Der Anbau von Baumwolle ist umweltschädlich und dennoch wollen Konsumenten nicht darauf verzichten, erklärt der Chemiker Filipe Natalio vom Weizmann Institut of Science in Rehovot, Israel. Deshalb züchtete er eine wirklich nachhaltige Baumwolle, wie er betont. Er gab ihr Eigenschaften, die normalerweise nur durch chemische Behandlung möglich sind. Natalios Baumwollfasern sind wasserabstoßend, fluoreszierend und supermagnetisch. Der Forscher im Interview mit Innovation Origins:
Wie sind Sie auf die Idee gekommen, Baumwolle mit intelligenten Eigenschaften zu züchten?
Als ich in Deutschland war, forschte ich im Schwerpunktprogramm Biomimetik. Das ist ein Forschungsfeld, in dem man die Mechanismen der Natur für die Entwicklung künstlicher Strukturen nutzen möchte. Zum Beispiel erlaubt uns der natürliche Strukturaufbau eines Knochens einen neuen Blick auf die Konstruktion von Häusern geben.
Die Natur kann bestimmte Materialtypen viel besser bauen als wir Menschen. Das zeigt sich zum Beispiel an der Photosynthese. Sie stellt einen sehr komplexen Prozess dar: Es braucht Licht, Wasser und Kohlendioxid um Zucker zu erzeugen. Dann wird dieser Zucker zu Zuckerrohr. In der chemischen Synthese von Saccharose sind dazu zwölf Schritte notwendig. Die Natur macht es in zwei Schritten.
Ich sah darin eine Herausforderung. Schließlich fragte mich, warum wir diese biologischen Mechanismen nicht auch für Baumwolle nutzen können.
Sie forschen am Weizmann Institut in Tel Aviv in der Abteilung Pflanzen- und Umweltforschung. Daran angeschlossen ist das Kimmel Zentrum für Archäologische Studien. Was bedeutet das für Ihren Forschungsansatz?
Meine Vorträge tragen meistens den Titel The past in the future of materials (lacht). Materialien aus der Vergangenheit stellen Kulturen dar. Zudem enthalten sie Informationen über das Verhalten von Menschen. Dieses Verhalten möchten wir aus den Materialien heraus lesen und entwickeln dazu neue Methoden aus Machine Learning und Deep Learning.
Wenn wir an Materialien der Zukunft forschen, dann möchten wir eine bessere Welt schaffen. Das erreichen wir, indem wir eine nachhaltige Alternative zu bestehenden Produkten entwickeln. Wir lassen uns von den Mechanismen der Natur inspirieren. Dazu verwenden wir Methoden aus Materialanbau und biologischer Herstellung. Man kann Biologie nutzen, um vollkommen neue Materialien herzustellen – und das auf nachhaltige Art. In Zukunft geht es also auch um Materialien und die Interaktion von Menschen, die nach einem nützlichen und simplen Ding streben.
Neue Technologien sind oft teuer. Deswegen hat nicht jeder Zugang. Wenn es ein nachhaltiges und ein herkömmliches Produkt gibt und beide kosten fünf Euro, werden sich wohl viele für das nachhaltige Produkt entscheiden. Wenn das nachhaltige Produkt aber 500 Euro kostet, dann gibt es eine finanzielle Hürde. Nur wenige werden sie akzeptieren. Die Herausforderung ist es, neue Technologien zu implementieren, die nachhaltig und erschwinglich sind.
Wie ist dieses Problem bei Baumwolle zu lösen?
Der Baumwollanbau verbraucht viel Wasser und Pestizide. Wenn keine Fruchtwechselwirtschaft betrieben wird, zerstört er sogar den Boden. Deshalb haben wir auf Erde verzichtet und Baumwolle in Wasser angebaut. Mit dem hydroponischen System konnten wir den Wasserverbrauch gegenüber der herkömmlichen Methos signifikant senken. Durch die Zucht im Gewächshaus waren wir nicht saisongebunden. Wir konnten Baumwolle also auch im Winter anbauen. Statt Pestiziden setzten wir Marienkäfer ein, die die Pflanzenschädlinge vertilgt haben.
Dieses Experiment datiert in meine Zeit als Junior Professor an der Universität Halle zurück. Es war die erste lokal biologisch angebaute Baumwolle in Deutschland. Wir ließen sie vom Faserinstitut Bremen testen und bekamen eine sehr gute Bewertung. Allerdings ist das Gewächshaus-Verfahren noch teuer – vor allem wegen der Beheizung und Beleuchtung. Aber wir haben gezeigt, dass es möglich ist, Baumwolle lokal zu produzieren – ohne CO2-Fußabdruck. Derzeit arbeiten wir daran, die Methode zu verbessern. Unser Ziel ist, die Richtlinien der Vereinten Nationen für eine nachhaltige Zukunft zu erfüllen. Wir möchten den Wasserverbrauch noch weiter reduzieren. Im Vergleich zum herkömmlichen Anbau könnten wir 90 Prozent erreichen.
Ihre Methode ermöglicht intelligente Eigenschaften, die zuvor nur durch chemische Behandlung möglich waren. Wie können wir uns das vorstellen?
Bevor wir zu chemischen Anwendungen kamen, mussten wir erst Pflanzenbiologie auf Mehrskalenebene verstehen: Die Wurzeln, den Stamm, die Blätter, die Fasern – und wie die Fasern entstehen. Das erfordert Grundlagenforschung. Es gibt viele Forscher die im kleinen Maßstab daran forschen. Aber im skalenübergreifenden Bereich sind es weltweit nur etwa fünf. Das ist der Grund, warum in der synthetischen Biologie fast nur mit Bakterien gearbeitet wird: Über andere Systeme wissen wir noch nicht genug.
Baumwolle ist sehr komplex. Während wir Menschen ein Genom haben, hat Baumwolle vier – vier superlange DNA-Stränge. Das ist auf die Domestizierung zurückzuführen und macht die Genetik sehr kompliziert. In der herkömmlichen Baumwollzucht werden einfach nur zwei verschiedene Sorten kombiniert. Anstatt die Genome zu nutzen, werden sie bloß gekreuzt. Will man die Genome auch nutzen, muss man erst die einzelnen Schritte aus der Grundlagenforschung verstehen – und diese dann mit der Chemie kombinieren.
Video: Wie die farbige Baumwolle in der Petrischale wächst: “Man gibt den Zucker in die Flüssigkeit, dieser wird von der Wurzel aufgenommen und dann macht die Biologie die Arbeit von selbst.” Filipe Natalio. (c) Science Mag
Wie funktioniert das?
Das ist wie bei einer Uhr. Wenn man will, dass sich die Räder schneller oder langsamer drehen, dann muss man die Funktion jedes einzelnen Rädchens verstehen. In Analogie zu unserem biologischen System sind dies Enzyme, Faserstrukturen und Pflanzenphysiologie – vom Molekül bis zur gesamten Pflanze. Wir haben uns die DNA der Wurzeln genau untersucht. Wir wollten herausfinden, wie der Zuckertransport in Pflanzen funktioniert. Erst als wir die Pflanzenbiologie verstanden haben, konnten wir zur synthetischen Chemie übergehen. Wir überlegten dann, welches Molekül und welche Art Chemie wir einsetzen können.
Die Herausforderung war, Moleküle zu synthetisieren und dem hydroponischen System zuzuführen. Wir gaben die synthetisierten Moleküle ins Wasser, wo sie von der Pflanze aufgenommen wurden und Baumwolle erzeugten. Sie ist entweder fluoreszierend, wasserabweisend oder supermagnetisch. Das war der proof-of-concept. Jetzt arbeiten wir an der Skalierung und wollen zur industriellen Umsetzung kommen.
Nun zu den Anwendungen: Aus wasserabweisender Baumwolle können wir zum Beispiel Regenjacken nähen. Wozu brauchen wir fluoreszierende Baumwolle?
Wir arbeiten gerade an den Patenten. Deshalb kann ich nicht auf Details eingehen. Eine Möglichkeit ist, Baumwolle direkt an Konsumenten zu verkaufen. Die andere ist, sie an Unternehmen zu verkaufen, die an einer Kommerzialisierung interessiert sind. Das hat den Vorteil, dass sich die mit Molekülen in die Pflanze eingebrachte Farbe nicht so schnell auswäscht. Das heißt, die Kleidung kann lange getragen werden, ohne gleich schäbig auszusehen. Dadurch muss nicht so häufig neue Kleidung gekaufen werden. Der Druck auf die Lieferkette wird geringer. Wird weniger Baumwolle angebaut und gefärbt, ist das nachhaltig und hat auch einen positiven Effekt auf die Umwelt.
Und was machen wir mit supermagnetischer Kleidung?
Das war mehr oder weniger ein Versuch. Wir wollten sehen, ob wir der Baumwolle auch noch andere Eigenschaften anzüchten können. Supermagnetische Eigenschaften ermöglichen die Kodierung der Fasern. Wenn Fasern zu Informationsträgern werden, kann zum Beispiel deren Herkunft rückverfolgt werden – und das ist ein großes Thema.
Danke für das Gespräch.
Das Projekt entstand in wissenschaftlicher Zusammenarbeit mit Michaela Eder vom Max Planck Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, Abteilung für Biomaterialien in Potsdam. Die Finanzierung erfolgt durch das Weizmann Institut und die German-Israeli Foundation for Scientific Research and Development (GIF). Forscher, die das Thema aus einer anderen Perspektive oder einem anderen technischen Blickwinkel sehen – sowie Investoren – sind willkommen.
Über Filipe Natalio
Der Forscher ist gebürtiger Portugiese und studierte an der Universität Lissabon Chemie. Sein Doktorat machte er bei Professor Werner Müller und Professor H.C. Schröder an der Medizinischen Universität Mainz in 2010. Der hydroponische Anbau von Baumwolle datiert in seine Zeit als Junior Professor an der Universität Halle zurück.
Natalio hält zwei Patente. Eines für Antifoulingfarbe für Boote. Das andere umfasst eine nachhaltige Herstellungsmethode für intelligente Textilien.
Derzeit forscht er am Weizmann Institut in Rehovot am Institut für Pflanzen- und Umweltforschung, das an das Kimmel-Zentrum für archäologische Studien angebunden ist. Hier kann er auch seinem Interesse für antike Materialien nachgehen.
Ein weiterer Schwerpunkt seiner Arbeit ist der Anbau von Materialien. Er verfolgt eine neue und alternative Herstellungsmethode, um umweltfreundliche Materialien mit speziellen Eigenschaften herzustellen.
Dabei kombiniert er Pflanzenbiologie mit intelligentem molekularem Design. Dieser Ansatz wird im Film Cotton-9, dargestellt. 2014 wurde er mit dem zweiten Preis des Nanospots Kurz Film Festivals ausgezeichnet wurde.
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