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Maßgeschneiderte Baumwollfasern aus der Kulturschale

(20.9.17) Mit einem cleveren Trick brachten Forscher aus Israel, Österreich und Deutschland Baumwolle dazu, fluoreszierende Farbstoffe oder magnetische Moleküle in ihren Fasern einzulagern. Die Technik ist insbesondere für die biologische Herstellung funktioneller Materialien interessant.
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© Science

Synthetische Fasern für die Herstellung von Textilien werden durch chemische Verfahren mit den gewünschten Eigenschaften versehen. So wird etwa aus einer simplen Regenjacke eine "smarte" Jacke, deren Durchlässigkeit für Wasserdampf sich an die Temperatur oder Luftfeuchtigkeit anpasst. Die viele Chemie auf den Fasern ist aber weder für den Träger noch für die Umwelt gut.

Statt synthetische Fasern mit diversen Optimierungs-Tinkturen nachträglich zu behandeln, wäre es wesentlich cleverer, biologische Fasern mit den gewünschten Eigenschaften wachsen zu lassen. Dass dies bei Baumwollfasern grundsätzlich möglich ist, zeigte ein Forscherteam aus Biologen, Materialforschern, Physikern und Chemikern in einem Science Paper.

Baumwollfasern sind feine, mehrere Zentimeter lange Einzelzellen. Sie entstehen, wenn sich einige der epidermalen Zellen, die die äußerste Schicht der Samenanlage (Ovulum) bilden, punktuell differenzieren und strecken. Die hierzu als Bausubstanz nötige Zellulose beziehen die Zellen vom Intermembran-lokalisierten Zellulose-/Sukrose-Synthase-Komplex. Die Sukrose-Synthase überführt Sukrose in Fruktose und Glukose und reicht letztere an die Zellulose-Synthase weiter. Mit jedem Glukose-Baustein erweitert die Zellulose-Synthase die Polymer-Kette (beta1-4-Glukan) um ein weiteres Glied.

Die Forscher konzentrierten sich deshalb darauf, die Zelluloseproduktion über die Baumwoll-Ovula zu manipulieren, um Fasern mit neuen Eigenschaften zu kreieren. Hierzu boten sie den Ovula zunächst in vitro verschiedene Farbstoffe an, die sie aufnehmen sollten. Das Team inkubierte einzelne Ovula für zwanzig Tage auf sterilem Medium mit Glukose-freien (6-Caboxyfluorescein, Carminsäure, Indigo) beziehungsweise Glukose-haltigen (Carmin) Pigmenten.

Während Ovula, die in Glukose-freiem Medium inkubiert wurden, keinen Farbstoff aufnahmen (Epidermis und Fasern blieben natur-weiß), führte die Behandlung mit Carmin zu einer Rotfärbung der Epidermis. Unter dem Mikroskop sahen die Forscher, dass Carmin ins Cytosol gelangt war, die Fasern jedoch weiß blieben. Carmin ist ein Glykosid mit Carminsäure an der Glukose-Position C1. Die Forscher vermuteten deshalb, dass Fremdmoleküle aus dem Kulturmedium in die äußere Epidermisschicht gelangen können, wenn sie mit einer Glukosegruppe verknüpft sind, die als Träger dient. Zudem schlossen sie aus ihren Vorversuchen, dass die Glukosegruppe an Position C4 und C1 frei sein muss, um als Baustein in die wachsende Zellulose-Kette eingebaut werden zu können.

Um diese Hypothesen mit Experimenten zu untermauern, synthetisierte das Team das Glukose-Derivat 6-Carboxy-Fluoreszein-Glukose (6CF-Glc) mit freier C1 sowie C4 Position. 6CF-Glc ist gelb und fluoresziert unter Anregung mit UV-Licht (365 nm). Tatsächlich sprossten nach wenigen Tagen gelbe Fasern an der Oberfläche von Ovula, die mit 6CF-Glc-inkubiert wurden. Morphologische Abweichungen von Kontrollen (unbehandelte Rohfaser oder mit Glukose-freiem 6CF behandelte Proben) traten nicht auf.

Die Untersuchung der 6CF-Glc-haltigen Fasern mit der diffusen UV-VIS Reflexionsspektroskopie ergab, dass etwa jeder zwanzigste Baustein aus 6CF-Glc bestand. Zweifel, 6CF-Glc könnte nur oberflächlich an den Fasern kleben, statt in die Zellulose-Kette eingebaut worden zu sein, räumte das Team mit der sogenannten Weitwinkel Röntgenstreuung (WAXS) aus. Weitere Untersuchungen mit der Dynamischen Differenz-Kalorimetrie (DCS) zeigten in 6CF-Glc-Fasern einen gegenüber Kontroll-Rohfasern erhöhten Anteil amorpher Zellulose. Auch bei der Infrarot Spektroskopie (FT-IR ATR) traten strukturelle Unterschiede zu Tage. Obwohl sie genauso dick und lang waren wie Rohfasern, waren Fasern, die 6CF-Glc enthielten weniger reißfest.

Dass die Manipulationsstrategie auch für andere Fremdmoleküle funktioniert und sich Fasereigenschaften tatsächlich auch verbessern lassen, belegten Inkubationsexperimente von Baumwoll-Ovula in dem ferromagnetischen Glukose-Derivat Glc-DOTA-Dy(III). DOTA-Dy(III) ist ein gelber, wasserlöslicher Komplex aus der vierprotonigen Säure DOTA und dem ferromagnetischen Lanthanoid Dysprosium. Auch bei Glc-DOTA-Dy(III) sind C1 sowie C4 des Glukose-Moleküls frei. Vom Ausbleiben einer erkennbaren Gelbfärbung ließ sich das Team nicht entmutigen und untersuchte die Fasern mit einem Massenspektrometer mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) genauer. Die Analyse ergab, dass Glc-DOTA-Dy(III) sehr wohl in die Fasern eingebaut wurde und darin einen Anteil von 2.25 Prozent ausmachte.

Die Gegenwart des ferromagnetischen Glukose-Derivats wirkte sich auch auf die Textur der Fasern aus. Mit der Rasterkraftmikroskopie (AFM-Imaging) stellten die Forscher fest, dass Glc-DOTA-Dy(III)-manipulierte Fasern glatter, jedoch ebenso reißfest wie unbehandelte Kontrollfasern waren. Tatsächlich verlieh der Einbau des Dysprosiums den Fasern magnetische Eigenschaften, die die Wissenschaftler mit umfangreichen quantitativen Analysen dokumentierten.

Offen ist die Frage, wie viel Prozent fremder Moleküle sich mit der Methode in Baumwollfasern einbauen lassen. Mit Inkubationsexperimenten mit entsprechenden Konzentrationsreihen ließe sich dies klären. Unbeantwortet ist auch die spannende Frage, ob die Manipulation nicht nur in der Petrischale, sondern auch mit besprühten Pflanzen funktioniert.

Ob ein fluoreszierendes oder magnetisches T-Shirt für Textilindustrie und Träger tatsächlich attraktiv ist, sei dahingestellt. Interessanter ist, dass die Strategie des manipulierten Zellulose-Einbaus grundsätzlich funktioniert und somit auch für andere Glukose-Derivate und sogar in anderen Pflanzenspezies (zum Beispiel Lein) angewendet werden könnte. Die Zellulose-Biosynthese folgt schließlich quer durch die Botanik dem gleichen Schema. In schnellwachsenden Pflanzenarten wie zum Beispiel Bambus würde die (Wunsch)faserproduktion entsprechend flott verlaufen. Baumwoll-Ovula ließen sich - das ist genügend belegt - auch mit dem Wachstumshormon Auxin oder rhythmischer Temperaturänderung zu höherer Faserproduktion anregen.

Schade ist eigentlich nur, dass zumindest in Baumwolle und unter den gewählten Bedingungen keines der Glukose-Derivate zu einem Wachstumsschub geführt hat. Immerhin ist die Behandlung ja eine Art Fütterung, da die Zellen eigene Glukose einsparen können.

Andrea Pitzschke



Letzte Änderungen: 12.10.2017

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