Auch unter Zellen gibt es faule und fleißige

Ganzzellbiokatalysatoren – das klingt kompliziert. Doch damit ist nichts anderes gemeint, als dass Zellen eines Organimus’ wie Hefe dazu genutzt werden, Produkte zu erzeugen – beispielsweise Bier oder Brot. Aber auch komplexe chemische Moleküle wie Pharmazeutika können auf diese Weise hergestellt werden. In einem Bioreaktor oder Fermenter wachsen dazu die Mikroorganismen heran und erzeugen durch ihren Stoffwechsel die gewünschten Produkte. Dabei stellen sich Wissenschaftler schon länger die Frage: Sind alle Zellen gleichermaßen produktiv oder gibt es eine Art „Arbeitsteilung“, man könnte auch fragen: Gibt es faule und fleißige Zellen?

„Seit einiger Zeit ist bekannt, dass lebende Zellen äußerst heterogene Merkmale zeigen, zum Beispiel in Bezug auf ihr Wachstum oder ihren Stoffwechsel. So gibt es Hinweise, dass sich die Millionen von Zellen in den Fermentern ähnlich verhalten wie Arbeitsgemeinschaften anderer Spezies, dass also beispielsweise 30% der Individuen 90% der effektiven Arbeit, zum Beispiel bei der Herstellung von Produkten, machen“, erklärt Detlev Belder, Chemiker an der Universität Leipzig. Doch wie könnte man das feststellen? Zwar sind die Zellen, nicht jedoch deren Stoffwechselprodukte groß genug, um im Mikroskop sichtbar zu sein.

Das Team um Belder schrumpfte deshalb die üblicherweise Liter- oder sogar Hektoliter großen Fermenter: Mittels sogenannter Mikrofluidtechnik erzeugten die Forscher haarfeine Kanäle in Mikrochips und plazierten Nano-Tröpfchen, die als Miniaturfermenter dienten. Diese boten nur Platz für einzelne Zellen, so dass das Team deren individuelle Stoffwechselprodukte auswerten konnte. Dazu bestimmten sie mit moderner Analysetechnik die chemischen Inhaltsstoffe, die durch die jeweilige Zelle in ihrem Tröpfchen entstanden.

Das neue Verfahren eröffnet großes Potential für die Forschung, um den Stoffwechsel von Zellen und Zusammenhänge mit deren genetischen Eigenschaften besser zu verstehen. Es birgt aber zugleich die Chance, biotechnologische Prozesse weit effektiver zu gestalten: „Hochproduktive Zellen aus der Zellkolonie könnten nun identifiziert und äußerst effiziente Stämme gezüchtet werden, um höhere Ausbeuten etwa für teure Feinchemikalien zu erreichen“, erläutert Belder. Details berichtete das Team Anfang Mai im Fachjournal Angewandte Chemie.

transkript.de/laborwelt/bl/MaK