Biokompatibel, abbaubar und wasserverträglich: Leistungsfähige Bioklebstoffe sind in der regenerativen Medizin immer gefragter.
Das klassische Nähen und Klammern wird in der Medizin immer häufiger durch das Kleben ersetzt. Gerade biobasierte Klebstoffe aus der Natur sind gefragt. Denn: Sie müssen nicht wieder entfernt werden und wirken als Adhäsiv und Dichtmaterial. Wissenschaftlern vom Exzellenzcluster „Unifying Concepts in Catalysis“ der TU Berlin (kurz UniCat) ist es jetzt gelungen, einen neuen biogenen Superklebstoff zu entwickeln.
Sie haben Stämme des Darmbakteriums Escherichia coli so umprogrammiert, dass mithilfe der Bakterien der biologische und sehr leistungsfähige Unterwasserklebstoff von Miesmuscheln produziert werden kann. Das Besondere daran: Die Klebeeigenschaften können durch Bestrahlen mit Licht angeschaltet werden.
Darmbakterien als „Chemiefabrik“
Das biotechnologische Verfahren zur Herstellung des biologischen Unterwasserklebstoffs von Miesmuscheln haben die UniCat-Mitglieder Prof. Dr. Nediljko Budisa von der TU Berlin, Prof. Dr. Holger Dobbek von der HU Berlin und Prof. Dr. Andreas Möglich von der Universität Bayreuth entdeckt. Sie benutzten die Darmbakterien als „eine Chemiefabrik“, erläutert Prof. Nediljko Budisa, und führten dabei zuerst ein spezielles Enzym in Escherichia coli ein, das aus dem Bakterium Methanocaldococcus jannaschii gewonnen und von den Forschern verändert wurde. Anschließend wurde das veränderte Darmbakterium mit der Aminosäure ONB-DOPA (ortho-Nitrobenzyl-DOPA) gefüttert.
Im ONB-DOPA seien die für die starke Klebewirkung verantwortlichen Dihydroxyphenyl-Gruppen geschützt. Wie bei einem Aufkleber, dessen Selbstklebefläche mit einer Schutzfolie versehen ist, baue das umprogrammierte Bakterium die „mit Schutzfolie versehene“ Aminosäure in Proteine ein, sodass man ein Haftprotein gewinne, dessen Klebestellen noch geschützt sind. Erst nachdem das geschützte Haftprotein aus den Bakterien herausgelöst und gereinigt worden ist, werden die Schutzgruppen mithilfe von Licht einer bestimmten Wellenlänge (365 Nanometern) entfernt. Das Haftprotein verliere dadurch (bildlich gesprochen) seine Schutzfolie. Seine Klebestellen werden aktiviert, und das Protein kann zielgerichtet als Klebstoff verwendet werden.
Vom Verfahren zum Produkt
Mithilfe des biokompatiblen, also für den Organismus gut verträglichen Superleims könnten künftig sowohl oberflächliche Hautwunden behandelt als auch gebrochene Knochen und Zähne geklebt werden. Biologische Haftproteine könnten zudem das Zusammenwachsen von Knochen- und Zahnfragmenten ermöglichen, und der Einsatz von Platten und Schrauben wäre überflüssig.
Das Besondere an dem neuen Bioklebstoff: Die Klebeeigenschaften können durch Bestrahlen mit Licht angeschaltet werden.
Die Herstellung beziehungsweise Anreicherung von Muschel-Haftproteinen ist bisher nicht befriedigend gelöst. Die Isolierung der Bio-Leime aus Muscheln und anderen natürlichen Quellen ist ineffizient und teuer, heißt es in einer Pressemitteilung der TU Berlin. So lassen sich aus 10.000 Miesmuscheln nur ein bis zwei Gramm dieses Superklebers gewinnen. Hinzu kommt, dass das Klebstoff-Protein aus Muscheln nicht homogen gewonnen werden kann und wegen seiner guten Klebeeigenschaften quasi sofort verwendet werden müsste. Das neue Verfahren der UniCat-Wissenschaftler kann genau an dieser Stelle Abhilfe schaffen. Denn: Damit kann die Ausbeute tierqualfrei erhöht und ein homogeneres Produkt gewonnen werden, dessen Klebeeigenschaften angeschaltet werden können.
Ausgründung geplant
Mit der umweltfreundlichen Idee wollen sich zwei Wissenschaftler der Arbeitsgruppe um Prof. Budisa ausgründen. Christian Schipp und Dr. Matthias Hauf sind überzeugt: „Diese Strategie bietet neue Wege zur Herstellung von DOPA-basierten Nassklebstoffen für die Anwendung in Industrie und Biomedizin mit dem Potenzial, Knochenchirurgie und Wundheilung zu revolutionieren.“ Zur Verwirklichung ihrer Geschäftsidee wollen die Wissenschaftler das Ausgründungslabor des Exzellenzclusters UniCat an der TU Berlin „Inkulab“ nutzen. „Genau für solche innovativen Ideen haben wir gemeinsam mit der Berliner Wirtschaft das Inkulab gegründet. Der Wissenschafts- und Wirtschaftsstandort Berlin wird durch Firmengründungen wie diese extrem bereichert. Ganz Deutschland profitiert von diesem Gründergeist“, freut sich „Inkulab“-Initiator Prof. Reinhard Schomäcker.
Die Forschungsarbeiten zu photo-aktivierbaren muschelbasierten Unterwasser-Haft-Proteinen sind in der Zeitschrift „ChemBioChem“ (2017;18:1819–23, doi: 10.1002/cbic.201700327) erschienen und können hier abgerufen werden.