3D-gedrucktes lebendes Material gegen Umweltverschmutzung

Angesichts von mehr als 350 Millionen Tonnen Kunststoffabfällen, die jedes Jahr weltweit anfallen, müssen unbedingt Maßnahmen ergriffen werden, um die Welt von dieser Verschmutzung zu säubern. Auch unsere Flüsse und Meere werden durch die Kunststoffe verunreinigt, wodurch Schadstoffe ins Wasser gelangen. Forscher der UC San Diego hoffen nun, dass ein kürzlich entwickeltes, organisches, in 3D gedrucktes, lebendes Material gegen die Umweltverschmutzung helfen könnte.

Unter dem Arbeitstitel „engineered living material“ handelt es sich bei der Dekontaminationskreation um eine 3D-gedruckte Konstruktion aus einem Algenpolymer, das als Alginat bekannt ist. Dieses wird mit  einer gentechnisch veränderten Cyanobakterie kombiniert, die dazu bestimmt ist, ausgewählte Schadstoffe aus ihrer Umgebung zu entfernen, indem sie Enzyme produziert, die die Struktur schädlicher Stoffe in gutartige, nicht schädliche Moleküle aufspaltet. Diese Mischung aus Alginat und Bakterien wird dann durch einen 3D-Drucker zu Strukturen extrudiert, die im Wasser schwimmen oder in verschiedenen Umgebungen positioniert werden können.

Bild: David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering

„Das Innovative ist die Verbindung eines Polymermaterials mit einem biologischen System, um ein lebendes Material zu schaffen, das auf eine Weise funktionieren und auf Reize reagieren kann, wie es normale synthetische Materialien nicht können“, erklärt Jon Pokorski, Co-Leiter der Forschung und Professor für Nanotechnologie an der UC San Diego, die Bedeutung der biologischen Mischung. Die All-in-One-Natur des lebenden Materials bedeutet, dass seine Konstruktion und sein Nutzen sehr effizient sind und die Möglichkeiten für zukünftige Produkte vielversprechend sind. Am Ende der Tests entschieden sich die Forscher für den 3D-Druck einer gitter- oder waffelförmigen Struktur, die den Vorteil hatte, den Bakterien die meisten Nährstoffe zu liefern und gleichzeitig die dekontaminierende Oberfläche zu maximieren.

3D-gedrucktes lebendes Material gegen Schadstoffe

Um Schadstoffe abzubauen, sondert das Bakterium im Inneren des lebenden Materials ein Enzym namens Laccase ab, das in früheren Studien Schadstoffe wie BPA, eine wichtige Chemikalie in Polycarbonatkunststoffen wie Wasserflaschen, neutralisiert hat. Das Enzym hat auch erfolgreich Antibiotika und andere pharmazeutische Medikamente und Abfälle abgebaut. In ihrem aktuellen Test des 3D-gedruckten lebenden Materials war das Enzym in der Lage, Indigokarmin abzubauen, einen blauen Farbstoff, der zum Färben von Denim-Kleidung verwendet wird und Wasserquellen verschmutzen kann.

Durch weitere Tests und Veränderungen hofft man, dass diese Bakterienstruktur auch andere gefährliche Schadstoffe in unserer Umwelt abbauen kann. Die Forscher sind sich jedoch auch darüber im Klaren, dass sie nicht einen Schadstoff durch eine potenziell gefährliche Ausbreitung von Bakterien ersetzen wollen. Um diese Bedenken zu zerstreuen, ist das Bakterium mit einer Art Selbstzerstörungsmechanismus ausgestattet. Wenn sie Theophyllin ausgesetzt werden, einem Molekül, das häufig in Dingen wie Tee oder Schokolade vorkommt, werden die Bakterien von innen heraus zerstört.

„Das lebende Material kann auf den Schadstoff von Interesse einwirken, und anschließend kann ein kleines Molekül hinzugefügt werden, um die Bakterien abzutöten. Auf diese Weise können wir alle Bedenken hinsichtlich des Verbleibs gentechnisch veränderter Bakterien in der Umwelt ausräumen“, erklärt Dr. Pokorski. Das Forschungsteam hofft, die Bakterien schließlich so zu verändern, dass sie sich selbst zerstören, ohne direkt einzugreifen: „Unser Ziel ist es, Materialien herzustellen, die auf Reize reagieren, die bereits in der Umwelt vorhanden sind.“

Die erfolgreichen ersten Experimente an der UC San Diego waren das Ergebnis einer interdisziplinären Anstrengung von Biologen, Ingenieuren und Materialwissenschaftlern des Materials Research Science and Engineering Center. Ihr Erfolg eröffnet neue, aufregende Möglichkeiten für die Schaffung weiterer 3D-gedruckter Materialien, die dazu beitragen können, den Planeten zu reparieren und die komplexe Aufgabe der Abfallbeseitigung Molekül für Molekül zu erfüllen. Weitere Informationen über ihre Forschung finden Sie auf der Website der UC San Diego HIER.

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*Titelbildnachweis: UC San Diego Jacobs School of Engineering