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BIONIK-INNOVATIONS-CENTRUM B-I-C – Abgeschlossene Forschungsprojekte

Adhäsionsmechanismen nach biologischem Vorbild am Beispiel der marinen Makroalge Enteromorpha spp.

Kurzdarstellung des Projektes

Im marinen Habitat weisen meist auch sessile Organismen innerhalb ihres Lebenszyklus zunächst eine planktische, freischwimmende Phase auf. In der weiteren Entwicklung müssen die Sporen bzw. Larven dann einen passenden Ort zum Ansiedeln finden. Diese Anhaftung wird fast immer durch das Abscheiden von Haft-Substanzen erreicht, die zu einer permanenten oder temporären Adhäsion am Substrat führen.

 

Hierbei sind die chemisch-pyhsikalischen Eigenschaften des Untergrunds von entscheidender Bedeutung für die Qualität und Belastbarkeit der Verbindung des Organismus an sein Substrat. Neben der Analyse der unterschiedlichen Anheftungsmechanismen bzw. -strategien wird innerhalb des Projektes daher versucht, die bevorzugten Oberflächen zu charakterisieren, um ggf. die Adhäsionsstrategien unterlaufen zu können. Die Ermittlung der spezifischen Oberflächenparameter würde damit die Entwicklung erfolgsversprechender Oberflächenfunktionalisierungen gegen Foulingbewuchs ermöglichen. Innerhalb dieses Projektes dient die grüne Makroalge Enteromorpha spp. als Modellorganismus.



Bild 1: Markanter Algenbewuchs an einem Frachtschiff (Quelle: B-I-C).

Sie ist in der oberen Gezeitenzone der Küstengewässer, im Ästuar und gelegentlich auch in Frischwasserhabitaten vertreten. Einige Arten dieser Gattung gehören zu den Hauptfoulingorganismen und setzen sich auch an künstlichen Objekten wie Schiffsrümpfen und Hafenanlagen fest (Bild 1).

Enteromorpha vermehrt sich vor allem asexuell über quadriflagellate Zoosporen von 5 - 7 µm Länge. Nach Schätzungen von Callow und Callow (2000) können ca. 50 Milliarden Zoosporen pro Tag und Quadratmeter bewachsener Fläche abgegeben werden. Diese können bis zu acht Tage im Wasser beweglich bleiben, Zygoten sogar bis zu sechs Wochen. Der Sporenfall ist im Labor durch Erhöhung der Wassertemperatur relativ einfach zu initieren, so dass bei fertilen Pflanzen in der Hälterung regelmäßig Nachschub an Sporen bereitsteht.


Bild 2: Kryo-REM-Aufnahme des Haftpads bei Enteromorpha spp. (Photo: MPA Bremen).

Projektziele

Bis dato war der Forschungsschwerpunkt "Antifouling" am B-I-C im Wesentlichen auf Seepocken (insbes. Balanus crenatus) fokussiert und beschränkte sich auf Bewuchsuntersuchungen bei verschiedenen Silikonen mit unterschiedlichen Oberflächenstrukturen und -eigenschaften sowie erste Untersuchungen des Haftsekretes bzw. Zements von Balanus crenatus mittels AFM (Raster-Kraft-Mikroskopie) und REM (Raster-Elektronen-Mikroskopie). Diese Versuche werden nun unter anderem auf den Modellorganismus Enteromorpha spp. ausgedehnt. Erste Analysen deuten auf einen hoch komplexen Adhäsionsmechanismus hin (Bild 2).

 

Neben der Option, Funktionsoberflächen mit Antifoulingeigenschaften zu entwickeln, steht innerhalb dieses Projektes die Analyse des Klebstoffes und ggf. die natur-inspirierte Entwicklung eines (meer)wasserresistenten Klebstoffes im Vordergrund. Bisher sind technische Klebstoffe im Meerwasser sehr anfällig. Sie werden mit der Zeit spröde oder härten nur mangelhaft unter Luftabschluss aus. Sessile Meeresorganismen wie Enteromorpha und Balanus produzieren jedoch hochadaptive Kleber, die substratspezifisch aufgebaut sind und keine Probleme durch biologischen Abbau zeigen. Diese Eigenschaften sind in vielen technischen und nicht zuletzt medizin-therapeutischen Bereichen von besonderem Interesse.

Callow, M. E. und Callow, J. A. (2000): Substratum Location and Zoospore Behaviour in the Fouling Alga Enteromorpha. Biofouling 15(1 - 3): 49 – 56

Projektleitung und Projektmitarbeiter
Prof. Dr. Antonia B. Kesel (Leitung), Katrin Mühlenbruch

Finanzierung
     -Senator für Bildung und Wissenschaft der Freien Hansestadt Bremen

Kooperationspartner
    - Meldorfer Segelverein MSV, Meldorf
    - Alfred-Wegener-Institut AWI, Bremerhaven
    - MPA Materialprüfungsanstalt des Landes Bremen

Veröffentlichungen

  • Mühlenbruch K.; Kesel, A.B. (2007a): Enteromorpha spp. - Analyse eines Haftorgans. In: "Bionik: Patente aus der Natur" (eds. Kesel A.B., Zehren D.), Bionik-Innovations-Centrum, Bremen, p. 277-280.
  • Mühlenbruch K.; Kesel, A.B. (2007b): Adhesion system of Enteromorpha spp.: Preventing zoospores from attaching. In: SEB 2007 Abstracts. CBP Part A, Volume 146, Issue 4, Suppl. 1, p. S208.
  • Mühlenbruch K.; Kesel, A.B. (2009): Erste physikalische Untersuchungen am Haftpad von Enteromopha spec.. In: "Bionik: Patente aus der Natur" (eds. Kesel A.B., Zehren D.), Bionik-Innovations-Centrum, Bremen, p. 297-301.

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