Verwendung eines Parasitenschädlings zur Herstellung von biolumineszierendem Holz

Um dem Klimawandel und dem Borkenkäfer zu trotzen, werden in Schweizer Wäldern vermehrt Laubbäume gepflanzt. Ihr Holz sollte nach Möglichkeit mehrfach genutzt werden, bevor es als Brennholz endet und so das zuvor gebundene CO₂ wieder an die Atmosphäre abgibt. Allerdings wird Hartholz derzeit noch zu oft direkt zum Heizen genutzt.

Daher sind innovative Ideen für eine nachhaltigere Kaskadennutzung gefragt. Eine Möglichkeit besteht darin, das Naturmaterial mit neuen Eigenschaften – technisch gesehen: Funktionalitäten – auszustatten und es beispielsweise in magnetisches, wasserfestes oder stromerzeugendes Holz umzuwandeln.

Ein Team um den Pilzforscher Francis Schwarze vom Cellulose & Wood Materials-Labor der Empa in St. Gallen verfolgt derzeit eine weitere Idee für einen neuartigen Verbundwerkstoff auf Basis von Hartholz: leuchtendes Holz. Neben Anwendungen im technischen Bereich könnte das leuchtende Holz auch zu Designermöbeln oder Schmuck verarbeitet werden.

Verwickelte lebende Materialien

Dies ist einem Parasiten zu verdanken: Der Hallimaschpilz ist ein Krankheitserreger, der an Bäumen Weißfäule verursacht und somit eigentlich ein Holzschädling ist. Einige Arten produzieren den Naturstoff Luciferin, der in einem zweistufigen enzymatischen Prozess zum Leuchten angeregt wird. Von Pilzfäden durchdrungenes Holz strahlt daher grünes Licht aus.

„Natürlich leuchtendes Holz wurde erstmals vor rund 2.400 Jahren vom griechischen Philosophen Aristoteles beschrieben“, sagt Schwarze. Streng genommen kann die verwobene Struktur aus Pilz und Holz als natürlicher Biohybrid, eine Kombination lebender Materialien, beschrieben werden.

„Künstlich hergestellte Verbundmaterialien dieser Art wären für viele Anwendungen interessant“, sagt der Empa-Forscher. Doch was die Natur scheinbar mühelos schafft, war für die Biotechnologie bisher (zu) anspruchsvoll. Nun ist es dem Empa-Team erstmals gelungen, den Prozess im Labor einzuleiten und zu kontrollieren. Die Ergebnisse sind veröffentlicht im Tagebuch Fortgeschrittene Wissenschaft.

Vom Wald ins Labor

Der Biotechnologe Francis Schwarze hat die Leuchtpilze in der Natur aufgespürt, im Labor analysiert und ihren genetischen Code entschlüsselt. Als besonders wirksam erwies sich der Ringlose Hallimasch (Desarmillaria tabescens). Nach Vorversuchen mit verschiedenen Holzarten begann Schwarze mit Balsaholz (Ochroma pyramidale), einem Holz mit besonders geringer Dichte.

Mittels Spektroskopie beobachteten die Forscher, wie der Pilz Lignin in den Balsaholzproben abbaut, das für Steifheit und Druckfestigkeit verantwortlich ist. Röntgenbeugungsanalysen zeigten jedoch, dass die Stabilität des Holzes dadurch nicht abnimmt: Die Zellulose, die im Holz für die Zugfestigkeit sorgt, blieb erhalten.

Gesucht: Eine feuchte Umgebung

Der Biohybrid aus Pilz und Holz entwickelt seine maximale Leuchtkraft bei einer dreimonatigen Inkubation. Desarmillaria mag es besonders feucht: Die Balsaholzproben nahmen in dieser Zeit das Achtfache ihres Gewichts an Feuchtigkeit auf. Die Enzymreaktion im Holz wird schließlich bei Kontakt mit Luft ausgelöst.

Nach etwa zehn Stunden entfaltet das Leuchten seine volle Pracht und strahlt grünes Licht mit einer Wellenlänge von 560 Nanometern aus, wie Empa-Forscherin Giorgia Giovannini von der Abteilung Biomimetische Membranen und Textilien bei fluoreszenzspektroskopischen Analysen feststellte. Der faszinierende Prozess dauert derzeit etwa 10 Tage. „Wir optimieren nun die Laborparameter, um die Leuchtkraft in Zukunft noch weiter zu steigern“, sagt der Empa-Forscher.

In der Natur kommt Biolumineszenz bei einer Vielzahl von Organismen vor. Das Licht entsteht durch chemische Prozesse, die Energie in Form von Licht und Wärme freisetzen. Vergleicht man die lichterzeugenden Reaktionen in der Natur anhand ihrer sogenannten Quantenausbeute, so ist das Glühwürmchen mit einem Wert von 40 % der Gewinner, Leuchtquallen erreichen 17 % und Leuchtpilze erreichen 2 %.

Leuchtende Pilze

Mehr als 70 Pilzarten zeigen Biolumineszenz. Sie erzeugen in verrottendem Holz ein Glühen, das als „Fuchsfeuer“ bekannt ist. Der Begriff ist eine französisch-englische Mischung aus „faux“ und „fire“ für „falsches Feuer“. Der Zweck der Biolumineszenz bei Pilzen ist nicht ganz klar. Es kann sein, dass Insekten angelockt werden, um Pilzsporen zu verbreiten.

Es ist schwierig, leuchtendes Holz in der Natur zu finden, da es nachts aufgrund der allgegenwärtigen künstlichen Lichtquellen schwer zu erkennen ist. Empa-Forscher Francis Schwarze rät, in einer mondlosen Herbstnacht in einem Buchenmischwald unter feuchtem Herbstlaub nach Totholz zu suchen. Mit etwas Glück lässt sich der Pilz und seine leuchtende Holzspeise entdecken.

Leuchtender Tintenfisch

Der kleine Tintenfisch Watasenia scintillans misst nur 8 Zentimeter, legt aber großen Wert auf Tarnung: Auf seiner Unterseite sind lichtemittierende Zellen verstreut. Diese Photophoren verwirren Raubfische, die auf dem Meeresboden leben. Beim Blick nach oben zur Wasseroberfläche ist der leuchtende Tintenfisch für Raubtiere nicht zu erkennen.

Glühwürmchen

Die bis zu 2 Zentimeter großen Insekten finden dank ihres Lichts einander zur Paarung. Glühwürmchen haben nicht nur einen durchsichtigen Hinterleib, sondern auch eine reflektierende Schicht auf der Innenseite. Dieser „eingebaute Spiegel“ reflektiert die Biolumineszenz auch nach außen. Damit ist Lampyris noctiluca der leuchtende Stern unter den biolumineszierenden Lebewesen.

Riesiger Hallimasch

Der Honigpilz ist eines der erstaunlichsten Lebewesen der Erde. In der klassischen Pilzform kann er unauffällig auf dem Waldboden sprießen, nur mit einem Zierstreifen rund um den Stiel geschmückt, ähnlich einem Armband, was ihm den lateinischen Namen „Armillaria“ gibt.

Viel beeindruckender ist jedoch sein Netz aus schwarzen Fäden, das es über Holz und Boden zieht. Die Pilzfäden bilden dicke, meterlange Bündel, umgeben von einer schwarzen melaninhaltigen Schutzschicht. Diese sogenannten Rhizomorphen suchen nach neuen Lebensräumen und Nahrungsquellen.

Der größte lebende Organismus der Welt, ein 2.400 Jahre altes Honigpilznetzwerk, erstreckt sich über eine Fläche von mehreren Quadratkilometern im Bundesstaat Oregon. Den größten Pilz Europas gibt es in der Schweiz am Ofenpass. Dieser 1.000 Jahre alte Honigpilz bedeckt eine Fläche von der Größe von 50 Fußballfeldern.