Forschende am Adolphe Merkle Institut (AMI) der Universität Freiburg haben herausgefunden, wie Umweltbedingungen den Wassertransport durch die wachsartige Hautschicht von Efeu- und Olivenblättern beeinflussen, und diese Funktion erfolgreich in künstlichen Membranen nachgeahmt. Ihre Entdeckungen könnten zur Entwicklung aktiver Verpackungsmaterialien und adaptiven Barriereschichten für weitere Anwendungen führen.
Die Kutikula – ein dünnes Häutchen über der äussersten Zellschicht – dient Landpflanzen vor allem als schützende Membran und bewahrt diese vor dem Austrocknen. Während seit langem bekannt war, dass die Kutikulas von Efeu- und Olivenblättern asymmetrische Strukturen aufweisen, war bisher unklar, wie diese Architekturen den Wassertransport beeinflussen. Um ein besseres Verständnis für die Funktion dieser biologischen Membranen zu entwickeln und mit dem Ziel, diese in künstlichen Materialien nachzuahmen, haben sich Forscher der AMI-Gruppe Polymerchemie und Materialien unter der Leitung von Prof. Christoph Weder mit dem Pflanzenbiologen Prof. Lukas Schreiber von der Universität Bonn zusammengetan. Die Wissenschaftler isolierten Kutikulas aus Oliven- und Efeublättern und charakterisierten deren Strukturen und Wassertransporteigenschaften. Ausserdem stellten sie künstliche Nanokomposit-Membranen her, welche die asymmetrische Architektur dieser natürlichen Schutzschichten und deren Funktion imitieren.

Ein intelligenter Mechanismus zur Wasserregulierung
Die Forscher zeigten, dass die asymmetrische Architektur beider Membrantypen zu gerichteten Wassertransporteigenschaften führen kann, d.h. zu einer höheren Wasserdurchlässigkeit in einer der beiden Richtungen. Sie fanden zudem heraus, dass der Wassertransport beider Membranen durch ihren Hydratationsstatus reguliert wird: Bei trockener Umgebung wird die Wasserdurchlässigkeit durch die natürlichen Kutikulas reduziert, was den Pflanzen hilft, Wasser zu speichern. Bei Nebel und Regen schwellen die Kutikulas von aussen an, was die mechanischen und Transporteigenschaften dieser Membranen verändert und den Wasserfluss erhöht. Dieser Mechanismus kann es den Pflanzen ermöglichen, überschüssiges Wasser abzugeben oder dehydrierte Pflanzen in die Lage versetzen, Feuchtigkeit über ihre Blätter aufzunehmen.

Wertvolle Erkenntnisse für die Materialwissenschaft
Die künstlichen Membranen, welche in diesem Projekt entwickelt wurden, wiesen ähnliche Wassertransporteigenschaften auf. Ihre Zusammensetzung konnte leicht variiert werden, was bei den natürlichen Kutikulas nicht möglich ist. So konnten die Forscher systematisch untersuchen, wie verschiedene Designparameter und Systemkomponenten den Wassertransport beeinflussen. Die neuen Membranen versprechen technologisch nützlich zu sein, zum Beispiel in adaptiven Verpackungsfolien und anderen Anwendungen, bei denen ein geregelter und gerichteter Stofftransport erwünscht ist. Die Ergebnisse sind in der führenden Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht worden. «Wir hoffen, dass unsere Studie als Beispiel für die Synergien dient, welche durch interdisziplinäre Forschung an der Schnittstelle von Biologie und Materialwissenschaft entstehen können», sagt Professor Christoph Weder, AMI-Lehrstuhl für Polymerchemie und Materialien. «Sie zeigt, dass es bei der bioinspirierten Materialforschung nicht nur darum geht, die Natur zu kopieren, sondern dass die Untersuchung künstlicher Systeme unser Verständnis natürlicher Materialien verbessern oder sogar revidieren kann», ergänzt Aristotelis Kamtsikakis, ein an der Arbeit massgeblich beteiligter Doktorand.

Ein Netzwerk (nicht nur) für den wissenschaftlichen Nachwuchs
Das Projekt wurde von der Europäischen Kommission durch das Innovative Training Network PlaMatSu (Plant-Inspired Materials and Surfaces) gefördert. In dem Projekt arbeiteten drei Institutionen auf dem Gebiet der bioinspirierten Materialien zusammen: das AMI, die Universität Freiburg (Deutschland) und die University of Cambridge (UK). PlaMatSu brachte Pflanzenbiologen, Polymerchemiker und Physiker der weichen Materie zusammen, um auf fundamentaler Ebene die Struktur und die Eigenschaften multifunktionaler pflanzlicher Kutikulas zu untersuchen, aber auch um neuartige künstliche Materialien und Oberflächen zu schaffen, die auf den Funktionsprinzipien der Kutikulas basieren.

Dieses Ausbildungsnetzwerk bot neun Doktoranden die Möglichkeit, ihre akademische Ausbildung in einem internationalen multidisziplinären Rahmen zusammen mit zeitlich begrenzten Industriepraktika zu absolvieren. Ziel des Programms war es, wissenschaftliche Exzellenz und unternehmerische Innovation zu fördern sowie die Karriereaussichten der Forscher durch die Entwicklung ihrer Fähigkeiten in Unternehmertum, Kreativität und Innovation zu verbessern.

Reference:
Kamtsikakis, A.; Baales, J.; Zeisler-Diehl, V.V.; Vanhecke, D.; Zoppe, J.O.; Schreiber, L.; Weder, C. Asymmetric water transport in dense leaf cuticles and cuticle-inspired compositionally graded membranes. Nature Communications, 2021 DOI: 10.1038/s41467-021-21500-0