Schwarz glänzt das kreisrunde Blättchen, das Raffaele Mezzenga vorsichtig aus einer Petrischale hebt. Beim Anblick dieses Papierchens ist kaum vorstellbar, dass es aus einem neuartigen Nano-Kompositmaterial besteht, mit noch nie dagewesenen Eigenschaften, und vor kurzem im Labor des ETH-Professors entwickelt worden ist.

Dieses Papier besteht aus lagig aufgebautem Graphen und Proteinfibrillen. «Diese ungewöhnliche Kombination macht den Nanokomposit so vielseitig und einzigartig», sagt Mezzenga. Das Material hat beispielsweise ein Formgedächtnis: Es verformt sich bei Wasseraufnahme und kehrt bei der Trocknung wieder in seine Ausgangsform zurück. Dadurch könnte es beispielsweise in Wassersensoren oder in, auf Feuchtigkeit reagierenden, Schaltern eingesetzt werden. Weiter ist das Graphenpapier vollständig biologisch abbaubar.

Neuartige Biosensorik

«Aber die interessanteste Funktion ist, dass wir dieses Material als Biosensor verwenden können, um damit präzise die Aktivität von Enzymen zu messen», sagt Mezzenga. Enzyme können die Proteinfibrillen verdauen und abbauen. Dadurch verändert sich der Widerstand des Nanokomposits. Das ist messbar, wenn das Graphenpapier in einen elektrischen Schaltkreis eingebaut wird. «Diese Eigenschaft ist für mich der schönste Teil dieser Geschichte. So betrachtet können wir für uns beanspruchen, eine neue, generelle Methode entdeckt zu haben, mit der wir die enzymatische Aktivität messen können», sagt der ETH-Professor.

Das Material kann überdies für andere Nutzungen ausgelegt werden. Je höher beispielsweise der Graphen-Anteil ist, desto besser leitet es den elektrischen Strom. Je mehr Fibrillen der Nanokomposit enthält, desto mehr Wasser kann er absorbieren und wird sich unter verändernden Feuchtegraden stärker deformieren.

Die ungewöhnlichen Eigenschaften kommen daher, dass Graphen eine hohe mechanische Festigkeit hat und leitfähig ist. Von Natur aus ist dieser Stoff stark wasserabstossend. Die Proteinfibrillen dagegen sind biologisch aktiv und können Wasser binden. Dadurch kann das neue Material Wasser aufnehmen und seine Form entsprechend den herrschenden Feuchtigkeitsverhältnissen verändern.

Herstellung analog zu Papier

Interessant ist auch, dass die Forscher das neue Material mit relativ einfachen Mitteln herstellen konnten. Das Protein, in diesem Fall Beta-Lactoglobulin, ein Milchprotein, wird zuerst bei Hitze in saurer Lösung denaturiert. Das Endprodukt des Denaturierungsprozesses sind in Wasser gelöste Proteinfäden. Diese Fibrillen stabilisieren die hydrophoben Graphenplättchen. Daraus erzeugen die Wissenschaftler eine wässrige, feine Dispersion. Durch eine einfache Filtertechnik wird diese schliesslich zum Nanokomposit weiterverarbeitet und in hauchdünne Blätter getrocknet, «ähnlich wie wenn man normales Papier aus Cellulose herstellt», erklärt Mezzenga. Diese beiden Komponenten Proteinfibrillen und Graphen können in unterschiedlichen Zusammensetzungen kombiniert werden.

Da viele Proteine unter spezifischen Bedingungen Fibrillen bilden, können die Forscher ihr neues Konzept zudem auf andere Nahrungsproteine ausdehnen und Ei-, Blutserums- oder Soja-Proteine einsetzen.

Weitere Proteinarten verwendbar

Die Beta-Lactoglobulin-Fibrillen, welche die Forscher in dieser Arbeit verwendeten, lassen sich spezifisch mit Pepsin, einem Verdauungsenzym aus dem menschlichen Magen, auflösen. Würden Fibrillen anderer Proteinarten im neuen Nanokomposit verwendet, könnte die Methode zur Messung der Aktivitäten auf eine Vielzahl verschiedener Enzyme ausgeweitet werden.

Inspiriert durch ihre bisherige Arbeit an Amyloid-Fibrillen und das Aufkommen von Graphen, haben die ETH-Forscher aus den beiden Bausteinen eine neue Klasse von vielseitigem und funktionalem Material geschaffen. «An sich ist Graphen-Papier heutzutage nichts Neues. Neu ist aber die Kombination mit Amyloid-Fibrillen, die zentral sind für diese neue Klasse von Hybridmaterialien», betont Raffaele Mezzenga.

Literaturhinweis:

Li C, Adamcik J & Mezzenga R. Biodegradable nanocomposites of amyloid fibrils and graphene with shape-memory and enzyme sensing properties. Nature Nanotechnology 2012. doi:10.1038/nnano.2012.62