Mit Leuchtkraft für sauberes Wasser

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Die Grafik veranschaulicht, wie Fluoreszenzmoleküle die Bindung von Schadstoffen auf der Matrix anzeigen. Quelle: FZD

12.05.2009  - 

Wasser ist nicht gleich Trinkwasser, das weiß jeder, der im Urlaub schon einmal mit Durchfall zu kämpfen hatte. Aber auch Trinkwasser ist nicht einwandfrei sauber. Während viele Krankheitserreger und große Schmutzpartikel inzwischen in der Aufbereitung herausgefiltert werden können, sind es gerade die vermeintlich gesundheitsfördernden Substanzen, die im Wasser verbleiben – und langfristig Schaden anrichten können.

„Das Thema Arzneimittelrückstände wird immer wichtiger“, sagt Katrin Pollmann vom Institut für Radiochemie am Forschungszentrum Dresden Rossendorf (FZD). „Nur ein Bruchteil der eingenommenen Arzneimittel wird im Körper auch umgesetzt. Der Rest gelangt in die Kläranlage, wo nur ein Teil davon entfernt werden kann. Letztendlich finden sich de Rückstände im Trinkwasser wieder.“ Das FZD ist Bestandteil eines Forschungsclusters, der Biosensoren entwickelt. Diese sollen die Arzneimittelrückstände im Wasser finden und anzeigen.

Neben dem Dresdner FZD besteht der Cluster aus dem Umweltforschungszentrum (UFZ) in Leipzig, dem Institut für Biowissenschaften der Universität Rostock und der ProAqua GmbH aus Mainz. Das Konzept wird seit Frühjahr 2009 im Rahmen des Initiative "BIONA – Bionische Innovationen für nachhaltige Produkte" vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit 1,2 Millionen Euro über drei Jahre gefördert.

Bionik: Bakterielle Eiweiße als Vorbild

Der Ansatz der Forscher basiert auf der Erkenntnis, dass bestimmte Bakterien eine Schutzschicht vor giftigen Schadstoffen entwickelt haben, um in einer Uranerz-Halde zu überleben. Diese Schutzschicht besteht aus Proteinen, die Substanzen binden können und dadurch vom Bakterium fernhalten. Diesen Mechanismus haben sich die Wissenschaftler als Vorbild für ihre Biosensoren genommen - ein weiteres Beispiel für die Bionik, einem Forschungsfeld, das durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung schon seit Jahren unterstützt wird (mehr...). So bilden diese bakteriellen Proteine sehr regelmäßige Gitterstrukturen aus, die mit funktionellen Molekülen wie Aptameren verknüpft werden können. Bei Aptameren handelt es sich um aus Nukleinsäuren bestehende Makromoleküle, die durch ihre besondere dreidimensionale Struktur Substanzen hochspezifisch binden können. Mithilfe der bakteriellen Proteine wollen die Forscher nun für den Biosensor eine funktionale Trägerschicht entwickeln, die die Aptamere in wohldefinierten Abständen im Nanometer-Bereich auf dem Biosensor ordnet.

Aufspüren, was bisher verborgen bleibt

Das Einsatzgebiet der winzigen Biosensoren ist aber schon jetzt klar: Sie sollen aufspüren, was bisherigen Trinkwasserfiltern verborgen bleibt: Antibiotika, Röntgenkontrastmittel, den aus Schmerzmitteln bekannten Wirkstoff Diclophenac, UV-Filter aus Kosmetika und bestimmte Biozide. Das Herzstück eines jeden Biosensors ist eine biologisch aktive Komponente. Dieser Biorezeptor ist in der Lage, mit seinen Zielsubstanzen in Wechselwirkung zu treten und dabei ein Signal zu erzeugen. Über bestimmte im Sensor enthaltene Signalwandler wird dieses Signal dann sicht- und messbar gemacht. Nach der Messung wird der Biosensor wieder in seinen Ausgangszustand gebracht. Das bedeutet: er ist regenerierbar.

Der Forschungscluster entwickelt sensorische Schichten, die auf das Erkennen dieser schwer nachweisbaren Reststoffe spezialisiert sind. Wie Puzzleteile ergänzen sich dabei die Expertisen der drei Forschungspartner.  Während die Wissenschaftler am UFZ Leipzig an der Entwicklung der Aptamere arbeiten, werden in Rostock die bakteriellen Proteine so modifiziert, dass sie eine stabile Beschichtung ergeben.

Pollmann und ihr "Nanobio"-Team am FZD arbeiten an der Entwicklung einer Matrix, an die die Aptamere angekoppelt werden können. „Wir arbeiten schon länger mit bakteriellen Hüllproteinen“, sagt Pollmann. Die regelmäßige Struktur der Eiweiße legte eine vielfältige Verwendbarkeit der Eiweiße nahe. So kamen die Dresdner Wissenschaftler auf die Idee, Oberflächen damit zu beschichten. Zusätzlich experimentieren sie mit Fluoreszenzmolekülen auf der Matrix. Diese stehen untereinander in Kontakt und verfärben sich, wenn dieser Kontakt gebrochen wird – beispielsweise durch gebundene Schadstoffe. Eine leuchtende Erfolgsrückmeldung, die etwas über die Belastung des Wassers aussagt.

„Hier geht es noch nicht um Reinigung, sondern erst einmal um Analytik“, stellt Pollmann klar. Das Projekt ist im April 2009 angelaufen und zunächst auf drei Jahre angelegt. „Ein brauchbares Produkt zur Trinkwasseraufbereitung zu entwickeln, braucht wesentlich länger“, gibt die Forscherin zu Bedenken. Die Rostocker, Leipziger und Dresdner legen zusammen mit dem Mainzer Unternehmen die Grundlagen für die Trinkwasseraufbereitung in zehn oder zwanzig Jahren. Denn anders als in der Sensorik, sind Aptamere dafür derzeit noch ungeeignet. Die Nukleinsäuren sind jeweils auf die Detektion eines bestimmten Schadstoffs spezialisiert und haben keine große Bandbreite. Um die nötige Anzahl an Filtern zu beschichten, müsste man außerdem große Mengen der Makromoleküle herstellen. „Das ist im Moment noch viel zu teuer“, sagt Pollmann.

Autorin: Cornelia Kästner