01 (Nanowerk-Scheinwerfer) Angesichts der wachsenden Umweltherausforderungen suchen Wissenschaftler weltweit nach nachhaltigen Lösungen. Die Entwicklung lebender Materialien – Verbundstoffe mit lebenden Organismen – ist vielversprechend, da sie unsere Abhängigkeit von aus fossilen Brennstoffen gewonnenen Materialien verringert und die einzigartigen Eigenschaften lebender Systeme nutzt.

Revolutionierung der Materialwissenschaft mit lebenden Organismen

Lebende Materialien sind von der Natur inspiriert, in der Pflanzen, Tiere und Mikroben im Rahmen ihrer normalen Physiologie routinemäßig funktionelle Materialien herstellen. Beispielsweise produzieren Bäume Holzgewebe aus steifen Zellulosefasern, die durch Lignin-„Kleber“ zusammengehalten werden, während Meeresmuscheln Unterwasserklebstoffe absondern und einige Bakterien Elektrizität erzeugen. Diese lebenden Systeme weisen besondere Fähigkeiten wie Selbstorganisation, Selbstheilung, Reaktionsfähigkeit und Biosynthese auf, die mit synthetischen Materialien nur schwer zu erreichen sind. Das Gebiet der synthetischen Biologie bietet Werkzeuge zur Neuprogrammierung von Organismen auf genetischer Ebene und ermöglicht es Wissenschaftlern, lebende Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften zu entwickeln. Durch die Einführung künstlicher Genschaltkreise können Mikroben so gestaltet werden, dass sie Signale aus der Umgebung wahrnehmen und entsprechend benutzerdefinierte Produkte herstellen. Materialwissenschaftler erforschen auch, wie lebende Komponenten in nichtlebende Strukturen wie Hydrogele und elektronische Geräte integriert werden können. Die daraus resultierenden „hybriden lebenden Materialien“ zielen darauf ab, die Funktionalität von Organismen durch die Robustheit und Herstellbarkeit synthetischer Komponenten zu erweitern. Mehrere Startups kommerzialisieren inzwischen frühe lebende Materialtechnologien, stehen jedoch weiterhin vor Herausforderungen wie hohen Produktionskosten und geringerer mechanischer Festigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Materialien. Wenn diese Hürden jedoch überwunden werden können, könnten lebende Materialien eines Tages nicht nachhaltige konventionelle Materialien in Anwendungen ersetzen, die von der Verpackung bis zum Infrastrukturbau reichen.

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Von der Natur lernen: Evolutionäre Meisterwerke im Materialdesign

Lebende Organismen produzieren auf natürliche Weise eine erstaunliche Vielfalt an funktionellen Materialien unter Verwendung von Proteinen, Polysacchariden und Mineralien. Holzpflanzen beispielsweise biosynthetisieren Lignin, Zellulose und Hemizellulose, um stabile Baumstämme zu bilden, während Meeresmuscheln unter Wasser haftende Proteine ​​absondern, um sich an Oberflächen festzusetzen. Am faszinierendsten ist, dass diese lebenden Materialien dynamische Eigenschaften aufweisen, die synthetischen Gegenstücken fehlen, wie etwa die Fähigkeit zur Selbstorganisation, zur Selbstheilung nach Verletzungen, zur Anpassung an Umweltreize und zur kontinuierlichen Selbsterneuerung. Das Gebiet der bioinspirierten Materialien zielt darauf ab, solche natürlichen Strukturen nachzuahmen, ihre lebendigen Eigenschaften jedoch nachzubilden bleibt eine Herausforderung. Ein neuer Ansatz besteht nun darin, die Organismen selbst so zu manipulieren, dass sie als mikrobielle „Fabriken“ für die Herstellung funktioneller Materialien dienen. Als Experten für biochemische Synthese bieten lebende Zellen nach Milliarden von Jahren der Evolution möglicherweise eine nachhaltige Möglichkeit, eine große Vielfalt maßgeschneiderter Biopolymere herzustellen. Forscher kategorisieren lebende Materialsysteme basierend auf ihren Designs:

• Selbstorganisierende lebende Materialien: Ausschließlich aus lebenden Komponenten wie gentechnisch veränderten Bakterien, Pilzen oder Säugetierzellen aufgebaut. Ihr Ziel ist es, die natürliche Selbstorganisation und das Verhalten, das auf die Umwelt reagiert, nachzubilden.
• Hybride Wohnmaterialien: Lebende Komponenten mit abiotischen Gerüsten wie Hydrogelen und elektronischen Geräten verschmelzen. Die nicht lebenden Teile verbessern die Herstellbarkeit und erhöhen die Funktionalität eingebetteter Organismen.

Der Adidas-Konzeptschuh Stan Smith Mylo™ verwendet aus Pilzen gewonnene Materialien. (Bild: Adidas)

Programmierung lebender Materialien mithilfe der synthetischen Biologie

Das junge Gebiet der synthetischen Biologie bietet einen Werkzeugkasten zur genetischen Umprogrammierung von Organismen mithilfe von Prinzipien der Modularität, Standardisierung und Modellierung. Mithilfe von Bibliotheken gut charakterisierter DNA-Teile, die grundlegende genetische Funktionen kodieren, können synthetische Biologen künstliche Genschaltkreise einführen, um Zellen computerähnliche Fähigkeiten zu verleihen. Beispielsweise ermöglichen manipulierte Gennetzwerke Mikroben, chemische Signale zu spüren, logische Berechnungen durchzuführen oder ihr Verhalten über Populationen hinweg zu synchronisieren. Mithilfe der synthetischen Biologie erforschen Forscher verschiedene Strategien zur Entwicklung selbstorganisierender lebender Materialien mit programmierten Funktionalitäten:

• Anpassen von Materialbausteinen: Zellsekretierte Proteine ​​oder Polysaccharide können durch Fusion mit Peptiden oder Proteinen mithilfe rekombinanter DNA-Technologie funktionalisiert werden. Zum Beispiel, E. coli Biofilm-Matrixproteine ​​wurden modifiziert, um die Absorption von Schwermetallen und die Adhäsion unter Wasser zu ermöglichen.
• Entwurf reizresponsiver Genschaltkreise: Durch die Einführung von Schaltkreisen, die Signale wie Toxine, Licht oder elektrische Felder erkennen, können lebende Materialien Umgebungen dynamisch wahrnehmen und darauf reagieren.
• Technik der Zell-Zell-Kommunikation: Durch die Integration von Kommunikationsmodulen wie Quorum Sensing können Populationen manipulierter Zellen die Materialherstellung und -leistung gemeinsam selbst regulieren.
• Aufbau künstlicher mikrobieller Konsortien: Die Aufteilung von Aufgaben auf verschiedene Bevölkerungsgruppen ermöglicht komplexere materielle Funktionen durch Verteilung der Stoffwechselbelastung.

Über die genannten Beispiele hinaus bietet die Natur einen Schatz an Inspiration. Spinnenseide zeichnet sich durch bemerkenswerte Festigkeit und Flexibilität aus, während Knochen über die Fähigkeit verfügt, sich selbst zu regenerieren. Forscher erforschen, wie diese Eigenschaften in technischen Materialien nachgeahmt werden können. Beispielsweise wird Myzel, die wurzelartige Struktur von Pilzen, zur Herstellung nachhaltiger Verpackungen und Baumaterialien verwendet. Bakterien, die Kalziumkarbonat produzieren können, werden in selbstheilenden Beton eingebaut, der seine eigenen Risse reparieren kann. Wissenschaftler entwerfen sogar Stoffe mit Mikroben, die als Reaktion auf Verschmutzung oder Temperatur ihre Farbe ändern.

Überbrückung von Welten: Die Synergie lebender und nicht lebender Hybridmaterialien

Obwohl die von künstlichen Organismen hergestellten Materialien ausschließlich aus Leben bestehen, weisen sie derzeit Einschränkungen wie eine geringe mechanische Festigkeit auf. Um dieses Problem anzugehen, erforschen Forscher Hybridsysteme, die lebende Zellen mit robusten abiotischen Komponenten kombinieren und dabei Herstellungstechniken aus der Materialwissenschaft nutzen. Zum Beispiel Techniken wie 3D-Druck und Mikrofluidik ermöglichen die kontrollierte Einkapselung lebender Zellen in anpassbaren Polymerhydrogelen. Diese Gele bieten eine weiche, aquatische Umgebung, um die Lebensfähigkeit der Zellen aufrechtzuerhalten und gleichzeitig die physikalischen Eigenschaften des gesamten Hybridmaterials zu verbessern. In anderen Fällen haben Forscher funktionelle, nicht lebende Komponenten eingebaut, die mit dem mikrobiellen Stoffwechsel synergetisch wirken, um neue Materialfähigkeiten zu ermöglichen. Beispiele hierfür sind halbleitende Nanopartikel, die Lichtenergie sammeln, um CO anzutreiben2-Reparatur von Bakterien und elektronischen Sensoren, die mit manipulierten genetischen Schaltkreisen interagieren.

Reale Anwendungen lebender Materialien

Die transformative Kraft lebender Materialien ist nicht auf Labortische oder theoretische Studien beschränkt; Es ist eine Realität, die sich in verschiedenen Branchen rund um den Globus abspielt. Diese realen Anwendungen zeigen, wie die innovative Integration der Biologie mit technischen Prinzipien nachhaltige Lösungen greifbar und zugänglich macht. Von Gebäuden, die sich selbst reparieren, über Textilien, die auf den menschlichen Körper reagieren, bis hin zu Verpackungsmaterialien, die aus Pilzwurzeln gewonnen werden, zeigen die folgenden Fallstudien tatsächliche Produkte und Technologien, die bereits Wirkung zeigen. Indem sie die Lücke zwischen der Weisheit der Natur und der menschlichen Kreativität schließen, unterstreichen diese Beispiele nicht nur die Praktikabilität lebender Materialien, sondern auch ihr Potenzial, Industrien erheblich zu verändern, die Umweltergebnisse zu verbessern und das tägliche Leben zu bereichern. Lebende architektonische Strukturen Das Hy-Fi-Installation, erstellt von der Architekturgruppe The Living, veranschaulicht das Potenzial biotechnologisch hergestellter Materialien im Bauwesen. Die Struktur wurde aus biologisch abbaubaren Ziegeln aus Maisstängeln und lebendem Myzel errichtet und zeigt, wie mit lebenden Materialien nachhaltige, kompostierbare Architekturprojekte geschaffen werden können, die keine Kompromisse bei Festigkeit oder Design eingehen und einen Hinweis auf die Zukunft des umweltfreundlichen Bauens geben. Installationsansicht von Hy-Fi. (Bild: MoMA) Umweltfreundliche Baumaterialien aus Myzel Myzel, die Wurzelstruktur von Pilzen, steht bei Unternehmen wie … an der Spitze nachhaltiger Materialinnovationen MycoWorks und Ökovatives Design wegweisend. Diese Firmen nutzen die natürlichen Wachstumsprozesse von Myzel, um Materialien zu schaffen, die nicht nur stark und langlebig, sondern auch vollständig biologisch abbaubar sind. Durch die Verfütterung landwirtschaftlicher Abfälle an Myzel formen sie daraus Produkte, die von Lederalternativen bis hin zu Verpackungs- und Isoliermaterialien reichen und ein überzeugendes Beispiel für die Prinzipien der Kreislaufwirtschaft in der Praxis darstellen. Selbstheilender Beton Selbstheilender Basilisk-Beton stellt einen bahnbrechenden Fortschritt bei Baumaterialien dar. Dieser innovative Beton enthält spezielle Bakterien, die bei Kontakt mit Wasser aktiviert werden, um Risse mit Kalkstein zu füllen und so den Beton im Wesentlichen zu heilen. Dieses Verfahren verlängert die Lebensdauer des Materials erheblich, senkt die Wartungskosten und bietet eine umweltfreundliche Alternative, indem es möglicherweise den gesamten CO2-Fußabdruck der Betonindustrie senkt. Biokunststoffproduktion AirCarbon von Newlight Technologies geht die doppelten Herausforderungen der Plastikverschmutzung und des Klimawandels an, indem es methanfressende Bakterien nutzt, um eine biologisch abbaubare Plastikalternative herzustellen. Dieser Prozess fängt Methan – ein starkes Treibhausgas – aus der Luft ein und wandelt es in ein Material um, das für eine breite Palette von Produkten verwendet werden kann, von Modeartikeln bis hin zu Lebensmittelverpackungen, und stellt einen neuartigen Ansatz zur Reduzierung von Kohlenstoffemissionen und Abfall dar. Technische lebende Beschichtungen Indigo Landwirtschaft verwendet mikrobielle Saatgutbeschichtungen, um die Gesundheit und den Ertrag von Pflanzen nachhaltig zu verbessern. Diese Beschichtungen enthalten nützliche Bakterien, die die Widerstandsfähigkeit der Pflanzen gegen Trockenheit und Schädlinge verbessern und so den Bedarf an chemischen Düngemitteln und Pestiziden verringern. Dieser innovative Ansatz unterstützt nicht nur nachhaltige landwirtschaftliche Praktiken, sondern unterstreicht auch das Potenzial lebender Materialien, zur globalen Ernährungssicherheit beizutragen. Tragbare Biosensoren Labor für Morphing-Materie ist Vorreiter bei bioLogic, der Integration lebender Materialien in die Textilindustrie mit seinem reaktionsfähigen Stoff, der lebende Zellen von Natto-Bakterien enthält (Bacillus subtilis) als feuchtigkeitsempfindlicher Nanoaktor. Die Klappen des Stoffes öffnen und schließen sich als Reaktion auf den Schweiß des Trägers und sorgen so für natürliche Belüftung. Diese intelligente Textilinnovation eröffnet neue Möglichkeiten für tragbare Technologie und kombiniert Komfort, Funktionalität und Nachhaltigkeit.

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Das Nachhaltigkeitspotenzial lebender Materialien erkennen

Befürworter glauben, dass lebende Materialien im Vergleich zur konventionellen Herstellung mehrere Nachhaltigkeitsvorteile bieten könnten, darunter:

• Nutzung gentechnisch veränderter Mikroben als Zellfabriken zur Herstellung erneuerbarer Biokunststoffe, Lederersatzstoffe und Pigmente. Dies verringert die Abhängigkeit von petrochemischen Rohstoffen.
• Einsatz von Organismen zur aktiven biologischen Sanierung von Schadstoffen und Abfällen. Künstliche Mikroben sind vielversprechend, wenn es darum geht, Kohlenstoff aus der Luft einzufangen oder Plastikmüll abzubauen.
• Entwicklung probiotischer lebender Beschichtungen, die die Haltbarkeit von Lebensmitteln verlängern und so Verderb und Verschwendung reduzieren.
• Verwendung stickstofffixierender oder mineralienablagernder Bakterien als mikrobenbasierte Düngemittel für eine nachhaltigere Landwirtschaft, wodurch der Bedarf an synthetischen Düngemitteln gesenkt wird.

Obwohl lebende Materialien vielversprechend sind, müssen vor ihrer weiten Verbreitung mehrere Hürden überwunden werden. Die Produktionskosten übersteigen derzeit viele herkömmliche Materialien. Die Verwendung genetisch veränderter Organismen wirft Bedenken hinsichtlich der biologischen Sicherheit auf und erfordert strenge Eindämmungs- und Umweltrisikobewertungen. Die öffentliche Wahrnehmung der synthetischen Biologie ist unterschiedlich und eine klare Kommunikation über die Vorteile und potenziellen Risiken wird von entscheidender Bedeutung sein. Schließlich erfordert die Entwicklung lebender Materialien einen wirklich interdisziplinären Ansatz, der die Zusammenarbeit zwischen Bereichen fördert, die traditionell möglicherweise nicht interagieren. Dennoch stellen lebende Materialien eine spannende Schnittstelle zwischen synthetischer Biologie und Materialwissenschaft dar. Angesichts der anhaltenden Fortschritte bei der Entwicklung von Zellen und der Verwaltung mikrobieller Gemeinschaften könnten lebende Technologien eines Tages nachhaltige Lösungen für die Herstellung von Chemikalien, die Abwasserbehandlung, die Bindung von Kohlenstoff aus der Luft und vieles mehr bieten. Um diese Zukunftsvision Wirklichkeit werden zu lassen, sind jedoch große Fortschritte auf diesem Gebiet erforderlich. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass technische lebende Materialien einen bahnbrechenden Ansatz für eine nachhaltige Fertigung darstellen und eine überzeugende Alternative zu herkömmlichen synthetischen Materialien bieten. Durch die Nutzung der Kraft lebender Organismen und deren Integration mit fortschrittlichen technischen Techniken schaffen Wissenschaftler und Innovatoren Materialien, die bemerkenswerte Eigenschaften wie Selbstorganisation, Selbstheilung und Anpassungsfähigkeit aufweisen. Von umweltfreundlichen Baumaterialien, die aus Myzel gewonnen werden, bis hin zu selbstheilendem Beton und biologisch abbaubaren Kunststoffen, die von Bakterien hergestellt werden – die realen Anwendungen lebender Materialien zeigen ihr Potenzial, Industrien zu revolutionieren, die Umweltbelastung zu reduzieren und unser tägliches Leben zu verbessern. Während sich das Fachgebiet mit Fortschritten in der synthetischen Biologie und interdisziplinärer Zusammenarbeit weiterentwickelt, sind lebende Materialien bereit, eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung einer nachhaltigeren Zukunft zu spielen. Um dieses Potenzial auszuschöpfen, müssen jedoch Herausforderungen wie Produktionskosten, Bedenken hinsichtlich der biologischen Sicherheit und öffentliche Wahrnehmung angegangen werden. Dennoch ist das Versprechen lebender Materialien unbestreitbar, und ihre Entwicklung stellt einen spannenden Meilenstein auf der Suche nach innovativen Lösungen für globale Nachhaltigkeitsherausforderungen dar.

Entdecken Sie mehr: Ein Tor zur Zukunft lebender Materialien

Lebende Hydrogelfasern eröffnen eine neue Ära nachhaltiger technischer Materialien Auf Anpassung ausgelegt: Lebende Materialien sind die Zukunft des nachhaltigen Bauens 3D-gedrucktes „lebendes Material“ könnte verunreinigtes Wasser reinigen (mit Video) Lebende Baumaterialien könnten Ingenieuren und Architekten neue Horizonte eröffnen Entwicklung lebender Hydrogele Forscher züchten makroskopische, modulare Materialien aus Bakterien Verwendung lebender Bakterien zur Entwicklung selbstwachsender technischer Materialien

By

Michael
Berger

– Michael ist Autor von drei Büchern der Royal Society of Chemistry:
Nano-Gesellschaft: Grenzen der Technologie überschreiten,
Nanotechnologie: Die Zukunft ist winzig und
Nanoengineering: Die Fähigkeiten und Werkzeuge, die Technologie unsichtbar machen
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