Bakterien kommen in vielen verschiedenen Formen vor, die eine wichtige
Rolle für das Überleben in ihrer jeweiligen ökologischen Nische spielen.
Wie sie ihre Zellform bestimmen, ist bisher in vielen Fällen trotz
intensiver Forschung nicht bekannt. Forschende um Prof. Martin Thanbichler
deckten den Mechanismus der Formgebung nun für spiralförmige
Rhodospirillen auf und ermöglichen dadurch neue Einblicke in den
Zusammenhang von Zellform und Fitness.

Stellen Sie sich eine Bakterie vor. Wie sieht sie aus – rundlich, oder
stäbchenförmig? Tatsächlich sind Bakterien erstaunlich vielgestaltig.
Neben den stäbchenförmigen Vertretern, wie dem Laborbakterium E. coli,
gibt es zum Beispiel zahlreiche gekrümmte und sogar spiralförmige
Bakterien. Das ist keine Laune der Natur: die Krümmung ist ausschlaggebend
für die Fähigkeit der Bakterien, Oberflächen zu besiedeln, sich in
zähflüssigen Umgebungen zu bewegen - und damit auch, Krankheiten
auszulösen, wie es z.B. für Vibrio cholerae oder Helicobacter pylori der
Fall ist. Forschende weltweit arbeiten daran, die molekularen Einzelheiten
der Krümmung zu verstehen, um sie vielleicht einmal beeinflussen und so
z.B. Krankheiten heilen zu können.

Nun liefern Forscherinnen und Forscher um Max-Planck-Fellow Martin
Thanbichler, Professor an der Philipps-Universität Marburg, neue Einblicke
in die Formgebung in dem photosynthetischen Bakterium Rhodospirillum
rubrum. Diese Spezies ist in der Umwelt weit verbreitet und besitzt auch
biotechnologisches Potenzial, da sie Kohlenmonoxid verwerten, Stickstoff
fixieren und sowohl Wasserstoff als auch Bausteine für Bioplastik
produzieren kann.

Die Forschenden fanden überraschenderweise, dass zwei sogenannte Porine –
kanalartige Proteine, die üblicherweise nur für den Austausch von
Nährstoffen über die äußere Membran der Bakterien verantwortlich sind –
schraubenförmig in der äußeren Krümmung der Bakterienzellhülle angeordnet
sind. Diese Strukturen sind über ein weiteres Protein, das Lipoprotein
PapS, eng mit der Zellwand verbunden. Überraschend war: fehlte PapS, oder
verhinderten die Forschenden dessen Bindung an die Porine, wurden die
Zellen vollkommen gerade.

Doch warum ist  PapS für die Zellkrümmung unerlässlich? „Offenbar haben
die Porine im Lauf der Evolution neben dem Nährstoffaustausch eine zweite
Funktion übernommen,“ erklärt Prof. Martin Thanbichler. „Sie kontrollieren
zusammen mit PapS die Bewegung einer molekularen Maschine, die sich in
kreisförmigen Bahnen um den Zellkörper bewegt, dabei in die bestehende
Zellwand neues Material einbaut und so zu einer Zellverlängerung führt. In
stäbchenförmigen Bakterien wie E. coli läuft dieser Prozess in allen
Bereichen der Zelle gleichmäßig ab, so dass eine gerade Form zustande
kommt. In  Rhodospirillum hingegen bildet die schraubenartige Porin-PapS-
Struktur durch seine dichte Packung eine Art molekularen Käfig. Dieser
umschließt die Maschinerie, die für das Längenwachstum der Zelle
verantwortlich ist, und fixiert sie dadurch teilweise in der äußeren
Biegung der Bakterienzellwand. Auf diese Weise kommt es dort lokal zu
einem verstärkten Wachstum, was zur Krümmung der Bakterienzelle führt.“

Die Studie, an der neben dem Marburger Team auch Forschende aus Kiel,
Freiburg, England und Australien beteiligt waren, hat damit einen
neuartigen Mechanismus der Formgebung in Bakterien aufgedeckt, der auf
einem direkten Einfluss von Porinen auf die räumliche Kontrolle des
Zellwachstums beruht. Die erhaltenen Erkenntnisse treffen wahrscheinlich
für alle gekrümmten Mitglieder der Rhodospirillen zu. Die Forschenden
wollen nun herausfinden, ob dieser Mechanismus auch bei anderen
Bakteriengruppen mit komplexeren Zellformen Verwendung findet.

„Wir haben nun die Möglichkeit, die Zellform von Rhodospirillum rubrum
gezielt zu verändern, und können so die selektiven Vorteile untersuchen,
die ein spiraliger Zellkörper für Bakterien in der Umwelt hat“, erklärt
Dr. Sebastian Pöhl, der Erstautor der Studie. Das könnte wichtige Hinweise
darauf geben, wie sich die Zellform auf die Besiedelung ökologischer
Nischen, das Eingehen symbiotischer Interaktionen mit Pflanzen oder auch
das Verursachen von Krankheiten auswirkt.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Prof. Dr. Martin Thanbichler
Max-Planck Fellow Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie,
Marburg +49 6421 28-21809 Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein.

Originalpublikation:
Pöhl, S., Giacomelli, G., Meyer, F.M.; Kleeberg, V.; Cohen, E. J.; Biboy,
J.; Rosum, J.; Glatter, T.; Vollmer, W.; van Teeseling, M.; Heider, J.;
Bramkamp, M.; Thanbichler, M.
An outer membrane porin-lipoprotein complex modulates elongasome movement
to establish cell curvature in Rhodospirillum rubrum
Nature Communications 15 (2024)

Gute Nachrichten für die Biomedizinische Forschung im Saarland: Der
Leibniz WissenschaftsCampus (LWC) „Lebende Therapeutische Materialien“
geht nach vier Jahren erfolgreicher Forschung in die zweite Förderrunde.

Das Leibniz-Institut für Neue Materialien (INM), die Universität des
Saarlandes (UdS) und das Helmholtz-Institut für Pharmazeutische Forschung
Saarland (HIPS) starten am 1. Oktober mit dem Leibniz-Wissenschaftscampus
in eine weitere Förderphase. Die Leibniz-Gemeinschaft und das Saarland
beteiligen sich mit insgesamt 1,6 Millionen Euro an der Finanzierung für
die gemeinsame Erforschung neuer Materialien für die personalisierte
Verabreichung von Biotherapeutika auf dem SaarlandCampus. Neben der
Förderung durch die Leibniz-Gemeinschaft und das Saarland leistet das INM
aus eigenen Mitteln einen Beitrag in Höhe von 600.000 Euro für das
Projekt. Auch die Universität des Saarlandes sowie das HIPS beteiligen
sich mit jeweils 400.000 Euro, sodass insgesamt 3 Mio. Euro für die
Forschung im Forschungsverbund zur Verfügung stehen.

Im LWC wird an Materialien geforscht, die im Körper Medikamente
produzieren und kontinuierlich abgeben. Die Forschung an diesen
Materialien steht auch in der zweiten Halbzeit noch auf dem Programm,
gleichzeitig sollen aber auch die Weichen für den Transfer der
Forschungsergebnisse in die medizinische Anwendung gestellt werden. Der
saarländische Minister für Wirtschaft, Innovation, Digitales und Energie,
Jürgen Barke, sieht daher die Weiterförderung des LWC als wertvolle
Investition in den Forschungsstandort: „Weltweit ist das Saarland als
attraktives Umfeld für die kooperative Forschung an den Schnittstellen von
Materialwissenschaft, Biotechnologie, Pharmazie und Medizin bekannt. Der
LWC ‚Lebende Therapeutische Materialien‘, in dem die Materialkompetenz des
INM und die pharmazeutische Expertise des HIPS und der UdS gebündelt
werden, ist ein Leuchtturm in diesem noch recht neuen, aber stetig
wachsenden Forschungsfeld. Mit Blick auf unsere saarländische
Innovationsstrategie war bereits die erste Förderphase des LWC ein
wichtiger Schritt, um unsere Kompetenzen in der NanoBioMed
weiterzuentwickeln. Daher freue ich mich, dass sich der Leibniz-
WissenschaftsCampus erneut im Wettbewerbsverfahren der Leibniz-
Gemeinschaft durchsetzen konnte und sich diese hervorragende Forschung
weiterführen lässt. Ich gratuliere den Verbundpartnern, die mit ihrer
Forschungsarbeit dazu beitragen werden, neue Erkenntnisse in eine
wissensbasierte klinische Anwendung zu übertragen.“

Universitätspräsident Ludger Santen unterstreicht die Bedeutung des
Leibniz WissenschaftsCampus für den Forschungsschwerpunkt NanoBioMed der
Universität des Saarlandes: „Neue Erkenntnisse und Verfahren entstehen
heute zumeist an den Schnittstellen einzelner Fachbereiche. Die ‚Lebenden
Therapeutischen Materialien‘ sind ein exzellentes Beispiel dafür und
zeigen die Forschungsstärke der Universität und der außeruniversitären
Institute im Saarland, die auf dem Gebiet der biomedizinischen Forschung
und Materialwissenschaft eng miteinander vernetzt sind und
interdisziplinär zusammenarbeiten.“

Was sind Lebende Therapeutische Materialien?

Sind wir krank, helfen uns meist Medikamente, die wir in Form von
Tabletten oder Tropfen einnehmen oder als Salbe auf die Haut auftragen.
Das heißt: Wir führen sie unserem Körper von außen zu. Wie wäre es, wenn
die heilenden Wirkstoffe auf unsere Bedürfnisse maßgeschneidert direkt im
Körper produziert und freigesetzt werden könnten, noch dazu genau dort, wo
sie wirken sollen? Diese Frage stellten sich auch die Forschenden des LWC.
Sie entwickelten Implantate, in denen in Hydrogele eingeschlossene,
speziell programmierte lebende Materialien wie Bakterien oder Pilze
medizinische Wirkstoffe produzieren, die bedarfsgerecht in den Körper
abgegeben werden. Da die Lebenden Therapeutischen Materialien (LTM) ihre
Wirkstoffe genau dort produzieren und freisetzen, wo sie therapieren
sollen, gibt es so gut wie keinen Wirkstoffverlust. Diese „Zero-
Waste“-Eigenschaft macht sie sowohl ökonomisch als auch ökologisch
attraktiv. Ein besonders eindrucksvolles Beispiel ist die im LWC
entwickelte selbstbefeuchtende Kontaktlinse. Diese Linse enthält LTM, die
Hyaluronsäure produzieren – ein bewährtes Mittel zur Behandlung des
trockenen Auges, das üblicherweise in Form von Augentropfen verabreicht
wird. Beim Tropfen gelangen allerdings weniger als 5 % des Medikaments
tatsächlich ins Auge. Die restlichen 95 % gehen verloren.

Aktuell bewegen sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des LWC
mit ihrer Forschung noch weitestgehend im Labor. Im Mittelpunkt der
Weiterförderung steht die Vorbereitung des Transfers ihrer Technologie in
die Anwendung, bei dem sie vom INM-eigenen InnovationsZentrum unterstützt
werden. Dazu sollen konkrete medizinische Szenarien bewertet werden, in
denen die LTM eine sinnvolle Alternative zum bisher üblichen Weg der
Wirkstoffgabe darstellen. Genauer auf den Prüfstand müssen noch die
Übergänge zwischen LTM-Implantat und Körper. Es muss gewährleistet sein,
dass ausschließlich die Wirkstoffe in den Körper gelangen, keinesfalls
aber die wirkstoffproduzierenden Organismen. Bis zur Zulassung der LTM
werden noch einige regulatorische Hürden zu überwinden sein. Dazu sind die
Partner bereits mit Zulassungsbehörden und Industrie im Gespräch.

An der Umsetzung der Ziele des LWC wirken neben den 19 wissenschaftlichen
Leiterinnen und Leitern aus den Partnerinstitutionen drei
Forschungsgruppen und 21 Doktorandinnen und Doktoranden mit. Die
Durchführung internationaler Konferenzen auf dem Campus der UdS sichert
den Austausch mit Fachleuten aus der ganzen Welt und macht den Standort
weltweit bekannt. Der Einladung des LWC zur inzwischen vierten Konferenz
zu Lebenden Materialien sind im September 200 Expertinnen und Experten aus
13 Ländern gefolgt.

Die Weiterentwicklung der bestehenden Speichersysteme ist eine zentrale
Voraussetzung für die Energiewende. Das Zentrum für Digitalisierte
Batteriezellenproduktion (ZDB) am Fraunhofer IPA hat gemeinsam mit der acp
systems AG eine format- und designflexible Wickelanlage für zylindrische
Batteriezellen in Betrieb genommen. Sie dient als innovative Forschungs-
und Produktionsplattform, um neue Zellformate und -komponenten sowie Tab-
Designs zu erproben. Sie ermöglicht die Entwicklung großformatiger Zellen
für künftige Batterietechnologien. Die Wickelanlage ist weltweit
einzigartig und in eine automatisierte und digitalisierte Infrastruktur
zur Batteriezellproduktion eingebettet.

Batterien für E-Autos bestehen aus mehreren Modulen, in denen eine
Vielzahl von Batteriezellen verbaut sind. Diese sind das Herzstück jeder
Batterie, auf sie entfällt auch der größte Teil der Wertschöpfung.
Zylindrische Batteriezellen sind in den vergangenen Jahren in der
Automobilbranche immer beliebter geworden, wobei der Trend zu großen
Zellformaten geht. Das ZDB des Fraunhofer IPA hat in enger Zusammenarbeit
mit der acp systems AG eine Wickelanlage für zylindrische Batteriezellen,
auch Rundzellen genannt, entwickelt, aufgebaut und nun in Betrieb
genommen. Sie dient als vielseitige Forschungs- und Produktionsplattform,
um neue Zellformate und Tab-Designs sowie fortschrittliche Methoden zur
Qualitätssteigerung und Prozessoptimierung in kurzer Zeit zu erproben. Die
neue Wickelanlage komplettiert eine europaweit einzigartige
Fertigungslinie für die vollständige Montage von Batteriezellen für
Lithium-Ionen- sowie für zukünftige Batterietechnologien wie zum Beispiel
Natrium-Ionen-Batterien. Das Besondere der Fertigungskette ist die
Digitalisierung und Vernetzung aller Prozessschritte – vom Beschichten,
Wickeln, Assemblieren und Befüllen bis hin zum Formieren. Das Ministerium
für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg hat den Bau und die
Installation der Wickelanlage gefördert.

»Am ZDB können wir alle Prozessschritte zur Herstellung einer
Batteriezelle abdecken. Der Wickelprozess ist einer der Kernprozesse der
Produktion, der Wickel das Herzstück der Batteriezelle. Mit der
Wickelanlage haben wir nun eine Lücke in der durchgängig digitalisierten
Prozesskette geschlossen, die Fertigungslinie ist somit komplett«, sagt
Julian Grimm, Forschungsteamleiter am Fraunhofer IPA und stellvertretender
Zentrumsleiter des ZDB.

Elektroden und Separatoren werden zur Jelly Roll aufgewickelt

Rund ein Dutzend Arbeitsschritte sind nötig, bis eine Zelle einsatzbereit
ist. Beim Wickelprozess werden die positive und die negative Elektrode
zusammen mit zwei Separatoren zu einem Wickel, dem sogenannten Jelly Roll,
aufgerollt bzw. aufgewickelt. Im Anschluss folgt der Zusammenbau, bei dem
die Jelly Roll hochpräzise geführt werden muss. Anschließend wird über
eine durch das mittige Loch des Wickels eingeführte Stabelektrode der
Wickel mit dem Becherboden verschweißt.

Doch die neue Wickelanlage für zylindrische Batteriezellen ist nicht nur
eine Produktionsplattform für Jelly Rolls, vielmehr dient sie auch als
Forschungsplattform, um innovative Zellsysteme und -formate zu entwickeln
und deren Qualität zu testen. »Das Alleinstellungsmerkmal unserer Anlage
ist ihre Flexibilität. Mit ihr sind wir in der Lage, unterschiedliche
Zellformate in unterschiedlichen Größen und Tab-Designs wie etwa Tabless
Designs ohne angeschweißten Tab zu realisieren. Der Tab, ein schmales
Ableiterelement an der Anode und der Kathode, durch die der Strom fließen
muss, ist die Engstelle in großformatigen Zellen«, so der Forscher. Bei
Rundzellen geht der Trend hin zu größeren Zellformaten, die hinsichtlich
des Durchmessers und der Höhe größer sind. Wickel und Rundzelle fallen
also größer aus. Das Problem: Je größer die Zellen sind, desto schwieriger
wird es, den Strom und die Wärme abzuführen. »Auf diese Herausforderung
können wir mit individuellen Tab-Designs reagieren, wo etwa in einem
Tabless-Design die Trägerfolie aus Aluminium und Kupfer als Strom- und
Wärmeableiter dient und einen höheren Abtransport ermöglicht als der
klassische Tab«, erläutert Grimm. Innovative Zelldesigns stellen die
Homogenität in zylindrischen Zellen sicher und ermöglichen somit
großformatige Zellen. Durch größere Zellen mit mehr Aktivmaterial lässt
sich eine höhere Energiedichte und somit eine größere Reichweite von
E-Autos realisieren.

Gesammelte Daten werden den Batteriezellen zugeordnet

Um den Ausschuss zu minimieren und die Qualität zu erhöhen, ist der
gesamte Pro-duktionsprozess digitalisiert und vernetzt. Dafür sammeln
Sensoren Daten, die in Echtzeit in der Cloud zusammenlaufen. Am Fraunhofer
IPA entwickelte Traceability-Technologien ermöglichen es, die gesammelten
Daten den produzierten Batteriezellen zuzuordnen. Jede einzelne
hergestellte Batteriezelle steht für Datenanalysen und das Trainieren
einer Künstlichen Intelligenz bereit. So lässt sich zurückverfolgen, unter
welchen Bedingungen sie gefertigt wurde und wie sie in Relation zur
erreichten Produktqualität steht. Die Daten werden zur Entwicklung von
Services mit Überwachungs-, Analyse- und Vorhersagefähigkeiten genutzt.
Damit wird es möglich, den Produktionsablauf zu verbessern und
Fehlerquellen schneller als bisher zu beseitigen.

»Die innovativen Zelldesigns erfordern eine Neugestaltung und Optimierung
der Produktionsprozesse, die an der Wickelanlage erforscht werden können.
Die Kombination aus innovativem Zelldesign und agilen Produktionsansätzen
ist der Schlüssel, um die Anforderungen einer sich rasch wandelnden
Energielandschaft zu erfüllen, schnellere Markteinführungen neuer Lösungen
zu ermöglichen und den Weg zu nachhaltigen, qualitativ hochwertigen
Batterietechnologien zu ebnen«, resümiert Grimm. Auch erhalten Hersteller
und Anwender von Elektroden, Separatoren und Zellen die Möglichkeit, ihre
Prototypen, Produkte, Zellkomponenten, Materialien und Designs an der
Anlage zu testen.