Grünalgen (Chlamydomonas) haften auf fast allen Gegenständen und verstopfen sogar Wasseraufbereitungsanlagen. Jenseits dieser unerwünschten Biofilme können die Mikroorgansimen jedoch auch sehr nützlich sein. In Bioreaktoren werden sie bereits seit Jahren in großen Anlagen kultiviert, um Biotreibstoffe herzustellen. Allerdings haften sich die Algen mit ihren kleinen Härchen, den Flagellen, auch in diesen Glasröhren der Anlagen fest. Die Folge: Es entsteht ein grüner Belag, der weniger Licht in die Anlage lässt. Weniger Licht bedeutet, dass die Photosyntheseleistung der Algen abnimmt und somit die Produktivität des Bioreaktors sinkt.

Ein Forscherteam unter der Leitung von Oliver Bäumchen am Göttinger Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation konnte nun den Haftmechanismus der Grünalge aufklären: „Bei Experimenten an Grünalgen haben wir festgestellt, dass die Algen nur unter bestimmten Lichtbedingungen klebrig sind und an Oberflächen haften können“, so Bäumchen. Somit sind die Lichtbedingungen für die Haftkraft der Algen ausschlaggebend. Durch Anpassung der Lichtempfindlichkeit der Algen oder der Oberflächenstruktur der Röhren könnte die Produktivität von Bioreaktoren in Zukunft gesteigert werden. Ihre Ergebnisse haben die Forscher im Fachjournal „Nature Physics“ veröffentlicht.

Blaues Licht fördert das Anhaften

Oliver Bäumchen und seine Kollegen forschen seit Jahren an den Hafteigenschaften von Mikroorganismen. Sie interessieren sich vor allem für die Funktionsweise der Flagellen sowie die Mechanismen, die den Haftkräften zu Grunde liegen. Diese Kräfte werden mit einer hauchdünnen Mikroglaspipette gemessen, an der eine einzelne Grünalgen-Zelle festgesaugt werden kann. Die Forscher bestimmen dann, wie groß die Kraft ist, um mit der Mikropipette eine Zelle von der Oberfläche abzuziehen. Bei ähnlichen Versuchen fand Bäumchens Doktorand Christian Kreis heraus, dass die Algen bei weißem Licht die stärksten Haftkräfte aufzeigten, während sie sich bei rotem Licht gar nicht an den Oberflächen festhielten. Obwohl lichtsensitive Mikroorganismen oder Pflanzen nichts außergewöhnliches sind, waren lichtgesteuerte Haftmechanismen bisher völlig unbekannt. In weiteren Untersuchungen stellte Kreis fest, dass Chlamydomonas bei Bestrahlung mit blauen Lichtanteilen besonders fest an der Oberfläche klebt. Dieses Licht nimmt die Alge mittels speziellen, lichtempfindlichen Proteinen wahr.

Elektrische Oberflächen gegen Biofilme

Bioreaktoren ausschließlich mit rotem Licht zu betreiben ist jedoch keine Lösung, da Grünalgen für die Photosynthese das blaue Licht brauchen. Oliver Bäumchen und Christian Kreis kooperieren deswegen mit Mikrobiologen und Experten für Grünalgen: „Gemeinsam wollen wir in nächster Zeit Zellen untersuchen, bei denen die verschiedenen Blaulichtrezeptoren blockiert sind, um herauszufinden, welche dieser Rezeptoren die Klebrigkeit der Algen tatsächlich auslösen“, sagt Bäumchen. Gelänge es, Algen mit veränderten Blaulichtrezeptoren in großer Zahl zu züchten, dann könnte man diese möglicherweise künftig in Bioreaktoren einsetzen, ohne dass sich lästige Biofilme an den Oberflächen bilden.

Zudem untersucht Christian Kreis, ob sich das Anhaften der Grünalgen noch durch andere Reize als das Licht verändern lässt, wie etwa eine Oberfläche, mit schwacher elektrischer Ladung. „Biofilme sind in vielen Anwendungen störend“, sagt der Forscher. „Gelänge es, Oberflächen so zu designen, dass die Klebrigkeit der Mikroorganismen ausgeschaltet wird, dann könnte das für viele Anwendungen in der Medizin, der Biotechnologie und der Prozesstechnik von großem Interesse sein.“

jmr