Es ist das Elixier des Lebens: Der Zugang zu Wasser ohne gefährliche Schadstoffbelastungen ist für das Wohl des Menschen grundlegend wichtig. Doch leider lässt die Qualität in einigen Regionen der Welt bekanntlich zu wünschen übrig. Zudem machen es verschiedene Entwicklungstrends zunehmend schwierig, eine Versorgung mit sicherem Wasser zu gewährleisten. Häufig sind dabei Belastungen durch das toxische Schwermetall Cadmium ein Problem, das sich selbst in geringen Konzentrationen negativ auf den Organismus auswirken kann. Es gibt zwar Reinigungsverfahren, die Belastungen des Wassers einschränken können. Doch ihr Nachteil ist, dass sie die Problemstoffe nicht selektiv erfassen: Neben den Schwermetall-Ionen werden auch die harmlosen Kalzium- oder Magnesium-Ionen gebunden. Dies schränkt die Effizienz der bisherigen Systeme deutlich ein.
Um Filtersysteme mit einer gezielten Bindungsaktivität gegenüber Schwermetallen zu entwickeln, haben sich die Forschenden um Masaki Nakahata von der Universität Osaka nun von den Pflanzen inspirieren lassen. Die besonders ausgeprägte Cadmium-Bindungsfähigkeit mancher Gewächse macht man sich bereits bei der Sanierung von industriell verseuchten Böden zunutze. Die Widerstandskraft der Pflanzen beruht dabei auf der Bildung von sogenannten Phytochelatinen in Reaktion auf die Belastung durch die Giftstoffe. Diese Biopolymere können Cadmium binden und unschädlich machen, indem es in Zellkompartimenten abgelagert wird. Für die Pflanzenphysiologie wichtige Kalzium- oder Magnesium-Ionen werden von den Phytochelatinen dagegen nicht beeinträchtigt.
Erfolgreich nachgebaut
Nakahata und seine Kollegen haben nun ausgelotet, inwieweit sich das pflanzliche Konzept nachahmen und möglicherweise zur Wasseraufbereitung nutzen lassen könnte. Zunächst widmeten sie sich dabei der Aufgabe, künstliche Polymere zu entwickeln, die den Phytochelatinen ähneln und ihre Funktion erfüllen können. Wie die Forschenden erklären, bildet beim natürlichen Vorbild die Aminosäure Cystein die entscheidende Rolle bei der selektiven Bindungsaktivität gegenüber den Schwermetall-Ionen. Für die Funktion sind darin wiederum die beiden Verbindungen Carboxylat und Thiolat wichtig, konnten die Forschenden im Rahmen ihrer Studie zunächst verdeutlichen.
Wie die Forschenden berichten, gelang es ihnen dann tatsächlich, ein künstliches Polymer nach dem Vorbild der Phytochelatine zu synthetisieren. Es besteht aus einer Polyacrylsäure-Basis in Verbindung mit Cystein, das funktionale Carboxylat- und Thiolateinheiten aufweist. Versuche zeigten, dass dieses sogenannte pAA–Cys5 tatsächlich eine hohe und selektive Bindungsaktivität gegenüber Cadmium-Ionen aufweist. Erstaunlicherweise übertrifft die künstliche Version dabei sogar das natürliche Vorbild, stellte das Team fest. „Wir waren begeistert, als wir feststellten, dass unser von der Pflanze inspiriertes Polymer sogar übertrifft, was Pflanzenproteine leisten können“, sagt Seniorautor Motomu Tanaka von der Universität Kyoto.
