ERC Consolidator Grant 2025
Künstliche Cellulose-Synthese-Maschinerie für die Bottom-up-Herstellung von Nanocellulose
Im Rahmen des Projekts „Künstliche Cellulose-Synthese-Maschinerie für die Bottom-up-Herstellung von Nanocellulose ‒ ArCeS“ (engl. Artificial Cellulose Synthesizing Machinery for Bottom-up Nanocellulose Manufacturing ‒ ArCeS) wird Dr. Yu Ogawa mit seinem Team untersuchen, wie sich Cellulosefibrillen Schritt für Schritt bilden und entscheidende Aspekte dieses biologischen Prozesses in kontrollierten Laborplattformen nachbilden.
Cellulose ist das am häufigsten vorkommende und erneuerbare Biopolymer der Erde und spielt in zahlreichen Branchen eine entscheidende Rolle, von Textilien und Verpackungen bis hin zum Bauwesen und zur Elektronik. Ihre außergewöhnliche mechanische Festigkeit, Stabilität und Erneuerbarkeit machen sie zu einem vielseitigen Material mit immensem Potenzial für nachhaltige Innovationen. Diese bemerkenswerten Eigenschaften beruhen auf ihrer einzigartigen hierarchischen Struktur und der kristallinen Beschaffenheit ihrer Nanofasern, den sogenannten Cellulose-Mikrofibrillen. Trotz ihrer Bedeutung und der Tatsache, dass dieses Material seit Anbeginn der menschlichen Zivilisation genutzt wird, sind die komplexen molekularen Prozesse der Biosynthese, die von Cellulose-Synthase-Komplexen durchgeführt werden, nach wie vor kaum verstanden. Diese grundlegende Wissenslücke schränkt unsere Fähigkeit ein, Cellulose für fortschrittliche Anwendungen voll auszuschöpfen. In diesem Projekt wollen wir mithilfe eines materialwissenschaftlichen Ansatzes den schwer fassbaren Biokristallisationsmechanismus von Cellulosemikrofibrillen entschlüsseln. Mithilfe modernster Elektronenmikroskopie und molekularer Modellierung werden wir die entscheidenden physikalisch-chemischen Faktoren identifizieren, die den Zusammenbau von Cellulosemolekülen zu kristallinen Cellulosemikrofibrillen in natürlichen Systemen steuern. Aufbauend auf dem mechanistischen Verständnis dieses Prozesses werden wir eine neuartige synthetische Plattform zur Herstellung von Cellulose-Nanomaterialien entwickeln. Dazu werden wir die Maschinerie des Cellulose-Synthase-Komplexes auf künstlich hergestellten Oberflächen rekonstruieren. Dieser Ansatz ermöglicht eine präzise Kontrolle über die Struktur der Cellulose-Synthase-Komplexe sowie deren physikalisch-chemische Umgebung. Dadurch wird die Herstellung von Cellulose-Nanopartikeln mit einstellbaren Eigenschaften und nanoskaligen Morphologien erleichtert. Diese übertreffen die Möglichkeiten sowohl der natürlichen Biosynthese als auch synthetischer Methoden.
Das Projekt zielt langfristig darauf ab, grundlegende Erkenntnisse für ein breites Spektrum an Forschungsdisziplinen zu liefern und eine wasserbasierte Proof-of-Concept-Plattform in nahezu realen Umgebungsbedingungen und unter Verwendung biologischer Katalysatoren zu etablieren. Langfristig könnten diese Erkenntnisse neue Wege zu hochleistungsfähiger, biobasierter Cellulose eröffnen und dazu beitragen, eine stärker kreislauforientierte, pflanzenbasierte Wirtschaft zu fördern.
Das Projekt wird über fünf Jahre mit rund zwei Millionen Euro gefördert.