Selbstangetriebene Pumpe nutzt Licht und Chemie, um Schadstoffe gezielt abzufangen
Dartmouth-Team entwickelt lichtgesteuerte Pumpe mit potenziellen Anwendungen für die Umweltsanierung
Forscher aus Dartmouth haben eine selbstbetriebene Pumpe entwickelt, die natürliches Licht und Chemie nutzt, um gezielt bestimmte Wasserschadstoffe zu entfernen, heißt es in einem neuen Bericht in der Zeitschrift Science.
Versuchsaufbau für eine von Forschern aus Dartmouth entwickelte lichtaktivierte Pumpe (Mitte). Das blaue Licht auf der rechten Seite des Filters zeigt die Filtration und Abscheidung von Chloriden und Bromiden durch synthetische Moleküle, die die Forscher für bestimmte Schadstoffe entwickelt haben.
Ivan Aprahamian
Wenn Wasser in die Pumpe eintritt, aktiviert eine Wellenlänge des Lichts einen synthetischen molekularen Rezeptor, der sich mit negativ geladenen Ionen oder Anionen verbindet, einer Klasse von Schadstoffen, die mit Stoffwechselstörungen bei Pflanzen und Tieren in Verbindung gebracht werden. Eine zweite Wellenlänge deaktiviert die Rezeptoren, wenn das Wasser die Pumpe verlässt, und veranlasst sie, die Schadstoffe freizusetzen und sie in einem nicht reaktiven Substrat einzufangen, bis sie sicher entsorgt werden können.
"Dies ist ein Beweis für das Konzept, dass man einen synthetischen Rezeptor verwenden kann, um Lichtenergie in chemisches Potenzial umzuwandeln, um einen Schadstoff aus einer Abfallquelle zu entfernen", sagt der Hauptautor der Studie, Ivan Aprahamian, Professor und Lehrstuhlinhaber der Fakultät für Chemie in Dartmouth.
Die Pumpe ist derzeit auf die Schadstoffe Chlorid und Bromid kalibriert, aber die Forscher arbeiten daran, ihren Einsatz auf andere anionenreiche Schadstoffe auszudehnen, so Aprahamian, z. B. auf radioaktive Abfälle und die Phosphate und Nitrate in landwirtschaftlichen Abflüssen, die massive tote Zonen verursachen.
"Im Idealfall kann man mehrere Rezeptoren in derselben Lösung haben und sie mit verschiedenen Wellenlängen des Lichts aktivieren", sagt Aprahamian. "So kann man jedes dieser Anionen einzeln erfassen und sammeln.
Die ungewöhnliche Fähigkeit des synthetischen Rezeptors, negativ geladene Moleküle sowohl einzufangen als auch abzugeben, ermöglichte es den Forschern, den Fluss der Chloridionen von einer Lösung mit niedriger Konzentration an einem Ende eines U-förmigen Rohrs zu einer Lösung mit hoher Konzentration am anderen Ende zu steuern. Über einen Zeitraum von 12 Stunden, so die Studie, bewegten sie 8 % der Chloridionen gegen den Konzentrationsgradienten über eine mit den synthetischen Rezeptoren eingebettete Membran.
Die Forscher konzentrierten sich aus zwei Gründen auf Chlorid. Im Winter erhöht das mit Streusalz beladene Regenwasser den Chloridgehalt in den Gewässern, was für Pflanzen und Tiere schädlich ist. Zweitens spielt der Transport von Chloridionen auch eine Schlüsselrolle für das gesunde Funktionieren von Zellen. Die Krankheit Mukoviszidose wird dadurch verursacht, dass die Zellen nicht in der Lage sind, überschüssiges Chlorid abzupumpen. Die eingeschlossenen Ionen führen zu einer Dehydrierung der Zellen, was unter anderem in der Lunge zu einer Ablagerung von zähem Schleim führt.
In absoluten Zahlen ausgedrückt, wurden die Chloridionen fast 1,4 Zoll weit getrieben - die Breite der Membran, die die beiden Enden der Röhre trennt. Gemessen an der winzigen Größe des Rezeptors legten sie eine beeindruckende Strecke zurück, und das allein mit Hilfe von Licht. "Das ist so, als würde man einen Fußball über die Länge von 65.000 Fußballfeldern schießen", sagt Aprahamian.
Aprahamians Labor beschäftigt sich seit langem mit einer Klasse von synthetischen Verbindungen, den so genannten Hydrazonen, die sich bei Lichteinwirkung ein- und ausschalten. Während der COVID-Pandemie kam der Doktorand Baihao Shao auf die Idee, den Hydrazonrezeptor so zu verbessern, dass er beim Ein- und Ausschalten die Zielanionen sowohl aufnehmen als auch abgeben kann.
Aprahamian versuchte, ihn davon abzubringen. "Ich sagte ihm, dass dies zwar eine großartige Idee sei, aber ich glaube nicht, dass sie mit den anderen beeindruckenden photoschaltbaren Rezeptoren in der Literatur konkurrieren könne", sagt er. "Glücklicherweise hat Baihao mich ignoriert und den Rezeptor tatsächlich entwickelt."
Der Rezeptor kann nicht nur durch eine erneuerbare Energiequelle - Licht - gesteuert werden, sondern ist auch relativ einfach herzustellen und zu verändern, so Aprahamian. Die Forscher schufen den Rezeptor, indem sie sie mit Hilfe der "Klick-Chemie" zusammenfügten, einer mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Technik, an deren Erfindung der Chemiker Barry Sharpless (63) Jahre nach seinem Abschluss in Dartmouth beteiligt war.
Eine weitere Verbindung zum Nobelpreis: Die Studie zeigt das Potenzial molekularer Maschinen acht Jahre nach der Verleihung des Chemie-Nobelpreises 2016 an drei Chemiker für ihre Arbeit zur Entwicklung synthetischer Versionen. Molekulare Maschinen sind in der Natur weit verbreitet und werden in Tierzellen durch ATP und in Pflanzenzellen durch die Sonne angetrieben. Beim Menschen übernehmen winzige molekulare Maschinen einen Großteil der Arbeit, die in den Zellen anfällt, von der Replikation der DNA bis zum Transport von Materialien durch die Zellmembran.
Seit Jahrzehnten versuchen Wissenschaftler, diese miniaturisierten Arbeitstiere außerhalb des Körpers nachzubauen, um sie für Aufgaben wie Umweltsanierung, Medikamentenverabreichung sowie Diagnose und Behandlung von Krankheiten einzusetzen. Doch künstliche molekulare Maschinen sind auf dem Papier leichter zu entwerfen als in der Praxis umzusetzen.
"Wir wollen solche biologischen Prozesse nachahmen und Sonnenlicht als Energiequelle nutzen, um autonome und sich selbst erhaltende Filtersysteme zu schaffen", sagt Aprahamian.
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