Leitartikel

As I write this, Theresa May, the Prime Minister of the United Kingdom, has just triggered Article 50 for the UK to leave the European Union. That decision brings a period of considerable uncertainty for the chemical sciences in the UK and it has significant implications for our European scientific community. So it seems like a good moment to reflect on the importance of working together across borders for the future of our science and of our world.Our two chemical communities have a fantastically rich tradition of working together. Indeed, our societies have very special links regarding their respective inceptions. The Royal Society of Chemistry’s predecessor organisation, the Chemical Society of London, was founded in 1841.The very first paper read out at a Chemical Society meeting was by Justus von Liebig, considered the founder of organic chemistry, and whose portrait hangs in our Council Room. And the first President of the Deutsche Chemische Gesellschaft (GDCh’s predecessor), August Wilhelm von Hofmann, had strong links with the UK chemistry. He set up the Royal College of Chemistry – which became the foundation of the chemistry department of Imperial College London – and was President of the Chemical Society in 1861 before returning to Germany, where he co-founded the DChG in 1867.I’m proud to be a member of both our societies, and I’m looking forward to attending the GDCh’s 150th anniversary celebrations together with the President of the Royal Society of Chemistry in Berlin in September and to celebrating your sesquicentenary with a special Anglo-German symposium at the RSC in London in October.However wonderful it is to honour our shared past, it is even more important to focus on our shared future. As scientists, we understand that partnership isn’t a zero-sum game – it’s the key to success. Science is global, and so are many of the challenges that our world faces, whether that’s antimicrobial resistance or climate change. No country has a monopoly on innovation or on talent. And no scientific breakthrough happens in isolation. That’s why it is essential that we allow researchers to move easily across borders, so the most gifted people can work together. At the moment, the protectionist political climate in many countries is putting free movement at risk, and that includes Brexit. Many politicians seem to have a very short-term outlook whereas science works on much longer timescales. We must do everything we can to support international collaboration, and protect the long-term future of science.The UK has achieved a great deal by working with partners across the EU, and the benefits flow both ways. To take just two examples, UK participants are coordinating one in five of the projects that have been funded in the first three years of the current Horizon 2020 funding framework. And 22 percent of chemistry staff in UK universities are EU nationals from countries outside the UK.It is vital that we maintain these strong links after the UK has left the EU. That’s why the Royal Society of Chemistry, along with the rest of the UK science community, is campaigning hard to make sure that Government prioritises our scientific links with mainland Europe during the upcoming negotiations.With signs that scientific thought in the US is increasingly undermined and undervalued, Europe has an opportunity to show greater leadership in the global science community, and to ensure the strongest links with key partners elsewhere in the world where science is booming. To achieve that, we need to work together, not drift apart.As Goethe once said, “Wissenschaft und Kunst gehören der Welt. Vor ihnen verschwinden die Schranken der Nationalität.” As the two biggest chemical societies in Europe, we have a unique role to play making sure that barriers of nationality don’t get in the way of global scientific progress.Dr. Robert Parker, Chief Executive Officer of the Royal Society of Chemistry<figure><img src="https://media.graphcms.com/U9D4Y8oPSVSkaxmBdhdK"><figcaption><label>Abb. 1: </label></figcaption></figure>

Meinungsbeitrag

Shared past, shared future

As I write this, Theresa May, the Prime Minister of the United Kingdom, has just triggered Article 50 for the UK to leave the European Union. That decision brings a period of considerable uncertainty for the chemical sciences in the UK and it has significant implications for our European scientif...

Wissenschaft & Forschung

Die gestielte Meereichel Dosima fascicularis nutzt ein Floß aus einem schaumartigen Proteinhydrogel zum Überleben. Das Gel wäre aufgrund seines Aufbaus und der Zusammensetzung ein idealer Klebstoff für die Medizin.
In der Medizin ist ein Trend zu beobachten: Klassische Operationstechniken wie das Nähen und Klammern von Haut, Organen oder Gefäßen werden durch Klebstoffanwendungen ergänzt oder ersetzt. Vorteile des Klebens sind unter anderem, dass das Gewebe weniger geschädigt wird, Klebstoffe nicht wieder entfernt werden müssen oder dass sie biokompatibler sind als herkömmliches Nahtmaterial.1) Hinzu kommen Kriterien, die herkömmliche Verfahren nicht erreichen, wie die doppelte Funktion eines Klebstoffs als Adhäsiv und als Dichtmaterial. Letzteres ist sehr wichtig beim Verknüpfen von Blutgefäßen oder Bronchien. Hinzu kommt: Die Gewebe von Lunge, Leber, Milz und Niere sind sehr weich; Nähen oder Klammern funktioniert hier daher schlechter als Kleben.2)Generell werden medizinische Klebstoffe in synthetische, biologisch inspirierte oder solche biologischen Ursprungs eingeteilt, wobei letztere eine proteinogene Basis haben – jedenfalls einige der zurzeit zugelassenen Bioklebstoffe.3)Zur Anwendung kommen zum einen Systeme aus Albuminen, also aus Proteinen im Blut, die den kolloidosmotischen Druck regulieren und Substanzen transportieren. Albumine werden aus Human- oder Rinderblut gewonnen und werden über chemische Substanzen wie Formaldehyd, Glutaraldehyd oder Resorcinol quervernetzt.3) Zum anderen werden Fibrinklebstoffe verwendet, die auf Bestandteilen des Blutgerinnungssystems basieren: Fibrinogen, Thrombin, Fibronektin sowie Faktor XIII.4)Ein biobasierter Klebstoff ist wasserverträglich, abbaubar und biokompatibel, hat aber auch Nachteile. Hierzu zählen die Gefahr von Kontaminationen durch Viren, Prionen oder Bakterien aus den humanen oder tierischen Blutbestandteilen, die Verwendung chemischer Quervernetzer und die geringe Festigkeit der Fibrin- oder Albuminklebstoffe.3)Alternativen bietet die Natur: Unter Wasser wird effektiv, schnell und fest mit Proteinen geklebt. Die bekanntesten Beispiele sind die Klebstoffe von Miesmuscheln5) und Rankenfußkrebsen.6)<h2>Klebende Rankenfußkrebse</h2>Die Rankenfußkrebse (Cirripedia) sind festsitzende marine Krebse, die mit ihren beborsteten langen Spaltbeinen (Cirren) Planktonorganismen aus dem Wasser filtern. Sie sind entweder getrenntgeschlechtlich, Zwitter oder Zwitter mit Zwergmännchen. Sie entwickeln sich zum erwachsenen geschlechtsreifen Tier über sechs frei schwimmende Larvenstadien und eine Larve mit zweiklappiger Schale (Cyprislarve). Diese Larve heftet sich mit dem Klebstoff, den ihre Antennen abscheiden, an organisches oder anorganisches Substrat. Um wachsen zu können, sind regelmäßige Häutungen notwendig.Im Rhythmus des Häutungszyklus sondern die Tiere gerade nur so viel Klebstoff ab, Zement genannt, wie zum Fixieren der Anheftungsfläche nötig ist. Die Fläche vergrößert sich im Lauf des Wachstums. Dosima fascicularis, die auch zu den Rankenfußkrebsen gehört, ist eine Ausnahme innerhalb dieser Familie: Diese Art produziert regelmäßig und im Überfluss Zement. Dieser ist mit bloßem Auge deutlich sichtbar und dient nicht nur der Anheftung, sondern auch als Auftriebskörper (Floß) (Abbildung 1).<figure><img src="https://media.graphcms.com/Fw4DOJLSLmoom7TNTwB5"><figcaption><label>Abb. 1: </label>A) Dosima-Tiere zusammen am Holzstöckchen und B) an einer Polymerfolie klebend. <named-content>Foto: Ingo Grunwald</named-content></figcaption></figure>
<h2>Zement-Klebstoff</h2>Der Dosima-Zement entsteht in großen einzelligen, ovalen Drüsen, die zwischen den Ovarialschläuchen mit den Eiern im Stiel des Zwitters liegen Die einzelnen Zementdrüsen sind durch ein Kanalsystem miteinander verbunden, das den Zement durch zwei Hauptkanäle, die in Poren an den Anheftungsscheiben der Antennen münden, nach außen leitet. Da der im Überfluss abgeschiedene Zement die Poren schnell verschließt, brechen weiter oben auf dem Stiel immer wieder neue Poren durch, und neuer Zement wird außen um den bereits vorhandenen abgesondert.7) Der Zementballen wächst also im Rhythmus des Häutungszyklus und ist konzentrisch geschichtet.Sobald der Zement durch die Poren ausgeschieden wird und in das Meerwasser gelangt, polymerisiert er. Typisch für den Zement von Dosima sind eingeschlossene Gasblasen, die dem Tier Auftrieb geben – der Zement kann somit auch als Floß dienen.8) Die Blasen sind am kleinsten in der äußersten Zementschicht, einer Art Rinde, und am größten im Inneren des Zementballens (Abbildung 2A, S. 524). Das Gas ist wahrscheinlich CO2, ein Stoffwechselprodukt in der Blutflüssigkeit, das in das Lumen des Kanalsystems der Zementdrüsen diffundiert und gemeinsam mit dem Zement ausgeschieden wird. Eine andere Erklärung für die Gasblasen ist das Entstehen von H2CO3, das beim Kontakt des Zements mit dem Meerwasser entsteht (Abbildung 2B, S. 524). Bisher sind keine genauen Analysen möglich, da nur Tiere untersucht werden können, die an den Strand gespült werden. Somit ist nicht auszuschließen, dass die Umgebungsluft das Ergebnis verfälscht. Ein weiteres Problem ist: Die Blasen im Dosima-Zement sind nur mikro- bis millimetergroß, sodass eine messbare Gasmenge nur schwierig zu isolieren ist.<figure><img src="https://media.graphcms.com/It9QqaZRTG2uAY0FE4Ll"><figcaption><label>Abb. 2: </label>A) Rasterelektronen- und B) lichtmikroskopische Aufnahmen des Dosima-Zements. A) zeigt die schwammartige Struktur des Zements; B) zeigt den konzentrischen Aufbau und die gebildeten Gasblasen. <named-content>Quelle: Vanessa Zheden</named-content></figcaption></figure>
<h2>Zement in der Medizin</h2>Was qualifiziert den Dosima-Klebstoff für einen potenziellen Einsatz in der Medizin? Aus den bis heute vorliegenden Daten9) ergibt sich: Der Klebstoff enthält über 92 Prozent Wasser und erfüllt damit die Definition eines Hydrogels; die Eigenschaften der Hydrogele sind für den Einsatz im Menschen gewünscht (Bioverträglichkeit). Die verbleibenden Anteile bestehen nahezu gänzlich aus Proteinen, die über eher saure Eigenschaften verfügen. Der Aufbau aus Proteinen spricht dafür, dass körpereigene Enzyme den Klebstoff abbauen. Im Dosima-Klebstoff wurden keine DopaminGruppen identifiziert; damit unterscheidet er sich vom Klebstoff der Miesmuscheln, bei denen dopaminmodifizierte Aminosäuren im Proteinklebstoff dessen Haupteigenschaften von Adhäsion und Kohäsion ausmachen.5) Auch dieser Klebstoff eignet sich für bioinspirierte Anwendungen.10) Die Abwesenheit dopaminmodifizierter Aminosäuren würde eine spätere Klebstoffproduktion enorm erleichtern, da diese posttranslationalen Modifikationen Synthese und Handhabung verkomplizieren. Zwar ähneln die Proteine den Klebstoffproteinen anderer Cirripedier, sind aber nicht identisch, wie Protein- und Peptidanalysen des Dosima-Klebstoffs zeigen.9)Die übermäßige Produktion des Klebstoffs erleichtert es, das Analysenmaterial zu sammeln, und lässt erste Handversuche zur Festigkeit des Klebstoffs zu: Mit den Händen lassen sich weder Stöckchen noch Folie vom Klebstoff trennen (Abbildung 1). Herkömmliche Chemikalien, die sonst im Labor zum Auflösen von Proteingemischen dienen, können dem Dosima-Klebstoff kaum etwas anhaben, was dessen hohe Stabilität und Festigkeit unterstreicht.Im Gegensatz zum Zement anderer Meerestiere wie der verwandten Seepocken (etwa Amphibalanus sp.), der Miesmuscheln (etwa Mytilus edulis) und mancher Röhrenwürmer (etwa Hydroides dianthus) ist der Zement von Dosima fascicularis sehr weich und viskoelastisch. Die Werte für mechanische Festigkeit, Elastizitätsmodul und Zugfestigkeit dieses Klebstoffs sind niedriger als in verwandten Arten. Beim Dosima-Zement erreicht der Elastizitätsmodul Werte zwischen 5 und 20 kP11) im Vergleich zu einem Wert von bis zu 6,5 GPa bei Amphibalanus sp.12). Die Härte der Zementoberfläche von Dosima liegt bei etwa 2,5 kPa, die der inneren Region des Zements beträgt etwa 1,5 kPa.11) Die Zugfestigkeit des Dosima-Zements liegt unter 0,2 MPa,11) gegenüber 35 bis 75 MPa für den Byssusfaden von Mytilus edulis.13) Die schaumartige Struktur des Dosima-Zements mit den vielen Blasen und seine Elastizität lassen auf stoßdämpfende Eigenschaften schließen, die etwa in der Orthopädie Anwendung finden könnten.11)Die Unterschiede zwischen den mechanischen Eigenschaften des Zements von Dosima fascicularis und den aller anderen bisher bekannten Cirripedia lassen sich durch die unterschiedlichen Lebensweise erklären: Dosima lebt entweder einzeln mit eigenem Floß oder zu mehreren, entweder an Treibgut festgeheftet oder durch ein gemeinsames Zementfloß verbunden. Alle anderen Cirripedia-Arten siedeln zumeist dicht beisammen auf Fels oder anderem festen Substrat. Die Volumina von Floß und Gas in den Blasen begünstigen den statischen Auftrieb. Damit das Floß einwandfrei funktioniert, ist eine intakte Rindenschicht als Begrenzung gegenüber der Umwelt (Wasser, Licht- und Sonneneinwirkung) notwendig. Diese Grenzschicht (Abbildung 2B) gibt zusätzlich mechanische Stabilität.<h2>Klebstoffaushärtung</h2>Da bis heute weder das Dosima-Genom sequenziert ist oder cDNA-Banken vorliegen noch komplette Klebstoffproteine identifiziert sind, lässt sich über den Prozess der Klebstoffaushärtung nur spekulieren. Eine Beteiligung enzymbasierter Quervernetzungsreaktionen ist aber nicht auszuschließen und würde die hohe Stabilität des Dosima-Klebstoffs erklären. Die nächsten Schritte zu einem medizinischen Klebstoff wären die Identifikation der beteiligten Proteine, deren Herstellung im Labor und Funktionstests. Daran würden sich Studien zur Bioverträglichkeit und -abbauarbeit sowie Versuche mit Geweben anschließen.Im Rahmen einer Charakterisierung des Dosima-Klebstoffs wurde erstmals eine Biokompabilitätsstudie nach ISO 10993–5:2009 (Biological evaluation of medical devices – Part 5: Tests for in vitro cytotoxicity) durchgeführt, und zwar mit marinen und terrestrischen biologischen Klebstoffen inklusive dem Schaumfloß von Dosima fascicularis und den Byssusfäden der Miesmuschel Mytilus edulis. Als Vergleiche dienten die handelsüblichen medizinischen Klebstoffe auf Cyanacrylat- und auf Fibrinbasis (Histoacryl, B. Braun Melsungen beziehungsweise Tisseel Baxter). Die meisten getesteten biologischen Klebstoffe sind zu allen Zeitpunkten (Tag 1 bis Tag 4, direkte Applikation) für die meisten Zelllinien biokompatibel. Vor allem Dosima und Mytilus sorgen an Tag 1 und 2 für eine extreme Zellvermehrung (bis zu 200 Prozent je nach Zellinie verglichen mit der Kontrollprobe und dem cyanacrylathaltigen Produkt),14) was darauf hindeutet, dass die Klebstoffe die Zellen positiv beeinflussen. Da kommerzielle Produkte wie Histoacryl sich nicht für die Zellkultur eignen, sind biologische Klebstoffe vielversprechende Biomaterialien für Biomedizin und Geweberegeneration.<h2>Quergelesen</h2>Weiche Gewebe wie Lunge, Leber und Herz lassen sich besser kleben als nähen. Dafür eignen sich biobasierte Klebstoffe, da sie wasserverträglich, bioabbaubar und biokompatibel sind.Der Rankenfußkrebs Dosima fascicularis sondert einen solchen Klebstoff ab. Verglichen mit denen anderer Meerestiere ist dieser sehr weich und viskoelastisch.Eine Biokompatibilitätsstudie zeigt: Die Klebstoffe von Dosima und einer Miesmuschelart sorgen dafür, dass sich Zellen vermehren, was die Wundheilung verbessert.<h2>Vitakasten</h2>Ingo Grunwald, Jahrgang 1968, forscht am Fraunhofer IFAM in Bremen an biologischen Grenzflächeninteraktionen. Dazu gehören das proteinvermittelte Kleben und seine Anwendungsmöglichkeiten.<div><img src="https://media.graphcms.com/IpKVaht4Q5hd1oLJBxAk">

</div>Janek von Byern, Jahrgang 1973, beschäftigt sich seit zwölf Jahren mit tierischen Klebstoffen. Er untersucht dafür Tiere angefangen beim Tintenfisch Idiosepius bis zu den Wirbeltieren.<div><img src="https://media.graphcms.com/zYIv8qCGTB28J2hb8UIX">

</div>Vanessa Zheden, Jahrgang 1981, arbeitet am Institute of Science and Technology Austria. Während ihrer Dissertation an der Universität Wien befasste sie sich mit dem Klebstoff von Dosima fascicularis und dessen Entstehung.<div><img src="https://media.graphcms.com/jemaBtlsQ6mAdiI1w12Y">

</div>Waltraud Klepal, Jahrgang 1943, Leiterin des Wissenschaftsfonds(FWF)-Projekts zur Erforschung des Zements von Dosima fascicularis, ist Zoologin. Ihre Spezialgebiete sind Elektronenmikroskopie und Ultrastrukturforschung.<div><img src="https://media.graphcms.com/J4IAlUZhQ0SgceYkTmJi">

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<ul><h2>Literatur</h2><li>
1 A. P. Duarte, J. F. Coelho, J. C. Bordado, M. T. Cidade, M. H. Gil, Progress in Polymer Science 2012, 37, 1031–1050.</li><li>
2 N. V. Shah, R. Meislin, Orthopedics 2013, 36, 945–956.</li><li>
3 P. J. M. Bouten, M. Zonjee, J. Bender et al., Progress in Polymer Science 2014, 39, 1375–1405.</li><li>
4 S. Nürnberger, S. Wolbank, A. Peterbauer-Scherb et al., Properties and potential alternative applications of fibrin glue, [Hrsg: J. von Byern, I. Grunwald], Springer Verlag, Wien – New York, 2010.</li><li>
5 J. H. Waite, M. L. Tanzer, Science 1981, 212, 1038–1040.</li><li>
6 K. Kamino, Marine Biotechnology 2008, 10, 111–121.</li><li>
7 V. Zheden, J. von Byern, A. Kerbl et al., Biological Bulletin 2012, 223, 192–204.</li><li>
8 V. Zheden, A. E. Kovalev, S. N. Gorb, W. Klepal, Interface Focus 2015, 5, 20140060.</li><li>
9 V. Zheden, W. Klepal, J. von Byern et al., Biofouling 2014, 30, 949–963.</li><li>
10 Q. Wei, K. Achazi, H. Liebe et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 11650–11655.</li><li>
11 V. Zheden, W. Klepal, S. N. Gorb, A. E. Kovalev, Interface Focus 2015, 5, 20140049.</li><li>
12 Y. J. Sun, S. L. Guo, G. C. Walker, C. J. Kavanagh, G. W. Swain, Biofouling 2004, 20, 279–289.</li><li>
13 E. Bell, J. Gosline, J. Exp. Biol. 1996, 199, 1005–1017.</li><li>
14 J. von Byern et al., unveröffentlich.</li></ul>

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