T-Shirt verfärbt sich rot, wenn die Sonne gefährlich wird

Proteine und Bakterien sind essenzielle Bausteine des Lebens. Während Proteine im Körper entscheidend sind, um Infektionen abzuwehren oder nach dem Sport die Regeneration der Muskeln unterstützen, spielen Bakterien eine zentrale Rolle bei der Verdauung oder der umweltfreundlichen Zersetzung von Abfällen. 

Doch ihr Potenzial geht weit darüber hinaus: Ein Forschungsteam rund um Volker Sieber, Leiter des Lehrstuhls für Chemie Biogener Rohstoffe an der Technischen Universität München (TUM), hat diese beiden Komponenten genutzt, um eine intelligente Beschichtung für Textilien zu entwickeln. Diese warnt ihre Träger vor schädlicher UV-Strahlung, indem das Kleidungsstück bei hoher Sonneneinstrahlung seine Farbe von Grün auf Rot ändert. 

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Protein lichtempfindlich

Zum Einsatz kommt das von Natur aus lichtempfindliche Protein mEosFP. Laut der Studienerstautorin Amelie Skopp stammt dieses ursprünglich aus Korallen, wo es eine Schutzfunktion gegenüber intensiver UV-Strahlung erfüllt. „Für unsere Arbeit wird dieses Protein jedoch biotechnologisch hergestellt, sodass keine natürlichen Ressourcen wie Korallen benötigt werden“, erzählt die Forscherin im futurezone-Interview. 

Auf diesem fluoreszierenden Protein basiert auch die Farbumschlag-Technologie im T-Shirt. „Dieses Protein besitzt die besondere Eigenschaft, seine Struktur unter UV-Licht dauerhaft zu verändern“, so Skopp. Im Ausgangszustand fluoresziert das Material grün. Wird es UV-Strahlung ausgesetzt, kommt es zu einer fotochemischen Reaktion, wodurch sich die Molekülstruktur ändert. „Dadurch verschiebt sich das Emissionsspektrum – das Material erscheint rot.“ 

Kultiviert wurde das Protein mithilfe von E. coli-Bakterien, die natürlicherweise auch im menschlichen und tierischen Darm vorkommen. „E. coli lässt sich einfach genetisch modifizieren, wächst schnell und ermöglicht eine effiziente Produktion des gewünschten Proteins in großen Mengen“, erklärt die Chemikerin. Die Bakterien schützen die Proteine vor chemischen und physikalischen Einflüssen – und ermöglichen den intensiven Farbwechsel.

Dauerhafte Änderung

Dieser ist schon nach wenigen Minuten sichtbar: Je stärker oder länger die Bestrahlung, desto intensiver der Farbumschlag. „Damit zeigt die Beschichtung nicht nur an, ob UV-Strahlung vorhanden war, sondern gibt auch Auskunft darüber, wie viel sich über die Zeit angesammelt hat“, ergänzt Co-Erstautorin Matea Marošević. Eine zentrale Herausforderung stellte zunächst die Stabilität des Proteins in der komplexen chemischen Umgebung einer Beschichtung dar. 

„Isoliertes mEosFP zeigte zwar grundsätzlich die gewünschte Farbreaktion, jedoch war diese schwach, und gleichzeitig verschlechterten sich die Materialeigenschaften der Beschichtung deutlich“, erklärt Marošević. Der entscheidende Durchbruch gelang, als das Forschungsteam nicht nur das isolierte Protein, sondern ganze, inaktive E. coli-Zellen als Biomasse eingebracht hatte.

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Optische Rückmeldung

Ist das Material einmal rot, kehrt es nicht in seinen Ausgangszustand zurück. Diese irreversible Farbänderung ist Absicht: Sie dient als eindeutiges Signal, dass eine kritische UV-Bestrahlung stattgefunden hat. Unter anderem könnte diese Funktion für Outdoor-Aktivitäten wie Radfahren oder Laufen sinnvoll sein. Statt ein ganzes T-Shirt mit dieser Beschichtung zu machen, könnte man etwa auch austauschbare Stoffpunkte damit erzeugen, die am T-Shirt angebracht und nach der Nutzung ersetzt werden.

Die klare optische Rückmeldung sei besonders zur Kontrolle von UV-basierten Sterilisationsprozessen entscheidend. Ein weiterer Einsatz dieses innovativen UV-Sensors ist laut Sieber in Verpackungen und Etiketten zur Überwachung lichtempfindlicher Produkte denkbar. Die Technologie kommt ohne fossile Rohstoffe wie Öl oder Kohle aus. Langfristig könnten solche biohybriden Materialien also eine nachhaltige Alternative oder Ergänzung zu bestehenden Technologien darstellen – insbesondere in Anwendungen, bei denen Einfachheit, Umweltverträglichkeit und Kosten eine wesentliche Rolle spielen. 

Großes Innovationsfeld

Aktuell arbeiten die Wissenschafter daran, die Technologie so weiterzuentwickeln, dass sie bald auf den Markt kommen kann. Außerdem interessieren sich Sieber und sein Team für Materialien, die sich an veränderte Bedingungen anpassen, zum Beispiel durch Farbwechsel als Reaktionen auf Feuchtigkeit oder Temperatur. 

Langfristig könnten Systeme entwickelt werden, die selbstständig auf äußere Einflüsse reagieren. „Aktuell arbeiten wir an weiteren biohybriden Materialien, die auf anderen biochemischen Mechanismen basieren. Diese sollen zeigen, dass unsere Plattform nicht auf ein einzelnes Protein oder eine spezifische Funktion beschränkt ist, sondern flexibel auf unterschiedlichste Anwendungen übertragen werden kann“, betont der Forscher.

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