Wissenschaftler an der University of California San Diego haben ein “Engineered Living Material” entwickelt, das Schadstoffe aus Wasser entfernen kann. Dieses Material besteht aus einer dreidimensionalen Struktur, die aus einem auf Algen basierenden Polymer und genetisch veränderten Bakterien hergestellt wird. Die Bakterien produzieren ein Enzym, das organische Schadstoffe in harmlose Moleküle umwandelt. Das Material kann sich auch selbstzerstören, wenn es mit Theophyllin in Kontakt kommt, einem Molekül, das in Tee und Schokolade vorkommt. Die Forscher verwendeten Alginsäure, ein aus Algen gewonnenes Polymer, das sie mit Cyanobakterien kombinierten, um das lebende Material zu schaffen. Eine gitterartige Struktur mit einem hohen Oberfläche-Volumen-Verhältnis erwies sich als optimal, um die Bakterien am Leben zu erhalten und die Entgiftung effektiver zu machen. Als “Proof-of-Concept” zeigten die Forscher, dass das Material den auf Farbstoffen basierenden Schadstoff Indigo Carmine entgiften kann. Die Cyanobakterien wurden genetisch verändert, um ein Entgiftungs-Enzym namens Lakkase zu produzieren. Außerdem entwickelten sie die Bakterien so, dass sie auf Theophyllin reagieren, was zur Produktion eines Proteins führt, das die Bakterienzellen zerstört. Das Ziel der Forscher ist es, Materialien zu entwickeln, die auf Umweltreize reagieren und die Bakterien ohne zusätzliche Chemikalien selbstzerstören lassen. An dem Projekt war eine Zusammenarbeit zwischen Ingenieuren, Materialwissenschaftlern und Biologen am UC San Diego Materials Research Science and Engineering Center beteiligt. Die Ergebnisse der Forschung wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Einführung
Ein Forscherteam an der University of California San Diego hat einen bedeutenden Durchbruch bei der Bekämpfung von Wasserverschmutzung erzielt. Sie haben ein innovatives Material namens “Ingenieurslebendmaterial” entwickelt, das Schadstoffe effektiv aus dem Wasser entfernen kann. Dieses Material besteht aus einer 3D-gedruckten Struktur, die aus einem algengesteuerten Polymer gemischt mit genetisch veränderten Bakterien besteht.
Die Zusammensetzung von Ingenieurslebendmaterial
Das Ingenieurslebendmaterial wird durch die Kombination eines aus Algen gewonnenen Polymers namens Alginsäure mit Cyanobakterien hergestellt. Diese Kombination bildet eine 3D-gedruckte Struktur, die eine geeignete Umgebung für das Bakterienwachstum bietet. Die gitterartige Struktur bietet ein großes Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis, was die Effektivität der Kontaminationsermöglichert.
Alginsäure: Ein Polymer aus Algen
Alginsäure, ein Polymer, das aus Algen gewonnen wird, bildet die Basis des Ingenieurslebendmaterials. Es sorgt für strukturelle Stabilität und Unterstützung des Materials und ermöglicht gleichzeitig den Durchfluss von Wasser und Schadstoffen.
Cyanobakterien: Genetisch veränderte Lebensretter
Die in dem Ingenieurslebendmaterial verwendeten Cyanobakterien wurden genetisch verändert, um ein Enzym namens Laccase zu produzieren. Dieses Enzym hat die Fähigkeit, organische Schadstoffe durch einen natürlichen Prozess namens enzymatische Degradation in harmlose Moleküle umzuwandeln.
Die einzigartige selbstzerstörende Eigenschaft
Eine bemerkenswerte Eigenschaft des Ingenieurslebendmaterials ist seine Fähigkeit, sich selbst zu zerstören, wenn es mit Theophyllin, einem Molekül, das in Tee und Schokolade vorkommt, in Kontakt kommt. Diese Eigenschaft ist bedeutend, da sie den Einsatz zusätzlicher Chemikalien zur Zersetzung und Entsorgung des Materials nach dem Gebrauch überflüssig macht und somit eine umweltfreundliche Lösung darstellt.
Auslösen der Selbstzerstörung mit Theophyllin
Die Forscher haben die Bakterien so verändert, dass sie auf Theophyllin reagieren. Wenn das Material mit Theophyllin in Berührung kommt, wird die Produktion eines Proteins ausgelöst, das zur Zerstörung der Cyanobakterienzellen führt und somit das Material zerfallen lässt. Diese selbstzerstörende Eigenschaft gewährleistet die sichere Entsorgung des Materials nach der Kontamination.
Proof-of-Concept: Entgiftung von Indigokarmin
Um die Wirksamkeit des Ingenieurslebendmaterials zu demonstrieren, führten die Forscher ein Proof-of-Concept-Experiment mit einem farbstoffbasierten Schadstoff namens Indigokarmin durch. Die genetisch veränderten Cyanobakterien produzierten erfolgreich Laccase, wodurch Indigokarmin in harmlose Moleküle umgewandelt wurde.
Effizienz der Entgiftung
Die gitterartige Struktur des Ingenieurslebendmaterials ermöglicht ein hohes Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis. Diese größere Oberfläche ermöglicht eine bessere Exposition der Schadstoffe gegenüber den Bakterien und verbessert die Effizienz des Entgiftungsprozesses.
Zukünftige Möglichkeiten und Zusammenarbeit in der Forschung
Mit dieser bahnbrechenden Forschung zielen die Forscher darauf ab, Materialien weiterzuentwickeln, die auf Umweltreize reagieren und sich ohne zusätzliche Chemikalien selbstzerstören können. Die gemeinsame Arbeit von Ingenieuren, Materialwissenschaftlern und Biologen am UC San Diego Materials Research Science and Engineering Center ebnet den Weg für potenzielle Fortschritte bei der Bekämpfung von Wasserverschmutzung.
Auf dem Weg zu fortschrittlichen Umweltlösungen
Die Entwicklung von Ingenieurslebendmaterialien eröffnet neue Möglichkeiten zur Bekämpfung von Wasserverschmutzung. Durch die Kombination wissenschaftlicher Expertise aus verschiedenen Bereichen hoffen Forscher, effizientere und nachhaltigere Lösungen zur Bekämpfung von Verschmutzung zu schaffen und unsere Wasserressourcen zu schützen.
Fazit
Das von den Forschern an der University of California San Diego entwickelte Ingenieurslebendmaterial ist eine vielversprechende Lösung zur Bekämpfung von Wasserverschmutzung. Seine einzigartige Zusammensetzung aus einem algenbasierten Polymer und genetisch veränderten Bakterien sowie die Fähigkeit zur Selbstzerstörung machen es zu einer innovativen und umweltfreundlichen Methode. Mit weiteren Fortschritten in diesem Bereich können wir einer saubereren und gesünderen Zukunft entgegensehen.
