Omar Yaghi: Wasser, osmotischer Stress und Epigenetik

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Die Welt retten mit Chemie?

Wasser aus trockener Luft gewinnen und Kohlendioxid gezielt binden: Omar Yaghis Forschung eröffnet neue technische Möglichkeiten. Die Bedeutung von Wasser reicht jedoch bis in die Regulation unserer Gene. Denn Veränderungen des Wasser- und Salzhaushalts können zelluläre Stressreaktionen auslösen, an denen auch epigenetische Mechanismen beteiligt sind.

Im Gespräch mit Barbara Bleisch in der SRF-Sendung „Sternstunde Philosophie“ verbindet Omar Yaghi seine Lebensgeschichte mit den Möglichkeiten seiner Forschung. Im Mittelpunkt stehen Materialien, die Wasser aus der Atmosphäre gewinnen oder Kohlendioxid aufnehmen können. Damit berührt das Gespräch eine grundlegende Frage: Wie lässt sich chemisches Wissen nutzen, um lebenswichtige Umweltbedingungen zu verbessern?

Die Epigenetik erweitert diese Betrachtung um eine biologische Ebene. Wasserverfügbarkeit beeinflusst die Funktionsbedingungen von Zellen. Verändert sich das Verhältnis von Wasser und gelösten Stoffen, müssen Zellen ihren Stoffwechsel und ihre Genaktivität anpassen.

Chemische Materialien zur Wassergewinnung

Omar Yaghi erhielt den Chemie-Nobelpreis 2025 gemeinsam mit Susumu Kitagawa und Richard Robson für die Entwicklung metallorganischer Gerüstverbindungen, der sogenannten Metal–Organic Frameworks, kurz MOFs. Diese porösen Materialien bestehen aus metallhaltigen Einheiten und organischen Verbindungen. Ihre innere Struktur lässt sich so gestalten, dass bestimmte Moleküle aufgenommen und wieder freigesetzt werden.

Für die Wassergewinnung werden Materialien verwendet, die Wasserdampf auch bei niedriger Luftfeuchtigkeit an ihren inneren Oberflächen anlagern. Durch Erwärmung wird das Wasser freigesetzt und anschließend durch Kondensation gesammelt.

Kim und Kollegen demonstrierten 2017 ein solches Verfahren mit MOF-801 bei etwa 20 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit. Eine nachfolgende Untersuchung in der Wüste von Arizona zeigte die praktische Wassergewinnung mithilfe von Sonnenwärme und natürlicher Kühlung. Der damalige Prototyp lieferte ungefähr 100 Gramm Wasser pro Kilogramm MOF-801 während eines Tag-Nacht-Zyklus (Kim et al., 2017; Fathieh et al., 2018).

Diese Versuche belegen das Prinzip. Wie viel eine Anlage zur Versorgung beitragen kann, hängt zusätzlich von Standort, Ausbeute, Haltbarkeit, Wasserqualität und Betriebskosten ab.

Was ist osmotischer Stress?

Zellen benötigen ein kontrolliertes Verhältnis zwischen Wasser und gelösten Stoffen. Ihre Membranen sind für Wasser und verschiedene gelöste Substanzen unterschiedlich durchlässig.

Steigt außerhalb einer Zelle die Konzentration osmotisch wirksamer Stoffe, die ihre Membran nicht ausreichend passieren können, tritt Wasser aus der Zelle aus. Sie schrumpft. Ein solcher hypertonischer Stress verändert die Konzentration ihrer inneren Bestandteile und fordert ihre Regulationsmechanismen heraus.

Bei einer entsprechend verdünnten Umgebung kann dagegen Wasser in die Zelle einströmen und sie anschwellen lassen. Osmotischer Stress umfasst somit unterschiedliche Belastungen; die folgenden epigenetischen Befunde betreffen überwiegend hyperosmotische beziehungsweise hypertonische Bedingungen.

Dabei ist eine Unterscheidung wesentlich: Wasserknappheit in einer Region bedeutet nicht automatisch osmotischen Stress in jeder menschlichen Zelle. Der Organismus reguliert seinen Wasser- und Elektrolythaushalt. Die Verbindung entsteht dort, wo diese Regulation durch eine konkrete Belastung herausgefordert oder überfordert wird.

Wie Zellen ihre Schutzprogramme aktivieren

Ein wichtiger Regulator der Anpassung an hypertonische Bedingungen ist der Transkriptionsfaktor NFAT5, auch als TonEBP bezeichnet. Er unterstützt die Aktivierung von Genen, deren Produkte zur osmotischen Anpassung beitragen.

Die Reaktion betrifft jedoch auch die Zugänglichkeit der DNA. Diese liegt im Zellkern zusammen mit Histonproteinen als Chromatin vor. Wie dicht sie verpackt ist, beeinflusst, ob regulatorische Proteine bestimmte Genabschnitte erreichen können.

Eine experimentelle Untersuchung am Gen der Aldosereduktase zeigte, dass hypertonischer Stress eine rasche, reversible Verringerung von Nukleosomen an regulatorischen Bereichen auslöste. Nukleosomen sind Verpackungseinheiten des Chromatins. Zusätzlich beobachteten die Forschenden eine verstärkte Histonacetylierung, die mit der Aktivierung des Gens verbunden war.

Die osmotische Anpassung umfasst damit sowohl die Aktivierung von Transkriptionsfaktoren als auch Veränderungen der Chromatinstruktur. Die DNA-Sequenz muss dafür nicht verändert werden.

Eine solche epigenetische Regulation ist zunächst Teil einer funktionellen Anpassung. Sie ist nicht automatisch eine krankhafte Veränderung oder ein dauerhaftes Stressgedächtnis.

Epigenetische Vorbereitung auf eine Belastung

Eine 2026 veröffentlichte experimentelle Arbeit beschreibt eine weitere Verbindung zwischen osmotischer Anpassung und Chromatinregulation. Dabei untersuchten die Forschenden Nrf2, einen Regulator zellulärer Schutzreaktionen.

In den untersuchten Modellen förderte Nrf2 bereits vor einer hyperosmotischen Belastung aktivierungsassoziierte Histonveränderungen an bestimmten Schutzgenen. Bei nachfolgendem Stress konnte NFAT5 dort wirksamer binden und die Genaktivität verstärken. Die Autoren bezeichnen diesen Vorgang als epigenetisches Priming: eine Vorbereitung der Chromatinstruktur, die eine spätere Reaktion erleichtert.

Diese Befunde stammen aus experimentellen Zell- und Tiermodellen. Sie begründen keine allgemeine Behandlungsempfehlung für Menschen. Sie verdeutlichen jedoch, dass die Stärke einer Stressantwort auch vom vorherigen Regulationszustand der Zelle abhängen kann.

Pflanzen: osmotischer Stress und epigenetisches Gedächtnis

Bei Pflanzen ist die Verbindung zwischen Umweltbelastung und epigenetischer Anpassung besonders anschaulich.

Eine Untersuchung an Arabidopsis thaliana zeigte, dass eine vorübergehende milde Salzbelastung die spätere Reaktion auf erneuten Stress verändern konnte. Die vorbehandelten Pflanzen zeigten eine verbesserte Trockenheitstoleranz. Gleichzeitig wurden Veränderungen bestimmter Histonmarkierungen festgestellt, die nach einer Erholungsphase teilweise noch nachweisbar waren.

Wibowo und Kollegen beschrieben außerdem Veränderungen der DNA-Methylierung nach wiederholtem hyperosmotischem Stress. Einige Anpassungen konnten unter den untersuchten Bedingungen an Nachkommen weitergegeben werden, wurden ohne erneute Belastung jedoch weitgehend zurückgesetzt (Wibowo et al., 2016).

Diese Ergebnisse belegen eine begrenzte, dynamische Form des epigenetischen Stressgedächtnisses bei Pflanzen. Eine entsprechende Vererbung osmotischer Belastungen beim Menschen lässt sich daraus nicht ableiten.

Wo Yaghis Chemie und Epigenetik zusammenkommen

Yaghis Materialien verändern technische Möglichkeiten der Wassergewinnung. Epigenetische Mechanismen beeinflussen, wie Lebewesen auf veränderte Umweltbedingungen reagieren.

Die Verbindung zwischen beiden Forschungsgebieten liegt deshalb in der Gestaltung und Verarbeitung von Lebensbedingungen. Eine verlässliche Wasserversorgung kann Belastungen vermindern, bevor biologische Anpassungsmechanismen beansprucht werden. Ob eine konkrete Wassergewinnungsanlage dadurch messbare epigenetische Veränderungen beim Menschen verhindert, müsste gesondert untersucht werden.

Auch bei der CO₂-Abscheidung gilt diese Trennung der Ebenen. Das von Yaghis Forschungsgruppe untersuchte Material COF-999 kann Kohlendioxid aus Umgebungsluft aufnehmen. Seine mögliche Klimawirkung hängt jedoch zusätzlich von Energieaufwand, Herstellung und dem dauerhaften Verbleib des abgeschiedenen CO₂ ab (Zhou et al., 2024).

Zusammenschau

Die Frage „Die Welt retten mit Chemie?“ erhält durch die Epigenetik eine zusätzliche Bedeutung: Umweltbedingungen wirken bis in die Regulation biologischer Prozesse hinein.

Osmotischer Stress zeigt, wie eng physikalische Bedingungen, Stoffwechsel, Genaktivität und Chromatinstruktur verbunden sind. Zellen können sich anpassen, Schutzprogramme aktivieren und unter bestimmten Bedingungen eine veränderte Reaktionsbereitschaft entwickeln. Diese Fähigkeiten bleiben jedoch begrenzt.

Yaghis Forschung eröffnet Möglichkeiten, Wasser verfügbar zu machen und Stoffströme gezielt zu beeinflussen. Ihr gesellschaftlicher Nutzen entsteht dort, wo technisch funktionierende Verfahren dauerhaft, bezahlbar und zugänglich eingesetzt werden.

Die Sicherung geeigneter Lebensbedingungen ist eine grundlegende Form der Prävention. Die Epigenetik hilft zu verstehen, warum diese Bedingungen bis auf die Ebene der Genregulation bedeutsam sind.

Quellen und weiterführende Literatur

Sendungsbezug: SRF, „Sternstunde Philosophie“, Gespräch von Barbara Bleisch mit Omar Yaghi. Die Verbindung zur Epigenetik ist eine eigenständige wissenschaftliche Ergänzung.

Ihr

Eduard Rappold

Note: This information is provided for educational purposes only and does not replace professional medical advice. Always consult qualified healthcare professionals for medical concerns.

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Eduard Rappold ist Autor, Unternehmer und als Arzt wissenschaftlicher Vermittler im Bereich Epigenetik und Präventionsmedizin. Im Zentrum seiner Arbeit steht die Frage, wie Umwelt, Verhalten und biografische Erfahrungen die Regulation unserer Gene beeinflussen – und welche Konsequenzen sich daraus für Gesundheit, Alterungsprozesse und chronische Erkrankungen ergeben. Sein Ansatz verbindet: aktuelle Erkenntnisse der Epigenetik neurobiologische Stressforschung mitochondriale und metabolische Regulation präventive und lebensstilbasierte Medizin Als Betreiber der Plattform epigenetik.at macht er komplexe wissenschaftliche Zusammenhänge für ein breites Publikum zugänglich. Dabei liegt der Fokus auf einer klaren, verständlichen Darstellung ohne Vereinfachung der Inhalte. Ein besonderer Schwerpunkt seiner Arbeit ist die Rolle von chronischem Stress als zentralem biologischen Faktor für Dysregulation, beschleunigtes Altern und Krankheitsentstehung. Eduard Rappold ist zudem Co-Autor einer wissenschaftlichen Studie zur Rolle von Antioxidantien und genetischen Faktoren bei neurodegenerativen Erkrankungen, insbesondere Alzheimer.