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May 16, 2023

Die französische Stadt, in der die Beleuchtung lebendig ist

In einem ruhigen Nebenraum des Covid-19-Impfzentrums in Rambouillet, einer kleinen französischen Stadt etwa 50 km südwestlich von Paris, strömte ein sanftes blaues Licht aus einer Reihe zylindrischer Röhren.

In einem ruhigen Nebenraum des Covid-19-Impfzentrums in Rambouillet, einer kleinen französischen Stadt etwa 50 km südwestlich von Paris, strömte ein sanftes blaues Licht aus einer Reihe zylindrischer Röhren. Mitglieder der Öffentlichkeit, die letztes Jahr einen Impfstoff erhalten hatten, wurden eingeladen, ein paar Minuten im Glühen zu baden, während sie im Aufwachbereich warteten.

Bald wird derselbe azurblaue Schein nachts den nahegelegenen, von Bäumen gesäumten Place André Thomé et Jacqueline Thomé-Patenôtre erleuchten, der sich direkt gegenüber der treffend benannten Aufführungshalle La Lanterne befindet. Diese ätherischen Experimente werden auch in ganz Frankreich durchgeführt, unter anderem am Flughafen Roissy-Charles-de-Gaulle der Hauptstadt.

Aber im Gegensatz zu herkömmlichen Straßenlaternen, die oft grelles Licht ausstrahlen und an das Stromnetz angeschlossen werden müssen, werden diese außerirdischen Lichter von lebenden Organismen durch einen Prozess namens Biolumineszenz angetrieben.

Dieses Phänomen, bei dem chemische Reaktionen im Körper eines Organismus Licht erzeugen, lässt sich an vielen Orten in der Natur beobachten. So unterschiedliche Organismen wie Glühwürmchen, Pilze und Fische haben die Fähigkeit, durch Biolumineszenz zu leuchten. Es kommt in 76 % der Tiefseelebewesen vor und hat sich Dutzende Male unabhängig voneinander entwickelt, darunter mindestens 27 Mal allein bei Meeresfischen.

Ebenso vielfältig sind die Einsatzmöglichkeiten der Biolumineszenz in der Natur. Glühwürmchen leuchten auf, um Partner anzulocken, während einige Algenarten leuchten, wenn das umgebende Wasser gestört wird. Tiefsee-Seeteufel ermöglichen es biolumineszierenden Bakterien, sich auf einem Lappen über ihrem Kopf niederzulassen und als verlockender Köder für ihre Beute zu dienen.

Meeresalgen können ein unheimliches Leuchten im Wasser erzeugen, wenn sie durch Wellen, Boote oder Schwimmer gestört werden (Quelle: Eleanor Hamilton/Alamy)

Die meisten biolumineszierenden Meeresarten strahlen ein blaugrünes Licht aus, das sich aufgrund der kürzeren Wellenlängen der Farben im Ozean weiter ausbreiten kann. Einige Glühwürmchen und bestimmte Schnecken leuchten gelb, und der sogenannte „Eisenbahnwurm“, eine auf dem amerikanischen Kontinent beheimatete Käferlarve, verfärbt sich bekanntermaßen sowohl rot als auch grünlich-gelb in einem gepunkteten Muster, das nachts an einen Zug erinnert. Es wurde sogar festgestellt, dass Springhasen – nachtaktive Nagetiere, die im südlichen Afrika vorkommen – Haare haben, die ein leuchtend rosa biofluoreszierendes Leuchten erzeugen.

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Der türkisblaue Schimmer, der den Warteraum in Rambouillet erhellt, stammt von einem Meeresbakterium namens Aliivibrio fischeri, das vor der Küste Frankreichs gesammelt wurde. Die Bakterien werden in mit Salzwasser gefüllten Röhren gespeichert und können so in einer Art leuchtendem Aquarium zirkulieren. Da das Licht durch interne biochemische Prozesse erzeugt wird, die Teil des normalen Stoffwechsels des Organismus sind, erfordert der Betrieb fast keine andere Energie als die, die für die Produktion der von den Bakterien verzehrten Nahrung benötigt wird. Eine Mischung aus Grundnährstoffen wird hinzugefügt und Luft wird durch das Wasser gepumpt, um Sauerstoff bereitzustellen. Um „das Licht auszuschalten“, wird einfach die Luft abgeschnitten, wodurch der Prozess gestoppt wird, indem die Bakterien in einen anaeroben Zustand versetzt werden, in dem sie keine Biolumineszenz erzeugen.

„Unser Ziel ist es, die Art und Weise zu verändern, wie Städte Licht nutzen“, sagt Sandra Rey, Gründerin des französischen Start-ups Glowee, das hinter dem Projekt in Rambouillet steht. „Wir wollen ein Ambiente schaffen, das die Bürger, die Umwelt und die Artenvielfalt besser respektiert – und diese neue Lichtphilosophie als echte Alternative durchsetzen.“

Befürworter wie Rey argumentieren, dass die von Bakterien erzeugte Biolumineszenz eine energieeffiziente und nachhaltige Möglichkeit sein könnte, unser Leben zu beleuchten. Sie argumentiert, dass sich die Art und Weise, wie wir derzeit Licht erzeugen, seit der Entwicklung der ersten Glühbirne im Jahr 1879 kaum verändert habe. Während die LED-Glühbirne, die in den 1960er Jahren auf den Markt kam, die Betriebskosten der Beleuchtung erheblich gesenkt habe, sei sie immer noch auf Strom angewiesen. das größtenteils durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe entsteht.

Glowee züchtet das Meeresbakterium Aliivibrio fischeri in Salzwasser und einer Mischung aus Nährstoffen – die Bakterien leuchten, wenn ihnen Sauerstoff zugeführt wird (Quelle: Glowee)

Glowee wurde 2014 gegründet und entwickelt einen flüssigen Rohstoff – theoretisch unendlich erneuerbar – aus biolumineszierenden Mikroorganismen. Es wird in Meerwasseraquarien gezüchtet, bevor es in die Aquarienröhren verpackt wird. Der Herstellungsprozess, so Rey, verbraucht weniger Wasser als die Herstellung von LED-Leuchten und setzt weniger CO2 frei, zudem sei die Flüssigkeit biologisch abbaubar. Nach Angaben des Unternehmens verbrauchen die Leuchten im Betrieb auch weniger Strom als LEDs, obwohl die Glowee-Lampen weniger Lumen Licht erzeugen als die meisten modernen LED-Lampen.

Während die Leuchten von Glowee derzeit nur in Standardröhren für Veranstaltungen erhältlich sind, plant das Unternehmen, bald verschiedene Arten von Stadtmobiliar herzustellen, beispielsweise Außenbänke mit integrierter Beleuchtung.

Im Jahr 2019 unterzeichnete das Rathaus von Rambouillet eine Partnerschaft mit Glowee und investierte 100.000 € (83.300 £/109.000 $), um die Stadt in „ein vollwertiges Biolumineszenzlabor“ zu verwandeln.

Guillaume Douet, Leiter der öffentlichen Räume in Rambouillet, glaubt, dass das Experiment, wenn es gelingt, zu einem Wandel im ganzen Land führen könnte. „Hier geht es um eine Stadt von morgen“, sagt Douet. „Wenn der Prototyp wirklich funktioniert, können wir ihn in großem Maßstab einsetzen und aktuelle Beleuchtungssysteme ersetzen.“

Aber biolumineszierende Beleuchtung ist nicht neu. Um 350 v. Chr. beschrieb der griechische Philosoph Aristoteles die Biolumineszenz in Glühwürmchen und Glühwürmchen als eine Art „kaltes“ Licht. Kohlebergleute verwendeten Glühwürmchen in Gläsern als Beleuchtung in Bergwerken, wo jede Art von Flamme – sogar eine Kerze oder eine Laterne – eine tödliche Explosion auslösen konnte. Inzwischen werden leuchtende Pilze seit Jahren von Stämmen in Indien verwendet, um dichte Dschungel zu beleuchten.

Doch Glowee ist das erste Unternehmen der Welt, das dieses Experimentierniveau erreicht hat, und das Unternehmen gibt an, dass es sich in Verhandlungen mit 40 Städten in Frankreich, Belgien, der Schweiz und Portugal befindet. EFRE, ein größtenteils staatliches Unternehmen, das das französische Stromnetz verwaltet, gehört zu den Unterstützern von Glowee, die Europäische Kommission hat Fördermittel in Höhe von 1,7 Mio. € (1,4 Mio. £/1,9 $) bereitgestellt und das französische Nationale Institut für Gesundheit und medizinische Forschung (Inserm) hat technische Unterstützung geleistet Unterstützung.

Allerdings glaubt Carl Johnson, Professor für Biowissenschaften an der Vanderbilt University, dass noch große Herausforderungen vor uns liegen, bevor die Biolumineszenz grünes Licht für den Einsatz in großem Maßstab erhalten kann.

„Zuerst muss man die Bakterien füttern und sie verdünnen, während sie wachsen“, sagt er. „Das ist nicht so einfach. Außerdem wird das Phänomen sehr temperaturabhängig sein und ich bezweifle, dass es im Winter funktioniert. Drittens ist die Biolumineszenz im Vergleich zur elektrischen Beleuchtung sehr schwach. Aber vielleicht haben sie die Lumineszenzintensität verbessert.“

Rey von Glowee erkennt die vor uns liegenden Herausforderungen an, besteht jedoch darauf, dass die ökologischen und ökonomischen Vorteile dazu führen könnten, dass künftige Städte in bakterielles blaues Licht getaucht werden.

Derzeit arbeitet das in Evry ansässige Team daran, die von den Bakterien erzeugte Lichtintensität zu erhöhen – die derzeit nur Tage oder Wochen anhält, bevor weitere Nährstoffe benötigt werden, und die noch nicht so stark ist wie LED-Leuchten –, indem sie sie unterschiedlichen Temperaturen und Drücken aussetzt. Bislang sagt Glowee, dass seine Bakterien eine Helligkeit von 15 Lumen pro Quadratmeter erzeugen können – knapp, aber nicht weit von dem Minimum von 25 Lumen pro Quadratmeter, das seiner Meinung nach für die öffentliche Beleuchtung in Parks und Gärten erforderlich ist. Im Vergleich dazu kann eine 220-Lumen-LED-Strahlerlampe für den Haushalt etwa 111 Lumen pro Quadratmeter Boden erzeugen.

„Wir kommen Schritt für Schritt voran“, sagt sie. „Aber wir haben bereits enorme Fortschritte gemacht und unsere Lichtphilosophie ist eine Antwort auf die Krise, mit der die Menschheit konfrontiert ist.“

Einige Pilze tragen Gene, die es ihnen ermöglichen, Biolumineszenz zu erzeugen, und könnten zur biotechnologischen Herstellung leuchtender Pflanzen genutzt werden (Quelle: Louise Docker/Getty Images)

Catrin Williams, Dozentin an der School of Biosciences der Universität Cardiff, die Biolumineszenz bei Bakterien untersucht hat, stimmt zu, dass es aufgrund der Notwendigkeit der Nährstoffversorgung „schwierig“ sei, lebende Bakterienkulturen langfristig aufrechtzuerhalten.

Aber Williams sagt, dass dies überwunden werden könnte, indem man sich auf „Chemilumineszenz“ konzentriert – einen Prozess, den Glowee derzeit ebenfalls untersucht –, der den Bedarf an lebenden Bakterien überflüssig macht. Stattdessen kann das für die Biolumineszenz verantwortliche Enzym, Luciferase, theoretisch aus Bakterien gewonnen und zur Lichterzeugung selbst verwendet werden. „Ich denke, der Glowee-Ansatz ist äußerst neuartig und innovativ und könnte fantastisch sein“, sagt sie.

Andere Initiativen auf der ganzen Welt sorgen für weitere Hoffnungsschimmer. Das in Vancouver ansässige Unternehmen Nyoka Design Labs entwickelt eine biologisch abbaubare Alternative zu Leuchtstäben unter Verwendung nicht lebender, zellfreier Enzyme, die nach Angaben der Entwickler viel einfacher zu pflegen sind als lebende Bakterien. „Anstatt das ganze Auto zu nutzen, nehmen wir einfach die Scheinwerfer heraus“, sagt Paige Whitehead, Gründerin und Geschäftsführerin. „Die Enzymologie ist so weit fortgeschritten, dass wir nicht mehr auf zellgestützte Systeme angewiesen sind.“

Einmal verwendet, können Leuchtstäbe aufgrund der darin enthaltenen Chemikalienmischung nicht recycelt werden. Sie werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, von Strafverfolgungs- und Militärzwecken bis hin zu Musikfestivalbesuchern. Einige Forscher haben Bedenken hinsichtlich der Auswirkungen der darin enthaltenen Chemikalien auf das Meeresleben geäußert, da sie auch häufig als Köder beim Langleinenfischen verwendet werden.

„Ein großer Teil dieser Verschwendung ist unnötig“, sagt Whitehead. „Unsere Vision ist es, alle alternativen Beleuchtungssysteme zu ersetzen, um sie nachhaltiger zu machen.“

Ein großer Durchbruch für diese Vision war eine im April 2020 veröffentlichte Studie, bei der ein Team russischer Bioingenieure in Zusammenarbeit mit einem in Moskau ansässigen Biotechnologie-Startup eine Methode zur Aufrechterhaltung der Biolumineszenz in Pflanzen entwickelt hat. Sie behaupten, es sei ihnen gelungen, Pflanzen zehnmal heller und länger leuchten zu lassen als bei früheren Versuchen – indem sie über 10 Milliarden Photonen pro Minute produzierten –, indem sie biolumineszierende Gene aus Pilzen in die Pflanzen einbauten. Die neue Forschung baute auf Erkenntnissen auf, die eine Pilzversion von Luciferin identifizierten, einer der einzigartigen Verbindungen, die neben den Enzymen Luciferase oder Photoprotein für die Biolumineszenz notwendig sind.

Keith Wood, ein Wissenschaftler, der vor 30 Jahren mithilfe eines Gens von Glühwürmchen die erste leuchtende Pflanze erschuf, sagt, dass die Technologie künstliche Beleuchtung wie LEDs teilweise ersetzen könnte. Kürzlich fand er heraus, dass durch die Veränderung der genetischen Struktur einer Luciferase, die in der Tiefseegarnele Oplophorus gracilirostris vorkommt, deren Helligkeit um das 2,5-Millionen-fache erhöht werden konnte. Das resultierende Enzym, das die Forscher NanoLuc nannten, war außerdem 150-mal heller als die in Glühwürmchen vorkommenden Luciferasen.

„Die Anwendung der synthetischen Biologie auf die Biolumineszenz ist eine riesige Chance“, sagt Wood, der derzeit eine biolumineszierende Pflanze für das Unternehmen Light Bio entwickelt.

Doch wie genau diese transgenen biolumineszierenden Pflanzen in Zukunft eingesetzt werden könnten, muss noch entschieden werden. Eine Gruppe von Designern in Athen unter der Leitung von Olympia Ardavani von der Hellenic Open University entwarf die Vision einer großen Anzahl biolumineszierender Pflanzen, die für eine stimmungsvolle Beleuchtung am Straßenrand sorgen sollten. Sie schätzten, dass, wenn eine Pflanze produziert werden könnte, die jeweils etwa 57 Lumen Licht aussendet, sie alle 30 m (98 Fuß) auf jeder Straßenseite 40 Pflanzen benötigen würden, um die niedrigste Straßenbeleuchtungsklasse zu erfüllen, die für befahrene Straßen erforderlich ist von Fußgängern in Europa.

Rey glaubt jedoch, dass die Nutzung der natürlichen Kraft der Biolumineszenz für die Beleuchtung auch dazu führen könnte, dass wir die Umwelt und die Natur auf neue Weise sehen. „Es kann eine Atmosphäre schaffen, die uns zu einem respektvolleren Bürger, gegenüber der Umwelt und der Artenvielfalt macht“, sagt sie.

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