Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Glibber aus der Tiefsee

15.01.2016

ETH-Wissenschaftler erforschen die aussergewöhnlichen Absonderungen des Schleimaals. Wie dieses natürliche Hydrogel für den Menschen nutzbar gemacht werden könnte, wollen die Forscher in den kommenden drei Jahren herausfinden.

Dieses Tier hat alles richtig gemacht. Es existiert seit 300 Millionen Jahren, hat die Dinosaurier überlebt, den grossen Meteoriteneinschlag, Warmphasen, Eiszeiten – und es bevölkert noch immer die Tiefen der Meere, wo es von Aas lebt oder Beute macht. Ein attraktives Äusseres besitzt er allerdings nicht, der atlantische Schleimaal (Myxine glutinosa). Dennoch hat eine Gruppe von ETH-Forschern vom Labor für Lebensmittelverfahrenstechnik von Professor Erich Windhab grossen Gefallen an ihm gefunden. Oder präziser gesagt: an seinem Schleim.


Der zähe und elastische Schleim des atlantischen Schleimaals hat es einer ETH-Forschungsgruppe angetan.

Bild: ETH Zürich/Simon Kuster et al.


Schwierige Haltung: Schleimaale in einem Meerwasserbecken.

Bild: ETH Zürich/Simon Kuster

Der Schleim ist etwas vom Aussergewöhnlichsten, das die Natur hervorgebracht hat. Sobald ein Schleimaal von einem Feind gepackt wird, stösst er ein Sekret aus, das innerhalb von Sekundenbruchteilen geliert, selbst in kaltem Wasser. Dieses Sekret vermag Unmengen von Wasser zu binden, wodurch sich ein durchsichtiger, zäher und klebriger Schleim bildet. Fische, die es auf den Schleimaal abgesehen haben, ersticken fast ab dem Schleim wodurch der Schleimaal entkommen kann.

TV-Doku als Funke

Dieser Schleim ist nun zum Gegenstand eines ETH-Forschungsprojekts geworden, an dem Doktorand Lukas Böni, Masterstudent Lukas Böcker und Postdoc Patrick Rühs unter der Leitung von Simon Kuster aus der Gruppe von Professor Peter Fischer in den kommenden drei Jahren arbeiten werden.

Auf die schleimenden Meeresbewohner stiess Kuster vor zwei Jahren. Er sah einen BBC-Dokumentarfilm über atlantische Schleimaale (engl. Hagfish) - und war von diesen Tieren fasziniert. «Als Chemiker und Materialforscher hat sich mir sofort die Frage gestellt, woraus der Schleim besteht und wie das Material beschaffen sein muss, damit es eine derart riesige Menge Wasser binden kann», sagt Kuster.

Vorrecherchen zeigten den ETH-Forschern, dass die Schleimbildung und sein Ausstoss nur wenig untersucht und kaum verstanden sind. Bekannt ist, dass das natürliche Hydrogel des Schleimaals zwei Hauptbestandteile hat: einen rund 15 bis 30 Zentimeter langen Proteinfaden und sogenannte Muzine, welche die Fäden untereinander vernetzen und den Schleim erst «schleimig» machen. Dieser Faden hat ähnliche Eigenschaften wie Spinnfäden. Er ist extrem reissfest und elastisch – allerdings nur in angefeuchtetem Zustand.

Produziert werden diese Hauptbestandteile in speziellen Drüsen. Darin eingebettet sind zwei Typen von Zellen, die entweder das fädige Protein oder Muzin produzieren. Bei Gefahr stösst der Aal diese Zellen ruckartig über Poren aus. Dabei zerreissen die Plasmamembranen, und die beiden Komponenten, also die Proteine und Muzine, kommen frei. Sie interagieren und bilden die Matrix, welche das Wasser «aufsaugt» und bindet.

Der Schleim besteht aus nahezu 100 Prozent Wasser und enthält nur gerade mal 0,004 Prozent «Geliermittel». Oder anders formuliert: Das Gewichtsverhältnis von «Geliermittel» zu Wasser beträgt das 26‘000fache - über 200 Mal mehr als bei herkömmlicher tierischer Gelatine. Für die Gelierung ist nur sehr wenig Energie notwendig.

Besonders fasziniert hat die ETH-Forscher die Tatsache, dass das fädige Protein in den Drüsenzellen als Knäuel von 150 Mikrometern Durchmesser vorliegt, im Schleim aber als mehrere Zentimeter langer, ausgestreckter Faden. Wie dieses Abwickeln genau vor sich geht, ist erst in Ansätzen geklärt. «Die Wicklung innerhalb der Zelle ist hochspezialisiert und sehr ungewöhnlich», betont Böni.

Zur Vorbereitung ihres Projekts reisten die ETH-Wissenschaftler mehrere Male nach Norwegen. Nach langer Suche fanden sie in Ålesund einen Projektpartner, der die Möglichkeit hatte, atlantische Schleimaale in der freien Wildbahn zu fangen und im Aquarium zu halten. «Bevor wir mit dem Aquarium zusammenarbeiteten, führten wir erste Vorversuche am Schleim in einer Garage durch und nahmen dafür einen Teil ihrer Laborinfrastruktur der ETH nach Norwegen mit», erklärte Fischer.

Die Tiere nach Zürich zu transportieren, ist hingegen nicht sinnvoll. «Der Transport würde sie so stressen, dass sie während der ganzen Zeit Schleim absondern und schliesslich daran ersticken würden», sagt Lukas Böcker. Auch hätten sie in ihrem Labor in Zürich keine Möglichkeit, die Schleimaale artgerecht – in 10-grädigem frischem Meerwasser bei kompletter Dunkelheit – zu halten.

Super-Hydrogel nach natürlichem Vorbild

Das Ziel des Projektes ist, das vom Schleimaal erzeugte Gel so zu verändern, dass es das Wasser dauerhaft zurückhalten kann und so zu einem «Super-Hydrogel» werden könnte. Dazu müssen die Forscher allerdings erst das Geheimnis des enormen Wasseraufnahmevermögen des Schleims ergründen.

Dank ihrer Voruntersuchungen haben die ETH-Wissenschaftler einen Weg gefunden, das Drüsensekret so zu stabilisieren, damit sie es für ihre Studien nach Zürich ins Labor transportieren können. Welche Faktoren diese Stabilisierung ermöglichen, ist ihnen jedoch nicht bekannt. Lösen sie dieses Rätsel, wäre es denkbar, eine ähnliche Stabilisation bei einem biomimetischen Nachahmerprodukt – ein Fernziel des Projekts - anzuwenden.

Eine exakte Nachbildung des Sekrets ist allerdings eher unrealistisch: «Wir können den Schleim dieses Fisches nicht im Labor nachbauen, dafür ist das natürliche System zu komplex», betont Kuster. Ein Gel zu entwickeln, das auf dem Prinzip des natürlichen Schleims beruht, liege aber durchaus im Bereich des Möglichen.

Hydrogels sind bereits heute in zahlreichen Anwendungen enthalten, von Papierwindeln über Heftpflaster bis hin zu Bewässerungssystemen für die Landwirtschaft. Auch in der Nahrungsmittelindustrie werden Hydrogele breit eingesetzt. Andere Wissenschaftler, die den Schleim erforscht haben, möchten die Fasern für die Herstellung von Textilien nutzen.

Ob sich aus dem Projekt eine praktische Anwendung ergeben wird, können die ETH-Forscher noch nicht abschätzen. Jedoch konnten sie bereits publizieren, dass sie den kurzlebigen Schleim, der unter mechanischem Stress kollabiert, stabilisieren können und durch das einmischen in andere Hydrogele oder partikuläre Netzwerke zusätzliche Funktionalisierungen erzielen konnten.

Literaturhinweis

Böcker L, Rühs PA, Böni L, Fischer P, Kuster S. Fiber-Enforced Hydrogels: Hagfish Slime Stabilized with Biopolymers including κ-Carrageenan. ACS Biomaterials Science & Engineering, published online Nov 10 2015. DOI: 10.1021/acsbiomaterials.5b00404

Weitere Informationen:

https://www.ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2016/01/schleimaal...

Peter Rüegg | ETH Zürich

Weitere Berichte zu: ETH Geliermittel Glibber Hydrogele Meerwasser Muzine Schleim Zellen protein

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Insekten teilen den gleichen Signalweg zur dreidimensionalen Entwicklung ihres Körpers
18.10.2019 | Universität zu Köln

nachricht Das Rezept für eine Fruchtfliege
18.10.2019 | Max-Planck-Institut für Biochemie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Die schnellste Ameise der Welt - Wüstenflitzer haben kurze Beine, aber eine perfekte Koordination

Silberameisen gelten als schnellste Ameisen der Welt - obwohl ihre Beine verhältnismäßig kurz sind. Daher haben Forschende der Universität Ulm den besonderen Laufstil dieses "Wüstenflitzers" auf einer Ameisen-Rennstrecke ergründet. Veröffentlicht wurde diese Entdeckung jüngst im „Journal of Experimental Biology“.

Sie geht auf Nahrungssuche, wenn andere Siesta halten: Die saharische Silberameise macht vor allem in der Mittagshitze der Sahara und in den Wüsten der...

Im Focus: Fraunhofer FHR zeigt kontaktlose, zerstörungsfreie Qualitätskontrolle von Kunststoffprodukten auf der K 2019

Auf der K 2019, der Weltleitmesse für die Kunststoff- und Kautschukindustrie vom 16.-23. Oktober in Düsseldorf, demonstriert das Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR das breite Anwendungsspektrum des von ihm entwickelten Millimeterwellen-Scanners SAMMI® im Kunststoffbereich. Im Rahmen des Messeauftritts führen die Wissenschaftler die vielseitigen Möglichkeiten der Millimeterwellentechnologie zur kontaktlosen, zerstörungsfreien Prüfung von Kunststoffprodukten vor.

Millimeterwellen sind in der Lage, nicht leitende, sogenannte dielektrische Materialien zu durchdringen. Damit eigen sie sich in besonderem Maße zum Einsatz in...

Im Focus: Solving the mystery of quantum light in thin layers

A very special kind of light is emitted by tungsten diselenide layers. The reason for this has been unclear. Now an explanation has been found at TU Wien (Vienna)

It is an exotic phenomenon that nobody was able to explain for years: when energy is supplied to a thin layer of the material tungsten diselenide, it begins to...

Im Focus: Rätsel gelöst: Das Quantenleuchten dünner Schichten

Eine ganz spezielle Art von Licht wird von Wolfram-Diselenid-Schichten ausgesandt. Warum das so ist, war bisher unklar. An der TU Wien wurde nun eine Erklärung gefunden.

Es ist ein merkwürdiges Phänomen, das jahrelang niemand erklären konnte: Wenn man einer dünnen Schicht des Materials Wolfram-Diselenid Energie zuführt, dann...

Im Focus: Wie sich Reibung bei topologischen Isolatoren kontrollieren lässt

Topologische Isolatoren sind neuartige Materialien, die elektrischen Strom an der Oberfläche leiten, sich im Innern aber wie Isolatoren verhalten. Wie sie auf Reibung reagieren, haben Physiker der Universität Basel und der Technischen Universität Istanbul nun erstmals untersucht. Ihr Experiment zeigt, dass die durch Reibung erzeugt Wärme deutlich geringer ausfällt als in herkömmlichen Materialien. Dafür verantwortlich ist ein neuartiger Quantenmechanismus, berichten die Forscher in der Fachzeitschrift «Nature Materials».

Dank ihren einzigartigen elektrischen Eigenschaften versprechen topologische Isolatoren zahlreiche Neuerungen in der Elektronik- und Computerindustrie, aber...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

VR-/AR-Technologien aus der Nische holen

18.10.2019 | Veranstaltungen

Ein Marktplatz zur digitalen Transformation

18.10.2019 | Veranstaltungen

Wenn der Mensch auf Künstliche Intelligenz trifft

17.10.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Insekten teilen den gleichen Signalweg zur dreidimensionalen Entwicklung ihres Körpers

18.10.2019 | Biowissenschaften Chemie

Volle Wertschöpfungskette in der Mikrosystemtechnik – vom Chip bis zum Prototyp

18.10.2019 | Physik Astronomie

Innovative Datenanalyse von Fraunhofer Austria

18.10.2019 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics