Quanten-Superfood für Raupen lässt Seide fluoreszieren

Seide, die in verschiedensten Farben aufleuchtet, wenn man sie mit UV-Licht bestrahlt, ist nicht nur für Mode-Designer ein interessanter Stoff. Denn einerseits reagiert diese Fluoreszenz stark auf die An- oder Abwesenheit bestimmter Stoffe – die Seide könnte also als eine Art Bio-Sensor verwendet werden.

Andererseits gilt das leichte und glatte Gewebe wegen seiner guten Biokompatibilität als vielversprechendes Material für die biomedizinische Forschung. Seit über zehn Jahren beschäftigen sich daher diverse Forschungsgruppen mit der Frage, wie man Seidenraupen dazu bringen könnte, fluoreszierende Fäden zu spinnen.

Raupen bilden Proteine

Eine relativ naheliegende Methode besteht darin, Raupen dazu zu bringen, ein grün fluoreszierendes Protein zu bilden. Die Gene für die Produktion dieses Proteins stammen von einer Qualle und wurden bereits 1961 zum ersten Mal beschrieben. Mittlerweile sind jedoch auch andersfarbige, fluoreszierende Proteine bekannt.

2013 gelang es japanischen Forschenden erstmals diese Gene auf Seidenraupen zu übertragen, die daraufhin tatsächlich grün, orange und dunkelgelb fluoreszierende Kokons produzierten. Allerdings hat die Methode zwei Nachteile: Erstens kann die Genveränderung der Seidenraupen zu schädlichen Mutationen führen. Und zweitens ist das leuchtende Protein sehr empfindlich, sodass man die üblichen Verarbeitungsschritte für die Kokons durch ein aufwendigeres und kostspieliges Verfahren ersetzen muss.

Stattdessen fütterten Huan-Ming Xiong von der Fudan-Universität in Shanghai und seine Kollegen die Raupen jetzt mit sogenannten Kohlenstoff-Quantenpunkten, die sie aus Maulbeerblättern gewonnen hatten. Nachdem die Seidenraupen die Quantenpunkte gefressen hatten, beobachteten die Forscher, dass sowohl die Würmer als auch ihre Seide, die Eier, die Kokons und die Seidenspinner selbst bei Bestrahlung mit sichtbarem Licht stark rot leuchteten. Die zweite Generation der Seidenraupen, die normal aus den Eiern schlüpfte, leuchtete nicht mehr.

Toxisch oder nicht?

Quantenpunkte bestehen typischerweise aus Halbleitermaterialien. Es sind kleine Inseln von Halbleiteratomen, die sich bilden, wenn eines dieser Materialien in ein anderes eingebettet ist. Weil die Nanostrukturen so klein sind, sind ihre möglichen energetischen Zustände scharf definiert und vereinzelt. Der Abstand der Energieniveaus, und damit die Wellenlänge des Lichtes, das von ihnen abgestrahlt wird, hängt von der Größe der Quantenpunkte ab - und lässt sich bei der Herstellung beeinflussen. Solche Halbleiter-Quantenpunkte werden mittlerweile auch in Bildschirmen als Alternative zu OLEDs eingesetzt).

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Seit einigen Jahren finden in der Forschung auch Kohlenstoff-Quantenpunkte große Beachtung. Das sind Kohlenstoff-Nanopartikel, die sich aus biologischem Material herstellen lassen – zum Beispiel aus Kokosnuss-Wasser oder aus Zitronensaft. Diese fluoreszierenden Partikel lassen sich als eine Art Sensor verwenden. Eisen-Ionen können die Fluoreszenz unterdrücken.

Je nach Ausgangsmaterial wird die Biomasse im Laufe der Herstellung mehr oder weniger stark erhitzt. Das chinesische Team, das die Quantenpunkte aus Resten von Maulbeerblättern herstellte, erhitzte die zerkleinerten und mit Alkohol ausgewaschenen Blätter auf 200 Grad, löste die verkohlte Masse in Wasser und filterte dann die Nanopartikel aus. Im Unterschied zu anderen Herstellungsmethoden ist die Produktion dieser Quantenpunkte geradezu nachhaltig. Nach Angaben der Forschenden sind jedoch weitere Studien erforderlich, um festzustellen, ob die rot leuchtenden Kohlenstoffpunkte langfristig toxisch für die Seidenraupen oder die Umwelt sind.

(wst)