Powered by

Textilien: wasserabweisend dank Pilzproteinen

Outdoor-Liebhaber und Sportler schätzen sie ungemein: wasserabweisende Jacken und Hosen. Viele Verbraucher sind sich allerdings nicht bewusst, dass die Chemikalien, die zur Funktionalisierung der Textiloberfläche verwendet werden, oftmals die Umwelt belasten: Um sie wasserabweisend zu machen, versieht man die Textilien meist mit organischen Fluorverbindungen (Perfluorcarbone = PFC), die enorm stabil, biologisch kaum abbaubar und potenziell giftig sind. Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB und der Hohenstein Group forschen an einer umweltfreundlichen und nachhaltigen Methode, um Textilien wasserabweisend zu gestalten.

Glossar

  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Gentechnik ist ein Sammelbegriff für verschiedene molekularbiologische Techniken. Sie ermöglicht, DNA-Stücke unterschiedlicher Herkunft neu zu kombinieren, in geeigneten Wirtszellen zu vermehren und zu exprimieren.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Fermentiation ist die Bezeichnung für die Umsetzung von biologischen Materialien mit Hilfe von Mikroorganismen oder durch Zusatz von Enzymen (Fermenten). Im eigentlichen Sinn handelt es bei der Fermentation um die anaerobe Oxidation von Zuckern zum Zwecke der Energiegewinnung des metabolisierenden Organismus.
  • Toxizität ist ein anderes Wort für Giftigkeit.
  • Cellulose ist ein wasserunlösliches Polysaccharid, das den Hauptbestandteil der pflanzlichen Zellwand bildet. Die Grundeinheit der Cellulose ist die Glucose.
Outdoorjacken: Ihre wasserabweisende Beschichtung ist noch häufig umweltbelastend © Juliette Irmer

Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften reichern sich PFC weltweit in der Umwelt an: im Wasser, in der Luft, im Boden, in Pflanzen und im Blut von Tieren und Menschen. Die gefährlichsten unter ihnen, Perfluoroktansulfonsäure (PFOS) und Perfluoroktansäure (PFOA), verweilen bis zu neun Jahre im menschlichen Körper. Sie gelten als krebserregend und fortpflanzungsgefährdend. Die Herstellung und Nutzung von PFOS wurde bereits verboten, ab 2020 gilt das Verbot auch für PFOA. Momentan nutzt die Textilindustrie noch andere langkettige Fluorverbindungen, doch diese wandeln sich in der Umwelt zu PFOA oder ähnlichen Substanzen um. Aus diesem Grund stehen auch diese Vorstufen in der Kritik und das Umweltbundesamt erarbeitet aktuell einen Beschränkungsvorschlag für diese Chemikalien. Da der regulatorische Druck zunehmend wächst, sucht der Industriezweig nach einer „grünen“ Lösung, um Oberflächen wasserabweisend zu machen.

Hydrophobine als Biobeschichtung

Auch Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB am Institutsteil BioCat in Straubing forschen zusammen mit der Life Science Abteilung „William-Küster-Institut“ der Hohenstein Group in Bönnigheim an einer solchen Technik: „Wir arbeiten mit Proteinen, die ursprünglich in Pilzen vorkommen, sogenannten Hydrophobinen“, erklärt der Chemiker Dr. Michael Richter vom Fraunhofer IGB. Der Name ist Programm, denn Hydrophobine sind von Natur aus aufgrund ihrer besonderen Aminosäurezusammensetzung stark wasserabweisend (= hydrophob). Richter und seine Kollegen arbeiten daran, die Eigenschaften der Proteine auf Textilien zu übertragen, indem sie diese dauerhaft mit den Proteinen beschichten. Das Projekt wird von einem Ausschuss, dem namhafte Textilfirmen angehören, begleitet und startete im April 2016.

In der Natur kommen Hydrophobine auf der Oberfläche von Pilzsporen vor. Sie bewahren die Sporen beispielweise vor Verklumpung und erleichtern auch das weitere Wachstum. Doch wie verbindet man diese Pilzproteine dauerhaft mit einer Textiloberfläche? Indem man ein anderes Protein mit anderen Eigenschaften nutzt, einen sogenannten Anker, und diesen an die Hydrophobine koppelt. Die Ankerproteine stammen aus bakteriellen, zelluloseverdauenden Enzymen, die eine natürliche, hohe Affinität zu Zellulose aufweisen, die wiederum als Testmaterial dient. „Der Anker verbindet sich über intermolekulare Wechselwirkungen mit der Zellulose. Wichtig ist, dass die Proteine sich richtig ausrichten lassen, die Ankerproteine also grundsätzlich an der Textilseite haften und die wasserabweisenden Hydrophobine die neue Oberfläche bilden“, erklärt Richter. Im Idealfall entsteht an der Textiloberfläche eine hauchdünne Proteinschicht.

Bakterien produzieren ideales Fusionsprotein

In einem ersten Schritt wählten die Forscher die beiden Proteinsorten aus einer Biodatenbank. „Wir haben die jeweiligen codierenden DNA-Abschnitte zu einem neuen Gen zusammengefügt und dieses Konstrukt in Bakterien eingeschleust“, so Richter. Die gentechnisch veränderten Bakterien lesen das neue Gen ab und produzieren das gewünschte Fusionsprotein. „Die Gewinnung und Aufarbeitung der Proteine ist einfach, die Technologie zur Herstellung ist etabliert und unbedenklich und wird in anderen Industriezweigen standardmäßig angewendet. Nur die Ausbeute müssen wir noch verbessern“, sagt Richter. Bisher wurde alles im Drei-Liter-Maßstab getestet, die Fermentation im Zehn-Liter-Maßstab ist bereits geplant.

Die Wissenschaftler haben Kombinationen aus fünf Hydrophobinen und sechs Ankerproteinen getestet. Die Hydrophobine stammen aus unterschiedlichen Organismen, die aus patentrechtlichen Gründen nicht genannt werden dürfen. Zwei Fusionsproteine haben sich im Tropfentest als besonders wasserabweisend herausgestellt und damit gezeigt, dass das Prinzip funktioniert: „Nachdem wir die Proteine auf Zellulose aufgebracht haben, bringen wir einen Wassertropfen auf. Bleibt der Wassertropfen für eine definierte Zeit stehen, ist das ein guter Hinweis auf eine erfolgreiche Funktionalisierung“, so Richter.

Modifizierte Benetzbarkeit: Gefärbte Wassertropfen auf hydrophob ausgerüstetem Textil. © Fraunhofer IGB
Modifizierte Benetzbarkeit: Gefärbte Wassertropfen auf hydrophil ausgerüstetem Textil © Fraunhofer IGB

Grün allein reicht nicht

Doch die Liste der Anforderungen an eine umweltfreundliche, wasserabweisende Beschichtung ist lang: Die Rohstoffe müssen nicht nur günstig und leicht herzustellen sein, sie müssen sich auch praktikabel aufbringen lassen, beständig gegen Abrieb sein und sie müssen human- und ökotoxikologisch unbedenklich sowie biologisch abbaubar sein. „Grün allein reicht nicht, die Technik muss im Vergleich zu herkömmlicher Ausrüstung zu mindestens gleicher Leistungsfähigkeit der ausgerüsteten Oberflächen führen oder am besten noch besser sein und sollte zudem nicht teurer sein“, so Richter.

So stehen den Forschern noch einige Experimente ins Haus: Aspekte zur ökotoxikologischen Unbedenklichkeit und biologischen Sicherheit werden dabei vom Projektpartner in Hohenstein analysiert – beispielsweise mit standardisierten, zellbasierten Testsystemen, um zelltoxische oder sensibilisierend wirkende Eigenschaften ausschließen zu können. Zusätzlich muss neben der Haft- und Waschfestigkeit geprüft werden, ob die Proteinbeschichtung mit den gängigen Techniken der Textilindustrie wie Färben und Walzen kompatibel ist, was häufig mit erhöhten Temperaturen und hoher Salzfracht oder der Verwendung von Detergenzien einhergeht.

Die Akzeptanz beim Verbraucher wird rundweg als hoch eingestuft – auch wenn die Biobeschichtung vielleicht die eine oder andere Einschränkung mit sich bringt: „Waschmittel mit Proteasen sollte man besser nicht verwenden. Aber Wollpullover werden ja auch unter bestimmten Bedingungen gewaschen“, so Richter.
Neben der klassischen Textilindustrie ist eine wasser- und schmutzabweisende Beschichtung auch für viele andere Industriezweige interessant: in der Medizintechnik oder der Automobilindustrie etwa für abwaschbare Autositzbezüge – was Richter bestätigen kann: Obwohl noch nicht marktreif, stößt die Biobeschichtung mit Hydrophobinen auf großes Interesse: „Wir hatten schon Anfragen aus Branchen, mit denen wir nicht gerechnet hätten.“ Da das Prinzip sehr vielversprechend ist, sind auch weitere Folgeprojekte geplant.


Das IGF-Vorhaben 18884N der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e.V., Reinhardtstraße 12-14,10177 Berlin wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Bundestages gefördert.

Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/de/fachbeitrag/aktuell/textilien-wasserabweisend-dank-pilzproteinen/