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Engineered Living Materials: Werkstoffe für die Zukunft

Neue Werkstofftechnologien
Engineered Living Materials: Das beste aus zwei Welten im Werkstoff kombiniert

Die Kombination von Mikroorganismen, lebenden Zellen und künstlichen Materialien soll Behandlung und Diagnose von Krankheiten künftig deutlich voranbringen. Noch steht die Entwicklung dieser Engineered Living Materials am Anfang. „Lebendige“ Wundpflaster aber könnten bald auf den Markt kommen. Ein Ziel sind Implantate, in denen Mikroorganismen Wirkstoffe fein dosiert herstellen.

Tim Schröder
Wissenschaftsjournalist in Oldenburg

Über die Frage, was das Leben ausmacht, haben schon viele Denker philosophiert. Ein Merkmal ist ganz sicher, dass Organismen auf ihre Umwelt reagieren und sich gezielt an wechselnde Lebensbedingungen anpassen können. Technische Materialien können das meist nicht. Ein Stück Holz bleibt ein Stück Holz. Und wenn Metall rostet, dann reagiert es zwar auf seine Umwelt, aber weder gerichtet noch so, wie der Mensch es sich gewünscht hätte. Es wäre ein Gewinn, wenn es gelänge, Materialien Leben einzuhauchen. Tatsächlich ist die Fachwelt bereits auf dem Weg dahin. Manche Forschungsgruppen verändern klassische Materialien so, dass sie lebend wirken. Andere verknüpfen sie mit Mikroorganismen, mit lebenden Zellen oder Zellbestandteilen.

Inhaltsverzeichnis
Engineered Living Materials: Beispiel Wundversorgung
Teures Antibiotikum im Verband herstellen
Hydrogele als Basis der lebenden Werkstoffe
Engineered Living Materials: Potenzial für Diagnose und Therapie
Im Tier getestet: Implantat wirkt Adipositas entgegen
Industrielle Ansätze mit neuartigen Werkstoffen
Sensorik – auch das geht mit lebenden Werkstoffen
Ein Werkstoff reagiert, ein weiterer verstärkt das Signal
So kommen neue Funktionen in die Werkstoffe
Natur als Ideengeber zu lebenden Materialien
Forschung an Engineered Living Materials am MIT
Lebende Materialien – Forschung in Deutschland

Engineered Living Materials am Beispiel der Wundversorgung

Wie diese neuartigen „Engineered Living Materials“ (ELM) aussehen können, hat kürzlich der Bioingenieur Prof. Chris Voigt vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) gezeigt. Er hat einen lebenden Wundverband entwickelt, der auf raffinierte Weise von ganz allein ein Enzym produziert, das den gefürchteten Krankenhaus-Keim Staphylococcus aureus in Schach hält. Der Wundverband enthält das Bakterium Bacillus subtilis – aber genetisch so verändert, dass es den Wirkstoff Lysostaphin synthetisiert. Dieser wiederum wirkt gegen den Krankenhaus-Keim.

Im Verband stellen Bakterien ein teures Antibiotikum her

Die Produktionsmaschinerie im Erbgut des Bacillus subtilis setzt sich aber nur in Gang, wenn zusätzlich Vanillinsäure auf den Verband geträufelt wird. Indem man Vanillinsäure wohldosiert zugibt, lässt sich die Wirkstoff-Herstellung also sehr gut steuern. Der Clou: Lysostaphin ist ein teurer Wirkstoff. Vanillinsäure hingegen kostet nur wenige Cent. Dank der Bakterienfabrik im Verband lässt sich also die Wunde eines Patienten über lange Zeit mit Lysostaphin versorgen.

Doch es sind nicht die Zellen allein, die das ermöglichen. Wichtigster Werkstoff der Gruppe um Chris Voigt sind so genannte Hydrogele. Dabei handelt es sich um Polymere, die stark wasseranziehend sind, im Kontakt mit Wasser aufquellen und dabei eine Matrix bilden, die lebendem Gewebe ähnelt. Chris Voigt ist es gelungen, die Bakterien in so ein Hydrogel einzubetten und mit einem 3D-Drucker auf das Verbandmaterial aufzutragen.

Hydrogele als Basis der lebenden Werkstoffe

Einen ähnlichen Ansatz verfolgen Forscher vom Saarbrücker Leibniz-Institut für neue Materialien (INM). Die Nachwuchsgruppe um Dr. Shrikrishnan Sankaran erschafft aus Hydrogelen bioprogrammierbare Materialien und kombiniert synthetische Biologie mit Biowerkstoffen. Auch verändern die Forscher den genetischen Code der Zellen, um ihnen sensorische Eigenschaften oder die Fähigkeit zur Wirkstoffproduktion zu verleihen. So ist es ihnen gelungen Hydrogelfasern mit einer Hülle und einem Kern zu erzeugen, in die Bakterien eingebettet werden. Die Bakterien gedeihen im Inneren und werden von der Hülle zurückgehalten, damit sie nicht in die Umgebung gelangen. Künftig, sagt Sankaran, könnten solche Fasern Wirkstoffe produzieren oder freisetzen und durch externe Stimuli wie Licht oder Wärme aktiviert werden. Das Hydrogel ist so beschaffen, dass es das Wachstum der Bakterien fördert. Die Hülle verhindert, dass sie unkontrolliert in den Körper gelangen. Die Fasern können, wie bei der Gruppe um Chris Voigt, per 3D-Druck zu verschiedenen Geometrien geformt werden.

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Bei Engineered Living Materials geht es oft um die geschickte Kombination: Für die Versorgung von Brandwunden setzen Mediziner Hydrogele bereits ein. Aber in Kombination mit genetisch veränderten Mikroorganismen kann der Verband die Wunde – bei Bedarf – auch mit einem Medikament versorgen
(Bild: Sherry Young/stock.adobe.com)

Engineered Living Materials: Potenzial für Diagnose und Therapie

Und was gibt es noch für Perspektiven? „Wenn es um ELM für medizinische Anwendungen geht“, sagt Prof. Wilfried Weber, Leiter der Arbeitsgruppe für Synthetische Biologie an der Universität Freiburg, „sehe ich derzeit vor allem zwei Bereiche: zum einen die Behandlung von Patienten und zum anderen die Diagnose von Krankheiten.“ Für die Bekämpfung von Krankheiten würden zum Beispiel auch Implantate entwickelt, die Mikroorganismen oder Zellen enthalten, erzählt der Forscher. Diese werden, wie beschrieben, in ein Hydrogel oder eben eine andere Matrix eingebunden und in dieser Form in den Körper eingebracht. Und wie beim Wundverband sollen auch solche Implantate gezielt Wirkstoffe freisetzen.

Das Implantat reagiert dabei auf bestimmte Substanzen, die der Körper erzeugt – Marker, die auf eine Verschlechterung des Gesundheitszustands hindeuten zum Beispiel. „Damit ließe sich bei chronischen Krankheiten die Wirkstoffproduktion in einer Art Regelkreis fahren. Das Implantat passt sich gewissermaßen an die aktuelle Situation an“, sagt Wilfried Weber. Viele Ansätze habe man bereits bei Mäusen untersucht – darunter ein Implantat, das auf Entzündungs-Marker im Körper reagiert, die bei der Schuppenflechte frei werden, einer entzündlichen Hautkrankheit. Das Implantat schüttet beim Aufflammen der Entzündung dann dosiert den Wirkstoff Interleukin aus, der die Entzündung hemmt.

Im Tier getestet: Implantat wirkt Adipositas entgegen

An Mäusen getestet wurden auch Implantate für die Behandlung der Fettleibigkeit, der Adipositas. Diese geben ein Hormon ab, welches das Hungergefühl bremst, wenn das Blut zu viele freie Fettsäuren enthält; ein Hinweis darauf, dass der Betroffene zu viel isst. „Dass solche Implantate im Tier funktionieren, steht fest“, sagt Weber. „Bis wir sie beim Menschen einsetzen, dürften aber noch einige Jahre vergehen, denn noch ist unklar, inwieweit sich Zellen oder Mikroorganismen aus der Matrix lösen können.“

Noch könne man kaum abschätzen, was passiere, wenn solche Zellen in andere Körperregionen wanderten. Lösungen, die – wie ein Verband – auf die Haut beschränkt sind, könnten hingegen schon in wenigen Jahren marktreif sein. Das sei durchaus realistisch, weil das Thema ELM derzeit in den USA und in Europa an Fahrt aufnehme. So hat das European Innovation Council erst kürzlich eine Ausschreibung für ELM-Forschungsprojekte gestartet.

Erste industrielle Ansätze bei den neuartigen Werkstoffen

Industrieunternehmen, die ELM im Fokus haben, sind bisher vor allem im nicht-medizinischen Bereich entstanden. So lässt die US-amerikanische Biomason Materialien für den Hausbau mit Hilfe von Mikroorganismen wachsen. Das New Yorker Biotech-Unternehmen Ecovative wiederum züchtet bereits Haushaltsgegenstände, Kosmetikprodukte oder fleischlosen Fleischersatz, die auf Mikroorganismen basieren. Der Vorteile dieser gezüchteten Materialien sind die Produktion aus nachwachsenden Rohstoffen sowie ihre hundertprozentige Recyclingfähigkeit – beides wichtige Parameter hin zu einer nachhaltigen Entwicklung.

An einer ungewöhnlichen Kombination aus Technik und Leben arbeitet ein Forscherteam um Prof. Timothy Lu, ebenfalls vom MIT. Dabei geht es nicht um die Behandlung von Krankheiten, sondern um deren Diagnose. Die Experten für Synthetische Biologie haben eine kleine Kapsel erfunden, die im Darm nach Blutungen fahndet. Solche Blutungen können ein Hinweis auf Darmkrebs sein. Bislang sind bei Vorsorgeuntersuchungen zwei Verfahren im Einsatz. Zum einen der Stuhltest. Dafür trägt man Kotproben auf Teststreifen auf. Eine Blaufärbung verrät, ob der Stuhl Blut enthält. Der Nachteil: Das Verfahren ist ungenau, weil es die Blutungen nur indirekt nachweist. Alternativ gehen viele Menschen zur Darmspiegelung, bei dem Ärzte den Darm mit Endoskopen untersuchen. Das ist ein größerer Eingriff, der zudem meist unter Narkose durchgeführt wird.

Sensorik – auch das geht mit lebenden Werkstoffen

Die kleine Kapsel vom MIT wäre eine elegante Alternative aus dem Bereich der ELM. Sie enthält einen Biosensor, auf dem Bakterien sitzen, die bei Anwesenheit von Blut ein fluoreszierendes Molekül erzeugen – so ähnlich wie Glühwürmchen. Das Lichtsignal nehmen optische Sensoren in der Kapsel auf, woraufhin es in ein Funksignal gewandelt wird. Wie die Forscher gezeigt haben, ist das Signal so stark, dass ein Smartphone es empfangen kann.

Die Freiburger Forscher um Prof. Wilfried Weber setzen allerdings weniger auf Mikroorganismen oder lebende Zellen. Webers Spezialität ist es, die „Wahrnehmungssysteme“ von Zellen nachzubauen – also gewissermaßen die Sensorik der Lebewesen. „Schweiß, Blut und andere Körperflüssigkeiten enthalten eine Vielzahl an Substanzen, die dem Körper einen Hinweis auf Erkrankungen oder den allgemeinen Zustand geben“, sagt Weber. Er nehme diese Rezeptoren als Vorbild, um zum Beispiel durch Lichtsignale oder Verfärbungen Substanzen nachzuweisen. Das Ziel: Diese künstlichen Rezeptorsysteme sollen so empfindlich wie der Körper reagieren und selbst auf geringe Konzentrationen ansprechen. Denkbar seien Pflaster, die eine Erkrankung oder bestimmte Stoffe durch einen Farbumschlag anzeigten. Dafür bedient sich Weber teils natürlicher Chemo- und Photorezeptor-Proteine, die er aus Zellen gewinnt. Weber spricht von „biohybriden Systemen“.

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Im signalverstärkenden Sensorgel sind molekulare Schalter integriert. Zielsubstanzen wie Toxine aktivieren die Schalter – das Gel löst sich auf, was mit bloßem Auge erkennbar ist
(Bild: Universität Freiburg)

Ein Werkstoff reagiert, ein weiterer verstärkt das Signal

Unlängst hat seine Mitarbeiterin Dr. Hanna Wagner auf diese Weise Polymermaterialien mit Funktionen ausgestattet. Diese Polymere sind jetzt in der Lage, Enzyme oder kleine Moleküle nachzuweisen. Dazu hat Hanna Wagner Proteinbausteine mit Sensor-, Schalt-, Übertragungs- oder Ausgabefunktionen so verändert, dass sie sich mit den Polymermaterialien verbinden. „Ein Material kann zum Beispiel einen Signaleingang wahrnehmen und darauf reagieren, indem es ein weiteres Signal an ein zweites Material sendet und so weiter“, erklärt Wagner. „Letztlich können wir so ganze Materialsysteme programmieren, um Informationen zu verarbeiten.“

Als Matrix diente Agarose, ein zuckerbasiertes Molekülnetzwerk. Das mit Enzymen ausgestattete Netzwerk kann einen externen „Input“ erkennen und ein Signal an ein zweites Material weiterleiten, welches das rot fluoreszierende Protein „m-Cherry“ freisetzt. Dieses dient als Ausgangssignal des Systems. Der Trick: Normalerweise wäre das m-Cherry-Leuchten zu schwach, um es von außen mit dem bloßen Auge oder einfachen Messgeräten wahrzunehmen. Deshalb ist das System zusätzlich mit einer Rückkopplungsschleife ausgestattet: Das zweite Material regt das erste an und verstärkt damit die Freisetzung des Farbstoffs.

So kommen neue Funktionen in die Werkstoffe

Anwender könnten damit künftig sehr niedrige Konzentrationen von Eiweißen für die Diagnose oder stark verdünnte Antibiotika im Abwasser oder in Lebensmitteln nachweisen. „Das Tolle an diesen von der synthetischen Biologie inspirierten Materialsystemen ist ihre Vielseitigkeit“, sagt Hanna Wagner. „Im Prinzip können wir die gesamte Sammlung synthetischer biologischer Teile nutzen, um neue Funktionen in Materialien einzubauen.“

Letztlich schlagen Wagner und Weber so eine elegante Brücke vom Leben zu unbelebten Materialien – die dann wieder den Lebenswissenschaften und der Medizin zugute kommen. Das tut auch Prof. Jürgen Rühe vom Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg, gemeinsam mit den Kollegen aus dem Exzellenzcluster „Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems“ (Livmats). „Im Grunde vereinen wir das Beste aus zwei Welten – die Konzepte für die leistungsfähigen Materialsysteme aus der Natur mit hervorragenden künstlichen Materialien, die auch Hitze, Druck oder Trockenheit überstehen“, sagt er. „Die Sonnenblume richtet sich nach der Sonne aus, die Venusfliegenfalle reagiert auf mechanische Reize. Solche adaptiven Eigenschaften können in der Zukunft auch mit künstlichen Materialsystemen generiert werden.“

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Prof. Jürgen Rühe leitet den Lehrstuhl für Chemie und Physik der Grenzflächen am Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg und ist Sprecher des Exzellenzclusters „Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems“ (Livmats)
(Bild: Jürgen Gocke)

Auch die Natur als Ideengeber führt zu lebenden Materialien

Manchmal reiche es schon, wenn ein lebendes System, etwa eine Pflanze, nur Ideengeber sei. So wurden an der Universität Freiburg von Prof. Thomas Speck und Mitarbeitern bereits Schutzhelme nach dem Prinzip der Pomelofrucht entwickelt. Die Pomelofrucht verfügt über eine dicke schaumartige Schale, die sich beim Aufprall verfestigt. Das wird dadurch möglich, dass der Schaum unter Druck nicht herausquillt, sondern sich zusammenzieht und versteift. Experten sprechen von einem auxetischen Material. Schutzkleidung oder Prothesen aus einem solchen Werkstoff würden sich bei einem Schlag oder Sturz verfestigen und so schützen. Dem Exzellenzcluster dienen Pflanzen auch sonst als Ideengeber für die Entwicklung von neuartigen technischen Materialien und Materialsystemen.

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Vorbild für Orthesenwerkstoffe: Die Pomelofrucht hat eine schaumartige Schale, die sich beim Aufprall verfestigt: Denn der Schaum quillt unter Druck nicht heraus, sondern er versteift sich und schützt so die Frucht
(Bild: fotoknips/stock.adobe.com)

Mit Kleidung, die von ELM-Ideen profitiert, beschäftigen sich auch das Österreichische Weltraum-Forum und das Vienna Textile Lab. Den Österreichern geht es dabei um Hygiene – in Raumstationen. Denn Wäsche kann im All nicht gewaschen werden, weil das technisch zu aufwendig wäre. Bislang tragen Reisende im All daher ihre Unterwäsche mehrere Tage, bis diese in einer Schmutzwäschekapsel entsorgt wird und mit dieser in der Erdatmosphäre verglüht. Weltraum-Ausflügler tragen eine Windel, darüber persönliche Unterwäsche und dann eine dritte, wärmende oder kühlende Schicht. Letztere teilen sich die Crewmitglieder, ohne dass sie gewaschen wird.

Bislang enthält das dafür verwendete Material Silberfäden, die Geruch erzeugende Bakterien im Stoff töten. In der Hightech-Raumkapsel aber ist metallische Wäsche nicht gern gesehen. Die Österreicher wollen daher Mikroben in der Wäsche mit anderen Bakterien bekämpfen, die ähnlich wie Bacillus subtilis für Mikroorganismen toxische Substanzen produzieren. Zusammen mit Textilherstellern arbeiten die Forscher jetzt an der idealen Kombination aus Fasern und Bakterienbeschichtung.


Forschung an Engineered Living Materials am MIT

Über die Arbeiten von Prof. Christopher A. Voigt am Bereich Biological Engineering des MIT:

https://be.mit.edu/directory/christopher-a-voigt

Über die Arbeiten von Timothy K. Lu,

Associate Professor of Biological Engineering and Electrical Engineering and Computer Science am Bereich Biological Engineering des MIT:

https://be.mit.edu/directory/timothy-k-lu


Lebende Materialien – Forschung in Deutschland

Nein, im biologischen Sinn leben sie nicht, die Werkstoffe der neuen Generation, die als Living Materials bezeichnet werden. Aber unter diesem Begriff zusammengefasst werden eine Reihe von Ansätzen, in denen technische und medizinische Materialien mit neuartigen Funktionen ausgestattet werden, die „nicht-lebende“ Materialien – also die klassischen wie Metalle, Kunststoffe oder Keramik – nicht besitzen.

In Deutschland gibt es mehrere Forschergruppen, die sich mit unterschiedlichen Schwerpunkten diesem Thema widmen. Ein Beispiel sind die Wissenschaftler am Leibniz-Institut für neue Materialien in Saarbrücken, dessen Wissenschaftliche Geschäftsführerin Prof. Dr. Aránzazu del Campo ist.

www.leibniz-inm.de

Die Inhaberin der Professur für Materialsynthese und Werkstoffentwicklung hat zusammen mit Prof. Wilfried Weber aus Freiburg und dem Saarbrücker Nachwuchsgruppenleiter Dr. Shrikrishnan Sankaran die virtuelle internationale Tagung Living Materials 2021 organisiert.

www.livingmaterials2021.de

In Freiburg arbeiten Forscher im Exzellenzcluster „Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems“ (Livmats) an lebensähnlichen, von der Natur inspirierten Materialsystemen.

www.livmats.uni-freiburg.de


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