Mit dem Zitteraal-Prinzip zur menschlichen Batterie
Laupheimer Forscher entwickelt eine Art Biokraftwerk, das künftig im menschlichen Körper Schrittmacher antreiben könnte
- Kann das Elektro-Organ des Zitteraals als Vorbild dienen, um eine Energiequelle zu bauen, die im menschlichen Körper Herzschrittmacher, medizinische Messsonden oder Pumpen für Medikamente antreibt? Was noch wie Zukunftsmusik klingt, ist das Forschungsgebiet des aus Laupheim stammenden Biophysik-Professors Michael Mayer. An der Universität Fribourg (Schweiz) ist es ihm zusammen mit Kollegen der Universitäten von Michigan und San Diego (beide USA) gelungen, dieses Elektro-Organ des Zitteraals in vereinfachter Weise nachzubauen. Das renommierte britische Naturwissenschaftsmagazin „Nature“hat Mayers Forschungsergebnisse im Dezember publiziert.
Für den 49-jährigen Michael Mayer hatte die „Nature“-Veröffentlichung in den vergangenen Wochen eine Flut von Interviewanfragen von Medien aus der ganzen Welt zur Folge. „Dass die eigenen Forschungsergebnisse in ,Nature’ veröffentlicht werden, ist für einen Wissenschaftler eine Art Ritterschlag. Das ist etwas, worauf man Jahrzehnte hinarbeitet“, sagt er. Schließlich muss das eingereichte Manuskript der kritischen Prüfung durch mehrere Experten standhalten. Neben dem USamerikanischen „Science“-Magazin gilt „Nature“als bedeutendste wissenschaftliche Fachzeitschrift.
Beträchtliche Forschungsgelder
Ausgangspunkt für Mayers Forschungsergebnis war die Ausschreibung einer Abteilung der US-Luftwaffe im Frühjahr 2012. „Diese Abteilung fördert Grundlagenforschung. In der Ausschreibung ging es darum, autonome Materialien zu entwickeln, die – in Anlehnung an lebende Systeme – in der Lage sind, Signale abzugeben“, erläutert Mayer, der zu dieser Zeit noch als Professor an der University of Michigan in Ann Arbor war. Zusammen mit einem amerikanischen Forscherkollegen entwickelte er die Idee, Protozellen zu bauen, in deren Membran kleine Kanäle – wie schaltbare Poren – eingebaut werden, durch die Ionen fließen und dadurch ein elektrisches Signal oder eine Farbbildung auslösen. „An einer Stelle unseres Antrags hatten wir als Beispiel aus der Natur den Zitteraal genannt, der autonom einen extremen Stromimpuls auslösen kann, um Beute zu machen“, sagt Mayer.
Bei der US Air Force hinterließ vor allem dieses Beispiel nachhaltigen Eindruck und Mayer und seine Kollegen erhielten den Zuschlag für insgesamt 3,5 Millionen Dollar Forschungsmittel über einen Zeitraum von fünf Jahren. In dieser Zeit machten sich die Forscher daran, das Prinzip des Elektro-Organs beim Zitteraal auf künstliche Weise im Labor nachzubauen. In der Natur besteht es aus Zellen (Elektrozyten), die in Reihen angeordnet sind und 80 Prozent der Länge des Tierkörpers abdecken. Jede Zelle erzeugt eine schwache elektrische Spannung, indem der Aal Natriumionen in und Kaliumionen aus der Zelle strömen lässt. Je höher die Zahl der in Reihen angeordneten Zellen ist, desto höher die elektrische Spannung. Sie kann beim Zitteraal bis zu 800 Volt betragen.
Organnachbau funktioniert
Auf solch hohe Werte kommen Michael Mayer, der inzwischen am Adolphe Merkle Institut der Universität Fribourg forscht, und seine Kollegen noch nicht. Ihr Organnachbau besteht aus Hydrogelen, die viel Wasser und Kochsalz enthalten. Letzteres besteht aus positiv geladenen Natrium-Ionen und negativen Chlorid-Ionen. Für diese Ionen gibt es geeignete Membranen, durch die die Ionen fließen können und einen Stromstoß erzeugen, sobald man die Hydrogele in einer Reihe miteinander in Kontakt bringt.
„Mit 600 solcher hintereinander gelegter Anordnungen konnten wir bislang Spannungen von 110 Volt erreichen“, sagt Mayer. „Wir sind also in der Lage, hohe Spannungen und kleine Ströme außerhalb eines lebenden Organismus’ zu erzeugen.“ Bei einer entsprechenden Weiterentwicklung dieser Forschung seien Einsatzmöglichkeiten im menschlichen Körper denkbar. „Wir haben quasi eine Batterie entwickelt, die aus Hydrogelen besteht, die nicht toxisch sind“, so Mayer. Zudem sind sie optisch transparent und lassen sich flexibel in jede beliebige Form bringen. Schon heute werden Hydrogele in Kontaktlinsen verwendet.
Indem die von Mayers Forscherteam entwickelte Energiequelle Salzgradienten, also Unterschiede im Salzgehalt, zur Energieerzeugung nutzt, unterscheidet sie sich von anderen Batterien. „Im menschlichen Körper gibt es viele Regionen, in denen Salzgradienten entstehen, wo also Ströme fließen könnten. Damit ließe sich Energie erzeugen, um zum Beispiel Herzschrittmacher oder Insulinpumpen im Körper zu betreiben, sagt Mayer.
Das alles ist jedoch noch Zukunftsmusik, denn implantiert wurde die Energiequelle bislang noch in keinen Körper. „Geprüft werden müsste zunächst, ob sie biokompatibel ist, also vom Organismus nicht abgestoßen wird“, sagt Mayer. Auch die Materialbeständigkeit sei noch nicht erforscht. Hierfür wären mehrjährige Versuchsreihen erforderlich. Nicht zuletzt durch die hohe mediale Aufmerksamkeit durch den „Nature“-Artikel hofft Mayer nun auf einen weiteren Schub für diese Forschung.
Außerdem würde er sich auch über Bewerbungen von talentierten Jungforschern aus der Heimat freuen, die ihre Master- oder Doktorarbeit bei ihm in Fribourg schreiben wollen. „Ich gehe davon aus, dass es in der Bioregion zwischen Ulm und Biberach junge Leute gibt, für die das interessant wäre.“Die Forschungsbedingungen in der Schweiz seien international auf dem höchsten Niveau, was Qualität, Finanzierung und Gehälter für Jungforscher angehe.