Die Kieselalge als Bioinspiration

Das vom Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik und dem Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei präsentierte „Icarus Diatoms“-Kunstprojekt zur Berlin Science Week im November 2023 vergrößerte nämlich Kieselalgen-Skelette um den Faktor eine Million. Die Abbildung der feinporösen Glasschalen gibt Einblick in einen neuen Bereich der Grundlagenforschung. Denn Goessling untersucht auf Nanoebene, wie Lichtwellen mit den hochperiodischen Strukturen der gläsernen Diatomeen-Skelette interagieren und manipuliert werden können.

Licht-Leiter

Vor zehn Jahren griff Goessling in seiner Doktorarbeit ein Phänomen auf, dass 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, Photosynthese 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 manipulieren 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 Beantwortung dieser Frage gemeinsame Experimente durchzuführen: Goessling mikroskopierte, Lopez Garcia rechnete. Zusammen verbesserten sie so sukzessive den Aufbau des Experiments.

„Ein photonischer Kristall hat vor allem zwei Eigenschaften“, erklärt Goessling. „Das eine ist die sogenannte Wellenleitung in bestimmten Bereichen. Dort werden bestimmte Wellenlängen des Lichts in Abhängigkeit von der Nanostruktur weitergeleitet. Die zweite Eigenschaft ist die sogenannte Bandlücke. Das sind Bereiche, die eine Wellenleitung verbieten. Beide Eigenschaften sind über die Struktur gekoppelt. Wenn wir zumindest eine dieser Eigenschaften nachweisen können, ist deshalb bewiesen, dass ein photonischer Kristall vorliegt.“

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. Erstmalig war der Beweis erbracht und 2020 veröffentlicht, 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.

Die wichtigsten Parameter für einen photonischen Wellenleiter sind Porenabstand und Porenweite. In einem weiteren internationalen Projekt, finanziert vom norwegischen Forschungsrat, untersucht ein Kollektiv aus Wissenschaftlern um Goessling, welche Gene überhaupt wo involviert sind. So sollen photonische Eigenschaften in einem zweiten Schritt auch genetisch kontrolliert werden können. Goesslings Vision: ein nachhaltig produziertes Nanomaterial.

Stabile Skelettstruktur

Anderen Wissenschaften dienen Kieselalgen schon seit Jahren als Vorbild, etwa im Bereich Leichtbau. So stand unter dem Brachiosaurus-Skelett des Naturkundemuseums, ebenfalls zur Berlin Science Week 2023, ein fast ein Meter großes 3D-gedrucktes Modell von einem Diatomeen-Skelett. Was diese winzigen Skelette können, kann kein Dinoskelett: Die ästhetischen Diatomeen-Strukturen gelten als robust, leicht und durchlässig. Christian Hamm, Meeresbiologe am Alfred-Wegener-Institut (AWI) für Polarforschung in Bremerhaven, präsentierte hier seinen jahrzehntelangen Technologietransfer in technische Leichtbauprodukte.

Lange diskutierte die Fachwelt, ob das gläserne Exoskelett der Kieselalge nur aufgrund einer Laune der Natur entstanden war oder auf eine evolutionäre Entwicklung zurückzuführen ist. Der Meeresbiologe Hamm 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. Denn starre Glaspanzer schützten Kieselalgen nur so lange vor ihren Fressfeinden, bis auch die sich weiterentwickelten: So stattete die Evolution einige Ruderfußkrebsarten mit panzerbrechenden Beißwerkzeugen aus. Im evolutionären Abwehrkampf wurde aber nicht etwa der Panzer der Algen immer dicker, weil sie dies vermutlich zu schwer gemacht hätte. Stattdessen entwickelten Diatomeen vermutlich die riesige Formenvielfalt aus leichten, durchlässigen Rüstungen, die dieser Hypothese nach aber hochstabil sein mussten.

Hamm bestätigte diese Hypothese der hochstabilen Exoskelette experimentell: Mittels winziger, selbstgebauter 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 numerischen Modellen. Als sich die sogenannten Finite-Elemente-Berechnungen in Einklang mit seinen Experimenten zeigten, wurden neue Aussagen über die erstaunliche, hochskalierbare Stabilität der Diatomeen möglich. Hamms 2003 hierzu erschienene Veröffentlichung in der renommierten Fachzeitschrift Nature wird bis heute viel zitiert. Seine damaligen Studien schufen die Voraussetzung, um das Bauprinzip der Kieselalgen in stabile Leichtbaukonstruktionen überführen zu können.

Hamm tut seither genau das. Im Bereich Maschinenbau konstruierte Hamms 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, konstruierten sie sogenannte A-Säulen, Schwenklager und Domstreben. Gewisse Bauprinzipien übertrugen sie auf Yachten für Atlantik-Regatten. Aktuell entwickeln sie Strukturen 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. Daher überlegte er mit Kollegen, wie sich dieser Prozess beschleunigen ließe. Das Resultat ist ein 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 mit Synera aufgesetzt, kann diese bei weiteren Aufgaben viel Zeit sparen: Ändert sich der Input-Parameter, beispielsweise wenn ein Bauteil verlängert werden soll, passt sich die neue Lösung 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 Hautproblem 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 Produktentwicklung in die Zukunft führt.

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 sagt: „Die Bedeutung in diesem wunderbaren Zusammenspiel muss man sich mal bildlich vorstellen: Da wachsen bestimmte Kieselalgen im Ozean neben etwas andersartigen Nachbarn. 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. Denn schneller wachsende, aber wenig geschützte Arten, werden effektiver weggefressen.“

Hamms Team hält sich die für Studien benötigten Kieselalgen in Kultur. Der Forscher weiß die Zugänglichkeit zu schätzen. „Der Vorteil von Kieselalgen gegenüber größeren Objekten ist: Du kannst unkompliziert am lebenden Organismus forschen“, so 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. Hunderttausend 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. 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 Diatomeenliteratur 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 unterschiedlich (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, die 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.