Nanopartikel aus Pflanzen

Aufgrund ihrer vielfältigen Einsatzgebiete sind Nanopartikel in aller Munde. Vor allem biologisch produzierte Partikel scheinen viele Vorteile zu haben. Doch sind die vielversprechenden kleinen Partikel tatsächlich unbedenklich in der Anwendung?

Die Nanotechnologie ist heute aus nahezu keinem Wissenschaftszweig mehr wegzudenken. Die Größe von Nanopartikeln liegt typischerweise zwischen 1 und 100 Nanometern, also etwa einem Millionstel Millimeter. Je nach Form und Größe haben Nanopartikel verschiedene Eigenschaften. Heute werden die winzigen Teilchen von der Biomedizin bis zur Landwirtschaft eingesetzt, beispielsweise lassen sich bestimmte Arzneistoffe mit Gold-Nanopartikeln präzise zu ihrem Wirkort transportieren, doch auch Tumoren oder genetische Erkrankungen lassen sich im Körper mit diesen winzigen Partikeln aufspüren und bekämpfen. Neben Nanoteilchen aus Gold, Silber und Eisenoxid findet man in der Welt der winzigen, metallischen Stoffe auch Partikel aus Zink und Titan.

Biologische Herstellung vorteilhaft

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Theoretisch können metallische Nanopartikel physiochemisch hergestellt werden. Diese Verfahren bergen aber gleich zwei große Nachteile: Physiochemische Herstellungsprozesse können die Umwelt zum Teil erheblich belasten, da bei der Produktion toxische Stoffe verwendet werden. Und auch die so entstandenen Nanoteilchen sind nicht universell einsetzbar. Wegen der toxischen Kontaminationen sind die allermeisten dieser Partikel beispielsweise für biomedizinische Zwecke nicht verwendbar.

Daher wurden in den letzten Jahren biologische Produktionssysteme etabliert, die auf Mikroorganismen und Pflanzen beruhen. Diese überzeugen durch mehrere Vorteile: Sie sind nicht toxisch, die Herstellung ist reproduzierbar und leicht in der Produktionsmenge skalierbar.

Pflanzen sind ideale Nanofabriken

Vor allem Pflanzen erwiesen sich bei der Herstellung von Nanopartikeln als umweltfreundliche, einfache, schnelle, stabile und kosteneffektive Produktionsstätten. Für die Herstellung von metallischen Nanopartikeln kommen unterschiedliche Teile der Pflanze in Frage: So wurden Nanopartikel bereits in Blättern, Früchten, Stängeln, Wurzeln und ihren Extrakten hergestellt. Wie die Pflanzen das genau bewerkstelligen und welche Komponenten des pflanzlichen Stoffwechsels an der Produktion von Nanopartikeln beteiligt sind, ist noch weitgehend unbekannt.

Wissenschaftler vermuten, dass Proteine, Aminosäuren, organische Säuren sowie Stoffwechselprodukte, sogenannte Sekundärmetabolite, eine wichtige Rolle bei der metallischen Salzreduktion spielen. Außerdem wirken diese Stoffe höchstwahrscheinlich wie Schutzkappen, die die metallischen Nanopartikel während des Herstellungsprozesses stabilisieren. Besonders zweikeimblättrige Pflanzen verfügen über eine große Anzahl an sekundären Metaboliten, die wichtig für die Herstellung von metallischen Nanopartikeln sind.

Vorteile biologisch produzierten Nanopartikel

Anders als physiochemisch hergestellte Nanoteilchen sind biologisch produzierte in der Lage, komplexe, biologische Flüssigkeiten zu adsorbieren. Der so entstandene Komplex kann wiederum mit biologischen Systemen interagieren. Vor allem in medizinisch wirksamen Pflanzen tummeln sich zahlreiche, pharmakologisch aktive Metabolite, die mutmaßlich an der Oberfläche der Nanopartikel ihre Wirkung entfalten.

Pflanzliche Produktionssysteme zeichnen sich außerdem durch kurze Produktionszeiträume für Nanopartikel aus: So wurden Silber-Nanopartikel in Pflanzenextrakten bereits in Zeitspannen zwischen 2 Minuten und 2 Stunden hergestellt, Goldpartikel zwischen 3 und 10 Minuten.

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Biologisch hergestellte Nanopartikel wirken außerdem nicht nur effektiver gegen Tumorzellen und Bakterien als chemisch synthetisierte, sie sind auch bessere Sensoren.

Herausforderungen

Ein Nadelöhr gibt es allerdings trotz erheblicher Produktionsfortschritte in den letzten Jahren immer noch: Die Partikel sind oft uneinheitlich in ihrer Größe und weit verstreut im Produktionsorganismus. Aus diesem Grund versuchen Wissenschaftler ihre Systeme so zu verändern, dass die produzierten Nanopartikel eine nahezu identische Größe und Morphologie aufweisen. Bei Pflanzen kann das beispielsweise über eine Veränderung des pH-Wertes erfolgen. In der Folge verändern sich auch die Ladungen der natürlichen Phytochemikalien und verändern deren Bindungs- und Reduktionskapazitäten während der Synthese der Nanopartikel. Das wiederum beeinflusst die Morphologie der Partikel und die Produktionsausbeute.

Trotz aller Fortschritte in den letzten Jahren ist die Phyto-Nanotechnologie ein junges Forschungsgebiet. Bis zum Einsatz von metallischen Nanopartikeln beim Menschen gibt es noch zahlreiche Fragen zur Verträglichkeit und Toxizität zu klären. Dazu gehören beispielsweise: Welche Faktoren beeinflussen die Zytotoxizität von pflanzlich hergestellten, metallischen Nanopartikeln? Wie hängen Oberflächenbeschaffenheit und Agglomeration der Partikel mit ihrer möglichen Toxizität zusammen? Welche Toxizitätstests eignen sich für diese Nanopartikel, um auch Schäden an Zellorganellen ausschließen zu können?

Erst wenn all diese Fragestellungen zufriedenstellend beantwortet werden können, werden biologisch produzierte Nanopartikel ihren Weg in klinische Studien finden.