Das Metallgebiss des Borstenwurms

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Presseaussendung der TU Wien vom 09.06.2021

Metallatome sind für die bemerkenswerte Stabilität von Borstenwurm-Kiefern verantwortlich, zeigen Experimente der TU Wien. Das könnte der Schlüssel für neue Hochleistungsmaterialien sein.

Borstenwürmer finden sich fast überall wo es Meerwasser gibt, und das schon seit hunderten Millionen Jahren. Trotzdem haben sie Besonderheiten, die erst jetzt entschlüsselt werden konnten: Ihre Kiefer sind aus bemerkenswert stabilem Material aufgebaut, und das Geheimnis dieser Stabilität kann man nun durch Experimente an der TU Wien in Kooperation mit den Max Perutz Labs erklären.

Eine entscheidende Rolle spielen Metallatome, die vom Wurm in die Proteinstruktur des Materials eingebaut werden. Sie machen das Material hart und gleichzeitig biegsam – ganz ähnlich wie man das von gewöhnlichen Metallen kennt. Nun soll an dieser Materialklasse weitergeforscht werden, mit dem Ziel, neuartige, industriell nutzbare Materialien auf natürliche Weise herzustellen.

Einzelne Metallatome

„Die Materialien, aus denen Wirbeltiere bestehen, sind mittlerweile gut erforscht“, sagt Prof. Christian Hellmich vom Institut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen der TU Wien. „Knochen etwa sind sehr hierarchisch aufgebaut: Es gibt organische und mineralische Anteile, winzige Strukturen ergeben größere Strukturen, die sich zu noch größeren Strukturen zusammenfügen.“

Bei Borstenwürmern ist das anders. Ihre Kiefer sind zwar äußerst stabil und unzerbrechlich, doch sie enthalten keine mineralischen Körnchen, wie man das von Wirbeltierknochen kennt. Stattdessen enthalten sie Metalle. Mit reinen Metallobjekten wie Goldzähnen oder künstlichen Hüften aus Titan hat das freilich nichts zu tun: Der Borstenwurm verwendet Metalle wie etwa Magnesium oder Zink in Form einzelner Atome, die in eine Proteinstruktur integriert sind.

„Dass im Borstenwurm-Kiefer Metallatome vorkommen, erklärt noch nicht seine ausgezeichneten Materialeigenschaften“, sagt Christian Hellmich. Die typischen Eigenschaften, die man von alltäglichen Metallen kennt – neben ihrer Härte und Elastizität vor allem ihre Zähigkeit – entstehen schließlich erst durch das Zusammenspiel vieler Atome. Es bilden sich Gleitflächen, entlang derer sich die Atome gegeneinander verschieben. Untersuchen kann man das mit sogenannten Nanoindentationsversuchen: Man belastet das Material auf eine genau definierte Weise und studiert dann, welche Verformungen sich daraus ergeben. Überraschenderweise zeigte sich, dass sich das Material des Borstenwurm-Kiefers dabei ganz ähnlich verhält wie Metall.

Ein uraltes Hochleistungsmaterial

„Das Bauprinzip, das die Kiefer von Borstenwürmern so erfolgreich gemacht hat, ist offenbar vor etwa 500 Millionen Jahren entstanden“, sagt Florian Raible von den Max Perutz Labs, einem Joint Venture der Universität Wien und der Medizinischen Universität Wien. „Die Metallionen werden direkt in die Proteinketten eingebaut und sorgen dann dafür, dass unterschiedliche Proteinketten zusammengehalten werden.“ So kann der Borstenwurm dreidimensionale Formen aus einer besonders stabilen Protein-Matrix herstellen.

Gleichzeitig ermöglicht diese Struktur auch Verformungen: Wenn das Material durch eine äußere Kraft belastet wird, können die Proteinketten aneinander vorübergleiten. Das Material erlaubt elastoplastische Verformungen, daher ist es nicht spröde und zerbrechlich.

„Genau diese Kombination aus hoher Festigkeit und Verformbarkeit ist normalerweise für Metalle charakteristisch“, sagt Luis Zelaya-Lainez, der als Erstautor der Studie die winzigen Kiefer mit materialwissenschaftlichen Techniken untersuchte. „Hier haben wir es zwar mit einem völlig anderen Material zu tun, aber interessanterweise sorgen trotzdem auch dort die Metallatome für Festigkeit und Verformbarkeit, wie bei einem Werkstück aus Metall.“

Während man industriell gefertigte Metalle allerdings nur unter großem Energieaufwand produzieren kann, gelingt dem Borstenwurm ein ähnliches Kunststück auf viel effizientere Weise. „Die Biologie könnte hier als Inspiration dienen, für völlig neuartige Werkstoffe“, hofft Hellmich. „Vielleicht ist es sogar möglich, auf biologische Weise Hochleistungsmaterialien herzustellen – viel effizienter und umweltfreundlicher als uns das heute gelingt.“

Ermöglicht wurde die gemeinsame Studie zwischen den Arbeitsgruppen um Hellmich und Raible unter anderem durch Forschungsgelder aus dem Innovationsfond „Research, Science and Society“ der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, der neuartige Grundlagenforschung im Grenzbereich etablierter Forschungsfelder unterstützt. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
L. Zelaya-Lainez et al., Jaws of Platynereis dumerilii: Miniature Biogenic Structures with Hardness Properties Similar to Those of Crystalline Metals, JOM (2021)

Externer Link: www.tuwien.at

Polypropylen-Recycling aus Teppichabfällen

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Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.06.2021

Teppichabfälle bestehen zu einem erheblichen Teil aus erdölbasiertem Polypropylen. Bislang sind sie jedoch nicht recycelbar; sie werden daher verbrannt oder deponiert. Über ein neuartiges Lösungsmittel lässt sich das Polypropylen aus Teppichabfällen in Primärqualität zurückgewinnen – ohne merkliche Qualitätseinbußen. Auch in punkto Kosten ist das Verfahren des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik IBP und seiner Partner durchaus konkurrenzfähig. Entwickelt wurde es im EU-Projekt »ISOPREP«.

Etwa 1,6 Millionen Tonnen Teppichabfälle fallen pro Jahr an – allein in der EU. Der Großteil davon wird deponiert oder verbrannt, denn Teppiche gehören zu den Verbundwerkstoffen, bei denen man mit einem rein mechanischen Recycling kaum weiterkommt. Doch damit gehen viele Ressourcen verloren, schließlich bestehen Teppichabfälle, die im Projekt ISOPREP behandelt werden, etwa zu einem Viertel aus dem erdölbasierten Kunststoff Polypropylen.

Teppich-Recycling: Neuartiges Verfahren macht´s möglich

Ein Forscherteam, dem auch das Fraunhofer IBP angehört, hat im EU-Projekt »ISOPREP« ein neuartiges Recycling-Verfahren entwickelt. »Mit diesem lässt sich erstmals Polypropylen aus Teppichabfällen zurückgewinnen – und zwar in Primärqualität«, sagt Maike Illner, Wissenschaftlerin am Fraunhofer IBP. Das wiedergewonnene Polypropylen kann also nicht nur für minderwertigere Produkte verwendet werden – man spricht dabei von »Down-Cycling« – sondern kommt mit seiner Qualität an die von neu hergestelltem Polypropylen heran. Es eignet sich somit auch für hochwertige Produkte.

Basis für das Verfahren ist ein besonderes Lösungsmittel, genauer gesagt ein ionisches Liquid. Besteht dieses aus den passenden Komponenten, löst es selektiv das Polypropylen aus den Teppichfasern heraus. Bevor das Expertenteam den Teppichabfällen mit dem Lösungsmittel zu Leibe rückt, werden diese gereinigt – dabei wird unter anderem möglichst viel des Teppichrückens abgetrennt– und zerkleinert. Die vorbehandelten Teppichabfälle kommen in einen Reaktor, in dem sie mit dem Lösungsmittel behandelt werden: Das Polypropylen wird selektiv im Lösungsmittel gelöst, was für eine effektive Abtrennung von Farbstoffen und anderen Additiven sorgt. Im größeren Labormaßstab mit mehreren Litern funktioniert das Verfahren bereits. Nun arbeitet das Konsortium daran, den Prozess auf eine Pilotanlage zu übertragen: Eine Tonne Teppichabfälle soll diese pro Tag recyclen können. Zum Projektende im März 2022 soll die Pilotanlage in Betrieb sein.

Kosten und Umweltwirkung

Doch ein Recyclingverfahren kommt nur dann zum großtechnischen Einsatz, wenn es kostenmäßig konkurrenzfähig ist. Das heißt in diesem Fall: Das recht teure ionische Liquid muss möglichst vollständig im Kreislauf geführt werden. »Liegen die Verlustraten bei einem Prozent oder darunter, hat der Prozess das Potenzial, hinsichtlich der Kosten mit der Neuherstellung von Polypropylen zu konkurrieren«, fasst Illner zusammen. »Das zeigt eine vorläufige ökonomische Analyse, die wir am Fraunhofer IBP durchgeführt haben.« Dazu untersuchten die Fraunhofer-Forscherinnen und -Forscher, welche Mengen an Material und Energie für den Prozess benötigt werden sowie was als Produkt wieder herauskommt, und errechneten die entsprechenden Kosten. Sie berücksichtigten in der ökonomischen Analyse zudem, wie sich die Kosten langfristig entwickeln könnten.

Die Ökologie des Teppich-Recyclings steht am Fraunhofer IBP im Fokus. Aufschluss gibt unter anderem die Lebenszyklusbetrachtung: Welche Emissionen beispielsweise entstehen beim Recyclingprozess? Auch hier gilt: Erreicht das Konsortium sein Ziel, die Verlustraten des Lösungsmittels auf ein Prozent und weniger zu senken, sind Primärenergiebedarf und Treibhausgasemissionen in einer ähnlichen Größenordnung wie die der Neuherstellung.

Auf andere Polypropylen-Abfallströme übertragbar

Zwar stehen Teppichabfälle im Blickpunkt des Projekts. Doch das entwickelte Verfahren kann deutlich mehr: Die Expertinnen und Experten gehen davon aus, dass es sich auf eine Vielzahl an Abfallströmen übertragen lässt, die Polypropylen enthalten und für das konventionelle Recycling ungeeignet sind. »Ein Beispiel sind Polypropylen-Produkte, die Farbstoffe und Additive enthalten«, konkretisiert Illner. »Bislang ist es schwierig, diese aus dem Kunststoff herauszulösen, so dass sich das recycelte Polypropylen nur für einen minderwertigeren Einsatz verwenden lässt.« Mit dem neuen Verfahren lässt sich das Polypropylen nicht nur von anderen Materialien, sondern auch von zugesetzten Farbstoffen und Additiven trennen und steht somit einer hochwertigen Anwendung zur Verfügung.

Dieses Projekt wird mit Mitteln aus dem Horizon 2020 Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union unter Grant Agreement Nr. 820787 gefördert.

Externer Link: www.fraunhofer.de

technologiewerte.de – MOOCblick Juni 2021

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Spannende Themen, herausragende Dozenten und flexible Lernmöglichkeiten tragen zum wachsenden Erfolg der Massively Open Online Courses (MOOCs) bei – offene, internetgestützte Kurse mit einer Vielzahl an Teilnehmern rund um den Globus.

Folgender Kurs – zu finden auf der MOOC-Plattform edX – sollte einen Blick wert sein:

Using Python for Research
Jukka-Pekka „JP“ Onnela (Harvard University)
Start: flexibel / Arbeitsaufwand: 24-48 Stunden

Externer Link: www.edx.org

Gentherapie lässt Erblindeten partiell wieder sehen

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 24.05.2021

Ein Blinder hat einen Teil seiner Sehkraft zurückerlangt. Gelungen ist dies durch eine sogenannte optogenetische Gentherapie, die eine erbliche Erkrankung der Fotorezeptoren des Auges behandelt. Ein internationales Forschungsteam hat damit einen wichtigen Schritt geschafft, um erblich bedingte Blindheit zu behandeln.

Dass Menschen erblinden geht oft auf eine erbliche Erkrankung der Fotorezeptoren im Auge zurück. Fotorezeptoren sind lichtsensible Zellen in der Netzhaut, die sogenannte Opsin-Proteine nutzen, um Licht in elektrische Reize umzuwandeln und visuelle Information via Sehnerv vom Auge ans Gehirn zu liefern. Bei vielen Erbkrankheiten der Netzhaut degenerieren die Fotorezeptoren jedoch, die Betroffenen verlieren ihre Sehfähigkeit.

An der Behandlung dieser Art der erblichen Erblindung arbeiten Forschende um Prof. Dr. Botond Roska von der Universität Basel, Gründungsdirektor des Instituts für Molekulare und Klinische Ophthalmologie Basel (IOB), und Prof. Dr. José-Alain Sahel von der Universität Pittsburgh seit über zehn Jahren. Dafür setzen sie sogenannte optogenetische Gentherapien ein.

Lichtempfindliche Proteine

Bei Optogenetik handelt es sich um eine Technik, bei der Zellen genetisch so verändert werden, dass sie lichtempfindliche Proteine produzieren. Nun hat die Behandlung eines Patienten, der durch die Erbkrankheit Retinitis pigmentosa vollständig erblindet war, vielversprechende Ergebnisse erbracht. Davon berichten die Forschenden im Fachmagazin Nature Medicine. «Die Studienergebnisse beweisen, dass eine optogenetische Gentherapie zur partiellen Wiederherstellung von Sehfähigkeit machbar ist», so Roska.

Um die Lichtsensibilität der Netzhaut des Patienten wiederherzustellen, schleusten die Forschenden bestimmte Gene in sogenannte Ganglienzellen der Retina ein, damit sie das lichtempfindliche Protein ChrimsonR herstellten. Dieses spezielle Protein absorbiert bernsteinfarbenes Licht, das für Netzhautzellen sicherer ist als das blaue Licht, das sonst häufig in der Optogenetik verwendet wird. Das Team entwickelte zudem eine spezielle Brille, die mit einer Kamera ausgestattet ist. Die Kamera erfasst die Umgebung und projiziert die Bilder, umgewandelt in bernsteinfarbenen Lichtwellenlängen, auf die Netzhaut.

Etwa fünf Monate, nachdem der Patient die Gentherapie erhielt, begann das Training mit der Brille. So stabilisierte sich die Produktion des lichtempfindlichen Proteins ChrimsonR in den Zellen der Netzhaut. Sieben Monate später berichtete der Patient über Anzeichen einer Sehverbesserung.

Patient kann Objekte lokalisieren

Der Patient konnte Objekte auf einem weissen Tisch vor seinen Augen lokalisieren, berühren und zählen, jedoch nur mithilfe der Spezialbrille. Ohne die Brille gelangen ihm diese Übungen nicht. Bei einem weiteren Test sollte er ein grosses Notizbuch oder eine kleine Schachtel mit Heftklammern wahrnehmen, lokalisieren und berühren. Das gelang ihm beim Notizbuch in 36 von 39 voneinander unabhängigen Untersuchungen (also in 92 Prozent aller Tests). Bei der kleinen Schachtel gelang ihm dies nur in 36 Prozent der Fälle. In einem anderen Test zählte der Patient Gläser auf dem Tisch in 63 Prozent aller Fälle korrekt.

Während weiterer Versuche sollte der Patient Knöpfe drücken, um anzugeben, ob sich ein Glas auf dem Tisch vor ihm befand oder nicht. Dabei trug er eine Kopfhaube mit Elektroden, die ein nicht-invasives Elektro-Enzephalogramm (EEG) seiner Gehirnaktivität aufzeichneten. Die Auswertung der EEG-Messungen zeigte, dass sich die Aktivität im visuellen Kortex seines Gehirns entsprechend änderte, je nachdem, ob das Glas vorhanden war oder nicht. Damit konnten die Forschenden bestätigen, dass die Gehirnaktivität tatsächlich mit einem visuellen Objekt in Verbindung stand und die Netzhaut nicht mehr blind war.

Sehnerv muss noch intakt sein

Für diese Art der Behandlung von Blindheit kommen allerdings nur Patientinnen und Patienten infrage, deren Sehnerv noch intakt ist und die aufgrund verschiedener Arten neurodegenerativer Fotorezeptor-Erkrankungen das Augenlicht verloren haben, wie José-Alain Sahel betont. «Es wird aber noch einige Zeit dauern, bis diese Therapie den Patienten angeboten werden kann.»

Zum internationalen Forschungsteam gehörten Mitglieder des IOB, des Institut de la Vision und Hôpital National des Quinze-Vingts in Paris, der Universität Pittsburgh, von StreetLab und GenSight Biologics.

Originalpublikation:
José-Alain Sahel et al.
Partial recovery of visual function in a blind patient after optogenetic therapy
Nature Medicine (2021)

Externer Link: www.unibas.ch