Aquatische Zelltechnologie

Kernkompetenzen

  • Aquatische Zellkulturen als Test- und Modellsysteme
  • Kryokonservierung von somatischen Zellen und Keimzellen aus Fischen
  • Nutzung aquatischer Ressourcen für die angewandte Lebensmittelforschung

Nutzung aquatischer Ressourcen für die Lebens- und Futtermittelindustrie, Kosmetik und Medizin

 

Die Kernprojekte der Arbeitsgruppe Aquatische Zelltechnologie beschäftigen sich mit der Etablierung und der Verwendung von neuen Langzeit-Zellkulturen aus limnischen und marinen Fischarten, mit der Kryokonservierung von piscinen somatischen Zellen und Keimzellen sowie der Nutzung aquatischer Ressourcen für die Lebens- und Futtermittelindustrie. Fischzellkulturen werden unter anderem als Test- und Modellsysteme in der Gewässer- oder Ökotoxikologie, in der Virenforschung und Impfstoffentwicklung sowie in der Pharmaindustrie verwendet oder in der regenerativen Medizin und Grundlagenforschung eingesetzt.

Toxikologische Testsysteme

Im Vergleich zu klassischen Testsystemen aus Säugern gibt es über den Einsatz von Fischzellkulturen in der Toxikologie relativ wenige wissenschaftliche Untersuchungen, weshalb in der AG Aquatische Zelltechnologie vergleichende Analysen zur Einsetzbarkeit dieser Zellkulturen als Toxizitäts-Testsystem durchgeführt wurden. Hierzu wurden fibroblasten-ähnliche Zellen aus Mensch, Maus, Ratte und Fisch mit Kupfersulfat behandelt. Dieses Pestizid ist weitverbreitet, aufgrund seiner guten Wasserlöslichkeit jedoch auch für höhere Organismen sehr toxisch. Seine Wirkung auf die Zellen wurde mit einem Impedanz–basierten real-time Analyse-System (xCELLigence RTCA, Roche), sowie zwei klassischen Endpunkt-Assays (MTT und PrestoBlue) nachgewiesen. Diese Untersuchungen zeigten, dass Fischzellen bereits aufgrund der unterschiedlichen Kulturbedingungen (20°C und 1,9% CO2 statt 37°C und 5% CO2) und der niedrigeren Stoffwechselleistung nicht mit Zellen aus Säugern vergleichbar sind. Im Umkehrschluss können daher Erkenntnisse aus klassischen Säuger-Testsystemen und Grenzwerte nicht unbesehen auf Wasserorganismen übertragen werden (Rakers et al., 2014). Die Einführung eines spezifischen Fischzell-Testsystems zur Festlegung signifikanter Grenzwerte für Gewässer und zur gleichzeitigen Reduktion von Tierversuchen sehen wir daher als zwingend erforderlich an.

Kryokonservierung

Die Technik der Kryokonservierung wird an der Fraunhofer EMB zum Erhalt von Zellkulturen eingesetzt. In Zusammenarbeit mit der zentralen Einrichtung „Zellkultur und Zellanalyse“ sowie den Mitarbeitern des Projektes „Deutsche Zellbank für Wildtiere Alfred Brehm“ (Cryo-Brehm) werden Langzeit-Zellkulturen von aquatischen Organismen angelegt und tiefgekühlt gelagert. Auch Keimzellen können für eine lange Zeit bei -196°C im flüssigen Stickstoff gelagert werden. Während die Kryokonservierung von Gameten wichtiger Zuchtrassen in der Agrarwirtschaft bereits seit vielen Jahren etabliert ist, werden Fischspermien nur in wenigen Fällen für kommerzielle Zwecke gelagert und später für die Reproduktion eingesetzt. Einerseits ist die Einführung biotechnologischer Methoden in die Fischzucht viel weniger fortgeschritten als in anderen Bereichen der Agrarwirtschaft. Andererseits liegt eine Limitierung dieser Methode vor allem in der Tatsache begründet, dass es bisher nicht möglich ist, Fischeier einzufrieren und vital wieder aufzutauen oder anderweitig über längere Zeit zu lagern. Die Züchtung und eine langfristige Sicherung der genetischen Ressourcen verschiedenster wertvoller Fischarten oder –rassen sind somit bisher mit hohem Aufwand verbunden. Vor allem in der klassischen Teichwirtschaft kann solch ein personeller und finanzieller Aufwand häufig nicht abgedeckt werden. Dies hat zur Folge, dass zunehmend mehr Teichwirte ihre Jungfische von immer weniger Züchtern beziehen und die genetische Vielfalt stetig abnimmt. In einem vom Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucher (BMELV) über die Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung (BLE) geförderten Modell- und Demonstrationsvorhaben zur Sicherung aquatischer genetischer Ressourcen am Beispiel des Karpfens („Kryokonservierung von aquatischen genetischen Ressourcen: Aufbau einer erweiterten Zellbank für Karpfenstämme“) soll daher gezeigt werden, wie eine sichere und kostengünstige Verwahrung solcher genetischer Ressourcen über viele Jahrzehnte hinweg gelingen kann. Nach einer Anpassungs- und Optimierungsphase der entsprechenden Kryokonservierungs-Protokolle für Karpfenspermien werden die noch vorhandenen Züchter zur Mitarbeit aufgerufen. Dabei sollen Proben ihrer Karpfenstämme in den Kryotanks an der EMB eingelagert werden und für spätere Befruchtungen zur Verfügung stehen. Um auch die genetischen Informationen der Weibchen sichern zu können, werden zusätzlich die Kerne der Fischeizellen isoliert und eingefroren. Dadurch besteht die Möglichkeit, diese Kerne mithilfe der Mikromanipulation wieder in frische, entkernte Karpfeneizellen einzupflanzen und die genetische Information zu „reaktivieren“. Die AG Aquatische Zelltechnologie nutzte im November 2014 das mobile Zelltechniklabor der Fraunhofer EMB, um versuchsweise Proben bei ihrem Kooperationspartner, dem Thünen-Institut für Fischereiökologie in Ahrensburg, zu bearbeiten (Abb. 1). Es ist geplant, den Labor-LKW zukünftig ebenfalls für Probenahmen bei den einzelnen Züchtern einzusetzen.

Marine Lebensmittel

Viele für die Lebensmittelindustrie interessante Inhaltsstoffe, wie antioxidativ wirksame Enzyme, Rohproteine (z.B. Kollagen), essentielle Fettsäuren (u. a. Omega-3-Fettsäuren wie DHA und EPA), Aminosäuren und Vitamine könnten verstärkt aus dem Meer bezogen werden. Die Fraunhofer EMB hat sich als Schnittstelle zwischen den Bedürfnissen der Industrie und der Nutzung der aquatischen Ressourcenquellen etabliert und bietet sowohl Know-How als auch Technologien auf hohem Niveau.

Das Technikum für angewandte Lebensmittelforschung – TFAL – ist für die Entwicklung von Prototypen und Produkten, Halbfabrikaten und Endprodukten mit den gängigen Geräten der Lebensmitteltechnologie und –industrie ausgestattet. Die Fraunhofer EMB bietet der Industrie eine multifunktionale Plattform nach den Vorgaben des EU Hygiene Pakets und unter Anwendung eines ständig gepflegten bzw. aktualisierten Hazard Analysis & Critical Control Points (HACCP) Konzeptes für die Entwicklung neuer Lebensmittel und Lebensmittelzusatzstoffe. Hierbei findet grundlegend keine Selektion nach Rohstoffursprüngen (on- oder offshore) statt. Bei den Verbrauchern hat sich in den letzten Jahren die Nachfrage nach „bio“ und „clean label“ Produkten verstärkt. Gerade die andauernden Skandale in der Lebensmittelindustrie verunsichern den mittlerweile sehr gut informierten Endverbraucher immens. Dieses hat zur Folge, dass verstärkt nach Qualtität gefragt wird, welche häufig mit „der Natürlichkeit eines Lebensmittels“ gleichgesetzt wird.

So erwarteten zum Beispiel 77% der Europäer laut einer Umfrage aus dem Jahr 2012 ein Angebot an Nahrungsmitteln, die frei von chemischen Zusätzen sind. 71% der Befragten möchten sich ausschließlich mit natürlichen Zutaten ernähren. Für die Betriebe der Nahrungsmittelbranche werden daher natürliche Rohstoffe als Alternative zu synthetisch hergestellten Lebensmittelzusatzstoffen immer wichtiger, um den Kundenwünschen nachkommen zu können. Im TFAL werden solche Produktentwicklungen in verschiedenen Vorlaufforschungsprojekten und Industriekooperationen vorangetrieben. Beispielsweise werden bereits seit längerer Zeit Inhaltsstoffe aus verschiedenen Makroalgen auf schonende und kostengünstige Weise extrahiert und deren Anwendungen als Zusatzstoffe untersucht. Hierbei wird auch die Auswirkung von unterschiedlichen Extraktionsverfahren auf die Produkteigenschaften der entstehenden Halbfabrikate erforscht.

Insgesamt hat die AG Aquatische Zelltechnologie in diesem Jahr ihre nationalen wie internationalen Beziehungen verstärkt. Dabei wurden vor allem Kontakte zu Akteuren der Aquakultur, Veterinärämtern, Züchtern und Forschungsgruppen aus Schleswig-Holstein, Mecklenburg-Vorpommern, Niedersachsen, Sachsen und Bayern aufgebaut oder intensiviert, um künftig Forschungsvorhaben im Bereich der aquatischen Biotechnologie voranzubringen. International wurden unter anderem Partnerschaften mit Holland, Österreich, Frankreich, Israel, Jordanien, Oman und Ägypten neu initiiert oder weiter gefestigt. Hier werden in den kommenden Jahren sicherlich interessante Projektideen umgesetzt.

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FORSCHUNGSPROJEKTE

Technikum für angewandte Lebensmittelforschung (TFAL)

In der Fraunhofer-Einrichtung für Marine Biotechnologie und Zelltechnik wurde im Jahr 2011 ein Technikum (TFAL) zur anwendungsorientierten Erforschung von Stoffen marinen Ursprungs mit hohem Potential zur Verwendung in der Lebensmittelindustrie eingerichtet. Im Rahmen der Forschung der Fraunhofer EMB gibt es viele Bereiche, von Fischzellmehl über Inhaltsstoffe aus Makroalgen bis hin zu den Produkten aus der integrierten multitropischen Aquakultur, welche in der Lebensmittelindustrie Anwendung finden können. Das TFAL hilft, diese Stoffe fachgerecht und effizient der Lebensmittel- und Futtermittelindustrie verfügbar zu machen und forscht an neuen Formulierungen sowie Applikationsmöglichkeiten.

Molekulare Analysen von Fischzellen und –gewebe

Für viele Fischarten, die in Aquakultur gehalten werden, gibt es bisher nur sehr wenige molekulare Werkzeuge. In der AG Aquatische Zelltechnologie werden Primer für verschiedenste Gene hergestellt und auf ihre Funktionalität und Spezifität hin getestet. Weiterhin werden Antikörper von homologen Proteinen aus Säugetieren auf ihre Kreuzreaktivität in Fischen hin untersucht und für Immunfluoreszenzfärbungen von Zellen und Geweben eingesetzt. Auch Sequenzierungen, Fragmentanalysen und Genexpressionsuntersuchungen können an einem flexiblen Kapillarelektrophoresesystem durchgeführt werden.

Mikromanipulation

Die Mikromanipulation ist eine anerkannte Methode, um unter mikroskopischer Kontrolle Eingriffe an Zellen vorzunehmen und Transformationen durchzuführen. Mit Hilfe von (fluoreszierenden) Farbstoffen können zudem Zellentwicklungen z. B. eines Embryos nachvollzogen werden. In der Fraunhofer EMB werden Geräte zur Mikromanipulation von Zellen oder Fischeiern eingesetzt.

Optimierung von Zellkulturbedingungen

In der Fraunhofer EMB werden aus marinen und limnischen Fischen Zellen isoliert und Langzeit- Zellkulturen etabliert. Dazu werden die optimalen Zellkulturmedien und -zusätze für jede neue Fischart standardisiert. Die Zellen werden umfassend charakterisiert, um die besten Wachstumsparameter zu ermitteln. Dafür werden beispielsweise die Gen- und Proteinexpression mittels PCR und Immunfluoreszenzfärbungen untersucht, Impedanz-basierte Tests mit dem xCELLigence®- System durchgeführt oder FACS Analysen zur Ermittlung des Ploidiegrades der Zellen in hohen Passagen eingesetzt.

Zebrafischzucht/ Aquatic Habitat

Der Zebrafisch (Danio rerio) dient der biomedizinischen Forschung als wertvoller Modellorganismus. Daher werden auch in der Fraunhofer EMB Zebrafische gezüchtet, um beispielsweise In-vitro-Modelle zu entwickeln oder die Eier für entwicklungsbiologische Fragestellungen zu verwenden.

Kryokonservierung aquatischer genetischer Ressourcen

Die Food and Agriculture Organization of the United Nations hat die Kryokonservierung als wichtiges komplementäres Instrument der Strategie zum Erhalt von Artenvielfalt benannt. In der EMB werden neben Zellen auch Gameten von verschiedenen Fischarten eingefroren. Oberstes Ziel dieser Projekte ist die Sicherung von genetischem Material (Sperma, Eizellkerne, somatische Zellen), zum Beispiel von erhaltenswerten Zuchtlinien.

Publikationen

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