Biosynthese von metallischen Nanopartikeln

Auf der Suche nach umweltfreundlichen Alternativen für die Nanopartikel-Produktion

Nanopartikel sind Teil unserer Lebensrealität – sie befinden sich überall. Wir nehmen sie über die Atmung, die Nahrung und die Haut auf. Man unterscheidet zwischen Nanopartikeln, die absichtlich synthetisiert und Produkten gezielt beigesetzt werden und solchen, die unabsichtlich durch chemisch-physikalische Prozesse entstehen sowie Nanostrukturen, die natürlich vorkommen. Die Forschungsarbeit von Lucia Colleselli, Forscherin im Schwerpunkt Food Sciences & Biotechnology am MCI, konzentriert sich auf die Entwicklung nachhaltiger, grüner, biologisch basierter Synthesemethoden von nanoskaligen Materialien durch geeignete Mikroorganismen. Angestrebt wird die Herstellung von reproduzierbaren metallischen Nanopartikeln (NP) mit definiertem Charakter und kontrollierter Größenabstimmung.

Metallische Nanopartikel (NPs) sind Verbindungen im Bereich von 1-100 nm (1 nm = 1 Nanometer = 10^-9 Meter oder ein Milliardstel Meter). Nanopartikel weisen je nach Größe, Form und Struktur einzigartige Eigenschaften auf. Aufgrund ihrer zugrundeliegenden morphologischen Eigenschaften finden spezifisch funktionale NPs eine vielfältige Verwendung in der Pharma-, Lebensmittel- und Kosmetikindustrie sowie in der Landwirtschaft, Medizin und Umwelttechnik. Die konventionelle Herstellung von Nanomaterialien basiert auf chemischen und physikalischen Prozessen, die oft negative Auswirkungen auf Mensch und Umwelt haben und deshalb biomedizinische Anwendungen stark einschränken. Daher werden umweltfreundliche, nachhaltige Verfahren zur Herstellung von NP erforderlich.

Eine Vielzahl von Mikroorganismen besitzen die Fähigkeit, metallische Kationen zu reduzieren und nanoskalige Partikel zu bilden. Biotechnologisch generierte metallische Nanomaterialien bieten aufgrund ihrer besonderen biologischen Partikelstrukturen ein enormes Potenzial für die Erweiterung des Anwendungsbereichs. Die Prozesse sind ressourcenschonend, energie- und kosteneffizient und stellen eine umweltfreundliche Alternative für die Nanopartikel-Produktion dar. Die Erfüllung der steigenden Nachfrage nach biosynthetischen metallischen NPs für industrieübergreifende Anwendungen stellt eine große Herausforderung für die Zukunft dar.

Im Forschungsvorhaben von Lucia Colleselli liegt der Fokus auf der Ausarbeitung der Frage: Wie können metallische NPs mit definierter Morphologie und spezifischen Eigenschaften mikrobiell synthetisiert werden? Zunächst werden Mikroorganismen wie Pilze, Mikroalgen und Bakterien auf deren Eignung zur biogenen Erzeugung von metallischen Nanomaterialien gescreent. In ersten Experimenten wurden biologisch erzeugte Silber-Nanopartikel unter Verwendung von Hefen erfolgreich identifiziert. Die Ergebnisse aktueller Vorversuche zur NP-Produktion durch Mikroalgen deuten ebenfalls auf deren hohes Potenzial für die Reduktion von Metallionen hin.

Auf der Grundlage der erfolgreichen Durchführung dieser Vorversuche mit Hefen und Mikroalgen werden Synthesemethoden erforscht, die an verschiedene Mikroorganismenarten angepasst werden können. Da die spezifischen Eigenschaften der NPs stark von der Partikelgröße abhängen, werden zukünftige Experimente darauf abzielen, verschiedene Partikelgrößenregime durch Variation der Syntheseparameter zu erhalten und die Biosynthese von NPs aus einer Auswahl von Metallen wie Silber (Ag), Gold (Au), Kupfer (Cu) oder Kupferoxid durch verschiedene Mikroorganismenarten zu erreichen. Darüber hinaus wird die Entdeckung von mikrobiellen Makromolekülen, die an der Biosynthese beteiligt sind, angestrebt.

Diese Forschung wird aus Mitteln des Landes Tirol im Rahmen des K-Regio Projekts SUPREMEbyNANO finanziert.