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02.05.2011

Molekulare Bionik – Inspirationen aus der Mikro- für die Makrowelt

Das Wissen um den molekularen Aufbau von konstruktiven und funktionellen biologischen Strukturen hat ein neues Forschungsfeld begründet: die molekulare Bionik. Damit wird der Lerneffekt aus makromolekularen Beobachtungen interessanter Naturphänomene um kleinste Betrachtungsskalen ergänzt. Evolutionär optimierte Prozesse und Materialien können dadurch auf einer neuen und deutlich breiteren Basis als bisher technische Innovationen anstoßen.

Die Bionik ist längst kein exotisches Forschungsgebiet mehr. Spätestens seit den Erfolgen des Lotuseffektes ist sie auch dem breiten Publikum jenseits der Scientific Community bekannt. Laut einer Untersuchung des Fraunhofer IAO in Stuttgart von 2009 glauben Ingenieure und Manager, dass die Bionik für eine große Bandbreite von Themen anwendbar ist. Die meist genannten Themenbereiche waren „Material“ (20 %), „Form“ (22 %) sowie „Bau und Konstruktion“ (19%).

Relativ neu ist die molekulare Bionik. Hiermit wird eine weitere Dimension eröffnet, die nicht nur Inspirationen aus dem molekularen Verständnis von makroskopisch sichtbaren Phänomenen liefert, sondern Einblick in ein neues Reservoir an Möglichkeiten schafft. Molekulare Strukturen liefern Vorbilder für neue Materialien mit sehr speziellen Eigenschaften und Materialien, die zum Beispiel zugleich konstruktive und messtechnische Anforderungen erfüllen. Und es werden neuartige Funktionsweisen erschlossen, um schneller, sicher und preiswerter ein bestimmtes Ziel zu erreichen, zum Beispiel Werkstoffe miteinander zu verbinden.

Baden-Württembergisches Landesprogramm fördert Molekulare Bionik


Inspiration aus der Vergangenheit: fossile Seepocken, die hier auf einer Seeigelschale haften.  (© J. Nebelsick, Universität Tübingen)

Auch in der molekularen Bionik werden also biologische Erfindungen und Prinzipien genutzt. Bei ihrer Umsetzung ist die Kreativität eine wichtige Schaltstelle. Biomoleküle und Funktionen sollen nicht eins zu eins nachgebaut werden, sondern neue Lösungswege eröffnen. Dass der steigende Bedarf an neuen Materialien und technischen Funktionslösungen heute mit einem rasant gewachsenen Wissen um molekularbiologische Zusammenhänge zusammenfällt, ist ein glücklicher Zufall, der nicht ungenutzt bleiben sollte.

Das wurde auch im baden-württembergischen Wissenschaftsministerium so gesehen: 2009 wurde das Förderprogramm „Molekulare Bionik“ aufgelegt. Dieses zielt darauf ab, das Innovationspotenzial der molekularen Bionik für verschiedene Anwendungsbereiche zu erschließen und wissensbasierte, wirtschaftlich tragfähige Entwicklungen auf den Weg zu bringen. Der größte Teil der hier vorgestellten Projekte sind Vorhaben, die im Rahmen dieses Programmes gefördert werden. Natürlich gibt es in den zahlreichen akademischen, industriellen und außeruniversitären Forschungsinstituten noch zahlreiche weitere Arbeiten, die in die gleiche Richtung zielen. Sie alle werden dazu beitragen, im Südwesten Deutschlands eine international konkurrenzfähige Kompetenz zur molekularen Bionik aufzubauen.

Eines ist klar: Es gibt noch immensen Forschungsbedarf – auch zum Nutzwert bionischer Problemlösungen. Sie sind nicht von vornherein risikoärmer oder umweltverträglicher als traditionelle technische Lösungen. Ob dies im Einzelfall so ist, muss sorgfältig analysiert werden, wobei auch finanzielle Aspekte eine Rolle spielen. Neuartige technische Systeme werden stets auch finanziell an herkömmlichen Alternativen gemessen – sofern es sie denn gibt. Einige der neuen Ansätze sind so visionär und innovativ, dass sie praktisch konkurrenzlos dastehen – einfach, weil es noch nie etwas Vergleichbares gab. Das betrifft zum Beispiel Materialkombinationen aus biologischen und anorganischen Komponenten. Sie bieten derartig viele neue Möglichkeiten, dass ihr Potenzial noch gar nicht abzusehen ist.

Neue Materialien – molekularbionisch inspiriert

Am Institut für Technische Biochemie der Universität Stuttgart werden Biomoleküle als Inspiration genutzt – und sie werden als mögliche Funktionsbestandteile neu zu entwickelnder Materialien mit besonderen Eigenschaften betrachtet. Schichtsysteme aus Metallverbindungen und Peptidlagen könnten zum Beispiel in neuartigen elektronischen Schalt- und Sensorsystemen eingesetzt werden. Dabei geht es nicht nur darum, bessere oder für bestimmte Anwendungen optimierte Systeme zu entwickeln, sondern es wird auch nach besonders kostengünstigen Produktionsmöglichkeiten gesucht, etwa auf biologischem Weg mithilfe von Bakteriophagen.

Eine konkrete technische Anwendung für Peptide haben Forscher im Sinn, die am Deutschen Krebsforschungszentrums DKFZ in Heidelberg arbeiten: Sie entwickeln peptidbasierte Dioden als Basis eines durch Bionik inspirierten synthetischen Photosystems.

Ebenfalls auf Peptide, wenn auch in anderem Zusammenhang, setzt ein Projekt am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Eine großartige biochemische Syntheseleistung der belebten Natur ist die Produktion der vielfältigsten, teilweise hochspezifischen Peptide aus Aminosäuren. Bei Testverfahren für die biologische und medizinische Forschung sowie in der Diagnostik sollen Peptide als flexible und spezifische Erkennungs- und Bindestrukturen für Zielmoleküle genutzt werden. Es gibt bereits laserbasierte „Peptiddrucker“, mit denen relativ preisgünstig Biochips mit Peptiden bestückt werden können. Damit ist der Synthesepreis pro Peptid bereits um etwa den Faktor Zehn gesunken. Das KIT-Team arbeitet an der Entwicklung neuartiger Chipdrucker, mit denen hochdichte Peptidarrays mit 500.000 bis 1 Million frei wählbare Peptide zu geringen Kosten hergestellt werden können.

Großes Marktpotenzial für molekularbionische Analytik

Mit der Entwicklung neuartiger Testsysteme befasst sich auch ein Team am Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Tübingen. Hier wird eine Methode entwickelt, um molekular geprägte Polymere herzustellen und in robuste Systeme zur biotechnologischen Prozessanalytik zu integrieren. Damit ließen sich zum Beispiel während einer Fermentation kontinuierlich die Konzentrationen der entstehenden Stoffwechselprodukte bestimmen.

Licht einmal nicht von seiner Entstehungsseite aus betrachtet, sondern in seiner Wirkung auf unterschiedliche Materialien, erforschen Forscher am Ulmer Institut für Lasertechnologien in der Medizin und Messtechnik ILM. Den bionischen Ansatz liefern symbiotische Lebensbeziehungen zwischen Korallen und Algen. Die Wissenschaftler untersuchen, wie Korallen eine Art intelligentes Lichtmanagement zugunsten ihrer Algensymbionten betreiben, die die Korallen im Gegenzug mit chemischer Energie versorgen. Die Erforschung der Lichtausbreitung in streuenden Geweben wie den morphologisch vielfältigen Schichten der Algen könnten für vielfältige technische Anwendungen und bei der Entwicklung von UV-Schutzmaterialien interessant sein.

Auch Lichtleiter-Effekte des Eisbärfelles könnten für technische Innovationen genutzt werden. Ebenfalls am ILM läuft ein Projekt, bei dem ausgelotet wird, ob und wie mithilfe eines fotochemischen Prozesses menschliches Gewebe geklebt werden kann. Die Ergebnisse könnten zu neuen Lösungen zur Wundbehandlung führen.

Haftsysteme beschäftigen auch ein Team aus Zoologen, Geologen und Chemikern an der Universität Tübingen. Sie haben sich auf die mühsame Suche nach Haftsystemen bei tierischen Organismen gemacht, die jeweils etwas Besonderes aufweisen: Sie wirken unter besonderen Bedingungen, etwa in Salzwasser, sie sind reversibel oder haften besonders stark. Solche Beispiele sollen die Entwicklung neuartiger Haftsysteme für technische Anwendungen beflügeln. Form- und stoffschlüssigen, intelligenten Klebeverbindungen sind auch die Forscher an der Universität Freiburg auf der Spur – einer Spur, die ihren Ursprung ebenfalls in natürlichen Vorbildern hat.

Zum Begriff: Bionik

Das Kunstwort Bionik entstand in den 60er-Jahren durch Zusammenführung der Begriffe Biologie und Technik, um die Nutzbarmachung biologischer Erkenntnisse für technische Anwendungen zu beschreiben. Die erste öffentliche Verwendung des Begriffes „bionics“ wird dem US-Luftwaffenmajor Jack Steele auf einer Konferenz 1960 zugeschrieben.

Dabei ist weder der Begriff noch das damit verknüpfte Forschungsgebiet eng abgegrenzt oder exakt definiert. Anders gesagt: Die Bionik ist ein offenes, höchst interdisziplinäres Betätigungsfeld, bei dem irgend geartete Inspirationen aus der belebten Umwelt aufgegriffen und kreativ zum Nutze des Menschen umgesetzt werden.

Die im Englischen häufig verwendete Bezeichnung „biomimetics“ meint im Prinzip das Gleiche wie das deutsche Wort „Bionik“.

leh (28.04.11)

© BIOPRO Baden-Württemberg



http://www.macromolecular-bionics.org/magazin/thema/06343/index.html?lang=de