Archiv des Monats: Februar 2012

Kraftstoff aus Marktabfällen

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Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.02.2012

Matschige Tomaten, braune Bananen und überreife Kirschen – die Abfälle von Großmärkten sind bisher bestenfalls auf dem Kompost gelandet. Künftig sollen sie besser genutzt werden: In einer neu entwickelten Anlage lassen sie sich vergären. Dabei entsteht Methan, das als Kraftstoff Autos antreiben kann.

Lässt der Autofahrer am Zapfhahn Erdgas in den Tank strömen statt Benzin oder Diesel, fährt er günstiger und umweltbewusster: Der Treibstoff schont das Portemonnaie, die Auspuffgase enthalten weniger Kohlenstoffdioxid und kaum Rußpartikel. Zunehmend rüsten Autofahrer daher ihre Otto-Motoren für den Erdgas-Betrieb um. Erdgas gehört jedoch ebenso wie Erdöl zu den fossilen Brennstoffen, die Reserven sind begrenzt. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart haben nun eine Alternative entwickelt: Sie gewinnen den Kraftstoff nicht aus den kostbaren Rohstoffreserven der Erde, sondern aus Obst- und Gemüse-Abfällen von Großmärkten, Mensen und Kantinen. Werden diese Lebensmittelreste vergoren, entsteht Methan, auch Biogas genannt. In Hochdruckflaschen gepresst kann es als Treibstoff dienen.

Eine erste Pilotanlage neben dem Stuttgarter Großmarkt nehmen die Forscher Anfang dieses Jahres in Betrieb: In einem zweistufigen Vergärungsprozess produzieren verschiedene Mikroorganismen aus den Abfällen in wenigen Tagen das gewünschte Methan. »Die Abfälle enthalten viel Wasser und wenig verholzte Teile, sie sind daher ideal für das Vergären«, sagt Dr.-Ing. Ursula Schließmann, Abteilungsleiterin am IGB. Eine Herausforderung stellen die Abfälle trotzdem dar: Sie setzen sich jeden Tag anders zusammen, mal sind viele Zitrusfrüchte dabei, mal eher Kirschen, Pflaumen und Salatköpfe. Gerade die Zitrusfrüchte enthalten jedoch viel Säure – die Forscher müssen den pH-Wert daher anpassen. »Wir lagern den Ausschuss in verschiedenen Vorratsbehältern. Hier werden automatisch einige Parameter des Abfalls bestimmt, etwa der pH-Wert. Das dazu entwickelte Managementsystem errechnet, wie viel Liter des Abfalls aus welchen Behältern gemischt und zu den Mikroorganismen gegeben werden«, erläutert die Expertin. Denn das Gleichgewicht muss erhalten bleiben – die verschiedenen Mikroorganismen brauchen zu jeder Zeit gleiche Umgebungsbedingungen, also das gleiche Milieu.

Ein weiterer Vorteil der Anlage: Es wird alles verwertet, vom Biogas über das flüssige Filtrat bis zum nicht weiter vergärbaren schlammartigen Rest. Dabei hilft ein zweites Teilprojekt in Reutlingen, eine Algenkultur. Bekommen die Algen genügend Nährmedium, Kohlenstoffdioxid und Sonnenlicht, produzieren sie in ihren Zellen Öl, das Dieselmotoren antreiben kann. Als Nährmedium für die Algen dient das Filtratwasser aus der Biogasanlage, es enthält genügend Stickstoff und Phosphor. Das Kohlenstoffdioxid, das die Algen zum Wachsen brauchen, erhalten die Forscher ebenfalls aus dem Biogasreaktor in Stuttgart: Denn das entstehende Biogas setzt sich zu etwa zwei Dritteln aus dem gewünschten Methan, zu etwa 30 Prozent aus Kohlenstoffdioxid zusammen. Alles, was nun noch übrig ist von den Marktabfällen, ist der schlammartige Gärrest. Er wird von den Kollegen aus dem Schweizer Paul Scherrer-Institut und dem Karlsruher Institut für Technologie ebenfalls in Methan umgewandelt.

Das Biogas, das in der Anlage am Großmarkt entsteht, bereiten die Mitarbeiter der Energie Baden-Württemberg EnBW mit Membranen auf, die Daimler AG stellt einige Versuchsfahrzeuge mit Erdgasantrieb bereit. Insgesamt fünf Jahre läuft das Projekt mit dem Namen EtaMax, das mit sechs Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF gefördert wird. Wenn alle Komponenten einwandfrei zusammenspielen, könnten ähnliche Anlagen künftig überall stehen, wo viele organische Abfälle anfallen. Weitere Projektpartner sind das Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV in Freising, FairEnergie GmbH, Netzsch Mohnopumpen GmbH, Stulz Wasser- und Prozesstechnik GmbH, Subitec GmbH und die Stadt Stuttgart.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Neue Art von Kunststoff?

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Medienmitteilung der ETH Zürich vom 13.02.2012

Für eine kleine Sensation in der Synthese-Chemie sorgen Wissenschaftler unter Leitung der ETH Zürich. Erstmals ist es gelungen, flächige Polymere herzustellen, die regelmässig angeordnet eine Art „molekularen Teppich“ im Nanometermassstab bilden.

Der Chemiker Hermann Staudinger postulierte 1920 an der ETH Zürich die Existenz von Makromolekülen, bei denen die gleichen Bausteine kettenförmig aneinandergereiht sind. Er erntete für die Idee dieser Polymeren – wie diese Art von Makromolekülen genannt wird – in Fachkreisen vorerst Hohn und Unverständnis. Und viele fragten sich, wofür man diese wohl brauchen könne. Doch Staudinger sollte Recht bekommen: Heute, mehr als neunzig Jahre nach Staudingers Entdeckung, werden jährlich etwa 150 Millionen Tonnen Kunststoff – wie die Polymere landläufig genannt werden – hergestellt. Einer Forschungsgruppe unter Leitung von A. Dieter Schlüter, Professor, und Junji Sakamoto, Privatdozent am Institut für Polymere an der ETH Zürich, gelang nun ein entscheidender Durchbruch in der Synthese-Chemie der Polymere: Sie erzeugten erstmals flächige Polymere. Und wieder gilt es, nicht sofort nach dem Nutzen zu fragen, sondern die Entdeckung grundsätzlich zu erforschen.

Einen molekularen Teppich herstellen

Polymere entstehen, indem sich kleine einzelne Moleküle, sogenannte Monomere, durch chemische Reaktionen zu grossen Makromolekülen kettenförmig verbinden. Schlüter trieb schon seit seiner Habilitation die Frage um, ob Polymere ausschliesslich linear sein müssen oder ob man auch zweidimensionale Moleküle erzeugen könnte. Das heisst, die Moleküle wären dann nicht in einer Kette angeordnet, sondern würden eine Art Teppich bilden. In der Natur kommt ein zweidimensionales Polymer in Form von Graphen vor. Kohlenstoffatome gehen da jeweils drei Bindungen ein und bilden so ein wabenförmiges Muster. Das Problem: Graphen kann nicht kontrolliert synthetisiert werden. Als Schlüter und Sakamoto vor einigen Jahren an der ETH Zürich aufeinander trafen, suchten sie gemeinsam nach einer Antwort, wie man ein zweidimensionales Polymer herstellen könnte.

Wie Graphen müsste ein derartiges Polymer drei oder mehr Bindungen zwischen den sich regelmässig wiederholenden Molekülen haben. Die Wissenschaftler mussten herausfinden, welche Verbindungschemie und Umgebung sich für die Herstellung eines „molekularen Teppichs“ am besten eignet. Nach intensiven Analysen bisheriger Studien und Möglichkeiten entschieden sie sich dafür, einen Einkristall, das heisst einen Kristall mit einem homogenen Schichtgitter, zu verwenden.

Erst kristallisieren, dann kochen

Dem Doktoranden Patrick Kissel gelang es, spezielle Monomere herzustellen und diese in einem Einkristall zu kristallisieren. Er generierte hierfür photochemisch empfindliche Moleküle, für die eine solche Anordnung energetisch optimal ist. Diese wurden mit Licht mit einer Wellenlänge von 470 Nanometern bestrahlt und so wurde jede Schicht zum Polymeren. Danach kochten die Forschenden den Kristall in einem geeigneten Lösungsmittel, um die einzelnen Schichten voneinander abzutrennen. Mit jeder Schicht erhielten die Forschenden das gewünschte zweidimensionale Polymer. Dass es dem Team tatsächlich gelungen war, flächige Polymere mit regelmässigen Strukturen herzustellen, zeigten spezielle Untersuchungen am Elektronenmikroskop, die Empa-Forscher Rolf Erni und Marta Rossell von der ETH Zürich an der Empa durchführten.

Die Forscher haben die komplette strukturelle Kontrolle über die Monomere, wie es beispielsweise bei Graphen nie möglich wäre, da dort mit enorm hohen Temperaturen gearbeitet werden müsste. «Unsere synthetisch hergestellten Polymere sind zwar nicht leitfähig wie Graphen, dafür könnten wir sie aber beispielsweise zum Filtern kleinster Moleküle nutzen», sagt Sakamoto. In den regelmässig angeordneten Polymeren könnten winzige Hexagone entfernt werden, so dass dadurch eine Art Sieb entstehen würde. Zuerst müssen die Forscher jedoch einen Weg finden, grössere Mengen von noch grösseren Flächen des neuen Polymers herzustellen. Die Kristalle haben derzeit eine Grösse von 50 Mikrometern.

Unerforschte Physik

Bevor sich die Forscher jedoch über konkrete Anwendungen Gedanken machen können, gilt es nun, die Materialeigenschaften des neuen Polymers zu charakterisieren. Physiker sollen klären, wie sich ein zweidimensionales Polymer im Vergleich zu einem linearen Polymer verhält. Schlüter geht davon aus, dass zweidimensionale Polymere eine andere Physik und damit andere Eigenschaften haben könnten. Als Beispiel nennt er die Eigenschaft „Elastizität“: Ineinander verschlungene lineare Polymere ermöglichen, dass ein gespanntes Gummiband zurückschnappt, sobald es losgelassen wird. Beim flächigen Polymer dürfte das nicht funktionieren. Dafür könnte dieses andere Merkmale haben und es könnten sich damit neue Anwendungsbereiche auftun. «Wir haben mit der Herstellung des Polymers einen grossen Schritt in der Forschung gemacht, ganz unabhängig davon, was dieses neue Polymer alles kann. Wir lassen uns aber gerne überraschen», so Schlüter.

Publikation:
Kissel P, Erni R, Schweizer WB, Rossell MD, King BT, Bauer T, Götzinger S, Schlüter AD & Sakamoto J: A two-dimensional polymer prepared by organic synthesis, Nature Chemistry (2012), advanced online publication, doi: 10.1038/nchem.1265

Externer Link: www.ethz.ch

Medikamente aus Krabbenschalen

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Presseaussendung der TU Wien vom 13.02.2012

An der TU Wien wurden Pilze mit zusätzlichen Fremd-Genen erzeugt: Sie produzieren nun pharmakologische Substanzen aus Krabbenschalen.

Schimmelpilze sind normalerweise eher kein Grund zur Freude – doch nun können sie als „chemische Fabriken“ eingesetzt werden: An der Technischen Universität Wien gelang es, Gene von Bakterien in Pilze der Gattung Trichoderma einzubringen, sodass die Pilze nun in der Lage sind, wichtige Chemikalien für die Arzneimittelerzeugung herzustellen. Der Rohstoff, den die Pilze dafür brauchen, ist reichlich vorhanden: Chitin, aus dem zum Beispiel die Panzer von Krustentieren aufgebaut sind. Die neue Methode konnte bereits zum Patent angemeldet werden.

Fünfzig mal teurer als Gold

Bei viralen Infekten wie etwa der Influenza werden häufig Virustatika eingesetzt, die eine Verbreitung des Virus im Organismus verhindern sollen. Diese Medikamente sind oft Derivate der N-Acetylneuraminsäure (kurz: NANA), die heute aus natürlichen Ressourcen gewonnen oder chemisch hergestellt wird – allerdings ist NANA fünfzig mal teurer als Gold: Die Chemikalie kostet etwa 2000 Euro pro Gramm. Ein Forschungsteam der TU Wien, geleitet von der Biotechnologin Astrid Mach-Aigner, setzte sich daher das Ziel, eine neue umweltfreundliche Herstellungsmethode für NANA zu finden, und diese Ziel wurde nun erreicht.

Entscheidend dafür war das umfangreiche Wissen über die Genetik der Trichoderma-Pilze, das man am Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften der TU Wien schon seit Jahren gesammelt hatte. Neben einem Team dieses Instituts (R. Gorsche, A. Mach-Aigner, R. Mach, M. Steiger) war auch das Institut für Angewandte Synthesechemie (M. Mihovilovic) und das Institut für Chemische Technologien und Analytik (E. Rosenberg) an dem durch den FWF geförderten Projekt beteiligt.

Bakterien-Gene für den Schimmelpilz

Der Schimmelpilz Trichoderma ist weit verbreitet: Er kommt in Böden, Wald und Wiesen vor. „Wir wussten, dass Trichoderma Chitin abbauen kann – genau das macht der Pilz im Boden mit Chitin“, erklärt Astrid Mach-Aigner. Dadurch war Trichoderma ein vielversprechender Kandidat für das Forschungsprojekt. Um den Pilz allerdings dazu zu bringen, das gewünschte chemische Endprodukt zu erzeugen, musste man ihm noch Gene einbauen, die in Bakterien vorkommen. „Normalerweise baut Trichoderma das Chitin zu monomeren Aminozuckern ab“, sagt Mach-Aigner. Durch die neuen Gene kommt es nun zu zwei weiteren chemischen Reaktionsschritten – und am Ende entsteht der gewünschte Arzneimittelrohstoff N-Acetylneuraminsäure.

Chitin als Bio-Rohstoff

Chitin ist nach Zellulose der zweithäufigste Bio-Polymer der Erde. Er kommt in Panzern von Krebsen und Insekten, aber auch in Schnecken und Kopffüßern sowie in der Zellwand von Pilzen vor. Man schätzt, dass allein im Meer jährlich zehn Milliarden Tonnen Chitin gebildet werden – einige hundert mal mehr als das Körpergewicht der gesamten Menschheit. Chitin ist also ein nachhaltiger nachwachsender Rohstoff für chemische Syntheseprozesse.

Der neu entwickelte Trichoderma-Stamm kann nun in Bio-Reaktoren kultiviert werden und dort Chitin in die wertvolle Säure umwandeln. Das Verfahren wurde von der TU Wien bereits patentiert und soll nun für eine billigere und umweltfreundliche Produktion von pharmakologischen Substanzen im industriellen Maßstab eingesetzt werden. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Datenspeicher mit Lachs-DNA und Nano-Silber

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 08.02.2012

Biopolymer-Film lässt sich kostengünstig und umweltverträglich mit Informationen beschreiben

Ein neuartiger Biopolymer-Film aus Lachs-DNA mit Silber-Nanopartikeln speichert Informationen kostengünstig und umweltverträglich. Entstanden ist das organische System in fächer- und länderübergreifender Zusammenarbeit von Wissenschaftlern des DFG-Centers for Functional Nanostructures (CFN) am KIT und des Institute of Photonics Technologies an der National Tsing Hua University in Taiwan. Der DNA-Datenspeicher eignet sich unter anderem für biotechnische Anwendungen, etwa als Bauteil in Biosensoren.
 
Das System besteht aus einer dünnen Schicht der DNA eines Lachses, die mit Silbersalzen versetzt und zwischen zwei Elektroden eingebettet ist. Wird es mit UV-Licht stimuliert, bilden sich Silber-Nanopartikel, durch die Strom fließen kann. So entsteht ein Biopolymer-Film, auf den sich Daten schreiben lassen. Der Speicher lässt sich einmal beschreiben und mehrmals auslesen (WORM – Write-Once-Read-Many-Times). In der Zeitschrift „Applied Physics Letters“ stellen die Forscher ihre Entwicklung vor.
 
„Dieser DNA-basierte Speicher ist kostengünstiger als herkömmliche Speicher, die aus anorganischen Materialien wie Silizium bestehen“, erklärt Dr. Ljiljana Fruk, die am CFN eine interdisziplinäre Forschungsgruppe für DNA-Nanotechnologie, Biofunktionalisierung und Design von lichtgesteuerten Nanobauteilen leitet. „Außerdem ist er recycelbar, und die Rohstoffe sind in der Natur reichlich vorhanden.“

Bei niedriger Spannung fließt nur geringer Strom durch den DNA-Silber-Biopolymer-Film. Diesen Zustand interpretieren die Forscher als logische Null. Ab einer bestimmten Grenzspannung aber bilden sich freie Ladungsträger, die einen höheren Stromfluss verursachen, was von den Wissenschaftlern als logische Eins interpretiert wird. Diese Leitfähigkeit lässt sich, wenn sie einmal erreicht ist, auch durch eine Änderung der Spannung nicht mehr rückgängig machen – einmal eingeschaltet, bleibt das System aktiv, egal welche Spannung anliegt. Auch nach 30 Tagen lässt sich die Leitfähigkeit noch nachweisen. Die Information bleibt also erhalten.
 
Die Herstellung des neuartigen DNA-Datenspeichers verbindet aktuelle Erkenntnisse aus der DNA-Nanotechnologie mit Erfahrungen aus der Fertigung herkömmlicher Polymer-Bauteile. Die Forscher erwarten Anwendungen ihres Systems als optische Speicher oder auch in sogenannten plasmonischen Bauteilen. Plasmonen sind nanometergroße elektronische Anregungen in Metallen. „Die Forschung zu DNA als Biopolymer steht allerdings noch ziemlich am Anfang“, erklärt Ljiljana Fruk. „In naher Zukunft werden sich daher noch weitere Anwendungsmöglichkeiten eröffnen.“ (or)
 
Publikation:
Yu-Chueh Hung, Wei-Ting Hsu, Ting-Yu Lin, and Ljiljana Fruk: Photoinduced write-once-read-many-times memory device based on DNA biopolymer nanocomposite. Applied Physics Letters, 2011. [DOI:10.1063/1.3671153]

Externer Link: www.kit.edu

Superlaser enthüllen die Struktur von Schlüsselproteinen

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Pressemitteilung der Universität Tübingen vom 27.01.2012

Strukturbiologen aus Tübingen, Hamburg und Lübeck gehen neue Wege in der Erforschung von Proteinen in Krankheitserregern

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universitäten Tübingen, Hamburg und Lübeck haben in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY und weiteren Forschergruppen ein neues Experiment erfolgreich durchgeführt, das sie in der aktuellen online-Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature Methods“ beschreiben: Sie züchteten erstmals Nanokristalle von Proteinen in ihrer natürlichen Umgebung in lebenden Zellen. Durch Bestrahlung dieser Kristalle mit einem Freien-Elektronen-Laser erhielten sie Daten zur räumlichen Struktur der Proteine mit hoher Auflösung.

Die dreidimensionale Struktur von Proteinen gibt Aufschluss darüber, welche Funktion sie bei der Steuerung einer Zelle in Organismen übernehmen. Wissen über die Struktur bietet somit beispielsweise die Grundlage für die Bekämpfung von Infektionen, die durch bakterielle Zellen oder Parasiten hervorgerufen werden. Ein wichtiges Anwendungsgebiet ist hierbei die Entwicklung neuer Wirkstoffe gegen Krankheitserreger, wie in diesem Fall gegen die Schlafkrankheit.

Bisher war zur Aufklärung der dreidimensionalen Struktur von Proteinen durch Röntgenstrukturanalyse ein aufwendiges Verfahren nötig, denn Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mussten von ausgewählten Proteinen Kristalle mit einer Kantenlänge von mindestens 100 Mikrometer in jede Richtung züchten.

Mit einem „Freien-Elektronen-Laser“ in Stanford, Kalifornien, konnte die Forschergruppe nun hochintensive Röntgenpulse nutzen und viel kleinere Kristalle, nämlich Nanokristalle, untersuchen. Die Züchtung von Proteinnanokristallen des Enzyms Cathepsin B aus dem Parasiten Trypanosoma brucei (dem Erreger der Schlafkrankheit) mit Abmessungen von nur wenigen Mikrometern, gelang den Strukturbiologen erstmalig in lebenden Insektenzellen.

Im Ergebnis erhielt das Forscherteam Daten zur Proteinstruktur in außergewöhnlich hoher Qualität. In dem Projekt hatten Professor Michael Duszenko und Professor Thilo Stehle von der Universität Tübingen sowie Professor Henry Chapman vom DESY mit der BMBF geförderten Nachwuchsgruppe „Strukturelle Infektionsbiologie unter Anwendung neuartiger Strahlungsquellen (SIAS)“ der Universitäten Hamburg und Lübeck und der Hamburg School for Structure and Dynamics in Infection (SDI) der Landesexzellenzinitiative Hamburg zusammengearbeitet.

Michael Duszenko, Leiter der Abteilung Molekulare Parasitologie an der Universität Tübingen: „Bei der Klonierung von Cathepsin B, eines Enzyms aus Trypanosomen, konnten wir zeigen, dass sich in vivo Kristalle bilden. Aufgrund der geringen Größe und Fragilität dieser Kristalle wäre es allerdings unmöglich gewesen, diese zur Strukturanalyse zu nutzen. Deshalb hat der glückliche Umstand, dass gerade jetzt die neuartige Lasertechnologie in Kalifornien verfügbar war, dieses Projekt ideal ergänzt und neue Türen in der Strukturbiologie geöffnet. Ohne die fruchtbare Kooperation zwischen Tübingen, Hamburg und Lübeck wären die Ergebnisse nicht möglich gewesen.“

Originalveröffentlichung:
„In vivo protein crystallization opens new routes in structural biology“; Michael Duszenko et al.; „Nature Methods“, Advance Online Publication; DOI: 10.1038/nmeth.1859

Externer Link: www.uni-tuebingen.de