Forscher untersuchen chemische Prozesse in der Natur, um neue, sauberere Methoden zur Chemikalienproduktion und Computer zu entwickeln, die mit dem menschlichen Körper kommunizieren können.
Als Dr. Andrés de la Escosura, ein Organikforscher am Institute for Advanced Research in Chemical Sciences (IAdChem) in Madrid, Spanien, sich daran machte, die Art und Weise, wie wir Chemikalien unseres täglichen Lebens produzieren, grundlegend zu ändern, war seine Begründung einfach. Die Chemie in der Natur ist sauber und effizient, die industrielle Chemie hingegen alles andere als das.
„Chemische Reaktionen in der Natur sind unglaublich effizient, erzeugen sehr wenig Abfall und verbrauchen sehr wenig Energie“, sagte de la Escosura.
Er fragte sich, ob wir durch eine genauere Nachahmung der Biologie in industriellen Reaktionen eine sauberere und umweltfreundlichere chemische Industrie schaffen könnten.
Dank der Finanzierung durch die EU konnte de la Escosura mit Forschern aus Ländern wie Österreich, den Niederlanden und der Schweiz zusammenarbeiten, um diese Ideen in einer Forschungsinitiative namens NOBEL das Anfang dieses Jahres endete.
Natürlicher Vorteil
Lebende Organismen funktionieren durch biochemische Reaktionen. Alles, von der Atmung und Photosynthese bis hin zur Verdauung von Nahrung und der Kontraktion von Muskeln, beinhaltet die Bewegung, den Abbau, die Rekombination und die Synthese von Chemikalien. Diese Prozesse sind alle sehr sauber und energieeffizient.
Andererseits erzeugt die heutige industrielle Chemieindustrie, die in Sektoren wie Gesundheit, Energie, Verkehr und Wohnungsbau tätig ist, enorme Abfallmengen. Bei der Herstellung von Arzneimitteln beispielsweise entstehen typischerweise 25 bis 100 Kilogramm Abfall pro Kilogramm Endprodukt.
Auch die chemische Industrie ist sehr energieintensiv. Das statistische Amt der EU berichtete, dass der chemische und petrochemische Sektor verantwortlich ist für ein Fünftel des industriellen Energieverbrauchs Europas. Damit ist die Industrie ein großer Umweltverschmutzer und Mitverursacher des Klimawandels.
Die CLASSY-Forscher ließen sich von lebenden Systemen inspirieren. Die Natur synthetisiert effizient eine enorme Vielfalt komplexer chemischer Produkte, indem sie verschiedene chemische Prozesse trennt oder in Abschnitte unterteilt und natürliche Rückkopplungsmechanismen zu ihrer Regulierung nutzt.
Kontinuierlicher Durchfluss
Das Forschungsteam untersuchte Möglichkeiten, diese Prozesse in sogenannten „Mikrofluidreaktoren“ nachzubilden, die die Aktivität lebender Zellen nachahmen sollen.
Mikrofluidik ist die Manipulation von Flüssigkeiten durch winzige Kanäle. Flüssigkeiten und die darin enthaltenen Moleküle werden sortiert und durch eine Reihe von Chips oder Mikroreaktoren geleitet. Verschiedene Moleküle können in verschiedene Reaktionskammern geschickt werden, und ihr Weg durch das Gerät wird in einem schrittweisen fortschreitenden Prozess genau kontrolliert.
Die Verarbeitung synthetischer Chemikalien erfordert mehrere verschiedene Schritte. Wenn man diese Prozesse in einem geschlossenen System wie einem Kolben oder einer industriellen Reaktionskammer durchführt, muss man irgendwann anhalten, den Reaktor leeren und dann die Reaktion erneut starten, erklärte de la Escosura.
Mikrofluidik ermöglicht es, dass chemische Reaktionen auf natürlichere Weise ablaufen. Die Reaktoren enthalten eine Mischung aus Enzymen und anderen Molekülen, die eine chemische Reaktion auslösen. Wenn eine chemische Reaktion abgeschlossen ist, fließen die Verbindungen durch das System in die nächste Kammer und zur nächsten Reaktion. Der Vorteil dabei ist, dass der Gesamtprozess kontinuierlich ablaufen kann.
Die CLASSY-Forscher haben mit diesen Reaktoren gute Fortschritte gemacht und erfolgreich ein Mikrofluidikgerät entwickelt, das Pflanzenfette spaltet und so einen Biokraftstoff produziert, um ihr Konzept zu beweisen.
De la Escosura räumt ein, dass die Effizienz des Prozesses noch weiter verbessert werden könnte, aber er hofft, dass solche Geräte in Zukunft je nach dem, was in das System eingespeist wird, unterschiedliche Aufgaben erfüllen können. Es sei noch mehr Grundlagenforschung nötig, sagte er, aber er hofft, dass dieser Ansatz Abfall und Energieverbrauch drastisch reduzieren und gleichzeitig die Chemikalienausbeute verbessern könne.
„Das Ziel besteht darin, die Auswirkungen der chemischen Industrie auf den Klimawandel und andere Umweltprobleme zu minimieren“, sagte er.
Dies ist besonders wichtig, da die globale Chemieproduktion voraussichtlich bis 2030 verdoppelnso die EU, die ihre eigene Chemikalienstrategie im Jahr 2020 mit dem Ziel, die Umwelt- und Gesundheitsauswirkungen des Chemiesektors im Rahmen der Null-Schadstoff-Ziele der EU zu verringern und die Europäischer Grüner Deal.
Körperchemie
Auf einem ähnlichen Forschungsgebiet untersuchen Forscher aus Spanien, Dänemark, den Niederlanden und der Schweiz, wie mithilfe von Mikrofluid-Chips erstellte komplexe chemische Reaktionsnetzwerke (CRNs) dabei helfen könnten, die Prozesse in unserem Körper zu regulieren.
Dies ist Teil einer vierjährigen Forschungsinitiative namens CORENETdas ebenfalls von de la Escosura koordiniert wurde und von der EU Finanzmittel für die Entwicklung „chemischer Computer“ erhielt, die mit dem menschlichen Körper interagieren können.
Das ist nicht so abwegig, wie es klingt. „Der effizienteste Computer der Welt ist ein chemischer – das menschliche Gehirn“, sagte de la Escosura. Tatsächlich sind alle unsere Organe, die die Zustände in unserem Körper überwachen und entsprechende Ergebnisse produzieren, im Grunde Informationsprozessoren.
„Biologische Systeme erledigen alles, was sie tun – ihre Funktionen, die Informationsverarbeitung, alles – mit Molekülen“, sagte de la Escosura.
Ein potenzieller Vorteil chemischer Computer besteht darin, dass sie Informationen in Form von Chemikalien produzieren können, die direkt mit lebenden Systemen interagieren und auf von ihnen empfangene Eingaben reagieren können. Dies könnte zur Herstellung tragbarer medizinischer Geräte genutzt werden, die natürliche biochemische Signale nachahmen können.
Nahtlose Kommunikation
Die meisten tragbaren medizinischen Geräte sind noch relativ einfach. Insulinpumpen beispielsweise geben den ganzen Tag über in gleichmäßigen Abständen eine regelmäßige Dosis Insulin ab, um den Blutzuckerspiegel von Diabetikern unter Kontrolle zu halten.
Einige der derzeit entwickelten fortschrittlicheren Geräte können direkt auf den Blutzuckerspiegel reagieren, um bei Bedarf Insulin abzugeben, und bieten möglicherweise sogar eine gewisse Kontrolle über die Dosierung.
Ein tragbarer Chemiecomputer, der die chemischen Verbindungen im Blut messen und als Reaktion darauf durch eine Reihe von Reaktionen unterschiedliche Chemikalien produzieren könnte, würde die Spielregeln grundlegend ändern.
„Diese Art der Berechnung mit chemischen Systemen könnte uns helfen, die Komplexität biologischer Organismen besser zu modellieren“, sagte de la Escosura.
Obwohl solche Geräte noch Zukunftsmusik sind, glauben die Forscher von CORENET, dass sie eines Tages personalisierte Behandlungen für verschiedene Krankheiten ermöglichen könnten. Dazu werden Arzneimittelmoleküle synthetisiert, die durch Signale des Körpers ausgelöst werden. Sie könnten sogar dazu verwendet werden, fortschrittliche Schnittstellen zwischen Gehirn und Maschine zu schaffen.
Für Katja-Sophia Csizi, Postdoktorandin bei IBM Research in Zürich, Schweiz, ist die Arbeit in CORENET äußerst innovativ, weil sie die Chemie aus einer völlig anderen Perspektive betrachtet. Csizis Arbeit im Team konzentriert sich auf die Verwendung von CRNs in chemischen Computeranwendungen.
„Es ist einfacher und weitaus effektiver, ein ehrgeiziges Ziel zu erreichen, wenn man es aus verschiedenen Perspektiven betrachtet“, sagte sie.