Nanobionik Forscher bringt Pflanzen das Leuchten bei

Michael Strano lässt einfache Kresse leuchten. Sein Ziel ist aber ein Größeres: Lichtspendende Bäume sollen eines Tages Straßenlaternen ersetzen - und den weltweiten Stromverbrauch senken.

Leuchtkresse
Seon-Yeong Kwak/ MIT

Leuchtkresse

Aus Boston berichtet


  • DER SPIEGEL/ Rick Friedman
    Johann Grolle berichtet als Korrespondent für den SPIEGEL aus Boston. "Das ist die Welthauptstadt der Wissenschaft", sagt der langjährige Leiter des SPIEGEL-Ressorts Wissenschaft/Technik. An dieser Stelle schreibt er, was Forscher am MIT, der Harvard University und anderswo in den USA bewegt.

Grünlich-gelb glimmt Brunnenkresse auf einem Foto, das Chemiker des MIT jetzt an die Presse verschickten. Aufgeschlagen unter den leuchtenden Blättern der Pflanzen liegt ein Buch, und wer genau hinschaut, der kann erkennen, dass es sich um John Miltons "Paradise Lost" handelt. Das soll wohl die Bedeutsamkeit dieses Stilllebens unterstreichen. Denn es geht, wie in dem berühmten Werk des englischen Dichters, um einen Schöpfungsakt.

Die Rolle des Schöpfers spielt hier nicht der liebe Gott, sondern Michael Strano. Er forscht als Chemie-Ingenieur am MIT, doch diese Berufsbezeichnung scheint ihm zu alltäglich. Das, woran er arbeitet, findet er so neuartig und ungewöhnlich, dass er einen eigenen Namen dafür ersonnen hat: Er nennt sein Forschungsfeld "Nanobionik". "Die Idee dahinter ist es, Pflanzen mithilfe von Nanotechnologie Fähigkeiten zu verleihen, mit denen sie die Natur nicht ausgestattet hat", erklärt Strano.

Die jüngste Kreation aus seinem Labor sind eben jene leuchtenden Kressepflanzen. Zwar ist das Funzellicht ihrer Blätter so schwach, dass es kaum einer zum Schmökern wird nutzen wollen. Aber Strano steht ja noch ganz am Anfang. Er ist überzeugt davon, dass er die Leuchtkraft der Pflanzen noch erheblich steigern kann. Und irgendwann, das meint er durchaus ernst, könnten Ficus oder Yucca-Palme die Rolle der Schreibtischlampe übernehmen.

Leuchtsignal bei Trockenheit

In den drei Jahren, seit Strano seine Nanobionik aus der Taufe gehoben hat, hat er die Pflanzenwelt bereits um mancherlei Absonderlichkeiten bereichert. So konstruierte er Friedenslilien, die ein Signal senden, wenn sie unter Trockenheit leiden. Strano druckte dazu feine Streifen einer Hightech-Tinte aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf die Blätter. Diese dienen als Sensoren, die registrieren, wann die Spaltöffnungen in den Blättern geöffnet sind, und die ihren Befund dann postwendend an den Bauern oder Hobbygärtner melden.

Wassersensor (künstlerische Darstellung)
Betsy Skrip/ MIT

Wassersensor (künstlerische Darstellung)

Leidet eine Pflanze unter Trockenstress, so hält sie die Spaltöffnungen länger geschlossen, um den Wasserverlust durch Verdunstung zu minimieren. Dieser Effekt, sagt Strano, lasse sich dank seiner Nanotinte nachweisen, lange bevor die Pflanze andere Anzeichen von Vertrocknung zeigt. Das könne Bauern helfen, Trockenschäden an Rüben, Mais oder Bohnen frühzeitig zu begegnen. Auch könnte man dem Rasen vielleicht beibringen, selbst dafür zu sorgen, dass er gesprengt wird, wenn er durstig ist.

Nicht alle von Stranos Nano-Gewächsen melden sich im Eigeninteresse. Eine Spinatpflanze zum Beispiel hat der Forscher so manipuliert, dass sie Alarm schlägt, wenn sie Sprengstoff im Boden findet. Strano hat dazu spezielle Nanopartikel, auch sie bestehen aus winzigen Kohlenstoff-Röhrchen, ins Gewebe der Blätter eingelagert. Diese Partikel ändern ihr Fluoreszenzverhalten, wenn sie mit bestimmten Sprengstoff-Komponenten in Kontakt kommen. Diese Veränderung lässt sich mit dem von außen eingestrahlten Licht eines Infrarot-Lasers messen.

Zehn Minuten, nachdem die Wissenschaftler eine Sprengstofflösung ins Erdreich injiziert hatten, schlug der pflanzliche Detektor an. Im Prinzip, meint Strano, könnten solche Pflanzen auch in der Umweltmedizin zum Einsatz kommen. Je nachdem, welche Art von Röhrchen die Nanobioniker verwenden, können sie die Pflanzen auch empfindlich für Umweltgifte machen, etwa für Arsen oder Blei.

Die Leuchtkraft der Glühwürmchen

Anders als die Gentechniker, die Eigenschaften von Organismen verändern, indem sie fremde Gene in ihr Erbgut schmuggeln, baut Strano nanotechnologische Materialien in seine Pflanzen ein. Im Fall der Leuchtkresse dienten ihm winzige Partikel aus Silizium und bestimmten Polymeren dazu, die Leuchtkraft der Glühwürmchen auf die Pflanze zu übertragen. Er heftete dazu deren Leuchtstoff Luciferin und das ihn aktivierende Enzym Luciferase an seine Nanokügelchen und schleuste diese dann unter Druck durch die Spaltöffnungen in der Blattoberfläche.

Das Verfahren funktionierte. Die so präparierten Blätter begannen prompt zu leuchten. Anfangs erloschen die Glühwurm-Partikel zwar nach rund 45 Minuten. Nachdem die Forscher jedoch eine Weile an den Details des Procedere herumgefummelt hatten, erlahmte die Leuchtkraft erst nach dreieinhalb Stunden. Und auch die Intensität des Lichts ließ sich steigern.

Den Nanobioniker Strano stimmt das hoffnungsfroh. Natürlich gelte es, darauf zu achten, dass die Pflanzen nicht zu viel Energie aufs Leuchten verwenden, sonst zehrt es sie am Ende aus. Doch sehe er noch viel Raum für Optimierung.

Bäume könnten Straßen erleuchten

Zusätzlich zu Luciferin und Luciferase hat Strano auch Substanzen in seinen Pflanzen eingelagert, mit denen sich die Leuchtkraft an- und ausschalten lässt. Diese reagieren auf Umweltreize, zum Beispiel auf Licht. So will Strano sicherstellen, dass seine vegetarischen Lampen nur bei Dunkelheit leuchten. Eine rechte Idee, wie er Zimmerpalme oder Gummibaum mit richtigen Schaltern versehen könnte, mit denen sie sich wie Bettlampen an- und ausknipsen ließen, hat er allerdings noch nicht.

Doch das sind praktische Probleme. Sie hindern ihn nicht daran, visionär auszuschweifen. Er kann sich viele Anwendungen seiner Leuchtpflanzen vorstellen. Langfristig, sagt Strano, wolle er sich nicht damit begnügen, Leseratten des Nachts pflanzliches Licht zu spenden. Er träumt bereits davon, auch Alleebäume so zu präparieren, dass sie als Straßenlaternen taugen. Die dafür erforderliche Lichtausbeute, das hat er ausgerechnet, müsste erreichbar sein.

Jedenfalls lohne es sich, die Möglichkeiten der pflanzlichen Beleuchtung auszuloten, meint Strano. Schließlich könnte das viel Energie sparen: Zwanzig Prozent allen weltweit verbrauchten Stroms wird für die Erzeugung von Licht verwendet.



© SPIEGEL ONLINE 2017
Alle Rechte vorbehalten
Vervielfältigung nur mit Genehmigung der SPIEGELnet GmbH


TOP
Die Homepage wurde aktualisiert. Jetzt aufrufen.
Hinweis nicht mehr anzeigen.