Künftig könnten biologische Moleküle direkt in Kunststoffverpackungen eingearbeitet werden, um die Haltbarkeit von Lebensmitteln zu verlängern und gleichzeitig die Verpackung bioabbaubar zu machen.
Fraunhofer IAP / Till Budde
Robotergreifarme wie Elefantenrüssel, Kameras wie Insektenaugen – bei vielen Konstruktionen steht die Natur augenfällig Pate. Doch die klassische Bionik ist nur die erste Stufe eines weit größeren und umfassenderen Trends. "Unter der biologischen Transformation verstehen wir die systematische Anwendung und Kombination von Prozessen, Prinzipien und Materialien aus der Natur in der Technik", sagt Reimund Neugebauer, Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft, und er ist überzeugt: "Sie wird zu völlig neuen und nachhaltigeren Wertschöpfungs- und Produktionsabläufen führen. Der Fokus auf die Natur als Innovationstreiber wird eine neue Ära einläuten." Ende Juni hatte die Fraunhofer-Gesellschaft nach Berlin zur Konferenz "futuras in res – Biological Transformation of Manufacturing" eingeladen, um sich mit Fachleuten unterschiedlichster Disziplinen aus Wissenschaft, Politik und Wirtschaft darüber auszutauschen, welche neuen Möglichkeiten die Übernahme von Materialien und Prinzipien der Natur für Produktion, Logistik und Technik der Zukunft bietet.
Bei genauem Hinsehen ist der neue Techniktrend nicht wirklich neu, sondern längst manifest. Begriffe wie Industrie 4.0, Bio-Manufacturing, Künstliche Intelligenz, Biotechnologie, Bionik, Kreislaufwirtschaft oder Nachhaltigkeit umreißen einen gemeinsamen Kern, der mit "biologische Transformation" von den Fraunhofer-Forschern jetzt auf den Punkt gebracht wurde. Biologische Zellen produzieren Pharmawirkstoffe – das war in den 80er Jahren des letzten Jahrhunderts sensationell und ist heute gang und gäbe. Inzwischen nimmt die biologische Transformation jedoch an Fahrt auf. Im maschinellen Lernen oder in schwarmintelligenten Logistiksystemen wird eine neue Stufe der Transformation in Ansätzen sichtbar, nämlich die Verschmelzung von Biologie, Informationstechnologie und Künstlicher Intelligenz zur Biointelligenz.
Metaphorically, perhaps, the impending biointelligence explosion represents an intellectual "event horizon" beyond which archaic humans cannot model or understand the future." David Pearce, The Biointelligence Explosion, Singularity Hypotheses, Seite 210.
Verschiedene technologische Entwicklungen ermöglichen die dafür zugrunde liegende neue Denk- und Herangehensweise, haben die Wissenschaftler analysiert: Zum einen könnten biologische Prozesse und Muster durch die Fortschritte in der Digitalisierung – zum Beispiel bessere Rechnerleistungen und neue Algorithmen – immer besser analysiert und verstanden werden. Zum anderen stünden völlig neue Technologien und Vernetzungsmöglichkeiten zur Verfügung. Beides seien wichtige Voraussetzungen für die biologische Transformation. Damit sie gelingt, sollen die Lebens-, Material- und Produktionswissenschaften, die IT sowie andere Disziplinen schon frühzeitig und systematisch zusammenwirken, fordern die Fraunhofer-Forscher.
Kunststoffe mit biologischen Eigenschaften
Seit Jahrzehnten wird mit Erfolg daran gearbeitet, Materialien mit Blick auf die evolutionär entstandenen "technischen" Errungenschaften der Natur zusätzliche Eigenschaften zu verleihen. Schmutz- und wasserabweisende Oberflächen auf Grundlage des bionischen Lotus-Effekts oder die Entwicklung von Materialien mit Formgedächtnis zählen zu den bekannteren Beispielen dieser Spielart der biologischen Transformation, die jetzt von Forschern des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung (IAP) in Potsdam-Golm und Wissenschaftlern der Technischen Universität Cottbus-Senftenberg (BTU) mit einem ebenfalls materialwissenschaftlichen Forschungsvorhaben erweitert werden soll: Durch die Kombination von Kunststoffen mit Biobausteinen wie Peptiden, Enzymen oder Zuckermolekülen wollen sie Polymermaterialien mit neuen Eigenschaften versehen und deren technisch-industrielle Produktion für unterschiedliche Anwendungen ermöglichen. Das Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kultur des Landes Brandenburg fördert das auf fünf Jahre angelegte Projekt mit 2,5 Millionen Euro.
Biomoleküle an der Oberfläche und im Volumen
Die Einsatzmöglichkeiten biologisierter Kunststoffe, so die Forscher, seien breit gefächert: "Der Einbau von Zuckermolekülen in Werkstoffe kann beispielsweise bewirken, dass Bakterien nicht mehr an der Oberfläche anhaften können. Simples Abwischen mit Wasser würde das Material wieder keimfrei machen", sagt Johannes Ganster, kommissarischer Leiter der Projektgruppe, der am IAP den Forschungsbereich Biopolymere leitet und zudem an der BTU die gemeinsam berufene Professur Biopolymere und Kunststoffverarbeitung innehat. Aber die Forscherinnen und Forscher wollen mehr als biologisierte Oberflächen. Eine Durchdringung des gesamten Polymermaterials mit Biobausteinen soll verhindern, dass durch Oberflächenabnutzung die spezifische Wirksamkeit verloren geht. Und: "Neben antimikrobiellen Proteinen wollen wir auch Biomoleküle, die die Haftung erhöhen oder wasser- beziehungsweise ölabweisend sind, mit Polymermaterialien vereinen. Auch mit enzymatisch aktiven Oberflächen oder Enzymen, die die Bioabbaubarkeit von Materialien ermöglichen oder verbessern, entstehen für die Industrie hochinteressante Produkte", ergänzt Ruben R. Rosencrantz, Mitarbeiter in der Projektgruppe.
Biologische Signalprozesse in Materialien
Unterdessen haben Wissenschaftler der Universität Freiburg Materialsysteme entwickelt, die aus biologischen Komponenten und Polymermaterialien bestehen und in der Lage sind, Informationen wahrzunehmen und zu verarbeiten. Damit können diese biohybriden Systeme bestimmte Funktionen ausüben: beispielsweise Signalpulse zählen, um bioaktive Moleküle oder Wirkstoffe zum richtigen Zeitpunkt freizusetzen, oder Enzyme und kleine Moleküle nachweisen – etwa Antibiotika in Milch, wie die Forscher berichten.
Lebewesen – einzelne Zellen bis hin zu Organismen – sowie elektrische Systeme wie etwa Computer könnten auf unterschiedliche Signale und Eingangsinformationen mit einer Vielfalt an Antwortmöglichkeiten reagieren. Der grundlegende gemeinsame Nenner dieser komplexen Systeme sei ihre Fähigkeit, Informationen zu verarbeiten, heißt es in einer Mittteilung der Universität Freiburg. Und das habe in den vergangenen zwei Jahrzehnten Wissenschaftler angespornt, eine synthetische Biologie zu entwickeln, indem sie die Prinzipien der Elektrotechnik anwandten, um lebende Zellen zu konzipieren, die Informationen wahrnehmen, verarbeiten und somit gewünschte Funktionen ausüben können.
Intelligente Materialsysteme mit Bausteinen der synthetischen Biologie
"Mit unserem heutigen Verständnis der Komponenten und der biologischen Signalprozesse sind wir nun in der Lage, die biologischen Module aus der synthetischen Biologie auf Materialien zu übertragen", sagt Wilfried Weber, Gruppenleiter an der Fakultät für Biologie und dem Exzellenzcluster BIOSS Centre for Biological Signalling Studies. Ein wichtiger Schritt in der Entwicklung intelligenter Materialsysteme sei, die Aktivitäten aller Bausteine exakt aufeinander abzustimmen. Ansonsten könne, ähnlich wie bei Computern, die Inkompatibilität einzelner Komponenten das gesamte System abstürzen lassen.
Das Team um Weber konnte jedoch optimale Zusammensetzungen finden – der Schlüssel dazu waren quantitative mathematische Modelle, die Jens Timmer und Raphael Engesser am Physikalischen Institut der Universität entwickelten. "Das Großartige der von der synthetischen Biologie inspirierten Materialsysteme ist ihre Vielfältigkeit", sagt Hanna Wagner, Erstautorin einer der Freiburger Studien. Das erarbeitete modulare Designkonzept, ist sie überzeugt, biete eine Blaupause für die Entwicklung von vielen biohybriden Materialsystemen, die unterschiedliche physikalische, chemische und biologische Signale aufspürten, verarbeiteten und daraufhin gewünschte Funktionen ausübten.
Freiburger Forscher entwickeln neuartige biohybride Systeme, die Informationen verarbeiten und Funktionen ausüben können.
Uni Freiburg / Wilfried Weber