DIE BIOLOGISCHEN FUNKTIONEN HINTER DER SYSTEMARCHITEKTUR

DIE BIOLOGISCHEN FUNKTIONEN HINTER DER SYSTEMARCHITEKTUR

Technologische Grundlagen
PULAS entwickelt kontrollierte biologische Systeme, in denen unterschiedliche biologische Funktionen in definierten Kompartimenten gezielt geführt und miteinander gekoppelt werden. Mehrere funktionelle Systeme werden dabei zu einer übergeordneten biologischen Systemarchitektur verbunden.
PULAS entwickelt kontrollierte biologische Systeme, in denen unterschiedliche biologische Funktionen in definierten Kompartimenten gezielt geführt und miteinander gekoppelt werden. Mehrere funktionelle Systeme werden dabei zu einer übergeordneten biologischen Systemarchitektur verbunden.

UMWELTREGENERATION

UMWELTREGENERATION

SCHADSTOFFE WERDEN BIOLOGISCH UMGEWANDELT UND GEBUNDEN

SCHADSTOFFE WERDEN BIOLOGISCH UMGEWANDELT UND GEBUNDEN

  • Verstoffwechselung organischer Schadstoffe

  • Abbau und Transformation organischer Verbindungen

  • Bindung anorganischer Stoffe und Schwermetalle

  • Sorption und Akkumulation von Metallionen

  • Immobilisierung und kontrollierte Konzentration von Schadstoffen

  • Behandlung und Regeneration belasteter Stoffströme

BIOMASSE & ENERGIE

BIOMASSE & ENERGIE

BIOMASSE ERZEUGT STOFFE, GASE UND ENERGIESTRÖME

BIOMASSE ERZEUGT STOFFE, GASE UND ENERGIESTRÖME

  • kontinuierliche Bildung funktioneller Biomasse

  • Verarbeitung organischer Substrate

  • biologische Gasbildung und Biogas

  • Bildung und Führung flüchtiger Stoffwechselprodukte

  • bioelektrochemische Elektronenübertragung

  • Kopplung biologischer Stoffwechselprozesse

BIOLOGISCHE PRODUKTION

& LEBENSSYSTEME

BIOLOGISCHE PRODUKTION

& LEBENSSYSTEME

PFLANZEN, NAHRUNG UND ATMOSPHÄRE WERDEN IN DEN KREISLAUF INTEGRIERT
PFLANZEN, NAHRUNG UND ATMOSPHÄRE WERDEN IN DEN KREISLAUF INTEGRIERT

  • Produktion von Pflanzen, Biomasse und Nahrungsmitteln

  • CO₂-Bindung und biologische Kohlenstoffkreisläufe

  • Sauerstoffproduktion

  • Wasser- und Nährstoffkreisläufe

  • mikroökologische Lebenserhaltung

  • Nutzung biologischer Stoffwechselprodukte zwischen Kompartimenten

  • Kopplung von Biomasse- und Pflanzenproduktion

RESILIENZ, SCHUTZ

& EXTREME UMGEBUNGEN

RESILIENZ, SCHUTZ

& EXTREME UMGEBUNGEN

BIOLOGISCHE SYSTEME WERDEN FÜR EXTREME BEDINGUNGEN AUSGELEGT

BIOLOGISCHE SYSTEME WERDEN FÜR EXTREME BEDINGUNGEN AUSGELEGT

  • kontrollierte Nutzung strahlungsresilienter Mikroorganismen

  • biologische Prozesse unter ionisierender Strahlung

  • Umgang mit radioaktiven und belasteten Stoffströmen

  • biologische Strahlenschutzstrukturen

  • unterirdische und terrestrische Infrastrukturen

  • orbitale und extraterrestrische Systemumgebungen

FORSCHUNG & EVIDENZ

WISSENSCHAFTLICHE GRUNDLAGEN DER SYSTEMARCHITEKTUR

WISSENSCHAFTLICHE GRUNDLAGEN DER SYSTEMARCHITEKTUR

STRAHLUNGSBIOLOGIE & EXTREMOBIOLOGIE

STRAHLUNGSBIOLOGIE & EXTREMOBIOLOGIE

Die wissenschaftliche Grundlage für den Einsatz melaninhaltiger Biomasse in strahlenexponierten und extremen Umgebungen reicht von Beobachtungen in der Sperrzone von Tschernobyl bis zu Experimenten an Bord der Internationalen Raumstation. Stark pigmentierte Mikroorganismen wurden dort bevorzugt in Bereichen mit erhöhter Strahlung beobachtet. Dadachova et al. (2007) untersuchten daraufhin systematisch, ob ionisierende Strahlung nicht nur toleriert wird, sondern die biologische Aktivität melaninhaltiger Pilze beeinflussen kann. Bei drei genetisch unterschiedlichen Pilzarten zeigte sich unter definierter Gammastrahlung eine erhöhte Wachstums- und Stoffwechselaktivität. Bei Cryptococcus neoformans wurden unter anderem eine etwa 2,5-fach höhere Zellzahl und eine etwa 3-fach erhöhte Acetataufnahme gemessen. Wurde die Melaninbildung genetisch oder chemisch unterdrückt, verschwand der beobachtete Wachstumseffekt weitgehend. Damit liefert die Arbeit einen experimentellen Hinweis auf einen Zusammenhang zwischen Melanisierung, Strahlung und biologischer Aktivität. Die gleiche Untersuchung zeigte außerdem, dass ionisierende Strahlung die elektronischen Eigenschaften von Melanin verändern kann. In einem Modellversuch mit isoliertem Melanin wurde eine bis zu vierfach erhöhte Elektronenübertragungsrate gemessen. Dieser Versuch fand allerdings unter wesentlich höheren Bestrahlungsbedingungen statt und ist deshalb getrennt vom Wachstumsversuch zu betrachten. Zusammen zeigen die Befunde jedoch zwei relevante Ebenen: eine messbare biologische Reaktion melaninhaltiger Organismen und eine Veränderung der elektronischen Eigenschaften des Melanins. Die ISS-Experimente von Averesch, Shunk und Kern (2022) bestätigten anschließend, dass Cladosporium sphaerospermum auch unter orbitalen Bedingungen kultiviert werden kann. Über 30 Tage zeigte die Biomasse im Orbit eine höhere Wachstumsrate als die Bodenkontrolle; gleichzeitig wurde unter der Biomasseschicht eine verringerte Strahlungszählrate gemessen. Die Abschirmwirkung war dabei begrenzt, weist aber auf eine weitere Eigenschaft hin: Biomasse kann unter geeigneten Bedingungen nicht nur funktionieren, sondern auch regenerativ aufgebaut werden. Ergänzend untersuchten die ESA-Experimente BIOMEX und LIFE den antarktischen Schwarzpilz Cryomyces antarcticus unter Weltraum- und marsbezogenen Bedingungen. Nach langfristiger Exposition blieben DNA, Zellstrukturen und bei einem Teil der Proben intakte Zellmembranen erhalten. Die Experimente zeigen damit vor allem eine hohe Überdauerungsfähigkeit und Reaktivierbarkeit, nicht einen aktiven Stoffwechsel während der Exposition. Zusammen bilden diese Untersuchungen eine wissenschaftliche Grundlage für die Entwicklung strahlungsresilienter biologischer Systeme. PULAS nutzt diese Erkenntnisse, um funktionelle Biomasse unter kontrollierten Bedingungen zu kultivieren und ihre Eigenschaften mit weiteren biologischen Funktionen zu verbinden – von der Umweltregeneration über biologische Stoffströme bis hin zu bioelektrochemischen und regenerativen Systemen.
Die wissenschaftliche Grundlage für den Einsatz melaninhaltiger Biomasse in strahlenexponierten und extremen Umgebungen reicht von Beobachtungen in der Sperrzone von Tschernobyl bis zu Experimenten an Bord der Internationalen Raumstation. Stark pigmentierte Mikroorganismen wurden dort bevorzugt in Bereichen mit erhöhter Strahlung beobachtet. Dadachova et al. (2007) untersuchten daraufhin systematisch, ob ionisierende Strahlung nicht nur toleriert wird, sondern die biologische Aktivität melaninhaltiger Pilze beeinflussen kann. Bei drei genetisch unterschiedlichen Pilzarten zeigte sich unter definierter Gammastrahlung eine erhöhte Wachstums- und Stoffwechselaktivität. Bei Cryptococcus neoformans wurden unter anderem eine etwa 2,5-fach höhere Zellzahl und eine etwa 3-fach erhöhte Acetataufnahme gemessen. Wurde die Melaninbildung genetisch oder chemisch unterdrückt, verschwand der beobachtete Wachstumseffekt weitgehend. Damit liefert die Arbeit einen experimentellen Hinweis auf einen Zusammenhang zwischen Melanisierung, Strahlung und biologischer Aktivität. Die gleiche Untersuchung zeigte außerdem, dass ionisierende Strahlung die elektronischen Eigenschaften von Melanin verändern kann. In einem Modellversuch mit isoliertem Melanin wurde eine bis zu vierfach erhöhte Elektronenübertragungsrate gemessen. Dieser Versuch fand allerdings unter wesentlich höheren Bestrahlungsbedingungen statt und ist deshalb getrennt vom Wachstumsversuch zu betrachten. Zusammen zeigen die Befunde jedoch zwei relevante Ebenen: eine messbare biologische Reaktion melaninhaltiger Organismen und eine Veränderung der elektronischen Eigenschaften des Melanins. Die ISS-Experimente von Averesch, Shunk und Kern (2022) bestätigten anschließend, dass Cladosporium sphaerospermum auch unter orbitalen Bedingungen kultiviert werden kann. Über 30 Tage zeigte die Biomasse im Orbit eine höhere Wachstumsrate als die Bodenkontrolle; gleichzeitig wurde unter der Biomasseschicht eine verringerte Strahlungszählrate gemessen. Die Abschirmwirkung war dabei begrenzt, weist aber auf eine weitere Eigenschaft hin: Biomasse kann unter geeigneten Bedingungen nicht nur funktionieren, sondern auch regenerativ aufgebaut werden. Ergänzend untersuchten die ESA-Experimente BIOMEX und LIFE den antarktischen Schwarzpilz Cryomyces antarcticus unter Weltraum- und marsbezogenen Bedingungen. Nach langfristiger Exposition blieben DNA, Zellstrukturen und bei einem Teil der Proben intakte Zellmembranen erhalten. Die Experimente zeigen damit vor allem eine hohe Überdauerungsfähigkeit und Reaktivierbarkeit, nicht einen aktiven Stoffwechsel während der Exposition. Zusammen bilden diese Untersuchungen eine wissenschaftliche Grundlage für die Entwicklung strahlungsresilienter biologischer Systeme. PULAS nutzt diese Erkenntnisse, um funktionelle Biomasse unter kontrollierten Bedingungen zu kultivieren und ihre Eigenschaften mit weiteren biologischen Funktionen zu verbinden – von der Umweltregeneration über biologische Stoffströme bis hin zu bioelektrochemischen und regenerativen Systemen.

BIOLOGISCHE UMWELTREGENERATION

BIOLOGISCHE UMWELTREGENERATION

BELASTUNGEN WERDEN BIOLOGISCH UMGEWANDELT, GEBUNDEN UND AUS STOFFSTRÖMEN ENTFERNT

Biologische Systeme besitzen die Fähigkeit, unterschiedliche Umweltbelastungen gezielt zu verarbeiten. Mikroorganismen und andere funktionelle Biomasse können organische Stoffe enzymatisch oder metabolisch umwandeln und abbauen. Bei anorganischen Belastungen wie Metallen und Radionukliden greifen andere Mechanismen: Stoffe können an Biomasse gebunden, aufgenommen, immobilisiert oder in ihrer Mobilität verändert werden. Damit kann die Biomasse dazu beitragen, Belastungen aus Umweltmedien zurückzuhalten und diese aus ihrer weiteren Zirkulation in der Umwelt zu entfernen. Die wissenschaftliche Grundlage dafür ist breit untersucht. Harms, Schlosser und Wick (2011) fassten zahlreiche biologische Mechanismen der Bioremediation zusammen und zeigten, dass Mikroorganismen und insbesondere Pilze organische Umweltchemikalien über verschiedene enzymatische Prozesse transformieren und abbauen können. Für Metalle, Metalloide und Radionuklide stehen dagegen vor allem Bindung, Aufnahme, Immobilisierung und Veränderungen der Mobilität und Bioverfügbarkeit im Vordergrund. Die Forschung zeigt damit, dass biologische Systeme nicht nur Schadstoffe verändern, sondern ihre Verteilung innerhalb eines Umweltmediums gezielt beeinflussen können. Besonders deutlich wird dies bei Untersuchungen zur Biosorption. Arbeiten von Tsezos & Volesky, Ding et al. und Mousa et al. zeigen, dass verschiedene Biomassen Metallionen unter definierten Bedingungen in erheblichen Mengen binden können. Untersucht wurden unter anderem Uran, Thorium, Strontium und Cäsium. Entscheidend ist dabei der grundlegende Nachweis: Biomasse kann bestimmte anorganische Belastungen aus einem wässrigen Stoffstrom aufnehmen und an sich binden. Damit entsteht ein entscheidender Unterschied zwischen Umwandlung und Entfernung: Ein organischer Schadstoff kann biologisch verändert oder abgebaut werden; ein Metallion wird an Biomasse gebunden und dadurch aus dem ursprünglichen Wasser- oder Stoffstrom entfernt. Die gebundene Belastung kann anschließend in einer konzentrierteren Phase vorliegen und kontrolliert aus dem System entnommen werden. Aus einem großvolumigen, gering belasteten Strom kann so unter geeigneten Bedingungen ein deutlich kleinerer, stärker belasteter Stoffstrom entstehen. Genau hier setzt die Systementwicklung von uns an: Wir betrachten biologische Biomasse nicht nur als Organismus, der einen Schadstoff behandelt, sondern als aktive Komponente einer kontrollierten Stoffstromarchitektur. Unterschiedliche biologische Funktionen sollen gezielt eingesetzt werden, um Belastungen zu transformieren, zu binden, zu konzentrieren und anschließend kontrolliert aus dem jeweiligen Kreislauf zu entfernen. So entsteht die Grundlage für biologische Systeme, die nicht nur Belastungen reduzieren, sondern dazu beitragen können, unerwünschte Stoffe gezielt aus ihrer weiteren Zirkulation herauszuführen und Umweltkreisläufe zu regenerieren.
Biologische Systeme besitzen die Fähigkeit, unterschiedliche Umweltbelastungen gezielt zu verarbeiten. Mikroorganismen und andere funktionelle Biomasse können organische Stoffe enzymatisch oder metabolisch umwandeln und abbauen. Bei anorganischen Belastungen wie Metallen und Radionukliden greifen andere Mechanismen: Stoffe können an Biomasse gebunden, aufgenommen, immobilisiert oder in ihrer Mobilität verändert werden. Damit kann die Biomasse dazu beitragen, Belastungen aus Umweltmedien zurückzuhalten und diese aus ihrer weiteren Zirkulation in der Umwelt zu entfernen. Die wissenschaftliche Grundlage dafür ist breit untersucht. Harms, Schlosser und Wick (2011) fassten zahlreiche biologische Mechanismen der Bioremediation zusammen und zeigten, dass Mikroorganismen und insbesondere Pilze organische Umweltchemikalien über verschiedene enzymatische Prozesse transformieren und abbauen können. Für Metalle, Metalloide und Radionuklide stehen dagegen vor allem Bindung, Aufnahme, Immobilisierung und Veränderungen der Mobilität und Bioverfügbarkeit im Vordergrund. Die Forschung zeigt damit, dass biologische Systeme nicht nur Schadstoffe verändern, sondern ihre Verteilung innerhalb eines Umweltmediums gezielt beeinflussen können. Besonders deutlich wird dies bei Untersuchungen zur Biosorption. Arbeiten von Tsezos & Volesky, Ding et al. und Mousa et al. zeigen, dass verschiedene Biomassen Metallionen unter definierten Bedingungen in erheblichen Mengen binden können. Untersucht wurden unter anderem Uran, Thorium, Strontium und Cäsium. Entscheidend ist dabei der grundlegende Nachweis: Biomasse kann bestimmte anorganische Belastungen aus einem wässrigen Stoffstrom aufnehmen und an sich binden. Damit entsteht ein entscheidender Unterschied zwischen Umwandlung und Entfernung: Ein organischer Schadstoff kann biologisch verändert oder abgebaut werden; ein Metallion wird an Biomasse gebunden und dadurch aus dem ursprünglichen Wasser- oder Stoffstrom entfernt. Die gebundene Belastung kann anschließend in einer konzentrierteren Phase vorliegen und kontrolliert aus dem System entnommen werden. Aus einem großvolumigen, gering belasteten Strom kann so unter geeigneten Bedingungen ein deutlich kleinerer, stärker belasteter Stoffstrom entstehen. Genau hier setzt die Systementwicklung von uns an: Wir betrachten biologische Biomasse nicht nur als Organismus, der einen Schadstoff behandelt, sondern als aktive Komponente einer kontrollierten Stoffstromarchitektur. Unterschiedliche biologische Funktionen sollen gezielt eingesetzt werden, um Belastungen zu transformieren, zu binden, zu konzentrieren und anschließend kontrolliert aus dem jeweiligen Kreislauf zu entfernen. So entsteht die Grundlage für biologische Systeme, die nicht nur Belastungen reduzieren, sondern dazu beitragen können, unerwünschte Stoffe gezielt aus ihrer weiteren Zirkulation herauszuführen und Umweltkreisläufe zu regenerieren.

BIOLOGISCHE STOFFSTRÖME UND PFLANZENWACHSTUM

BIOLOGISCHE STOFFSTRÖME UND PFLANZENWACHSTUM

FLÜCHTIGE STOFFWECHSELPRODUKTE VERBINDEN BIOLOGISCHE PROZESSE

Während ihres Wachstums und Stoffwechsels gibt die kultivierte Biomasse flüchtige organische Verbindungen an die umgebende Gasphase ab. Diese flüchtigen organischen Verbindungen können auf andere biologische Systeme wirken und damit einen zusätzlichen Stoffstrom innerhalb einer kontrollierten Systemarchitektur bilden. Eine besonders relevante Untersuchung hierzu veröffentlichten Li et al. (2019) mit dem Umweltisolat Cladosporium sphaerospermum TC09. Die Forscher untersuchten die Wirkung dieser vom Mikroorganismus abgegebenen flüchtigen Verbindungen auf Pflanzen, ohne dass Pilz und Pflanze miteinander in Kontakt standen. In geschlossenen Kulturgefäßen wurden Tabakpflanzen ausschließlich der Gasphase der Pilzkultur ausgesetzt. Nach 20 Tagen erreichten die Pflanzen unter den untersuchten Bedingungen eine bis zu 25-fach größere Sprosshöhe und bis zu 15-fach höhere Biomasse. Bei anschließend im Gewächshaus kultivierten Paprikapflanzen setzte die Blüte etwa 20 Tage früher ein und die Fruchtproduktion lag bei bis zu 213 % über der Kontrolle. Die Untersuchung zeigte darüber hinaus Veränderungen in Genen, die unter anderem mit Zellwachstum, Zellzyklus, Photosynthese, Phytohormonregulation und pflanzlichen Abwehrprozessen verbunden sind. Die Ergebnisse sprechen deshalb dafür, dass die flüchtigen Verbindungen als biologische Signale auf die Pflanzenentwicklung einwirken können und nicht lediglich eine zusätzliche Kohlenstoffquelle darstellen. Gleichzeitig ist der Befund an den untersuchten Stamm und die konkreten Versuchsbedingungen gebunden; die Autoren selbst sehen weiteren Forschungsbedarf zur Identifikation und gezielten Nutzung der verantwortlichen Verbindungen. Für uns ist daran vor allem die Kopplung über die Gasphase relevant: Ein biologischer Prozess erzeugt einen Stoffstrom, der von einem räumlich getrennten biologischen Prozess aufgenommen und genutzt werden kann. Die Gasphase wird damit zu einer weiteren Schnittstelle zwischen funktionellen Kompartimenten. Wir entwickelen diesen Ansatz weiter, indem solche biologischen Stoffströme gezielt erfasst, geführt und mit nachgeschalteten biologischen Prozessen wie kontrollierter Pflanzenproduktion verbunden werden sollen.
Während ihres Wachstums und Stoffwechsels gibt die kultivierte Biomasse flüchtige organische Verbindungen an die umgebende Gasphase ab. Diese flüchtigen organischen Verbindungen können auf andere biologische Systeme wirken und damit einen zusätzlichen Stoffstrom innerhalb einer kontrollierten Systemarchitektur bilden. Eine besonders relevante Untersuchung hierzu veröffentlichten Li et al. (2019) mit dem Umweltisolat Cladosporium sphaerospermum TC09. Die Forscher untersuchten die Wirkung dieser vom Mikroorganismus abgegebenen flüchtigen Verbindungen auf Pflanzen, ohne dass Pilz und Pflanze miteinander in Kontakt standen. In geschlossenen Kulturgefäßen wurden Tabakpflanzen ausschließlich der Gasphase der Pilzkultur ausgesetzt. Nach 20 Tagen erreichten die Pflanzen unter den untersuchten Bedingungen eine bis zu 25-fach größere Sprosshöhe und bis zu 15-fach höhere Biomasse. Bei anschließend im Gewächshaus kultivierten Paprikapflanzen setzte die Blüte etwa 20 Tage früher ein und die Fruchtproduktion lag bei bis zu 213 % über der Kontrolle. Die Untersuchung zeigte darüber hinaus Veränderungen in Genen, die unter anderem mit Zellwachstum, Zellzyklus, Photosynthese, Phytohormonregulation und pflanzlichen Abwehrprozessen verbunden sind. Die Ergebnisse sprechen deshalb dafür, dass die flüchtigen Verbindungen als biologische Signale auf die Pflanzenentwicklung einwirken können und nicht lediglich eine zusätzliche Kohlenstoffquelle darstellen. Gleichzeitig ist der Befund an den untersuchten Stamm und die konkreten Versuchsbedingungen gebunden; die Autoren selbst sehen weiteren Forschungsbedarf zur Identifikation und gezielten Nutzung der verantwortlichen Verbindungen. Für uns ist daran vor allem die Kopplung über die Gasphase relevant: Ein biologischer Prozess erzeugt einen Stoffstrom, der von einem räumlich getrennten biologischen Prozess aufgenommen und genutzt werden kann. Die Gasphase wird damit zu einer weiteren Schnittstelle zwischen funktionellen Kompartimenten. Wir entwickelen diesen Ansatz weiter, indem solche biologischen Stoffströme gezielt erfasst, geführt und mit nachgeschalteten biologischen Prozessen wie kontrollierter Pflanzenproduktion verbunden werden sollen.