Nachhaltige Leuchtmittel: LEDs aus bakterieller Produktion

Die Basis für diese Vision wird am Institut für Biochemie der TU Graz (https://www.tugraz.at/institute/ibc/home/) gelegt, wo Gustav Oberdorfer und sein Team mithilfe von Simulationssoftware Proteine designt. „Für dieses Projekt analysieren wir fluoreszierende Proteinstrukturen aus der Natur und testen, wie wir sie verändern müssen, damit sie unterschiedliche, fluoreszierende organische Moleküle binden“, erklärt Oberdorfer.

LEDs emittieren kurzwelliges blaues Licht, das durch eine Schicht anorganischer Leuchtmaterialien absorbiert und in längerwelligeres und damit energieärmeres Licht umgewandelt wird. Das gesamte Spektrum ergibt dann das weiße Licht, so wie wir es wahrnehmen.

Die Idee für das Vorhaben hat Oberdorfer gemeinsam mit den Kooperationspartnern aus Spanien und Italien entwickelt, die unabhängig voneinander am Thema gearbeitet haben und vielversprechende Erfolge verbuchen konnten.

Umweltfreundliche LED-Beschichtung

Rubén Costa vom Madrider Institut für Höhere Studien (IMDEA, https://materials.imdea.org/) entwickelte eine stabile organische LED-Beschichtung als Alternative zu herkömmlichen LED-Beschichtungen, die üblicherweise aus problematischen Selten-Erdmineralien bestehen.

Das Gemisch besteht aus organischen Polymeren, in die fluoreszierende Proteine eingebettet werden, die in Meereslebewesen vorkommen und von diesen als Lichtquelle für die Jagd, die Kommunikation oder für den Selbstschutz genutzt werden. Die Leuchtkraft dieser Kunststoffmatrix ist derzeit noch zu niedrig, um ganze Räume zu erhellen.

Organische Farbstoffe mit guter Lichtausbeute

Forschende des Departments of Chemistry der Universität Turin (https://www.chemistry.unito.it/do/home.pl) rund um Claudia Barolo beschäftigen sich wiederum mit der Synthese organischer Farbstoffe, die eine gute Lichtausbeute haben und in organischen Leuchtdioden (OLEDs) zur Anwendung kommen. Viele dieser Farbstoffe sind allerdings kostspielig und aufwendig in der Synthese.

Im Rahmen des FET Open-Projektes suchen Barolo und ihr Team nun nach einem gut geeigneten, mit minimalem Aufwand herzustellenden Farbstoff, der so verändert werden soll, dass er als künstliche Aminosäure in Proteine eingebaut werden kann.

FET Open-Projekt ENABLED vereint das Beste aus allen Teilbereichen

Das FET Open-Projekt ENABLED führt die Erfolge der Einzelgruppen nun zusammen. Das Ziel ist es, mithilfe von Bakterien völlig neuartige künstlich fluoreszierende Proteine zu entwickeln. Hierfür simulieren die Grazer Biochemikerinnen und Biochemiker zunächst tausende von verschiedenen hypothetischen Proteinen, die spezifisch an die synthetischen Farbstoffe binden sollen.

Eine Handvoll dieser Proteine – nämlich jene, die dem Aufbau natürlich fluoreszierender Proteine am nächsten sind – werden anschließend als synthetische DNA-Konstrukte bestellt. Im nächsten Schritt untersuchen die Gruppen, ob diese Proteine wirklich jene Farbstoffe binden, für die sie designt wurden. Sobald sich das bestätigt, wird die Integration dieser neuen, artifiziellen fluoreszierenden Proteine in die Kunststoffmatrix getestet und auf ihre Verwendbarkeit in Bezug auf Bio-LEDs untersucht.

„Der Plan ist, dass wir die Proteine schlussendlich aus der Bakterienzelle heraus ‚ernten‘, wir einen Teil der Leuchtquellen also wachsen lassen“, hofft Oberdorfer auf einen Proof-of-Principle zum Abschluss des Projekts in vier Jahren.

Kooperationspartner:
CIC biomaGUNE – Centro de Investigación Cooperativa en Biomateriales (Spanien)
IMDEA Materials Institute (Spanien)
TU Graz, Institut für Biochemie (Österreich)
Universidad de Oviedo (Spanien)
Università degli Studi di Torino (Italien)

Das Forschungsprojekt ENABLED ist an der TU Graz im Field of Expertise „Human & Biotechnology“ angesiedelt, einem von fünf wissenschaftlichen Stärkefeldern der TU Graz. (https://www.tugraz.at/forschung/fields-of-expertise/human-biotechnology/news-sto…)
Es wird über die Forschungsförderschiene FET Open im Rahmen des EU-Programms Horizon2020 mit rund 2,6 Millionen Euro gefördert. FET Open ist unkonventionellen neuen Forschungsideen im Frühstadium vorbehalten, die auf fundamentale Durchbrüche für neue Technologien abzielen.

Gustav OBERDORFER
Mag.rer.nat. Dr.rer.nat.
TU Graz | Institute of Biochemistry
Phone: +43 316 873 6462
gustav.oberdorfer@tugraz.at

https://www.cicbiomagune.es/ (CIC biomaGUNE – Centro de Investigación Cooperativa en Biomateriales)
https://materials.imdea.org/ (IMDEA Materials Institute)
https://www.tugraz.at/institute/ibc/home/ (TU Graz, Institut für Biochemie)
http://www.uniovi.es/en/inicio (University of Oviedo)
https://www.unito.it/ (University of Turin)
https://ec.europa.eu/programmes/horizon2020/en/h2020-section/fet-open (FET Open)