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Gastbeitrag / Birgit Lengerer, Ute Rothbächer, Peter Ladurner / Donnerstag 08.04.21

Bio­lo­gi­sche Kleb­stof­fe als Vor­la­ge für umwelt­freund­li­che Superkleber

Vie­le gän­gi­ge Gebrauchs­ar­ti­kel wer­den heut­zu­ta­ge ver­klebt, allen vor­an Elek­tro­ge­rä­te wie zum Bei­spiel Smart­pho­nes wären ohne effi­zi­en­te Kleb­stof­fe undenk­bar. Kleb­stof­fe sind auch im medi­zi­ni­schen Bereich und beson­ders in der Zahn­me­di­zin essen­ti­ell. Vie­le Kle­ber sind aller­dings alles ande­re als umwelt­freund­lich und ent­hal­ten Gift­stof­fe. Dabei gäbe es genug Bei­spie­le von ungif­ti­gen und star­ken Kleb­stof­fen in der Natur. Die Erfor­schung von bio­lo­gi­schen Kleb­stof­fen ist der Grund­stein zur Ent­wick­lung von ver­gleich­ba­ren bio­mime­ti­schen Pro­duk­ten. Bis dahin ist der Weg aller­dings noch weit und vie­le grund­le­gen­de Mecha­nis­men sind bis­her noch nicht, oder nur unzu­rei­chend, erforscht. Dies zu ändern ist das erklär­te Ziel von For­sche­rIn­nen am Insti­tut für Zoo­lo­gie der Uni­ver­si­tät Innsbruck. 

Für vie­le mari­ne Lebe­we­sen ist die Pro­duk­ti­on von Kleb­stof­fen über­le­bens­wich­tig. Sie wer­den von ihnen unter ande­rem genutzt, um sich kurz­zei­tig oder dau­er­haft anzu­haf­ten, Behau­sun­gen zu bau­en oder Beu­te zu fan­gen. In vie­ler­lei Hin­sicht sind die­se natür­li­chen Kle­be­stof­fe han­dels­üb­li­chen Kle­bern weit über­le­gen. Sie wir­ken schnell und effi­zi­ent, sind ungif­tig, bio­lo­gisch abbau­bar und haf­ten auf nahe­zu allen Ober­flä­chen. Meh­re­re Wis­sen­schaft­le­rIn­nen an der Uni­ver­si­tät Inns­bruck haben das Poten­ti­al von bio­lo­gi­schen Kle­be­sys­te­men erkannt und wid­men sich in Zusam­men­ar­beit mit inter­na­tio­na­len Kol­le­gIn­nen inten­siv deren Erfor­schung. Ihr lang­fris­ti­ges For­schungs­ziel ist es, die von natür­li­chen Sys­te­men gewon­nen Erkennt­nis­se zu nut­zen, um bio­mime­ti­sche Kle­ber zu ent­wi­ckeln. Die Anwen­dungs­ge­bie­te wären viel­fäl­tig: von umwelt­freund­li­chen Kle­bern für den täg­li­chen Gebrauch bis hin zu hoch­spe­zia­li­sier­ten Kleb­stof­fen für den indus­tri­el­len- oder bio­me­di­zi­ni­schen Bereich.

Klei­ne Klebeprofis

Die Arbeits­grup­pe von Peter Lad­ur­ner hat sich auf Platt­wür­mer spe­zia­li­siert, eine Tier­grup­pe, die welt­weit ver­brei­tet ist und auch bei uns in jedem Gewäs­ser vor­kommt. Die Anhaf­tung von Platt­wür­mern basiert auf einem Zwei-Drü­sen-Sys­tem, das es ihnen über Sekre­tio­nen ermög­licht anzu­haf­ten, aber auch zu jeder Zeit los­zu­las­sen. Platt­wür­mer kom­men in unter­schied­lichs­ten Lebens­räu­men vor, von Süß­was­ser­se­en, Mee­res­küs­ten, über Brack­was­ser, bis hin zu para­si­tä­ren Arten, die sich auf ihren Wir­ten fest­kle­ben. Vie­le die­ser Arten sind in ihrem natür­li­chen Habi­tat star­ken Strö­mun­gen und Wel­len aus­ge­setzt und haben ihre Kleb­stof­fe und ihre Kle­be­or­ga­ne an die­se extre­men Bedin­gun­gen ange­passt. In einem mul­ti­dis­zi­pli­nä­ren Ansatz beschrei­ben die For­sche­rIn­nen sowohl die genaue Struk­tur der Kle­be­or­ga­ne als auch den Pro­te­in- und Zucker­an­teil der Kleb­stof­fe. Ihr Ziel ist es, Unter­schie­de und Gemein­sam­kei­ten der Kle­be­stra­te­gien in unter­schied­li­chen Habi­ta­ten zu ent­schlüs­seln. Die gerin­ge Grö­ße der Platt­wür­mer – die meis­ten Arten sind nur weni­ge Mil­li­me­ter groß – macht dabei eine direk­te Ana­ly­se der Kleb­stof­fe schwie­rig. Zudem sind die bis­her bekann­ten Kle­be­pro­te­ine sehr lang und repe­ti­tiv, was die Ent­schlüs­se­lung ihrer Sequen­zen erschwert. Um die­se Pro­ble­me zu umge­hen, nut­zen die For­scher das Poten­ti­al von neu­en, preis­lich güns­ti­gen Sequen­zier­me­tho­den und bio­in­for­ma­ti­schen Analysen.

„Stars“ der Meere 

Ein ähn­li­ches tem­po­rä­res Kle­be­sys­tem, das der See­ster­ne, steht im Zen­trum der For­schung von Bir­git Len­ge­rer. See­ster­ne sind in den Mee­ren weit ver­brei­tet und besie­deln unter­schied­lichs­te Habi­ta­te, von Küs­ten­re­gio­nen bis zur Tief­see. Die­se Kom­ple­xi­tät spie­gelt sich auch in ihren Kle­be­stof­fen wie­der: im gemei­nen See­stern (Aste­ri­as rubens) wur­den in einer frü­he­ren Stu­die 34 Pro­te­in­se­quen­zen in den kle­ben­den „Fuß­ab­drü­cken“ iden­ti­fi­ziert. Ein bedeu­ten­der Anteil der Sequen­zen wur­de aller­dings nicht oder nur unzu­rei­chend in ande­ren Arten gefun­den, was eine Anpas­sung der Haft­pro­te­ine an das Habi­tat ver­mu­ten lässt. Aus­ge­hend von die­sen Ergeb­nis­sen forscht Bir­git Len­ge­rer der­zeit vor­wie­gend an einer klei­nen See­stern­art, Aste­ri­na gib­bo­sa, die in Küs­ten­re­gio­nen weit ver­brei­tet ist. Ihr gro­ßer Vor­teil im Ver­gleich zum gemei­nen See­stern ist, dass sich die­se Art auch im Labor fort­pflan­zen lässt. Dadurch wer­den Ver­su­che, Pro­ben­nah­men, sowie funk­tio­nel­le Ana­ly­sen erleich­tert. Im Rah­men ihres Pro­jek­tes wur­de unter ande­rem das Genom die­ser Art sequen­ziert und meh­re­re bis­her unbe­kann­te Kle­be­pro­te­ine ent­schlüs­selt. Da es sich dabei teil­wei­se um gly­ko­sy­l­ier­te Pro­te­ine han­delt, besteht nun der nächs­te Schritt dar­in, die Art und Funk­ti­on die­ser Zucker­ver­bin­dun­gen zu verstehen.

Zuerst mobil, dann sesshaft

Das Team von Ute Roth­bä­cher wid­met sich der Anhaf­tung des ses­si­len Man­tel­tie­res Cio­na intes­ti­na­lis. Bevor sich die­se Tie­re per­ma­nent anhaf­ten, suchen sie im Lar­ven­sta­di­um nach einer geeig­ne­ten Stel­le. In die­sem frü­hen Ent­wick­lungs­sta­di­um ist der Kleb­stoff der Tie­re noch rever­si­bel und die Lar­ven kön­nen meh­re­re Stel­len tes­ten, bevor sie sich per­ma­nent anhaf­ten und ihre Meta­mor­pho­se zum adul­ten Tier star­tet. Nach einer detail­lier­ten Beschrei­bung des Kle­be­or­gans der Man­tel­tier­lar­ve wid­men sich die For­sche­rIn­nen nun der Zusam­men­set­zung des Kleb­stof­fes. Des Wei­te­ren wird die Kle­be­fä­hig­keit der Lar­ven an ver­schie­de­nen che­misch defi­nier­ten Sub­stra­ten getes­tet. Im Fall von mari­nen Tie­ren ist nicht nur der extrem robus­te Kle­ber von gro­ßem Inter­es­se, auch wie die Anhaf­tung ver­hin­dert wer­den kann wird unter­sucht. Star­ker Bewuchs von ses­si­len Orga­nis­men ist ein gro­ßes Pro­blem in der Schiff­fahrt, das den Treib­stoff­ver­brauch und die War­tungs­kos­ten dras­tisch erhöht. Aus die­sem Grund ist ein Ver­ständ­nis der ers­ten, tem­po­rä­ren Anhaf­tung der Cio­na Lar­ven auch ein wich­ti­ger Schritt in Rich­tung einer nach­hal­ti­gen Bekämp­fung die­ses Bewuchses.

Die For­schungs­pro­jek­te wer­den unter­stützt vom FWF [P 30347, J 4071], ÖAW, TWF und der COST action CA15216 (Euro­pean Net­work of Bio­ad­he­si­on Exper­ti­se, ENBA) und der Uni­ver­si­tät Inns­bruck (Pro­jekt 214947).

Kurzportrait

Peter Lad­ur­ner stu­dier­te Bio­lo­gie an der Uni­ver­si­tät Inns­bruck und ist nach eini­gen Auf­ent­hal­ten an inter­na­tio­na­len For­schungs­stät­ten an sei­ne Hei­mat­uni­ver­si­tät zurück­ge­kehrt. Dort erforscht er seit Jah­ren ver­schie­de­ne Eigen­schaf­ten von Platt­wür­mern, inklu­si­ve ihrer Stamm­zel­len, Ent­wick­lung, Rege­ne­ra­ti­on und ihre über­le­bens­wich­ti­gen Klebstoffe.

Ute Roth­bä­cher pro­mo­vier­te an der Lud­wig-Maxi­mi­li­ans-Uni­ver­si­tät Mün­chen and arbei­te­te in den USA und Frank­reich, bevor sie 2012 an der Uni­ver­si­tät Inns­bruck in ihrer eige­nen Arbeits­grup­pe die jah­re­lan­ge For­schung zu ent­wick­lungs­bio­lo­gi­schen Grund­la­gen fort­setz­te und sich auf Kleb­stof­fe an Cio­nal­ar­ven spezialisierte.

Bir­git Len­ge­rer pro­mo­vier­te 2017 an der Uni­ver­si­tät Inns­bruck und arbei­tet – nach einem Post­doc Auf­ent­halt an der Uni­ver­si­tät Mons (Bel­gi­en) – in Inns­bruck wei­ter an ihrem For­schungs­pro­jekt zu Seesternklebstoffen.

Für nähe­re Infor­ma­tio­nen zu den drei For­sche­rIn­nen sie­he https://​www​.uibk​.ac​.at/​z​o​o​l​o​gy/

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