Hefe mit Schale - Ummantelung einzelner lebender Hefezellen mit Siliciumdioxid.
Unser Frühstücksei ist eine Besonderheit der Natur: eine einzelne Zelle, die von einer dünnen mineralischen Schicht geschützt wird. Abgesehen von einer Reihe winziger Strahlentierchen und Kieselalgen haben einzelne Zellen normalerweise keine harte Schale. Koreanische Forscher haben jetzt eine Strategie entwickelt, einzelne Zellen von Bäckerhefe, Saccharomyces cerevisiae, mit einer künstlichen Schale aus Siliciumdioxid zu versehen. Wie das Team um Insung S. Choi in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichtet, verdreifacht sich die Lebensdauer der so ummantelten Hefezellen, ihre Zellteilung wird dabei gezielt unterdrückt. Die Schale schützt die Zellen zudem gegen ungünstige äußere Bedingungen.
Hefe im Silicatmantel: Einzelne lebende Zellen wurden mittels schichtweiser Selbstorganisation und biomimetischer Silicatisierung mit Siliciumdioxid ummantelt (siehe Bild). Hefezellen, die einer solchen Behandlung unterzogen wurden, zeigten eine dreifach längere Lebensdauer, und ihre Zellteilung ließ sich durch die Ummantelung gezielt unterdrücken.
[Bildquelle: Angewandte Chemie, siehe Artikel]
Während es in anderen Forschungsarbeiten zwar bereits gelungen war, Hefezellen mit einer mineralischen Phosphatschicht zu überziehen, ließen sich individuelle Zellen bisher nicht künstlich in Siliciumdioxid einkapseln. Inspiriert durch die natürliche Schalenbildung in Kieselalgen entwickelten die Forscher einen biomimetischen Prozess, mit dem sich einzelne Zellen unter milden physiologischen Bedingungen ummanteln lassen. Die Oberfläche von Kieselalgen ist von speziellen langkettigen Molekülen bedeckt, die viele positiv geladene Atomgruppen tragen und die Biomineralisation auslösen.
Die Forscher ahmen dies nach, indem sie die Zellmembranen der Hefezellen mit künstlichen Polymeren versehen, immer abwechselnd Schichten mit vielen positive Ladungen und Schichten mit vielen negativen Ladungen – insgesamt 21 Schichten. Werden die so behandelten Hefezellen in eine Lösung gegeben, die negativ geladenen Kieselsäure-Verbindungen enthält, lagern sich diese an die äußerste positiv geladene Schicht der Hefen an. Diese mineralisieren zu Siliciumdioxid und kapseln die Hefezellen vollständig ein.
Genetisch veränderte Hefen stellen wichtige pharmazeutische Wirkstoffe her. In der molekularbiologischen Forschung setzt man die sehr einfach kultivierbaren Hefen oft für grundlegende Untersuchungen zellulärer Vorgänge ein und nutzt sie für die Diagnostik menschlicher Erkrankungen. Schutz und verbesserte Lagerfähigkeiten durch eine Schale könnten hier neue Potenziale eröffnen. Zudem kann die Schale als Gerüst für chemische und biologische Eigenschaftsmodifizierungen dienen.
Quellen und Artikel:
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Sung Ho Yang, Dr. Kyung-Bok Lee, Bokyung Kong, Jin-Hyun Kim, Prof. Dr. Hak-Sung Kim, Prof. Dr. Insung S. Choi: Biomimetic Encapsulation of Individual Cells with Silica. In: Angewandte Chemie; Published Online: 23 Oct 2009 DOI: 10.1002/ange.200903010 URL: direct link
