ArchivDeutsches Ärzteblatt33/2003Entwicklungen für die Zukunft: Minibatterien auf Zuckerbasis

VARIA: Technik

Entwicklungen für die Zukunft: Minibatterien auf Zuckerbasis

Dtsch Arztebl 2003; 100(33): A-2173 / B-1811 / C-1715

Broeg, Helmut

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LNSLNS Biologische Stromerzeuger als Antriebsmotor für implantierte Pumpen

Schon heute gibt es für die biologischen Stromerzeuger eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten. Beispielsweise um einen Herzschrittmacher zu betreiben oder um eine miniaturisierte Insulinpumpe für Diabetiker mit Strom zu versorgen.
Einen großen Schritt dahin ging Adam Heller von der University of Texas in Austin, der die bislang kleinste Batterie gebaut hat. Die so genannte Biofuel-Zelle funktioniere wie eine Art Brennstoffzelle. An der einen Elektrode werden ihr Elektronen entzogen, an der anderen Seite eingespeist. Dazwischen liegt eine elektrische Spannung an. Im Gegensatz zu den üblichen Brennstoffzellen, wie sie beispielsweise schon bald in Autos zum Einsatz kommen sollen, benötigen sie kein Gehäuse und keine Membranen zwischen den Elektroden, daher kann man sie stark verkleinern. Dies eröffnet die Möglichkeit, die Batterien auch in Blutgefäßen einzusetzen. Als Brennstoff benötigen die Batterien Glucose, die im Blut von Menschen und Tieren vorhanden ist.
Funktionsweise
Die Batterien enthalten zwei Kohlenstoff-Fasern, die nur jeweils sieben Tausendstel Millimeter dick und bis zu zwei Zentimeter lang sind. Jede Faser ist mit einem biologischen Katalysator umhüllt, der die chemische Reaktion der Glucoseverbrennung beschleunigt. An der Anode, dem Pluspol, ist ein Gemisch aus einem osmiumhaltigen Polymer und dem Enzym Glucoseoxidase aufgebracht. Das Protein „entzieht“ der Glucose Elektronen, die vom Polymer auf die Karbonfasern übertragen werden. Die andere Elektrode, die Kathode, umhüllt eine Matrix aus Polymer und dem Enzym Laccase, die Elektronen an den im Blut oder anderen Körperflüssigkeiten gelösten Sauerstoff weiterleitet, wobei Wasser entsteht.
Maßgeschneiderte Enzyme
Durch den Elektronentransport zwischen beiden Elektroden entsteht eine elektrische Leistung von etwa einem Milliwatt, so viel, wie beispielsweise eine Armbanduhr benötigt. Das reicht aus, um einen miniaturisierten Blutzuckersensor mit ausreichend Strom zu versorgen, aber nicht um ein künstliches Herz anzutreiben. Bevor die Biofuelzellen jedoch zum Einsatz kommen können, muss noch ein Problem gelöst werden: Die Batterie verliert jeden Tag etwa sechs Prozent ihrer Leistung, da die Enzyme nicht stabil genug sind.
„Das ist ganz natürlich, denn Enzyme sind von Natur aus nicht maßgescheidert für Anwendungen in Batterien“, erläutert der Chemiker Ulrich Schwaneberg von der International University Bremen. Zusammen mit seinem Forscherteam arbeiten sie daran, das Enzym Glucoseoxidase langlebiger und effizienter zu machen. „Wir arbeiten nach dem Prinzip der gerichteten Evolution“, erklärt der Chemiker. Mithilfe der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) vervielfältigen die Forscher das Gen des Enzyms. Durch den Zusatz der Chemikalie Manganchlorid während der PCR entstehen dabei absichtlich fehlerhafte Genkopien. Etwa drei bis vier Basenpaare pro 1 000 Basenpaare sind vertauscht und erzeugen zufällige Enzymvarianten mit leicht veränderten Eigenschaften.
Mit dieser Methode können mehrere Tausend Varianten des Enzyms pro Stunde und bis zu 384 Varianten des Enzyms gleichzeitig auf ihre Leistung getesten werden. Dazu werden die Biomoleküle auf eine Mikrotiterplatte aufgetragen. Um die Effizienz der Elektronenübertragung sichtbar zu machen, werden jeweils leitende Polymere hinzugefügt, die je nach Stärke des Stromflusses ihre Farbe ändern. Von den vielversprechendsten Molekülmutanten werden die Gene sequenziert und die Mutationen im Proteinmolekül mittels Computer in ihrer dreidimensionalen Struktur dargestellt.
„Bislang wurden hauptsächlich die technischen Bauteile der Biofuelzellen immer weiter verbessert“, so Schwaneberg, „erst seit kurzem wird auch die Entwicklung der Biokomponente vorangetrieben.“ Dabei steckt in den Enzymen noch Verbessungspotenzial. „Auf die Fähigkeit zur Übertragung von Elektronen zu Elektrodenoberflächen hat kein natürlicher Selektionsdruck eingewirkt. Pro Enzymgeneration ist eine zwei- bis dreifache Verbesserung der Leistung möglich. In den kommenden ein bis zwei Jahren erwarten wir Entwicklungssprünge“, so Schwaneberg.
Bis langlebige Biofuel-Zellen einsatzfähig sind, werden jedoch noch mehrere Jahre vergehen. Helmut Broeg
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