Biotechnik: Hefen mit Eierschale

Inspiriert von den Eierschalen der Natur schufen chinesische Forscher beschalte Hefezellen. In dem künstlichen Gewand füllten sich die Einzeller nicht nur wohl, sie ließen sich auch magnetisieren.

Hefezelle mit Schale — © Ruikang Tang (Ausschnitt)

Unser Frühstücksei ist eine Besonderheit der Natur: eine einzelne Zelle, die von einer dünnen mineralischen Schicht geschützt wird. Abgesehen von einer Reihe winziger Amöben und Kieselalgen haben Einzeller normalerweise keine harte Schale.

Saccharomyces cerevisia | Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer normalen Zelle der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisia (Maßstab: 2 Mikrometer)

Die Arbeitsgruppe von Ruikang Tang wollte sich jedoch mit dieser natürlichen Einschränkung nicht abfinden. Die chinesischen Forscher von der Zhejiang-Universität in Hangzhou entwickelten eine Strategie, Zellen der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae mit einer künstlichen Schale aus Kalziumphosphat zu versehen.

An die Zellwand der Hefezellen lagerten sie zunächst ein künstliches Polymer wie Polyacrylat an. Die negativ geladenen Carboxylat-Gruppen (COO^-) des Polymers ragten in Richtung der umgebenden kalziumphosphathaltigen Lösung. Positiv geladene Kalzium-Ionen aus dem Medium banden daran, zogen nun ihrerseits negativ geladene Phosphat-Ionen an und bildeten so die Keime für das Wachstum von Kalziumphosphaten. Im Zuge der fortschreitenden Mineralisation wurden die Hefezellen vollständig von einer anorganischen Schicht eingekapselt.

Hefezelle mit Schale | Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Hefezelle mit einem künstlichen Überzug aus Kalziumphosphat (Maßstab: 1 Mikrometer)

Dabei blieben die Zellen lebensfähig. Sie traten in eine Ruhephase ein, in der sie auch bei Nährstoffmangel verharren – was üblicherweise zur Lagerung von Hefe genutzt wird. Mit Schale hielten sie diesen Zustand aber wesentlich länger aus: Während normalerweise maximal 20 Prozent der nackten Hefezellen einen Monat Hungern überleben, schafften dies 85 Prozent der beschalten Einzeller.

Die Schale schützte die Zellen zudem gegen ungünstige äußere Bedingungen – sogar gegen den Angriff von Zellwand auflösenden Enzymen blieben sie gefeit. Zerstörten die Forscher die Schale durch leicht saure Bedingungen oder Ultraschall, nahmen die Hefezellen ihren normalen Zellzyklus wieder auf.

Fluoreszenzmarkierte Hefen | Beschalte lebende Hefezellen: Die künstlichen Mineralüberzüge erscheinen gelb, die Zellwände der Hefen blau. Rot markierte Zellen leben. (Maßstab: 10 Mikrometer)

Genetisch veränderte Hefen produzieren wichtige pharmazeutische Wirkstoffe, wie etwa Interferon und Insulin, sowie auch Impfstoffe. 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 Möglichkeiten eröffnen, hoffen die Wissenschaftler.

Zudem kann die Schale als Gerüst für die Modifizierung chemischer und biologischer Eigenschaften dienen: Als das Team Eisenoxid-Nanopartikel in die Schale einbaute, erzeugten sie – magnetische Hefezellen.