Kieselalgen als Bioinspiration

Kieselalgen und Photonik-Forschung

Über 100 Jahre später hat sich der Prozess umgekehrt – Wissenschaft drückt sich als Kunstwerk aus. In einem dunklen Saal flambiert ein Eiskünstler mit imposantem Feuer sein Werk: drei langsam drehende, mit Laserstrahlen durchleuchtete Eisskulpturen. Der Künstler hat sie zuvor mit einer elektronischen Säge nach dem Abbild von Kieselalgen geformt. Die gebrochenen Laserstrahlen werfen bizarre Lichtreflexe an eine Leinwand und machen die Photonik-Forschung des Botanikers und Pflanzenphysiologen Johannes Wilhelm Goessling an der portugiesischen Universität Aveiro greifbar.

Das „Icarus Diatoms“-Kunstprojekt wurde vom Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik und dem Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei zur Berlin Science Week 2023 präsentiert. Kieselalgen-Skelette wurden dafür um den Faktor eine Million vergrößert. Die Abbildung der feinporösen Glasschalen sollte Besuchern Einblick in einen neuen Bereich der Grundlagenforschung verschaffen: Goessling untersucht auf Nanoebene, wie Lichtwellen mit den Strukturen der gläsernen Diatomeen-Skelette interagieren und beeinflusst werden können.

Licht-Leiter

Vor zehn Jahren griff Goessling in seiner Doktorarbeit ein Phänomen auf, das ihn bis heute beschäftigt: Wenn das gläserne Exoskelett einer Kieselalge nur zu einem Teil beleuchtet wird, beginnen erstaunlicherweise auch andere Bereiche der Zelle, die eigentlich unbeleuchtet waren, Fotosynthese zu betreiben. Wie kann das sein? Goessling vermutete, dass diese Kieselalgenart einen sogenannten photonischen Kristall darstellt. Solche hochtechnologischen, optischen Objekte waren bislang nur aus der Optoelektronik in der Anwendung für Telekommunikation, Sensorik oder Quantenphysik bekannt. Ihre Nanostrukturen beeinflussen gezielt die Lichtausbreitung. In der Natur war Vergleichbares noch nicht beobachtet worden.

Als Goessling auf einer Konferenz 2018 in Cambridge den spanischen Physiker Martin Lopez Garcia kennenlernte, beschlossen sie, zur Klärung dieser Frage gemeinsame Experimente durchzuführen: Goessling mikroskopierte, Lopez Garcia rechnete.

Ein photonischer Kristall habe vor allem zwei miteinander gekoppelte Eigenschaften, so Goessling. Die eine sei die Wellenleitung des Lichts in bestimmten Bereichen, die zweite die sogenannte Bandlücke, also Bereiche, die eine Wellenleitung verbieten. Wenn zumindest eine dieser Eigenschaften nachweisbar sei, beweise das, dass ein photonischer Kristall vorliege. Nach einem halben Jahr intensiver Experimente und Datenanalysen meinte Lopez Garcia an einem Freitagabend, ein „U“ in den Daten zu erahnen, und bat Goessling, den Kontrast zu verstellen. Dann klopfte er ihm grinsend auf die Schulter und wünschte ein schönes Wochenende. Es war die Bandlücke, nach der sie so lange gesucht hatten. Der Beweis war erbracht, dass Kieselalgen Lichtwellenleiter sein können.

Das eröffnete ein neues Forschungsfeld, denn photonische Kristalle sind essenziell für medizinische Sensorik, moderne Photovoltaikanlagen sowie Quantencomputer. Vielleicht taugen Diatomeen ja als natürliche Hightech-Baustoffe für Zukunftstechnologien? Goessling geht dieser Frage aktuell in einem Forschungsprojekt der portugiesischen Stiftung für Wissenschaft und Technologie nach.

In einem weiteren internationalen Projekt, finanziert vom norwegischen Forschungsrat, untersucht ein Kollektiv aus Wissenschaftlern um Goessling, welche Gene der Kieselalgen wo involviert sind. So sollen photonische Eigenschaften in einem zweiten Schritt auch genetisch kontrolliert werden können. Goesslings Vision: ein nachhaltig produziertes Nanomaterial.

Stabile Skelettstruktur

Andere Wissenschaften nutzen Kieselalgen schon seit Jahren als Vorbild, etwa im Bereich Leichtbau. Die ästhetischen Diatomeen-Strukturen gelten dabei als robust, leicht und durchlässig.

Lange diskutierte die Fachwelt, ob das gläserne Exoskelett der Kieselalgen nur aufgrund einer Laune der Natur entstanden war oder auf eine evolutionäre Entwicklung zurückzuführen ist. Christian Hamm, Meeresbiologe am Alfred-Wegener-Institut (AWI) für Polarforschung in Bremerhaven, verfolgte in seiner Doktorarbeit vor über 20 Jahren die Fraßschutz-Theorie. Jener Hypothese zufolge gab es ein evolutionäres Wettrüsten zwischen den Krebstieren als Prädatoren und deren Nahrung, den Kieselalgen. So schützten starre Glaspanzer die Kieselalgen nur so lange vor ihren Fressfeinden, bis sich diese weiterentwickelten – die Evolution etwa einige Ruderfußkrebsarten mit panzerbrechenden Beißwerkzeugen ausstattete. Im evolutionären Abwehrkampf wurden dann die Panzer der Algen nicht etwa immer dicker, weil sie dies wohl zu schwer gemacht hätte. Stattdessen entwickelten Diatomeen vermutlich die riesige Formenvielfalt aus leichten, durchlässigen Rüstungen, die dieser Hypothese nach aber hochstabil sein mussten.

Hamm konnte diese Hypothese experimentell bestätigen: Mittels winziger, selbst gebauter Nadeln machte er Crashtests. Anhand der Verformung der Nadeln durch die Glasskelette maß er die maximale Kraft bis zum Bruch. Gleichzeitig überprüfte er die vermuteten Gesetzmäßigkeiten hinter seinen Experimenten mit Computersimulationen. Als sich die Berechnungen in Einklang mit seinen Experimenten zeigten, wurden neue Aussagen über die erstaunliche, hochskalierbare Stabilität der Diatomeen möglich. Hamms damalige Studien schufen die Voraussetzung, um das Bauprinzip der Kieselalgen in stabile Leichtbaukonstruktionen überführen zu können.

Hamm beschäftigt sich seither genau damit. Im Bereich Maschinenbau konstruierte sein Team zum Beispiel große Zahnräder für Windkraftanlagen und stabile Gründungsstrukturen für den Einsatz vor der Küste. Für die Luft- und Raumfahrt, die leichte Bauteile in nur kleinen Stückzahlen verlangt, lohnten sich sogar 3D-Drucke. Für die Automobilindustrie, die mit dem Ziel des geringeren CO2-Ausstoßes eine leichtere Flotte anstrebt, konstruierte das Team sogenannte A-Säulen, Schwenklager und Domstreben. Gewisse Bauprinzipien übertrugen sie auf Yachten für Atlantik-Regatten.

Aktuell entwickelt das Forschungsteam Lösungen für die Architektur. „Dabei entstehen in der Regel ungewöhnliche, komplexe und ästhetische Strukturen. Aber dass dem Design Diatomeen zugrunde liegen, sieht man nicht immer“, erklärt Hamm.

Hamm hat das Potenzial der Bionik früh erkannt und genutzt. Dennoch dauerte jede Produktentwicklung lange, kostete viel Mühe und unzählige Wiederholungen im Labor, erzählt der Forscher. Um den Prozess zu beschleunigen überlegte er mit Kollegen einen Software-Ansatz: Bioniker und Ingenieure aus Hamms Team programmierten eine Plattform für Produktentwicklung und gründeten die gleichnamige Firma Synera GmbH.

Wird eine Produktentwicklung erst einmal digital aufgesetzt, kann dies bei weiteren Aufgaben viel Zeit sparen: Wenn beispielsweise ein Bauteil verlängert werden soll, passt sich die neue Lösung direkt per Knopfdruck an. „So lassen sich Entwicklungszeiten einsparen und bessere Bauteile entwickeln“, sagt Hamm. Er sieht diese Art der Produktentwicklung zudem als die nächste Stufe der Bionik. „Das Hauptproblem von Bionik ist, dass sie sehr aufwendig ist. Es gibt daher immer noch zu wenige Beispiele für nachhaltige bionische Entwicklungen.“ Er ist überzeugt, dass sein neuer Ansatz die Zukunft ist.

Neben den bionischen Erfindungen der letzten beiden Jahrzehnte ließ Hamm aber nie die Grundlagenforschung außer Acht. „Wir wollten zum Beispiel wissen, wie Ruderfußkrebse auf Kieselalgen mit unterschiedlich stabilen Schalen reagieren“, erzählt er. Sein Mitarbeiter Lars Friedrichs entdeckte im Rahmen seiner Promotion, dass stabilere Kieselalgen tatsächlich besser vor Fressfeinden geschützt sind, dafür aber langsamer wachsen. Hamm erklärt: „Da wachsen im Ozean Kieselalgen mit stabilerem Panzer neben andersartigen Nachbarn mit etwas weniger stabilen Panzern. Nun kommt es auf die Krebstiere an. Gibt es die in größerer Zahl und mit hoher Beißkraft, zahlt sich die Investition in einen stabilen Panzer aus. Die schneller wachsende, aber wenig geschützte Art, wird dagegen eher weggefressen.“

Hamms Team hält sich die für Studien benötigten Kieselalgen selbst in Kultur. „Der Vorteil von Kieselalgen gegenüber größeren Objekten ist: Du kannst unkompliziert am lebenden Organismus forschen“, sagt Hamm. „Wir holen dazu die Diatomeen aus dem Kulturschrank, färben sie und legen sie unters Laserkonfokalmikroskop – das ist fantastisch.“

Archiv der Arten

Etwa 20.000 Diatomeen-Arten haben zurzeit einen Namen. 100.000 weitere unentdeckte Arten werden vermutet. Die Einordnung von Lebewesen in systematische Kategorien wird in der Biologie als „Taxonomie“ bezeichnet: von der Klasse über die Familie zur darin enthaltenen Gattung bis zur Art. Doch Diatomeen zu beschreiben und zu klassifizieren, ist alles andere als trivial.

Für die Biologin Nélida Abarca von der Freien Universität (FU) Berlin ist das Bestimmen und Klassifizieren schon immer eine spannende Detektivarbeit gewesen. Im Botanischen Garten und dem Botanischen Museum kuratiert sie heute einen riesigen Schatz, der in unterirdischen Kellergeschossen lagert: das Algen-Herbarium mit Proben aus aller Welt, archiviert in Dutzenden von Rollschränken.

Liegt eine neue Diatomeen-Probe vor, lautet die erste Frage der Taxonomin: Ist diese Art schon bekannt? Um das herauszufinden, bezieht Abarca den Fundort und charakteristische Ausprägungen in ihre Überlegungen mit ein. Sie untersucht außerdem Mikrostrukturen und misst Länge und Breite der Kieselalgen. Nähert sie sich einem Typus, sucht sie diesen in Büchern und Datenbanken. Wird sie nicht fündig, gilt es, die neue Art zu beschreiben.

Taxonomische Arbeit erfordert viel Geduld, eine hohe Frustrationstoleranz und zuweilen auch Deutschkenntnisse. Die gebürtige Mexikanerin erwarb diese ursprünglich, um Diatomeen-Literatur studieren zu können. Denn viele alte Standardwerke, etwa die von Möller, gibt es nur auf Deutsch. In Mexiko erforschte Abarca die Diatomeen des großen Flusses Río Lerma, der sowohl durch industriell und landwirtschaftlich geprägte als auch durch naturbelassenere Gebiete fließt. „In einem Tropfen können Hunderte unterschiedlicher Arten stecken, und sie sind ein guter Indikator für die Wasserqualität“, erklärt die Biologin. Um mehr über Diatomeen zu lernen, kam Abarca dann als Doktorandin an die FU Berlin.

Vor knapp 20 Jahren begann sie dort, die Klassifizierungen von Taxonomen mit molekulargenetischen Sequenzierungen zu vergleichen. So stellte sich heraus, dass sich einige mikroskopisch unterschiedliche (und somit verschieden benannte) Diatomeen-Arten genetisch glichen. Abarca fasste daraufhin beispielsweise mehrere Gomphonema-Arten zusammen. Aber andere Diatomeen, die wegen ihres Umrisses derselben Art oder Gattung zugeordnet waren, unterschieden sich genetisch so deutlich, dass sie die taxonomische Trennung forderte. Diese „integrative Taxonomie“, also die Verknüpfung der klassischen Formbeschreibung mit der Genetik, setzte einen wichtigen Standard: Seither sind Forschende bestrebt, eine moderne Datenbank mit Namen, Elektronenmikroskop-Bild und DNA-Analyse zu etablieren.Abarcas Zukunftsvision ist, dass aus einer Wasserprobe mithilfe der geeigneten Methoden eine Liste aller darin enthaltenen Diatomeen-Arten erstellt werden kann. Das würde ein effizientes Biomonitoring der Wasserqualität ermöglichen.

Historisches Herbarium

Indes gewinnt das Berliner Algen-Herbarium an Bedeutung, weil es substanziellen Zuwachs durch eine weltbekannte Diatomeen-Sammlung erwartet: Die Hustedt-Sammlung, welche seit 1968 im Alfred-Wegener-Institut angesiedelt war, wird dem Botanischen Garten und dem Botanischen Museum der FU Berlin übergeben. Abarca kuratiert nun über 100.000 Objektträger und noch einmal so viele Rohmaterialien. Christian Hamm freut sich, die historische Sammlung seines Instituts bald in den besten Händen zu wissen.

Winzig, wichtig, wunderschön: Kieselalgen gibt es seit vielen Millionen Jahren – dagegen ist die Zeit, in der sich Kunst und Wissenschaft bislang damit befassten, nur ein Wimpernschlag. Nichtsdestotrotz konnten schon einige Strukturen erforscht werden, die wichtige technologische Neuerungen zur Folge hatten. Die Erfolge lassen vermuten, dass sich weitere Forschung lohnt. //