Mikroalgen als Materialhersteller und Transporter

Mithilfe verschiedener Arten von einzelligen Mikroalgen werden Funktionsmaterialien hergestellt oder Mikroroboter erzeugt.

Mikroalgen sind einzellige, meist nur wenige Mikrometer große Organismen, die sowohl im Salz- als auch Süßwasser vorkommen. Sie sind photoautotroph, können also aus Sonnenlicht Energie herstellen und orientieren sich daher am Licht. 

Herstellung von Funktionsmaterialien durch Mikroalgen

Coccolithe von Emiliania huxleyi leuchten durch den Einbau von Terbium grün (aus unserem paper Adv. Bisons. 2020,4)

Manche Mikroalgen, wie beispielsweise die marine Kalkalgenart Emiliania (E.) huxleyi, stellen hochkomplexe, fein strukturierte Schalen aus Calciumcarbonat her, die so genannten Coccolithe. Diese Biomineralisationsprozesse laufen in der Zelle unter genetischer Kontrolle ab. Die Zellen transportieren dabei die für die Biomineralisation der Coccolithe nötigen Ionen aus dem sie umgebenden Medium in die Zelle.
Wir passen die Kultivierungsbedingungen der Mikroalgen derart an, dass sie auch Fremdelemente in die Coccolithe einbauen, wie beispielsweise Zink oder Terbium, ein Metall der Seltenen Erden, das Photolumineszenz aufweist. Die Feinstruktur der Coccolithe bleibt auch nach dem Einbau der Fremdelemente erhalten. Aufgrund des in den Coccolithen enthaltenen Terbiums leuchten die Coccolithe grün, und können beispielsweise zum Labeln von Dokumenten oder in Bioassays eingesetzt werden. Auf diese Weise produzieren die Algen in vivo 3D Funktionsmaterialien.

 

In Kooperation mit Dr. Lars P.H. Jeurgens und Michael Stiefel, EMPA (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt), in Duebendorf, Schweiz

Santomauro, G., Stiefel, M., Jeurgens, L. P. H., & Bill, J. (2020). In Vivo Shaping of Inorganic Functional Devices using Microalgae. Advanced Biosystems, 1900301. https://doi.org/10.1002/adbi.201900301 

Santomauro, G., Sun, W.-L., Brümmer, F., & Bill, J. (2016). Incorporation of zinc into the coccoliths of the microalga Emiliania huxleyi. BioMetals, 29(2), 225--234.

Algen als Mikroroboter

Die Süßwasseralge Chlamydomonas reinhardtii kann mithilfe ihrer beiden Flagellen schnell schwimmen.
Mikroalgen auf einer Laborbank

Schwimmende Mikroorganismen sind von Interesse für den Einsatz als Mikroroboter, da sie sich durch eigenen Antrieb fortbewegen. In dieser Hinsicht wurden bisher vor allem magnetotaktische Bakterein untersucht. Wir arbeiten mit der Mikroalge Chlamydomonas (C.) reinhardtii, die imstande ist Partikel zu transportieren. Natürlicherweise orientieren sich Mikroalgen am Licht, uns ist es jedoch gelungen, C. reinhartdii durch die Aufnahme von Terbium, einem Metall der Seltenen Erden, zu magnetisieren. Unsere magnetotaktischen Algen orientieren sich an magnetischen Feldlinien und schwimmen aktiv in Richtung eines Magneten. Dadurch lassen sie sich auch im Dunkeln anhand von Magneten leiten und beispielsweise leichter einsammeln. Darüber hinaus sind die magnetotaktischen C. reinhardtii biokompatibel. 

Das aufgenommene Terbium wird dabei offensichtlich in (magnetischen) Nanopratikeln im Inneren der Zellen abgelagert, wie erste Ptychographie-Ergebnisse zeigen konnten. Die Zusammensetzung dieser terbiumhaltigen Nanopartikel ist Gegenstand aktueller Untersuchungen.

Mikroalgen kommen natürlicherweise oft zusammen mit anderen Mikroorganismen vor, wie beispielsweise der Bakterien Escherichia coli, deren Antrieb beim Schwimmen (Pusher) gegensätzlich ist zu dem von C. reinhardtii (Puller). Wir untersuchen, wie sich die beiden Arten in einer Mischpopulation gegenseitig im Schwimmverhalten beeinflussen. 

 

In Kooperation mit Dr. A. V. Singh und Prof. M. Sitti, Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, Abteilung Physische Intelligenz, Stuttgart und Dr. B.-W. Park, Department of Civil/Environmental & Chemical Engineering, Youngstown State University,Youngstown, OH 44555, USA sowie Priv.-Doz. Dr. E. Goering und Prof. G. Schütz, Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, Abteilung Moderne Magnetische Systeme, Stuttgart 

Singh, A. V., Kishore, V., Santomauro, G., Yasa, O., Bill, J., & Sitti, M. (2020). Mechanical Coupling of Puller and Pusher Active Microswimmers Influences Motility. Langmuir, 36(19), 5435--5443. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.9b03665 

Singh, A. V., Laux, P., Luch, A., Sudrik, C., Wiehr, S., Wild, A.-M., Santomauro, G., Bill, J., & Sitti, M. (2019). Review of emerging concepts in nanotoxicology: Opportunities and challenges for safer nanomaterial design. Toxicology Mechanisms and Methods, 29(5), 378--387.

Santomauro, G., Singh, A. V., Park, B.-W., Mohammadrahimi, M., Erkoc, P., Goering, E., Schütz, G., Sitti, M., & Bill, J. (2018). Incorporation of terbium into a microalga leads to magnetotactic swimmers. Advanced Biosystems, 2(12), 1800039.

Dieses Bild zeigt  Giulia Santomauro
Dr.

Giulia Santomauro

Gruppenleiterin

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