Bionik: Strom wie vom Zitteraal

Es ist über 200 Jahre her, dass der Berliner Naturforscher Alexander von Humboldt Zitteraale dabei beobachtete, wie sie mit Elektroschocks Beute machten. Lange blieben Wissenschaftler skeptisch, ob Humboldts Geschichte aus dem Amazonasgebiet, heute in Venezuela gelegen, stimmt. Erst seit wenigen Jahren wissen Forscher, dass er recht hatte, und verstehen, wie die Aale elektrische Schläge mit einer Spannungen von 600 Volt und hundert Watt Leistung produzieren, um die Muskeln einer Unterwasserbeute in der Nähe zu lähmen: mit hochspezialisierten und hintereinander geschalteten Zellen. Diese Zellen bauen Michael Mayer von der Schweizer Universität Fribourg Schweiz und seine Kollegen jetzt in einem künstlichen Elektro-Organ nach. Ziel ist, wie sie in der Zeitschrift "Nature" schreiben, Herzschrittmacher, medizinische Mess-Sonden oder Pumpen für Medikamente im Körper eines Patienten mit Strom zu versorgen.

Ein Messerfisch als Impulsgeber

Ein erster Schritt auf dem Weg dorthin war eine detaillierte Analyse der Elektropeitsche des Zitteraals. Diese Tiere aus der Gruppe der Messerfische steuern ihre elektrischen Organe mit Nervensignalen, die an jeder dieser Zellen exakt zur gleichen Zeit ankommen. Dadurch öffnen sich Kanäle, durch die elektrisch geladene Teilchen, „Ionen“, ins Innere der Zelle strömen. Gleichzeitig verlassen andere Ionen die Zelle durch andere Kanäle und ein elektrischer Strom beginnt zu fließen. Um auf eine Spannung von 600 Volt zu kommen, sind im elektrischen Organ des Zitteraals einige Tausend solcher Zellen hintereinander geschaltet.

© Thomas Schroeder (tom.schroeder@unifr.ch) und Anirvan Guha (anirvan.guha@unifr.ch)

Der Organnachbau von Michael Mayers Team ist davon allerdings noch ziemlich weit entfernt. Noch kämpfen sie mit technischen Problemen. So liefert das elektrische Organ des Zitteraals nur deshalb eine ansehnliche Leistung, weil die Zellen der Tiere sehr spezifische Kanäle haben, die nur ganz bestimmte Ionen und keine anderen hindurchfließen lassen. „Wir können zwar ebenfalls Membranen herstellen, die sehr gezielt diese Ionen durchlassen. Nur fließen dort viel weniger Ionen als beim Zitteraal“, erklärt Michael Mayer. Das aber bedeutet auch einen dramatisch niedrigeren Stromfluss.

Ein Schalter nach dem Origami-Prinzip

Aus diesem Grund haben die Forscher das Vorbild des Zitteraals für ihre Untersuchung verändert. In ein „Hydrogel“, das viel Wasser enthält, laden die Forscher zusätzlich reichlich Kochsalz. Das wiederum besteht aus positiv geladenen Natrium-Ionen und elektrisch negativen Chlorid-Ionen. Da es für diese Ionen geeignete Membranen gibt, können die Forscher sie ähnlich wie im Zitteraal fließen lassen und produzieren so einen winzigen Stromstoß für eine Mini-Elektro-Peitsche.

Fehlt noch ein Schalter, der ein solches elektrisches Organ an- und ausknipst. Diesen basteln sich die Forscher nach dem Vorbild der japanischen Origami-Technik: Zunächst ordnen sie die Hydrogele so an, dass die linsenförmigen Zellen voneinander getrennt sind und daher auch kein Strom zwischen ihnen fließen kann. Durch einfaches Drücken falten sie die Linsen dann so zusammen, dass die Tropfen nur von den Membranen getrennt direkt nebeneinander zu liegen kommen. Jetzt strömen die Ionen durch die Membran und der Strom fließt.

Noch viele Fragen offen

Ähnlich wie beim Zitteraal schalten auch die Forscher gut 600 solcher Anordnungen hintereinander und erhöhen so die Spannung auf 110 Volt. Da Hydrogele aus einem sehr ähnlichen Material bestehen wie Kontaktlinsen und sich mit dem Gewebe gut vertragen sollten, könnte eine solche Anordnung als Stromquelle für Implantate verwendet werden. Allerdings müssen die Forscher bis dahin noch einen weiten Weg zurücklegen. Bevor sie die Elektro-Peitsche nach einem Stromstoß erneut anschalten, müssen sie die Ionen wieder in die ursprüngliche Position zurückpumpen. Der Zitteraal schafft das mit Hilfe eines Enzyms und der körpereigenen Energie-Versorgung. Noch wissen die Forscher aber nicht, mit welcher Technik sie dieses Enzym in die Membranen einbauen können, um so zu einer Ionen-Pumpe zu kommen. Auch fehlt noch eine Möglichkeit, mit der ein solches elektrisches Organ vom Körper eines Patienten auseinander- und zusammengefaltet werden kann. Vor Michael Mayer und seinen Kollegen dürften also noch etliche Forschungsjahre liegen, in denen sie ein elektrisches Organ entwickeln, das Herzschrittmacher und andere Implantate kontinuierlich mit Energie versorgt.