Graz – Der zunehmende Einsatz von LEDs ist zweischneidiges Schwert: Gegenüber anderen Lichtquellen haben weiße Leuchtdioden zwar einen deutlich höheren Wirkungsgrad, was Energie sparen hilft, allerdings werden bei ihrer Herstellung problematische Substanzen wie Kadmium oder wertvoller Phosphor eingesetzt. Wissenschafter aus Graz, Spanien und Italien arbeiten derzeit an neuen Möglichkeiten, das Leuchtmittel mithilfe von Bakterien umweltfreundlicher und günstiger herzustellen.

Das Licht aus Leuchtdioden ist eigentlich blau. Damit "warmes", weißes Licht wahrgenommen wird, muss die Wellenlänge des Leuchtmittels durch spezielle Beschichtung optisch in andere Farbspektren umgewandelt werden. Dazu werden vor allem Farbfilter aus Metallen eingesetzt, die sich nur sehr schwer wiederverwenden lassen oder aufgrund ihrer Seltenheit sehr teuer sind. Drei europäische Forschungspartner, unter ihnen das Institut für Biochemie der TU Graz, arbeiten an einer Methode, diese anorganischen Downkonverting-Filter durch fluoreszierende Proteinschichten zu ersetzen. Diese wiederum sollen aus bakterieller Produktion stammen.

Fluoreszierende Eiweißmoleküle

Das Forscherteam um Ruben Costa vom Madrider Institut für Höhere Studien sucht schon länger an einer Möglichkeit, anorganische Stoffe in Leuchtdioden durch fluoreszierende Eiweißmoleküle zu ersetzen. Allerdings gab es dabei bisher ein Problem: Es zeigte sich immer wieder, dass die hoffnungsvollen Kandidatenproteine außerhalb ihrer wässrigen Pufferlösung schnell denaturierten. Zuletzt haben die spanischen Forscher jedoch eine stabile organische LED-Beschichtung entwickelt. Sie besteht aus einem Gemisch aus Polymeren und fluoreszierenden Proteinen, wie sie in Meereslebewesen vorkommen und von diesen als Lichtquelle genutzt werden. Allein die Leuchtkraft dieser Kunststoffmatrix erwies sich noch als unbefriedigend.

Am Departement of Chemistry der Universität Turin haben sich die Forschergruppe von Claudia Barolo wiederum in die Synthese organischer Farbstoffe vertieft, die eine gute Lichtausbeute haben und in organischen Leuchtdioden eingesetzt werden sollen. Solche Farbstoffe könnten dann als Aminosäure in die Proteine eingebaut werden.

Passende Proteine am Computer planen

Als Bindeglied zwischen diesen beiden Projekten kommt der Grazer Strukturbiologe Gustav Oberdorfer zum Einsatz: Am Institut für Biochemie der TU Graz arbeitet er daran, mithilfe von Simulationssoftware passende Proteine am Computer zu berechnen, zu entwerfen, um sie dann zu "bauen" und experimentell zu testen. "Für dieses Projekt analysieren wir fluoreszierende Proteinstrukturen aus der Natur und testen, wie wir sie verändern müssen, damit sie unterschiedliche fluoreszierende organische Moleküle binden", erklärte der Grazer Proteindesigner.

Dazu simulieren die Grazer Biochemiker im Rahmen des EU-geförderten Projektes "Enabled" zunächst Tausende von verschiedenen Proteinen, die hypothetisch an die synthetischen Farbstoffe binden können. Jene, die dem Aufbau natürlich fluoreszierender Proteine am nächsten sind, sollen in die engere Auswahl kommen. In einem nächsten Schritt wollen die Forscher untersuchen, ob diese Kandidaten tatsächlich an die Pigmente binden, für die sie maßgeschneidert wurden. Wenn das erfolgreich ist, werden diese neuen artifiziellen fluoreszierenden Proteine in die Kunststoffmatrix der Spanier integriert und auf ihre Lichtausbeute und Verwendbarkeit hin getestet.

Bakterielle Proteinfabrik

Als "Maschinerie", um derartig neue Proteine herzustellen, soll das Darmbakterium Escherichia coli dienen. Es soll helfen, die Petrochemie, die bei der herkömmlichen Synthese eingesetzt wird, zu vermeiden. "Der Plan ist, dass wir die Proteine schlussendlich aus der Bakterienzelle heraus 'ernten', dass wir also einen Teil der Leuchtquelle wachsen lassen", erklärte Oberdorfer das weitere Vorgehen.

Vier Jahre hat die Forschergruppe Zeit, um einen Proof-of-Priciple vorzulegen. Das Forschungsprojekt wird im Rahmen des EU-Programms Horizon2020 über die Förderschiene FETopen mit 2,6 Millionen Euro gefördert. FETopen fördert unkonventionelle neue Forschungsideen im Frühstadium, die auf fundamentale Durchbrüche für neue Technologien abzielen. Dabei sollen bestehende Paradigmen hinterfragt und Forschung an der Grenze des Wissens ermöglicht werden. (red, APA, 26.2.2020)