Photosynthese optimieren mit Mimotype. Gründer Danilo Flores im Interview.

Im Februar hatten wir bereits vom technologischen Durchbruch des transnationalen Forschungskonsortiums bestehend aus HU-Startup Mimotype Technologies GmbH, dem UCL Photonics Innovation Lab und Modern Sythesis berichtet: Das Protein mScarlet3 von Mimotype, die stabilisierende biogene Trägermatrix von Modern Synthesis sowie die mikrostrukturierten Oberflächen des UCL Photonics Innovation Lab ergeben eine biogene Photokonversionsfolie, durch die Sonnenlicht direkt in die für Pflanzen nutzbare Form umgewandelt und Photosynthese gesteigert werden kann. Wir haben die Gelegenheit genutzt, um Danilo Flores, einem der Gründer von Mimotype, Fragen zu seinem Unternehmen, der Innovation sowie Zusammenarbeit mit internationalen Partnern zu stellen. Welche Vorteile die neue Erfindung im Vergleich zu anderen photoaktiven Stoffen hat, wie genau sie funktioniert und wie die Landwirtschaft von ihr profitieren kann, erfahren Sie im Interview.

Mimotype entwickelt eine neue Klasse von Materialien an der Schnittstelle von Biologie und Photonik. Im Zentrum stehen sogenannte optisch aktive Proteine, die Licht gezielt umwandeln können.
Diese Proteine kann man sich wie biologische Nanomaschinen vorstellen, wie ein von der Natur bereitgestelltes fertiges System, das auf kleinstem Raum die Beschaffenheit von einfallendem Licht verändert.
Das Protein verrichtet die nützliche optische Arbeit von sich aus, ohne dass es geschliffen werden müsste wie etwa eine menschengemachte Linse.
Denkt man sich einen Lichtstrom analog zu einem wehenden Wind, dann ist unser Protein das Segel, das wir so aufspannen, dass unser Boot in die gewünschte Richtung segelt.

Unsere Vision ist eine Welt, in der Materialien nicht nur leistungsfähig, sondern auch vollständig biologisch und nachhaltig sind. Viele photoaktive Stoffe, die in unseren heutigen Gerätschaften verbaut sind, z.B. in unseren Handydisplays, sind leider nichts anderes als toxischer Sondermüll. Es gibt Studien über Anreicherung von optischen Materialien aus OLED-Handydisplays in Norwegischen Fjorden oder im Südchinesischen Meer. Diese Substanzen landen dann in der Nahrungskette und am Ende in unseren Körpern.

Andere optische Hochleistungsmaterialien wie Quantenpunkte sind schon in der Herstellung hochgefährlich – leckt eine der luftdichten Kammern, in denen diese schwermetallbasierten Materialien hergestellt werden, kann das Menschenleben kosten, was in der Vergangenheit auch schon passiert ist, wie wir aus Industriekreisen wissen.

Der entscheidende Unterschied liegt darin, dass unsere Lösung vollständig biogen ist. Herkömmliche Photokonversionsfolien basieren oft auf seltenen Erden, Quantum Dots oder synthetischen Farbstoffen. Wir ersetzen die synthetischen Bestandteile dieser Folien durch biologische Komponenten.

Unsere Folie kombiniert drei Kernelemente: erstens ein hochleistungsfähiges fluoreszierendes Protein (mScarlet3), zweitens ein biologisches Trägermaterial aus bakterieller Nanocellulose sowie, drittens, eine mikrostrukturierte Oberfläche für einen erleichterten Lichtaustritt, wenn das Licht die Folie verlässt. Das Ergebnis ist ein naturverträgliches leistungsfähiges Materialsystem, das skalierbar produziert werden kann und am Ende seiner Lebenszeit auf dem Komposthaufen entsorgt wird.

Biogene Photokonversionsfolie (c) Mimotype

Pflanzen nutzen nur bestimmte Teile des Lichtspektrums effizient für die Photosynthese – vor allem rotes und blaues Licht. Ein großer Teil des energetischen Gehalts des Sonnenlichts bleibt ungenutzt.
Unsere Folie „fängt“ diese ungenutzten Wellenlängen ein und wandelt sie in genau die Wellenlängen um, die Pflanzen besonders gut verwerten können. Das geschieht passiv, also ohne zusätzliche Energiezufuhr.
Um das Segelbeispiel aufzugreifen: Unser Protein mScarlet3 wandelt eine unbrauchbare Wellenlänge in eine brauchbare Wellenlänge um, vergleichbar zu einem Segel, das die Bewegungsenergie des Luftstroms bündelt, um damit ein Gefährt in Bewegung zu versetzen. Genauso bündelt mScarlet3 bereits vorhandene solare Lichtenergie und lenkt sie in ein verengtes Zielspektrum. Das Protein wandelt Licht in Licht, also eine Wellenlänge in eine andere Wellenlänge um – sogenannte Interkonversion.

Es findet keine Transduktion, also keine Wandlung von Licht in eine andere Energieform, etwa in Elektrizität, statt, ein Vorgang, der eigentlich einen recht bescheidenen Wirkungsgrad hat, was die Solarpanelindustrie aber gerne geflissentlich übergeht.
Das Protein mScarlet3 spielt dabei eine zentrale Rolle: Es absorbiert gelbes Licht und emittiert es als tiefrotes Licht – genau in dem Spektralbereich, den Pflanzen besonders effizient nutzen, weil ihre Photoantennen dafür gemacht sind. Die biologische Matrix aus Nanocellulose stabilisiert das Protein wie ein Gerüst und sorgt dafür, dass dieser Prozess auch unter realen Bedingungen zuverlässig funktioniert.

Man muss hier eigentlich zwei Dinge unterscheiden: klassische Agrarfolien – etwa für Spargel oder Tunnelkulturen – und moderne Photokonversionsfolien. Die klassischen Folien sind rein funktional: Sie bestehen meist aus Polyethylen, schützen Pflanzen vor Witterung und schaffen ein Mikroklima. Aber sie greifen nicht aktiv in den Wachstumsprozess ein – sie lassen Licht einfach durch, ohne es zu neu zusammenzusetzen und es dadurch zu optimieren.

Dann gibt es eine neue Generation von Hightech-Folien. Diese Materialien können tatsächlich das Lichtspektrum verändern: Sie nutzen etwa sogenannte Quantum Dots – also anorganische Nanopartikel – um UV- und blaues Licht in rotes Licht umzuwandeln, das Pflanzen effizienter nutzen können.
Das ist ein großer Schritt nach vorne, weil die Folie damit aktiv zur Produktivität beiträgt. Gleichzeitig bleiben diese Lösungen aber im Kern klassische Kunststoffsysteme – mit komplexen, teils anorganischen Materialien, die weder biologisch abbaubar noch wirklich kreislauffähig sind.

Genau hier setzt unsere Technologie an. Wir gehen einen Schritt weiter und ersetzen diese anorganischen Nanomaterialien vollständig durch biologische Bausteine. Statt Quantum Dots verwenden wir optisch aktive Proteine, die denselben Effekt erzielen – also Licht gezielt umwandeln –, aber auf Basis von biologischer Funktionalität.

Pflanze im Labor (c) Mimotype

Für Betreiber von Gewächshäusern ergeben sich gleich mehrere Vorteile. Zum einen steigert die optimierte Lichtnutzung die Biomasseproduktion deutlich – Studien zeigen Zugewinne von bis zu 30 %. Zum anderen entstehen keine zusätzlichen Betriebskosten, da die Technologie ohne externe Energie auskommt. Im Vergleich zu LED-Zusatzbeleuchtung entfallen also sowohl hohe Investitionskosten als auch laufende Energiekosten.
In der Praxis bedeutet das: höhere Erträge, stabilere Margen und eine größere Unabhängigkeit von volatilen Energiepreisen – ein entscheidender Faktor gerade in Zeiten von Energiekrisen.

Langfristig ist genau das Ziel: eine Folie, die sich vollständig in natürliche Kreisläufe integrieren lässt. Sprich: Weiche optische Elemente für den Komposthaufen.
Da unsere Materialien auf Proteinen und biogenen Trägermaterialien basieren, sind sie grundsätzlich biologisch abbaubar und nicht toxisch.
Je nach konkreter Ausgestaltung und regulatorischen Anforderungen kann die Entsorgung perspektivisch deutlich einfacher sein als bei klassischen Kunststofffolien – im Idealfall sogar über biologische Abbauprozesse. Das unterscheidet unsere Lösung fundamental von herkömmlichen Agrarfolien, die oft als Kunststoffabfall entsorgt werden müssen.

Die Zusammenarbeit entstand aus eigener Initiative und ist seitens Mimotype eingeleitet worden. Wir sind auf eine Veröffentlichung des UCL Photonics Innovation Lab aufmerksam geworden, in der es um die erhöhte Lichtausbeute vermittels Oberflächenmikrotexturierung ging, allerdings auf Grundlage herkömmlicher Kunststoffe und Lichtwandler. Gleichzeitig hatten wir Anhaltspunkte, dass die Nanozellulose von Modern Synthesis ein geeignetes Gerüstmaterial sein könnte für unsere Leuchtproteine.

Intern haben wir das Projekt als „Tripple Whopper“ gedacht, drei einzigartige Ansätze, die im Zusammenspiel ein völlig neues Materialsystem ermöglichen. Es gibt ja nichts Neues unter der Sonne und für sich genommen ist jeder der Ansätze auch schon bekannt gewesen. Aber die Schöpfungshöhe kommt daher, dass wir die drei Methoden zusammengedacht haben. Daraus ist etwas zuvor noch nie Dagewesenes entstanden und wir konnten zeigen, dass biogene Stoffe sich ebenfalls für avancierte Herstellungsmethoden wie die Oberflächenmikrotexturierung eignen.
Jeder Partner hat bei dem Projekt seine spezifische Expertise eingebracht:
• Mimotype entwickelt die optisch aktiven Proteine und das grundlegende Materialdesign,
• Modern Synthesis liefert die biologische Trägermatrix auf Basis bakterieller Nanocellulose,
• das UCL Photonics Innovation Lab optimiert die Lichtführung durch mikrostrukturierte Oberflächen.

Der Begriff „Concept Car“ beschreibt, dass wir hier bereits zeigen, was technologisch möglich ist – auch wenn noch nicht alle Schritte zur Industrialisierung abgeschlossen sind.
Aktuell arbeiten wir daran, die Produktion zu skalieren und die Materialien unter realen Bedingungen zu testen. Parallel dazu optimieren wir Kostenstrukturen und Herstellungsprozesse, etwa durch biotechnologische Skalierung in Bioreaktoren.
Wann die Folien auf den Feldern zu sehen sein werden, hängt vor allem davon ab, ob sich unser Denkansatz durchsetzt, dass eine Wandlung von Licht in Licht energieeffizienter sein kann als Agrivoltaik, bei der riesige Solarpanele über Äckern errichtet werden, also Stromerzeugung und Landwirtschaft kombiniert werden. Unsere Philosophie lautet: Neue Nanomaterialien für eine Nutzbarmachung der Lichtenergie der Sonne ohne verlustreiche Umwandlung in Strom.

Auf jeden Fall wird unser Konzept in einer technisch etwas abgespeckten Form ab diesem Jahr in Brasilien an Erdbeeren ausprobiert. Hoffentlich macht das geballte Sonnenlicht die Erdbeeren besonders süß!