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 Biegsames Glas vom Grund des Ozeans

Von Frank Essegern



Dresdner Forscher wollen die erstaunlichen Eigenschaften von Glasschwämmen aus der Tiefsee für Technik und Medizin nutzbar machen.

Wie zusammengedrehte Glasfaserkabel sehen die armlangen Bündel aus, die Biochemiker Hermann Ehrlich aus der Tiefkühltruhe zieht. Doch was hier bei den Chemikern der TU Dresden bei minus 80Grad Celsius aufbewahrt wird, sind keineswegs Reststücke einer technischen Installation. Es sind außergewöhnliche Lebewesen vom Grund des Ozeans: Tiefseeschwämme.

Als sich Forscher in Dresden vor Jahren daranmachten, nach neuen Möglichkeiten für einen künstlichen Knochenersatz zu suchen, stießen sie auf die Organismen aus der Meerestiefe. „Einen menschlichen Knochen nachzubauen, ist sehr kompliziert. Er steht ja gewissermaßen am Ende der Evolution“, sagt Hermann Ehrlich. Es bot sich also an, zunächst einen primitiveren Modellorganismus zu finden, der aber schon das Grundprinzip der Skelettbildung beinhaltet.

Seit mehr als 600 Millionen Jahren leben Tiefseeschwämme auf dem Meeresgrund und sind damit ein Erfolgsmodell der Evolution. Das macht sie auch für die Wissenschaft interessant. „Die Natur ist sehr konservativ“, sagt Ehrlich. „Sie behält Verfahren und Strukturen bei, die sich in der Evolution als essenziell erwiesen haben.“

Die stangenartigen Glasschwämme, auf die sich das Interesse der Wissenschaftler schließlich richtete, wachsen Tausende Meter tief unter der Meeresoberfläche. Die bis zu einem Meter langen durchsichtigen Fasern verankern den Organismus unten im Sediment, am oberen Ende sitzt der Kopf. Damit filtert der Schwamm Nahrungspartikel aus dem Wasser. Selbst starken Strömungen muss er dabei trotzen. Sein Fuß ist aber zugleich biegsam genug, um nicht abzubrechen.

Tiefseeforscher brachten von Tauchbootfahrten vor der amerikanischen Küste die sonst kaum zu bekommenden Forschungsobjekte für die Wissenschaftler um Hermann Ehrlich mit ans Tageslicht.

Struktur sichtbar gemacht

Den Trick, mit dem die Schwämme das eigentlich spröde Material ihrer gläsernen Stangen so extrem widerstandsfähig und flexibel werden lassen, hat die von Ehrlich geleitete Gruppe mit 27Wissenschaftlern aus fünf Ländern jetzt aufgedeckt. „Wir haben natürlich vermutet, dass das etwas Organisches sein muss“, sagt der Forscher. „Um es zu finden, mussten wir das Glas demineralisieren, also auflösen.“ Das gelang schließlich mit einer Lauge, die zwar sehr langsam – innerhalb eines Monats – aber schonend für die organischen Substanzen den mineralischen Anteil der Faser zersetzte. Auf diese Weise machten die Chemiker die inneren Strukturen sichtbar. Und konnten schließlich feststellen, dass diese aus sogenanntem Collagen aufgebaut sind – einem Strukturprotein, das auch den organischen Bestandteil des Knochens bildet. „Bis jetzt war nicht bekannt, dass es überhaupt Collagen in den Schwämmen gibt“, sagt Hermann Ehrlich.

Bis zu 70Prozent Collagen fanden die Wissenschaftler in den Glasschwämmen. Ihre Erkenntnisse veröffentlichten sie nun in der Zeitschrift „Nature Chemistry“ – gewissermaßen der Ritterschlag für diese Forschung.

„Die nächste Herausforderung für uns war, herauszufinden, welche Art von Collagen das ist“, sagt Ehrlich. Immerhin gebe es 29 verschiedene Typen davon. Ergebnis: Das Protein im Tiefseeschwamm unterscheidet sich deutlich von dem im menschlichen Knochen. Zwar seien die Hauptbauelemente gleich, berichtet Ehrlich. „Es gibt aber beim Glasschwamm-Collagen zusätzliche sogenannte Hydroxylgruppen.“ Genau diese können die mineralischen Anteile der Fasern aber sehr gut binden. „Wir wissen jetzt, wie das chemisch aussieht, aber noch nicht, wie die Natur solche Materialien herstellt.“

Nun gehe es darum, industriell hergestelltes Collagen so zu modifizieren, dass es die Eigenschaften des Glasschwamm-Proteins bekommt, sagt Hermann Ehrlich. Demnächst könnten solche Materialien dann helfen, Implantate für den menschlichen Körper genauso robust zu machen wie die Schwämme in der Tiefsee. Oder vielleicht als extrem biegsame Lichtleiter dienen. Die Dresdner wollen nun ein neues Projekt angehen, um mithilfe genetisch modifizierter Bakterien solche Proteine herzustellen, an denen später die biegsamen Strukturen wachsen können. In zwei bis drei Jahren rechnet Hermann Ehrlich mit ersten Ergebnissen.

Vorbilder im Extremen

Die Nachbildung der Natur für technische oder medizinische Prozesse fasziniert Hermann Ehrlich auch über die Glasschwämme hinaus. Ein ganzes Buch hat der 53-jährige Forscher den biologischen Materialien, die uns der Ozean liefern könnte, gewidmet. So finden sich etwa bei einigen Tiefseeschwämmen verblüffend regelmäßige Gitterstrukturen oder Skelette, die an Bauwerke wie den Eiffelturm erinnern.

Die Nachbildung der Natur, die sogenannte Biomimetic, war bislang meist auf Prozesse bei Raumtemperatur orientiert, berichtet Hermann Ehrlich. Die Glasfasern der Tiefseeschwämme wachsen aber beispielsweise bei hohem Druck und minus 1,5 bis zwei Grad Celsius – der Salzgehalt des Wassers sorgt dort für einen niedrigeren Gefrierpunkt. „In der Natur entstehen solche Strukturen in völlig anderen Umgebungen“, sagt Ehrlich – beispielsweise an Tiefseevulkanen bei bis zu 400 Grad Celsius. Er spricht deshalb von „extremer Biomimetic“, aus der Ingenieure künftig viel mehr Ideen ziehen sollten. Dieser Forschungsrichtung hofft er auch hier in Sachsen den Boden bereiten zu können.



Quelle: Sächsische Zeitung, Ausgabe Weißwasser, vom 20.01.2011


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Aktualisierung: 20.01.2011


 

Glasfasern aus der Natur: Mit solchen biegsamen, aber bruchsicheren Bündeln, die Hermann Ehrlich hier an der TU Dresden präsentiert, verankern sich einige Tiefseeschwämme im Sediment des Meeresbodens. Sie bauen diese robusten Stangen aus Silikat auf, das aber durch organische Bestandteile, sogenanntes Collagen, flexibel bleibt. „Auch bei starken Meeresströmungen brechen sie nicht“, sagt Hermann Ehrlich.
 Foto: SZ / T. Lehmann
In 4000 Metern Tiefe wachsen auf dem Grund des Atlantik diese Glasschwämme. Schwämme gelten als die ältesten Vielzeller der Erde. Sie entstanden vor 600 bis 800 Millionen Jahren.