Chemker eifern Natur nach
Natürliche Schönheit als Modell

Die wahre Schönheit seiner Forschung kann Peter Behrens nur unter einem Spezialmikroskop bewundern. Am Institut für Anorganische Chemie der Universität Hannover stellt er Biominerale nach dem Vorbild der Natur her. Modell steht ihm die Kieselalge.

DÜSSELDORF. Ein scheibchenförmiges Gebilde aus dem Meer, das erst in mehr als tausendfacher Vergrößerung sein Geheimnis offenbart: Die Schale aus Siliziumdioxid ist mit winzigen Poren übersät, die wie Ornamente die Oberfläche zieren. Über die Öffnungen tauscht der Meeresbewohner Stoffe mit dem Wasser aus. "Die Algenschale ist unglaublich schön anzusehen", sagt Behrens. "Es ist eine äußerst reizvolle Aufgabe herauszufinden, wie den Algen das gelingt und wie wir das im Labor nachmachen können."

Sein Projekt ist eines von 17 Vorhaben mehrerer deutscher Hochschulen, die im Rahmen eines Schwerpunktprogramms der Deutschen Forschungsgemeinschaft die Rätsel der Biomineralisation lüften. "Mit diesem Programm steht Deutschland international ganz vorne in der Biomineralisationsforschung", freut sich Behrens.

Zu den Biomineralen gehören Wunderwerke wie die Kieselalge, aber auch Muscheln, Kalkalgen, Knochen und Zähne. Mehr noch als die Schönheit dieser Exemplare faszinieren die Forscher die ungewöhnlichen Eigenschaften der Werkstoffe. Sie bestehen immer aus anorganischen Mineralien im Verbund mit organischen Substanzen. Muscheln etwa enthalten fünf Prozent Eiweiß und 95 Prozent Calcit, eine spezielle Form des Kalks. Calcit ist ein sprödes Material, das bei Erschütterung rasch zerbricht. Doch mit einer Muschelschale lässt sich ein Nagel in die Wand schlagen, ohne dass die Schale auch nur einen Kratzer bekommt. Der vermeintlich filigrane Panzer der Kieselalge wiederum hält Kräften stand, die mehreren hundert Tonnen je Quadratmeter entsprechen.

Im Verbund aus organischen und anorganischen Stoffen treten völlig neue Charakteristika zu Tage, die auf den ausgeklügelten Bauplänen der Biominerale beruhen. Kalk und Proteine schmiegen sich in der Muschelschale in Schichten aneinander. Eine Lage aus Calciumkristallen wird von Proteinsträngen bedeckt, die feinsäuberlich parallel nebeneinander ruhen. Darüber folgt eine neue Etage mit Kalkkristallen. Das Eiweiß verleimt zum einen die anorganischen Schichten miteinander. Zum anderen steuert es die äußere Form. Die Eiweiße zwingen die Calciumcarbonatkristalle, so zu wachsen, dass am Ende die gewölbte Muschelschale entsteht. "Wie genau das geschieht, wissen wir allerdings noch nicht", räumt Behrens ein.

Die Zusammensetzung und den Aufbau vieler Biominerale haben die Forscher indes mittlerweile großteils aufgeklärt. Mit diesem Wissen alleine lassen sich die Materialien oft schon künstlich nachbilden. Bietet man beispielsweise dem menschlichen Körper eine Mischung aus anorganischem Apatit und organischem Kollagen an, die exakt der Zusammensetzung eines Knochens entspricht, so bildet sich daraus bei Kontakt mit natürlichem Knochen von selbst eine knochenartige Substanz. "Wir haben uns viel zu lange Gedanken gemacht, wie das funktioniert. Umso erstaunlicher ist: Es funktioniert einfach, ohne dass wir diesen Vorgang im Detail verstanden hätten", hebt Peter Klüfers von der Fakultät für Chemie der Ludwig-Maximilians-Universität München hervor.

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