Im Projekt Enabled arbeiten unter anderem Proteindesigner Gustav Oberdorfer und sein Team an nachhaltigen Leuchtmitteln für LEDs.

Bild: Helmut Lunghammer, TU Graz
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Nachhaltige Leuchtmittel LEDs aus bakterieller Produktion

04.03.2020

Ein Team aus spanischen, italienischen und österreichischen Forschern verfolgt im Projekt Enabled das Ziel, umweltfreundliche Leuchtmittel herzustellen. Hierzu vereinen sie bereits gemachte Fortschritte aus der Forschung mit organischen Beschichtungen und Farbstoffen. Am Ende soll ein Teil der Leuchtquellen quasi aus Bakterienzellen geerntet werden.

Die Basis für das FET-Open-Projekt Enabled wird am Institut für Biochemie der TU Graz gelegt. Dort designen Gustav Oberdorfer und sein Team mithilfe von Simulationssoftware Proteine. „Für dieses Projekt analysieren wir fluoreszierende Proteinstrukturen aus der Natur und testen, wie wir sie verändern müssen, damit sie unterschiedliche, fluoreszierende organische Moleküle binden“, erklärt Oberdorfer.

LEDs emittieren kurzwelliges blaues Licht, das durch eine Schicht anorganischer Leuchtmaterialien absorbiert und in längerwelligeres und damit energieärmeres Licht umgewandelt wird. Das gesamte Spektrum ergibt dann das weiße Licht, wie wir es wahrnehmen.

Umweltfreundliche LED-Beschichtung

Die Idee für das Vorhaben hat Oberdorfer gemeinsam mit Kooperationspartnern aus Spanien und Italien entwickelt, die unabhängig voneinander am Thema gearbeitet haben und vielversprechende Erfolge verbuchen konnten. So entwickelte Rubén Costa vom Madrider Institut für Höhere Studien (IMDEA) eine stabile organische LED-Beschichtung als Alternative zu herkömmlichen LED-Beschichtungen, die üblicherweise aus problematischen Selten-Erdmineralien bestehen.

Das Gemisch besteht aus organischen Polymeren, in die fluoreszierende Proteine eingebettet werden. Diese Proteine kommen in Meereslebewesen vor und werden von ihnen als Lichtquelle für die Jagd, die Kommunikation oder für den Selbstschutz genutzt. Die Leuchtkraft dieser Kunststoffmatrix ist allerdings derzeit noch zu niedrig, um ganze Räume zu erhellen.

Organische Farbstoffe mit guter Lichtausbeute

Forschende des Departments of Chemistry der Universität Turin rund um Claudia Barolo beschäftigen sich wiederum mit der Synthese organischer Farbstoffe, die eine gute Lichtausbeute haben und in organischen Leuchtdioden (OLEDs) zur Anwendung kommen. Viele dieser Farbstoffe sind allerdings kostspielig und aufwendig in der Synthese.

Im Rahmen des FET-Open-Projekts suchen Barolo und ihr Team nun nach einem gut geeigneten, mit minimalem Aufwand herzustellenden Farbstoff. Er soll so verändert werden, dass er als künstliche Aminosäure in Proteine eingebaut werden kann.

Teilbereiche verbinden

Das Enabled-Projekt soll die Erfolge der Einzelgruppen nun zusammenführen. Ziel ist es, mithilfe von Bakterien völlig neuartige künstlich fluoreszierende Proteine zu entwickeln.

Hierfür simulieren die Grazer Biochemiker zunächst Tausende von verschiedenen hypothetischen Proteinen, die spezifisch an die synthetischen Farbstoffe binden sollen. Eine Handvoll dieser Proteine – nämlich jene, die dem Aufbau natürlich fluoreszierender Proteine am nächsten sind – werden anschließend als synthetische DNA-Konstrukte bestellt.

Im nächsten Schritt untersuchen die Gruppen, ob diese Proteine wirklich die Farbstoffe binden, für die sie designt wurden. Sobald sich das bestätigt, wollen sie die Integration dieser neuen, artifiziellen fluoreszierenden Proteine in die Kunststoffmatrix testen und auf ihre Verwendbarkeit in Bezug auf Bio-LEDs untersuchen.

„Der Plan ist, dass wir die Proteine schlussendlich aus der Bakterienzelle heraus ‚ernten‘, wir einen Teil der Leuchtquellen also wachsen lassen“, hofft Oberdorfer auf einen Proof-of-Principle zum Abschluss des Projekts in vier Jahren.

Kooperationspartner und Details zum Projekt

Das Forschungsprojekt Enabled ist an der TU Graz im Feld „Human & Biotechnology“ angesiedelt, einem von fünf wissenschaftlichen Bereichen der Universität. Es wird über die Forschungsförderschiene FET Open im Rahmen des EU-Programms Horizont 2020 mit rund 2,6 Millionen Euro gefördert.

Kooperationspartner des Projekts sind:

  • CIC BiomaGune – Centro de Investigación Cooperativa en Biomateriales (Spanien)

  • IMDEA Materials Institute (Spanien)

  • TU Graz, Institut für Biochemie (Österreich)

  • Universidad de Oviedo (Spanien)

  • Università degli Studi di Torino (Italien)

Bildergalerie

  • Gustav Oberdorfer forscht seit Februar 2018 am Institut für Biochemie der TU Graz.

    Bild: Helmut Lunghammer, TU Graz

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