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Diatomeen – kleine Zellen mit großem Potenzial

Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Peter Kroth an der Universität Konstanz beschäftigt sich mit einem äußerst erfolgreichen Überlebenskünstler, dessen chemische, biologische und biochemische Eigenschaften in vielerlei Hinsicht nützlich eingesetzt werden und in der Zukunft sicherlich noch erfolgreicher auf dem Gesundheitsmarkt und in der Industrie verwendet werden können: den Diatomeen (Kieselalgen).

Verschiedene Diatomeen in Kultur © Peter Kroth

Forschungsberichte über Diatomeen (Kieselalgen) tauchen in der Literatur ungefähr zeitgleich mit dem Aufkommen der Mikroskope im 19. Jahrhundert auf. Sie leben in vielen Binnengewässern, aber auch in den Meeren unter zum Teil extremsten Lebensbedingungen und sind deshalb auch relativ einfach zu finden und zu beobachten.

„Diatomeen sind mit bloßem Auge kaum sichtbare Einzeller: Kieselalgen. Diese Algen haben … inspiriert, Kunst nach dem Vorbild der Natur zu schaffen und damit reich zu werden, wie in der Ausstellung gezeigt wird. Die Algen sind bis heute Vorbild - und so zeigt die neue Schau auch die Spuren, die diese winzigen Kieselalgen mit ihrem formschönen und funktionalen Glaspanzer in der Architektur und Bionik, beim Design und in der Kunst hinterlassen haben.“ So führt die Universität Jena auf ihrer Seite zur Einführung der Ausstellung "Zwischen Biologie, Kunst und Design" (Sonderausstellung im Phyletischen Museum präsentiert Kieselalgen; 2009) in diese Spezies ein.

Offensichtlich beschäftigt sich der Mensch mit diesen nicht nur geometrisch hochinteressanten Algen schon seit langer Zeit und zeigt deren Strukturen auch im modernen Design in immer wiederkehrenden Motiven. An der Universität Konstanz beschäftigt sich die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Peter Kroth seit Längerem mit Diatomeen und 2009 konnte unter Beteiligung der Gruppe die erfolgreiche Entschlüsselung des Genoms der Kieselalge Phaeodactylum tricornutum veröffentlicht werden.

Lebensform in allen Gewässern

Kieselalgen sind eine Lebensform, die schon sehr lange vor dem Auftreten des Menschen in den Gewässern der Erde existierte. Offensichtlich auch durch die Tatsache, dass in ihnen mehrere Algentypen unter anderem durch Endosymbiose verschmolzen sind, sind Kieselalgen sehr erfolgreiche „Überlebenskünstler“. Man findet sie in fast allen aquatischen Habitaten, sogar in Eisspalten der Arktis. Diatomeen sind global für ca. ein Fünftel der Fotosynthese und damit der CO2-Fixierung verantwortlich und helfen damit auch, die CO2-Konzentration in der Atmosphäre zu reduzieren. So wandeln sie wie Pflanzen über die Fotosynthese Lichtenergie in chemische Energie um, in Form von Kohlenhydraten und Lipiden. Eigentlich sind diese Substanzen Energiespeicher, die dann im Dunkeln genutzt werden können. Energie scheint für Diatomeen aber keine große Rolle zu spielen, da einige von ihnen Kohlenhydrate massenhaft nach außen schleusen, um sich zum Beispiel mit deren Hilfe fortbewegen zu können. „Diatomeen geben  Polysaccharide nach außen ab, die vermutlich durch Anheftung am Substrate und durch Quellung die Zellen vorwärts treiben“ erklärt Professor Kroth.

Biofilme

Viele Diatomeen, die in den Gewässern nicht planktisch, sondern auf Oberflächen leben, bilden Kolonien in Form von Biofilmen. Diese bestehen vor allem aus Kohlenhydraten, die von den Diatomeen sekretiert werden, und die Bakterien in den Biofilmen als Nahrungsquelle dienen können. Offenbar bilden hier Diatomeen und Bakterien gezielte Lebensgemeinschaften.

Kraftstoffe

Eine nach dem Vorbild von Diatomeen gestaltete Leichtbau-Autofelge. © Scheere

Professor Kroth weiter: „Diatomeen weisen einen hohen Anteil an Lipiden auf. Die Kultivierung von Diatomeen zur Gewinnung von Biodiesel wird seit den 70er Jahren mit ihrer Ölkrise untersucht, ist aber nicht so einfach, wie es sich nun anhört. Die Algen brauchen Licht zum Wachstum - und das bedeutet einen hohen Energieaufwand. Gleichzeitig wird für Ernte, Trocknung und Extraktion zurzeit insgesamt immer noch mehr Energie benötigt, als man über den Biosprit erhält.“ Damit ist die Nutzung von Landpflanzen wie Mais als Energielieferanten immer noch effizienter, einfacher und damit auch billiger. Gerade die Verwendung von Mais zur Energiegewinnung wird andererseits aber auch durchaus kritisch gesehen, da es sich hierbei ja auch um ein Lebensmittel handelt, das vielen Menschen als Grundnahrungsmittel dient. Hier scheint es zudem aufgrund der benötigten riesigen Anbauflächen illusorisch, den gesamten Biosprit-Bedarf über Pflanzen zu gewinnen. Für eine Verwendung von Algenbiomasse zur Erzeugung von beispielsweise Bioethanol als Autokraftstoff wär noch einiges an Prozessoptimierung zu tun – man schätzt, dass man in zehn bis 20 Jahren so weit sein könnte. Interessant wird der Ansatz auch, wenn die Algen-Biomasse als Nebenprodukt anfällt, etwa bei der Produktion hochwertiger Substanzen wie Carotinoiden oder vielfach ungesättigten Fettsäuren.

Futtermittelzusatz

Schon genutzt wird das Potenzial von verschiedenen Algenarten bei der Erzeugung von Tierfutterzusätzen: Carotinoide zum Beispiel werden schon industriell aus Algen gewonnen und dem Tierfutter zugesetzt. Grünalgen, die hohe Mengen des roten Carotinoids Astaxanthin bilden können, werden als Fischfutter für Zuchtlachs verwendet, um eine entsprechende Färbung der Fische zu erreichen. Dies entspricht einem natürlichen Vorgang, da der freilebende Lachs ebenfalls Carotinoide über Algen aufnimmt. Aber auch zur Lieferung von Kohlehydraten, Fettsäuren, Steroiden und Vitaminen werden verschiedene Algen in der Fisch- oder Muschelzucht erfolgreich eingesetzt.

Filterwirkung

Prof. Dr. Peter Kroth lehrt und forscht an der Universität Konstanz. © privat

Kieselalgen haben Schalen aus Silicaten, die man chemisch auch als „amorphes Glas“ bezeichnet. Die Schalen weisen ganz feine Strukturen und Löcher auf, die artspezifisch, also genetisch festgelegt sind. Sterben die Zellen ab und werden nicht gefressen, sinken sie zu Boden und lagern sich dort ab. Da das Silikat nur langsam abgebaut wird, konnten sich in der Erdgeschichte über lange Zeiträume dicke Schichten bilden. Kieselgur ist so ein abgelagertes Material, das im Wesentlichen aus Kieselschalen besteht. Da das Material so schöne Poren hat und chemisch stabil ist, hat man es lange als Filtermaterial unter anderem bei der Wein- und Biererzeugung genutzt: Effiziente Filterschichten aus diesem organischen Material helfen dabei, Weine und Biere „klar“ zu machen, also Trüb- und Schwebstoffe zu entfernen. Lange wurde Kieselgur auch als Schmirgelmaterial in Zahnpasta eingesetzt.

Fettsäuren und Nahrungsergänzungsmittel

„Docosahexaensäure (kurz DHA, 6-fach ungesättigte Omega-3-Fettsäure) wird als Nahrungsergänzungsmittel aus heterotrophen Dinoflagellaten gewonnen und teilweise auch schon der Babynahrung zugesetzt“, nennt Professor Kroth ein erfolgreiches Beispiel aus der Lebensmitteltechnologie im Zusammenhang mit Algen.

Algen werden auch kommerziell als Nahrungsergänzungsmittel produziert. So sollen Blaualgen wie Spirulina und Grünalgen getrocknet und in Tablettenform gepresst den Mineralstoffhaushalt unterstützen. Allerdings gibt es bislang keine wissenschaftlichen Nachweise über die Wirksamkeit. Da die verwendeten Algen häufig nicht in geschlossenen Systemen, sondern in offenen, meist gut gedüngten Teichen und Seen kultiviert werden, besteht die Gefahr der Kontamination mit toxischen Cyanobakterien, die Leber- und Nervengifte produzieren können. Kürzlich wurden von Professor Dietrich an der Uni Konstanz mehrere käufliche AFA-Präparate (Blaualgen-Präparate der Art Aphanizomenon flos-aquae) getestet: Mehrere Präparate enthielten mehr toxisches Microcystin als erlaubt.

Gentechnik

Nach der Entschlüsselung von Genomen aus Diatomeen arbeitet die Wissenschaft an der Nutzbarmachung dieses Wissens. „Zirka acht Prozent der Diatomeen-DNA lässt sich auf Bakterien zurückführen, die irgendwann in der Phylogenese der Diatomeen aufgenommen wurden, wobei Bruchstücke deren DNA in die Diatomeen-DNA eingebaut wurden“ führt Prof. Kroth aus. „Diese genetische Vielfalt könnte den Erfolg der Diatomeen erklären“. Basierend auch auf diesem Wissen werden heute DNA-Sequenzen mit bestimmten Informationen auf Wolframpartikeln in die Zellen geschossen und in das Genom integriert. Auf diese Weise kann man die Diatomeen im Labor veranlassen, spezifische Proteine zu exprimieren, die möglicherweise wie die Polysaccharide aus den Zellen abgegeben werden könnten.

So wäre es möglich, humane Antikörper im Cytosol oder in Chloroplasten der Algen gegen zum Beispiel Cytokine zu produzieren, die dann therapeutisch im Menschen eingesetzt werden könnten. Die Aufreinigung der so gewonnenen Proteine entsprechend der Regeln der Zulassungsbehörden ist - wie bei allen pharmazeutisch zu verwendenden biologisch produzierten Substanzen - entsprechend aufwändig und sehr teuer.

Bioreaktor

Diatomeen können also als "Bioreaktoren" eingesetzt werden zur Produktion von gentechnisch definierten Molekülen, denn sie sind: gentechnisch transformierbar, leicht steril zu kultivieren, in relativ einfachen Fermentationsgefäßen und in ausreichender Menge zu produzieren. Ob sich die Produktion bzw. Isolation von Substanzen aus Algen lohnt, muss man im Einzefall sehen. Eine große Zahl von Forschern und Biotechnologiefirmen weltweit sind derzeit dabei, die Möglichkeiten auszuloten.

Weiter Informationen zum Beitrag:

Prof. Dr. Peter Kroth
Universität Konstanz
Lehrstuhl für Ökophysiologie der Pflanzen
Tel.: +49 7531 88-4816
Fax: +49 7531 88-3042
E-Mail: peter.kroth(at)uni-konstanz.de

Glossar

  • Antikörper sind körpereigene Proteine (Immunglobuline), die im Verlauf einer Immunantwort von den B-Lymphozyten gebildet werden. Sie erkennen in den Körper eingedrungene Fremdstoffe (z. B. Bakterien) und helfen im Rahmen einer umfassenden Immunantwort, diese zu bekämpfen.
  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Biotechnologie ist die Lehre aller Verfahren, die lebende Zellen oder Enzyme zur Stoffumwandlung und Stoffproduktion nutzen.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Das Genom ist die gesamte Erbsubstanz eines Organismus. Jede Zelle eines Organismus verfügt in Ihrem Zellkern über die komplette Erbinformation.
  • Gentechnik ist ein Sammelbegriff für verschiedene molekularbiologische Techniken. Sie ermöglicht, DNA-Stücke unterschiedlicher Herkunft neu zu kombinieren, in geeigneten Wirtszellen zu vermehren und zu exprimieren.
  • Lipide sind Fette und fettähnliche Substanzen.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Nukleotidsequenzen sind Abfolgen der Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin auf der DNA (bzw. Uracil statt Thymin bei RNA).
  • Eine Sonde im molecularbiologischen Sinn ist ein Stück markierte RNA oder DNA, die mit einer gesuchten Sequenz binden (hybridisieren) kann.
  • Transformation ist die natürliche Fähigkeit mancher Bakterienarten, freie DNA aus der Umgebung durch ihre Zellwand hindurch aufzunehmen. In der Gentechnik wird die Transformation häufig dazu benutzt, um rekombinante Plasmide, z. B. in E. coli, einzuschleusen. Hierbei handelt es sich um eine modifizierte Form der natürlichen Transformation.
  • Ein Bioreaktor ist ein geschlossenes System, in dem mikrobielle Umsetzungen organischer Substanzen unter kontrollierten Bedingungen stattfinden und gemessen werden können.
  • Cyanobakterien, auch Blaualgen genannt, sind gram-negative Bakterien (Prokaryonten), die Photosynthese und vielfach auch Stickstofffixierung betreiben können.
  • Fermentiation ist die Bezeichnung für die Umsetzung von biologischen Materialien mit Hilfe von Mikroorganismen oder durch Zusatz von Enzymen (Fermenten). Im eigentlichen Sinn handelt es bei der Fermentation um die anaerobe Oxidation von Zuckern zum Zwecke der Energiegewinnung des metabolisierenden Organismus.
  • Biochemie ist die Lehre von den chemischen Vorgängen in Lebewesen und liegt damit im Grenzbereich zwischen Chemie, Biologie und Physiologie.
  • Die Expression ist die Biosynthese eines Genprodukts (= Umsetzung der genetischen Information in Proteine). Sie erfolgt in der Regel als Transkription von DNA zu mRNA und anschließender Translation von mRNA zu Protein.
  • Toxizität ist ein anderes Wort für Giftigkeit.
  • Fettsäuren sind Carbonsäuren (organische Säuren) die oft aus langen, unverzweigten Kohlenstoffketten bestehen. Sie können entweder gesättigt oder ungesättigt sein und sind Bestandteil von Fetten und Ölen.
  • Karotinoide sind Farbstoffe, die in höheren Pflanzen in Laubblättern, Früchten, Wurzeln Pollen und Samen vorkommen. Außerdem werden diese Farbstoffe auch von Bakterien und Pilzen erzeugt. Tiere können sie nur mit der Nahrung aufnehmen. Karotinoide verursachen eine gelbliche bis rötliche Färbung und sind in pflanzlichen Organismen an der Energiegewinnung beteiligt.
  • Omega-3-Fettsäuren sind mehrfach ungesättigte, essentielle Fettsäuren. Sie kommen in Fischfleisch und in pflanzlichen Ölen vor.
  • Astaxanthin ist ein Karotinoid-Farbstoff, der für die Färbung von Krebstieren verantwortlich ist. Astaxanthin wird von Algen gebildet und in der Futtermittelindustrie eingesetzt.
  • Ein Biofilm ist eine dünne Schleimschicht, die aus Mikroorganismen besteht und sich auf Oberflächen bildet, die in Kontakt mit Wasser stehen. Ein gutes Beispiel dafür ist der Zahnbelag.
  • Zytokine sind regulatorisch wirkende Proteine oder Glykoproteine. Sie sind verantwortlich für das Wachstum und die Differenzierung von Körperzellen und dienen auch ihrer Kommunikation untereinander, so zum Beispiel bei Immunreaktionen. Zu den Zytokinen gehören Interferone, Interleukine, Tumornekrosefaktoren, koloniestimulierende Faktoren und Chemokine.
  • Das Kunstwort Bionik ist ein Konstrukt aus den Begriffen Biologie und Technik. International wird eher der Ausdruck Biomimetik verwendet, der sich von den englischen Wörtern biology (Biologie) und mimesis (Nachahmung) ableitet. Ziel dieses interdisziplinären Wissenschaftszweiges ist die Umsetzung von Erkenntnissen aus der biologischen Forschung in innovative technische Anwendungen.
  • Unter Photosynthese wird die Erzeugung hochmolekularer energiereicher Verbindungen (Glukose) aus einfachen Molekülen (Kohlendioxid, Wasser) verstanden, wobei beträchtliche Mengen Sauerstoff entstehen. Chlorophyllhaltige Organismen (höhere Pflanzen, Algen, phototrophe Bakterien) nutzen dafür die Sonnenlichtenergie.
  • Biodiesel ist ein Fettsäuremethylester, der aus Pflanzenölen (z. B. aus Raps) oder tierischen Fetten hergestellt und als Kraftstoff oder Kraftstoffkomponente verwendet wird (Biokraftstoffe).
  • Bioethanol (Ethylalkohol) gehört zu den Biokraftstoffen. Es handelt sich dabei um Ethanol, das ausschließlich aus nachwachsenden Kohlenstoffträgern, nämlich auf Basis zucker- oder stärkehaltiger Feldfrüchte oder aus zellulosehaltigen Pflanzenbestandteilen (Zuckerrübe, Rohrzucker, Getreide) hergestellt wurde. Die Stärke wird enzymatisch in Glukose aufgespalten und diese anschließend mit Hefepilzen zu Ethanol vergoren.
  • Als Biomasse wird die gesamte Masse an organischem Material in einem definierten Ökosystem bezeichnet, das biochemisch – durch Wachstum und Stoffwechsel von Tieren, Pflanzen oder Mikroorganismen – synthetisiert wurde. Damit umfasst sie die Masse aller Lebewesen, der abgestorbenen Organismen und die organischen Stoffwechselprodukte.
  • Vitamine sind lebenswichtige organische Verbindungen, die mit der Nahrung aufgenommen werden müssen, da sie der Körper nicht selbst synthetisieren kann. Sie sind für die Regulation des Stoffwechsels verantwortlich, indem sie die Verwertung von Kohlenhydrate, Proteine und Mineralstoffe ermöglichen. Man unterscheidet zwischen fettlöslichen und wasserlöslichen Vitaminen. Vitamin C ist zum Beispiel für die Stärkung des Immunsystems zuständig. Ausnahme: Vitamin D kann vom Körper produziert werden, solange genug Sonnenlicht vorhanden ist.
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