Extremophilenforschung & Biobank CCCRYO

Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik

Schneealgen sind für das Phänomen des grünen und roten Schnees verantwortlich und bilden als Extremophile die Bioressource unserer Arbeitsgruppe.
© Fraunhofer IBMT.

Die Arbeitsgruppe Extremophilenforschung & Biobank CCCYRO befasst sich mit den Anpassungsstrategien und der Nutzbarkeit kälteliebender Süßwassermikroalgen, den so genannten Schneealgen. Als Arbeitsgrundlage dient dazu die umfangreiche und in ihrer Diversität wohl einzigartige Algenstammsammlung CCCryo der Arbeitsgruppe. Die Themen gliedern sich in drei Bereiche:

1. Grundlagenforschung: Ausgehend von der Sammlung von Algen während Expeditionen in polare und hochalpine Regionen unserer Erde werden einzelne Stämme isoliert und taxonomisch, phylogenetisch sowie hinsichtlich ihrer Kulturansprüche charakterisiert. Mit Blick auf die speziellen Anpassungsstrategien analysiert die Arbeitsgruppe Extremophilen-Forschung die Isolate auf RNA-, Protein- sowie Primär- und Sekundärmetabolitebene.

2. Anwendungsforschung: Die Algenstämme werden hinsichtlich industriell verwertbarer Metabolite untersucht. Dazu gehören beispielsweise Antioxidantien wie Carotinoide, Vitamine oder mehrfach ungesättigte Fettsäuren (PUFA) aber auch spezielle Substanzen wie z. B. natürliche Gefrierschutzsubstanzen. Im Labormaßstab wird dann deren Induktion und Produktion optimiert.

3. Photobioreaktorentwicklung (PBR): Für eine Produktion im industriellen Maßstab, das Upscaling, werden universell nutzbare oder auch speziell angepasste Photobioreaktoranlagen entwickelt. Dabei wird Wert auf sterile Produktionsbedingungen gelegt, um innovative Produkte für den kosmetischen und pharmazeutischen Bereich oder auch den Sektor der Lebens- und Futtermittelbranche anbieten zu können.

Durch diesen umfassenden Forschungsansatz bietet die Arbeitsgruppe Extremophilenforschung & Biobank CCCRYO Forschungsergebnisse von der Quelle bis zum Rohprodukt aus einer Hand an. Die Algenstämme sind unabhängig vom oben beschriebenen Ansatz über unsere Sammlungswebseiten der CCCryo für öffentliche und private Forschungsunternehmen erhältlich.

CCCryo - Culture Collection of Cryophilic Algae



Teil der Lebendstammsammlung kryophiler Mikroalgen am IBMT.
© Fraunhofer IBMT.

Kryophile (fakultativ) bzw. psychrophile (obligat kälteliebende) Algen stehen im Hauptfokus der CCCryo. Die Algen entstammen vorwiegend Expeditionen des IBMT in die Arktis (Spitzbergen) und Antarktis (King-George-Island). Es werden zudem auch Stämme kultiviert, die anderen polaren und alpinen Regionen unserer Erde entstammen, z. B. den Europäischen Alpen und der Hohen Tatra, den Neuseeländischen Alpen, den Rocky Mountains, Grönland, Nordkanada und Alaska. Neben Schneealgen werden zudem Permafrostalgen und verschiedenen mesophile und einige thermophile Algen kultiviert. Neuste Sammlungen der letzten Expeditionen erweitern die Lebendsammlung um Eubakterien, Cyanobakterien, Pilze und Moose kalter Lebensräume. Zurzeit werden über 380 Stämme als Lebendkulturen bei +2 °C, +15 °C und +30 °C und auch kryokonserviert in Potsdam-Golm und im Fraunhofer BioArchiv am IBMT Standort Sulzbach/Saar gehalten.

Die Datenbank der Stammsammlung CCCryo, ebenso wie die Bestellinformationen sind hier zugänglich. Die Algen sind für öffentliche und industrielle Forschungsinstitutionen erhältlich. Ein Gesamtkatalog ist hier verfügbar.

Carotinoide, Antioxidantien & Fettsäuren

Carotinoidspektrum verschiedener Algenstämme aus der CCCryo.
© Fraunhofer IBMT.

Typisch für Schnee- und Permafrostalgen ist die Fähigkeit zur Produktion von Sekundärcarotinoiden und anderen Antioxidantien wie z. B. alpha-Tocopherol (Vitamin E). Sie reagieren in ihrem natürlichen Lebensraum damit auf Stress durch niedrige Nährstoffe und hohe Licht- und UV-Strahlung. Besonders die letzteren führen in den Algenzellen zur Bildung schädlicher Radikale, die durch Antioxidantien abgefangen werden können. Die verschiedenen Algenstämme zeigen zum Teil sehr unterschiedliche Pigmentmuster.

Bei einer Massenproduktion gliedert sich der Prozess typischerweise in zwei Phasen. In der ersten wird unter optimaler Nährstoff- und Lichtversorgung eine hohe Biomasse erzeugt. In der zweiten Phase wird durch Setzen bestimmter Stressoren die Synthese von Sekundärkarotinoiden eingeleitet. Meist werden währenddessen auch goße Mengen an Lipiden aufgebaut, in denen die fettlöslichen Carotinoide gespeichert werden.

Je nach Algenstamm sind in der Algenmasse unterschiedliche Gehalte an

  • alpha- und beta-Carotin
  • Lutein
  • Neoxanthin
  • Violaxanthin
  • Antheraxanthin
  • Zeaxanthin
  • Echinenon
  • Hydroxyechinenon
  • Adinoxanthin
  • Canthaxanthin
  • Astaxanthin
  • alpha-Tocopherol

zu finden. Industriell interessant sind dabei bisher vorwiegend Lutein, Astaxanthin und alpha-Tocopherol (Vitamin E) für die Nahrungsergänzungs- und Futtermittel- sowie die Kosmetikbranche.

Eisstrukturierende Proteine aus Schneealgen

Eisstrukturierende Proteine (ISP) unterbinden das unkontrollierte Wachstum von Eiskristallen.
© Fraunhofer IBMT.

Schneealgen sind in ihrem natürlichen Lebensraum ständig der Gefahr des Einfrierens ausgesetzt. Dies kann neben der mechanischen Zerstörung der Zellmembran auch zu osmotischen Stress und Wasserentzug führen. Um dem entgegenzuwirken, können einige Schneealgestämme Überdauerungsstadien bilden, andere akkumulieren intrazelluläre Substanzen, wie z. B. Zucker und Zuckeralkohole, um den Gefrierpunkt abzusenken oder die Zellstruktur zu stabilisieren. Einige spezielle psychrophile Schneealgen geben eisstrukturierende Proteine (ISP, früher auch als antifreeze proteins (AFP) bezeichnet) an ihre zellnahe Umgebung ab, um dort gezielt die Eiskristallbildung zu beeinflussen.

ISP sind sehr resistente Proteine, die irreversibel an Eisoberflächen binden und deren Wachstum aktiv modifizieren. Statt unkontrolliert großflächiger Eiskristalle bilden sich durch Interaktion der ISP mit der Gitterstruktur des gefrorenen Wassers nunmehr feine Kristalle, deren Wachstum über die Zeit zudem noch unterbunden wird. Solche natürlichen Gefrierschutzsubstanzen könnten im medizinischen Sektor als alternative Kryoprotektantien für Zellen und Gewebe oder als Zusätze für die hypothermale Perfusion von Transplantationsgeweben Anwendung finden. Aber auch in der Lebensmittelbranche sind verschiedene Einsatzbereiche vorstellbar.

Photobioreaktorentwicklung & Algenmassenkultur

Linked-Column Photobioreaktor (PBR) zur Massenkultur.
© Fraunhofer IBMT.

Phototrophe Organismen wie Mikroalgen oder Cyanobakterien sind eine Fundgrube für hochwertige bioaktive Metabolite von kosmetischem oder pharma­zeutischem Interesse. Für die Ge­winnung hochwertiger Produkte werden anpassungsfähige Photobioreaktor­systeme benötigt, in denen diese Mikro­orga­nismen unter sterilen und kontrol­lier­ten Bedin­gun­gen kultiviert werden können.

Durch optimales Design und ein effektives Airlift System des am Fraunhofer IBMT ent­wickel­ten Linked-Column Photo­bio­reaktor wird Fouling und Zellsedimentation verhindert, ohne dass zellschädigende Scherkräfte entstehen. Mechanische Pump- und Rührvorrichtungen werden nicht benötigt. Das System kann thermisch oder chemisch in situ sterilisiert werden. Durch das Design können Be­leuch­tungsquelle (LEDs oder Leuchtstoffröhren) und ‑intensität flexibel an Organismus und Wachs­tumsphase angepasst werden. Das Linked-Column Photobioreaktorsystem ermöglicht die Massenkultur eines breiten Spektrums photo­tropher Mikroorganismen. Als Arbeitsvolumen stehen 10 L- bzw. 24 L-PBR zur Verfügung, die aber nach Bedarf durch Zufügen oder Entfernen einzelner Module an benötigte Volumina angepasst werden können.

Die Systeme bestehen aus Borosilikat­glas­komponenten, die nach GMP Richtlinien verflanscht und gemäß Richtlinie 97/23/EG geprüft sind. Jeder Reaktor trägt eine CE-Kennzeichnung für Druck­geräte. Eine Temperaturkontrolle sowie die Verwendung von Sensoren (z. B. pH, O2) ist möglich.