfach akkumulieren, aufsammeln und recyceln<\/p>\n
Aber nicht nur f\u00fcr medizinische Zwecke k\u00f6nnten die Mikroalgen von gro\u00dfem Nutzen sein: Die Idee der Biologin ist es, sie zuk\u00fcnftig auch einmal bei der Umweltsanierung und beim Recyceln von Wertstoffen einzusetzen. \u201eDadurch, dass die Algen Fremdstoffe aufnehmen, k\u00f6nnte man Wertstoffe mithilfe der Algenzellen akkumulieren und dann r\u00fcckgewinnen\u201c, sagt sie. \u201eGerade das Recycling von Terbium oder auch anderen Metallen w\u00fcrde sich auf diese Weise anbieten. Denn Seltene Erden werden derzeit \u2013 etwa in Handys \u2013 viel gebraucht, sind aber extrem schwer abzubauen, und die R\u00fcckgewinnung ist mit existierenden Verfahren kompliziert.\u201c<\/p>\n
Deshalb m\u00f6chte Santomauro in den n\u00e4chsten Monaten systematisch untersuchen, wie viel Terbium die Algen maximal aufnehmen k\u00f6nnen. Au\u00dferdem soll getestet werden, ob und wie viel die Organismen auch von anderen Seltenen Erden wie Europium oder Neodym aufnehmen, die ebenfalls in vielen Hightech-Ger\u00e4ten verarbeitet werden.<\/p>\n
Generell w\u00e4re die Idee, die Mikroalgen zum Zweck der Umweltsanierung in Abwassersysteme oder Kl\u00e4ranlagen zu geben, wo sie die verschiedenen Wertstoffe aufnehmen. So beladen k\u00f6nnte man die Organismen dann per Magnet an eine Stelle leiten, wo man sie einfach aufsammeln und zu Recyclingzwecken weiterverarbeiten k\u00f6nnte. \u201eDieses Verfahren w\u00e4re viel, viel umweltschonender als die bisherigen Methoden zum Recycling \u2013 gerade von Seltenen Erden\u201c, meint die Wissenschaftlerin. \u201eHinzu kommt auch noch der gro\u00dfe Vorteil, dass man die Algen sehr umweltfreundlich in Bioreaktoren praktisch \u201eauf der gr\u00fcnen Wiese\u201c halten kann. Sie brauchen nur Licht und ein bisschen N\u00e4hrmedium, sind v\u00f6llig unkompliziert und nehmen daf\u00fcr bereitwillig die verschiedensten Elemente auf.\u201c F\u00fcr das Recyclingprojekt wird derzeit noch nach Finanzierungsm\u00f6glichkeiten gesucht.<\/p>\n
Zuk\u00fcnftig vielleicht noch viel mehr wertvolle Materialien aus Algen<\/p>\n
Au\u00dferdem interessiert sich die Biologin auch ganz grunds\u00e4tzlich daf\u00fcr, wie die Biomineralisationsprozesse in Algen ablaufen, und was tats\u00e4chlich dabei in den Zellen mit den zugegebenen Fremdstoffen passiert. \u201eDas ist zwar einerseits Grundlagenforschung\u201c, berichtet sie. \u201eAndererseits untersuche ich aber auch technische Anwendungen von Coccolithen, das sind von marinen Algen produzierte mikroskopisch kleine Kalkpl\u00e4ttchen. Generell g\u00e4be es sicher noch eine ganze Menge mehr wertvolle Materialien aus Algen, die wir uns zunutze machen k\u00f6nnten, und die aus den Stoffen entstehen, die sie so bereitwillig aufnehmen und, um sich selbst zu entgiften, diese dann umwandeln.\u201c Dabei gibt es viele Fragen zu kl\u00e4ren, die die Wissenschaftlerin in aktuellen und zuk\u00fcnftigen Projekten beantworten m\u00f6chte.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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