Superklebstoff aus Darmbakterien

"Um diese Muschelproteine herzustellen, benutzen wir Darmbakterien, die wir umprogrammiert haben", erläutert Prof. Nediljko Budisa von der TU Berlin. "Sie sind unsere Chemiefabrik, mit der wir den Superleim produzieren." Budisa entwickelte zusammen mit Kollegen das biotechnologische Verfahren, mit dem der biologische Unterwasserklebstoff von Miesmuscheln hergestellt werden kann.

Miesmuscheln leben hauptsächlich in den Gezeiten- und Schelfbereichen der Meere. Dort müssen sie den starken Strömungen und dem Salzwasser standhalten. Sie benutzen einen Superkleber, um sich am Meeresboden festhalten zu können. Dieser Leim muss auch dann funktionieren, wenn die Muschelbänke nicht mehr von Wasser bedeckt sind.

Mithilfe dieses Klebers kann sich die lebende Muschel beinahe an allen Oberflächen festhalten. An ihrem Fuß scheidet sie Fäden aus, die aus einem Proteinkleber bestehen. Der wichtigste Bestandteil dieses Proteinklebers ist die Aminosäure 3,4-Dihydroxyphenylalanin, kurz "DOPA" genannt.

Für den Kleber wurde zuerst in Escherichia coli ein spezielles Enzym eingeführt, das aus dem Bakterium Methanocaldococcus jannaschii gewonnen und von den Forschern verändert wurde. Anschließend wurde das veränderte Darmbakterium mit der Aminosäure ONB-DOPA (ortho-Nitrobenzyl-DOPA) gefüttert. Im ONB-DOPA sind die für die starke Klebewirkung verantwortlichen Dihydroxyphenyl-Gruppen geschützt - ähnlich wie bei einem Aufkleber, dessen Selbstklebefläche mit einer Schutzfolie versehen ist. Das umprogrammierte Bakterium baut nun diese 'mit Schutzfolie versehene' Aminosäure in Proteine ein, und die Forscher erhielten ein Haftprotein, dessen Klebestellen noch geschützt sind.

Erst nachdem das geschützte Haftprotein aus den Bakterien herausgelöst und gereinigt wurde, werden die Schutzgruppen mithilfe von Licht einer bestimmten Wellenlänge (365 nm) entfernt. Das Haftprotein verliert dadurch - bildlich gesprochen - seine Schutzfolie, seine Klebestellen werden aktiviert, und das Protein kann zielgerichtet als Klebstoff verwendet werden.

Noch ist die Isolierung dieser Bio-Leime aus Muscheln und anderen natürlichen Quellen allerdings ineffizient und teuer. Den Wissenschaftlern zufolge lassen sich aus 10.000 Miesmuscheln nur 1 bis 2 Gramm dieses Superklebers gewinnen. Hinzu kommt, dass das Klebstoff-Protein aus Muscheln nicht homogen gewonnen werden kann. Jede Charge ist unterschiedlich. Auch dass das Haft-Protein der Miesmuschel wegen seiner guten Klebeeigenschaften quasi sofort verwendet werden müsste, ist ein Nachteil.

Matthias Hauf, Florian Richter, Tobias Schneider, Thomas Faidt, Berta M. Martins, Tobias Baumann, Patrick Durkin, Holger Dobbek, Karin Jacobs, Andreas Möglich, and Nediljko Budisa: "Photoactivatable Mussel-Based Underwater Adhesive Proteins by an Expanded Genetic Code". ChemBioChem 2017, 18, 1819 - 1823, doi: 10.1002/cbic.201700327