Forschung für nachhaltige Leuchtmittel

Auf dem Weg zur Bio-LED

9. April 2020, 14:00 Uhr | Nicole Wörner

Gustav Oberdorfer, TU Graz: »Der Plan ist, dass wir die Proteine schlussendlich aus der Bakterienzelle heraus ‚ernten‘, wir einen Teil der Leuchtquellen also wachsen lassen.«

Im Rahmen des FET-Open-Projekts „Enabled“ erforschen Wissenschaftler, wie man LEDs in Zukunft umweltfreundlicher und kostengünstiger herstellen kann. Das Mittel der Wahl: Bakterien.

Die Basis für diese Vision wird am Institut für Biochemie der TU Graz gelegt, wo der Wissenschaftler Gustav Oberdorfer und sein Team mithilfe von Simulationssoftware Proteine designt. »Für dieses Projekt analysieren wir fluoreszierende Proteinstrukturen aus der Natur und testen, wie wir sie verändern müssen, damit sie unterschiedliche, fluoreszierende organische Moleküle binden«, erklärt Oberdorfer. LEDs emittieren kurzwelliges blaues Licht, das durch eine Schicht anorganischer Leuchtmaterialien absorbiert und in langerwelligeres und damit energieärmeres Licht umgewandelt wird. Das gesamte Spektrum ergibt dann das weiße Licht, so wie wir es wahrnehmen.

Die Idee für das Vorhaben hat Oberdorfer gemeinsam mit Kooperationspartnern aus Spanien und Italien entwickelt, die unabhängig voneinander am Thema gearbeitet haben und vielversprechende Erfolge verbuchen konnten.

Umweltfreundliche LED-Beschichtung

Wissenschaftler vom Madrider Institut für Höhere Studien (IMDEA) entwickelten eine stabile organische LED-Beschichtung als Alternative zu herkömmlichen Beschichtungen, die üblicherweise aus problematischen Selten-Erd-Mineralien bestehen. Das Gemisch besteht aus organischen Polymeren, in die fluoreszierende Proteine eingebettet werden, die in Meereslebewesen vorkommen und von diesen als Lichtquelle für die Jagd, die Kommunikation oder für den Selbstschutz genutzt werden. Die Leuchtkraft dieser Kunststoffmatrix ist derzeit jedoch noch zu niedrig, um ganze Räume zu erhellen.

Organische Farbstoffe mit guter Lichtausbeute

Forscher des Departments of Chemistry der Universität Turin beschäftigen sich wiederum mit der Synthese organischer Farbstoffe, die eine gute Lichtausbeute haben und in organischen Leuchtdioden (OLEDs) zur Anwendung kommen. Viele dieser Farbstoffe sind allerdings kostspielig und aufwendig in der Synthese. Im Rahmen des FET-Open-Projektes suchen die Wissenschaftler nun nach einem gut geeigneten, mit minimalem Aufwand herzustellenden Farbstoff, der so verändert werden soll, dass er als künstliche Aminosäure in Proteine eingebaut werden kann.

Schulterschluss im FET-Open-Projekt

Das FET-Open-Projekt Enabled führt die Erfolge der Einzelgruppen nun zusammen. Das Ziel ist es, mithilfe von Bakterien völlig neuartige künstlich fluoreszierende Proteine zu entwickeln. Hierfür simulieren die Grazer Biochemiker zunächst tausende von verschiedenen hypothetischen Proteinen, die spezifisch an die synthetischen Farbstoffe binden sollen. Eine Handvoll dieser Proteine – nämlich jene, die dem Aufbau natürlich fluoreszierender Proteine am nächsten sind – werden anschließend als synthetische DNA-Konstrukte bestellt. Im nächsten Schritt untersuchen die Gruppen, ob diese Proteine wirklich jene Farbstoffe binden, für die sie designt wurden. Sobald sich das bestätigt, wird die Integration dieser neuen, artifiziellen fluoreszierenden Proteine in die Kunststoffmatrix getestet und auf ihre Verwendbarkeit in Bezug auf Bio-LEDs untersucht.

»Der Plan ist, dass wir die Proteine schlussendlich aus der Bakterienzelle heraus ‚ernten‘, wir einen Teil der Leuchtquellen also wachsen lassen«, hofft Oberdorfer auf einen Proof-of-Principle zum Abschluss des Projekts in vier Jahren.