Baumeister der Natur


Kieselalgen schützen sich vor Fraßfeinden durch filigrane Glasgehäuse. Wissenschaftler wollen verstehen, wie die Einzeller die Zellwände mit Strukturen im Nanometerbereich bauen, und hoffen sie dann für die Nanotechnologie nutzen zu können.

Handelsblatt, Fortschritt, S. 9, 23. April 2009

HB230409 - Das soll die Zukunft der Nanotechnologie sein? Das ist eine Handvoll Sand. Ganz gewöhnlicher Dreck. Mit bloßem Auge betrachtet, haben Kieselalgen-Gehäuse nichts Beeindruckendes: Sie sehen aus wie Sandkörner. Erst unter dem Mikroskop erkennt man, welche Wunder der Natur man vor sich hat: Die Vergrößerung offenbart filigrane Gehäuse aus Siliziumdioxid, demselben Material, aus dem die Natur Edelsteine und der Mensch Glas herstellt. Diese feinen, aber äußert stabilen Glaspaläste bauen sich die Einzeller als Schutz vor Fressfeinden.

Diatomeen-Experten schätzen, dass es mehrere Zehntausend, vielleicht sogar mehr als 100 000 Kieselalgenarten im pflanzlichen Plankton der Meere, Seen und Flüsse gibt. "Und jede Art baut ihren eigenen Gehäusetyp", sagt Richard Gordon bewundernd. Der Professor für Theoretische Physik von der Universität von Manitoba in Winnipeg ist seit Jahrzehnten Diatomeen-Liebhaber. Er hat - durch Zufall - die Diatomeen-Nanotechnologie aus der Taufe gehoben, als er 1988 in einem Vortrag vor Ingenieuren die kleinen Kieselalgen als Mikrofabriken anpries.

Die kleinsten Diatomeen-Gehäuse, auch Frusteln genannt, sind nur zwei Mikrometer groß, etwa ein Fünfzigstel der Dicke eines Haares. Die größten erreichen Ausmaße von bis zu zwei Millimetern. Manche sind rund, andere dreieckig, einige sehen aus wie fliegende Untertassen oder Seesterne, andere haben kleine Türmchen an den Ecken. Jede Frustel ist gleichmäßig mit Poren, Stegen und anderen Strukturen überzogen, die nur wenige Nanometer (also millionstel Millimeter) klein sind. Und das ist es, was die Einzeller für die Forschung so interessant macht: Sie sind exzellente Baumeister im Nanometerbereich.

"Sie produzieren komplexe 3-D-Strukturen mit großer Genauigkeit in offenbar unendlichen Variationsmöglichkeiten", sagt Nils Kröger vom Georgia Institute of Technology in Atlanta. Von diesem Kunststück ist die Nanotechnologie noch meilenweit entfernt. Sie gilt zwar als Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts, doch so richtig in die dritte Dimension ist die Fertigung noch nicht abgehoben, findet Mark Hildebrand. "Mit den bekannten Prozessen entstehen vor allem zweidimensionale Strukturen und nur Rudimentäres in 3-D", sagt der Experte für Diatomeen-Zellwände von der Scripps Institution of Oceanography an der University of California, San Diego.

Auch von der Fertigungsgeschwindigkeit der einzelligen Baumeister können menschliche Nanotechnologen nur träumen: Mehrmals am Tag teilen sich die Zellen mitsamt Gehäuse, das wie eine Butterbrotdose aus zwei Hälften aufgebaut ist. Bei nur drei Teilungen am Tag entstehen so innerhalb von zehn Tagen mehr als eine Milliarde Zellen mit perfekt ausgearbeiteten Gehäusen in 3-D. Da kann kein industrieller Fertigungsprozess mithalten. Schon gar nicht im Nanometerbereich.

Doch von der industriellen Produktion ist auch die Kieselalgen-Nanotechnologie noch weit entfernt. "Noch gibt es keine kommerzielle Anwendung, die auf Diatomeen-Nanotechnologie basiert", sagt Richard Gordon. Die Forschungsrichtung entwächst gerade erst den Kinderschuhen. Erste Patente wurden angemeldet, Ideen und Visionen gibt es viele. Gordon hat sie erst kürzlich wieder in einem Artikel im Fachmagazin "Trends in Biotechnology" zusammengefasst.

Der Fantasie scheinen keine Grenzen gesetzt: "Man könnte mit Diatomeengehäusen medizinische Wirkstoffe in den Körper einschleusen", sagt er. Da sie wie Perlmutt irisieren, also das Licht in die Regenbogenfarben brechen, könnten sie für die Kosmetikindustrie interessant sein. Oder man nutzt sie wie photonische Kristalle als Lichtleiter in der Kommunikation oder als UV-Schutz. "Selbst Mikro-Flüssigkeiten, die sich von selbst fortbewegen, sind denkbar", sagt Gordon. Ein Einsatz in der Silizium-Nanometerwelt der Halbleiterindustrie drängt sich geradezu auf.

Für Wissenschaftler wie Kröger oder Hildebrand, die in ihren Labors versuchen, den Einzellern die Geheimnisse der filigranen Siliziumwände zu entlocken, ist das noch Science-Fiction im wahrsten Sinne des Wortes. Sie versuchen gerade erst, eine der zentralen Fragen der Biologie zu beantworten: Wie entsteht aus einem eindimensionalen linearen genetischen Code ein mehrdimensionaler, filigran ausgearbeiteter Körper?

Die Forscher kennen zwar bereits viele der Hauptbeteiligten am Gehäuseaufbau, etwa bestimmte komplexe Proteine, die es so in keinem anderen Organismus gibt. Oder die 75 Gene des Siliziumstoffwechsels. Doch noch entwickeln sie vor allem die Werkzeuge, mit denen sie die Gen-Maschinerie einmal kontrollieren wollen.

Kröger und seine Kollegin Nicole Poulsen entdeckten 2005 etwa einen Genabschnitt, den sie an- und ausschalten können, je nachdem, ob sie ihre Einzeller mit Ammonium oder Stickstoff füttern. Hildebrands Gruppe und andere arbeiten an Techniken, mit denen sie kontrollieren können, wie viel von welchem Genprodukt hergestellt werden soll. Und sie identifizieren weitere Gene, die am Aufbau der Siliziumdioxidwände beteiligt sind.

Doch die Forscher wollen nicht nur Silizium kontrolliert wachsen lassen. Sie wollen es auch nutzen. 2007 brachten Kröger und Poulsen ihre "Hausalge" dazu, ein Enzym in ihr poröses Skelett einzubauen. Das machte das Enzym unempfindlicher gegen Hitze und organische Lösungsmittel. Solche Eiweiße seien interessant als wiederverwendbare industrielle Katalysatoren, sagt Kröger.

Kenneth Sandhage von der Ohio State University in Columbus geht dagegen einen ganz anderen Weg. In einem inzwischen patentierten Verfahren namens BaSIC ersetzt er das Siliziumdioxid Molekül für Molekül durch andere Substanzen. Ergebnis ist eine dreidimensionale Replik des ursprünglichen Kieselalgengehäuses mit all seinen Poren und Strukturen - aus Magnesiumoxid, aus Titandioxid oder aus elementarem Silizium. "Die Materialien erweisen sich als äußerst effektive Gas-Sensoren oder Katalysatoren", preist Kröger die Arbeit seines Kollegen an.

Als nächsten Schritt wollen die Kieselalgenforscher die Nanostrukturen der Algenzellwände gezielt verändern. "Wir hoffen, eines Tages die Größe der Poren, ihre Form und die Symmetrie der Porenmuster steuern zu können", sagt Kröger. Er gibt sich und seinen Kollegen fünf bis zehn Jahre, in denen sie wesentliche Erfolge vorweisen müssen: "Nur dann wird die Kieselalgen-Nanotechnologie eine Zukunft haben."

Doch die Forschergemeinde im Bereich Diatomeen-Nanotechnologie ist klein. Kieselalgen waren immer ein Randthema in der Biologie, oft nur ein Hobby für Liebhaber wie Richard Gordon. Mit ein wenig Neid blicken die professionellen Forscher auf die Milliardentöpfe in anderen Forschungsbereichen. "Die Diatomeen-Nanotechnologie erhält weltweit geschätzt vielleicht eine Million Dollar pro Jahr", sagt Kröger. Wahrscheinlich haben einige der Geldgeber noch nicht tief genug in die Mikroskope geblickt. Sonst würden sie außer der Schönheit der Glaspaläste auch erkennen, was sonst noch alles aus einer Handvoll Sand herauszuholen wäre.

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Kieselalgen Kohlendioxid-Wunder Kieselalgen oder Diatomeen sind Einzeller, die in Meeren, Flüssen und Seen leben und einen Teil des pflanzlichen Planktons bilden. Sie leisten wichtige ökologische Aufgaben: Sie binden zum Beispiel so viel Kohlendioxid (CO2) wie alle Regenwälder zusammen.

Einzellige Siliziumfabriken Kieselalgen sind der Hauptproduzent von Silizium im Meer. Sie leben in filigranen Gehäusen aus Siliziumdioxid, den Frusteln. Die Einzeller nehmen das im Wasser gelöste Silizium auf und verarbeiten es zu porösen, aber sehr stabilen Zellwänden.

Asphalt und Zahnpasta Prähistorische Ablagerungsschichten fossiler Kieselalgengehäuse sind teilweise mehrere Hundert Meter hoch. Aus ihnen wird der Kieselgur, die Diatomeenerde, abgebaut. Kieselgur wird verwendet als Filtermaterial, Putzkörper in Zahnpasta, in Autoreifen und Asphalt, als Schleif- und Poliermittel. Es war auch Trägermaterial für Zyklon B, und Alfred Nobel vermengte es einst mit Nitroglyzerin zu Dynamit.

Handelsblatt, Fortschritt, S. 9, 23. April 2009

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