Extremophilenforschung & Biobank CCCryo

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Die Arbeitsgruppe Extremophilenforschung & Biobank CCCryo befasst sich mit den Anpassungsstrategien und der Nutzbarkeit kryophiler (= kälteliebender) Süßwassermikroalgen, den sogenannten Schnee- und Permafrostalgen. Die in ihrem Umfang und ihrer Diversität wohl einzigartige Stammsammlung CCCryo der Arbeitsgruppe dient dabei als Basis.

Kryophile Algen sind in ihrem natürlichen Lebensraum vielfältigen extremen Stressfaktoren ausgesetzt. Dazu gehören in erster Linie Kälte, erhöhte Licht- und UV-Strahlung, Austrocknung sowie stark wechselnde Nährstoff- und Salzgehalte. Ziel dieser Arbeitsgruppe ist es, die auf Expeditionen gesammelten Isolate hinsichtlich ihrer vielfäligen Anpassungsstrategien an diese extremen Umweltparameter zu charakterisieren und die von den Algen entwickelten besonderen Metabolite in eine industrielle Anwendung zu überführen.

Für eine Bioproduktion im industriellen Maßstab entwickelt die Arbeitsgruppe zudem geeignete Photobioreaktoren für die sterile Massenkultur autotropher Organismen.

Aktuelle Stellenangebote der Arbeitsgruppe Extremophilenforschung & Biobank CCCryo

Wir gehen bei unserer Arbeit von einem umfassenden Forschungsansatz aus:

  • 1. Grundlagenforschung: Ausgehend von der Sammlung von Algen während Expeditionen in polare und hochalpine Regionen unserer Erde werden einzelne Stämme isoliert und taxonomisch, phylogenetisch sowie hinsichtlich ihrer Kulturansprüche charakterisiert. Mit Blick auf die speziellen Anpassungsstrategien analysieren wir die Isolate auf RNA-, Protein- sowie Primär- und Sekundärmetabolitebene.
  • 2. Anwendungsforschung: Die Algenstämme werden hinsichtlich industriell verwertbarer Metabolite näher charakterisiert. Dazu gehören beispielsweise Antioxidantien, wie Carotinoide, Vitamine oder mehrfach ungesättigte Fettsäuren (PUFA) aber auch spezielle Substanzen, wie z.B. natürliche Gefrierschutzsubstanzen. Im Labormaßstab wird dann deren Induktion und Produktion optimiert.
  • 3. Photobioreaktorentwicklung (PBR): Für eine Produktion im industriellen Maßstab, das Upscaling, werden universell nutzbare oder auch speziell angepasste Photobioreaktoranlagen, sogeannte multiloop- und doublehelix-Systeme, entwickelt. Dabei wird Wert auf sterile Produktionsbedingungen gelegt, um innovative Produkte für den kosmetischen und pharmazeutischen Bereich oder auch den Sektor der Lebens- und Futtermittelbranche anbieten zu können.

Durch diesen umfassenden Forschungsansatz bieten wir Forschungsergebnisse von der Quelle bis zum Rohprodukt aus einer Hand an. Die Algenstämme sind unabhängig vom oben beschriebenen Ansatz über unsere Sammlungswebseiten der CCCryo für öffentliche und private Forschungsunternehmen erhältlich.

PUFAChain – Entwicklung eines integrativen Bioproduktionsprozesses für mehrfach ungesättigte Fettsäuren (PUFA) aus Mikroalgen

Im Rahmen dieses EU-Projekts wird von einem internationalen Team von 9 Partnern die Wertschöpfungskette von der Bioressource, über den Produktions-, Ernte- und Aufarbeitungsprozess bis hin zum Endprodukt untersucht. Ziel ist die Etablierung eines wirtschaftlich stabilen Produktionsprozesses für Omega-3-Fettsäuren (DHA und EPA), die als Bausteine für die moderne Oleochemie dienen sollen.

www.pufachain.eu/en/home/

Herstellung von Algenbiomasse als Ausgangsstoff für Kosmetikazusätze

Das Schweizer Unternehmen Mibelle AG Biochemistry entwickelt innovative Wirkstoffzusätze für Kosmetika. In einer langjährigen Kooperation wurde zusammen mit Mibelle ein Prozess entwickelt, um im industriellen Maßstab spezielle Inhaltsstoffe aus Schneealgen zu gewinnen. Der Produktionsprozess wird von uns laufend weiter entwickelt und optimiert.

Photobioreaktoren

Photobioreaktor
© Foto Fraunhofer IZI

Photobioreaktor

Zur Kultivierung von Mikroalgen unter sterilen Bedingungen wurden Photobioreaktoren entwickelt, die seit 2011 in Produktionsstrecken am Fraunhofer IZI sowie bei Industriekunden eingesetzt werden. Die Reaktoren mit einem Arbeitsvolumen von bis zu 60 L ermöglichen die biotechnologische Nutzung eines breiten Spektrums phototropher Mikroorganismen und können individuell an Produktionsanforderungen angepasst werden.

Algenpigmente als natürliche Farbstoffe für die Lebensmittelindustrie

Carotinoide

Carotinoide

Typisch für Schnee- und Permafrostalgen ist die Fähigkeit zur Produktion von Sekundärcarotinoiden und anderen Antioxidantien, wie z. B. alpha-Tocopherol (Vitamin E). Sie reagieren in ihrem natürlichen Lebensraum damit auf Stress durch niedrige Nährstoffe und hohe Licht- und UV-Strahlung. Die verschiedenen Algenstämme zeigen dabei zum Teil sehr unterschiedliche Pigmentmuster.

Bei einer Massenproduktion gliedert sich der Prozess typischerweise in zwei Phasen. In der ersten wird unter optimaler Nährstoff- und Lichtversorgung eine hohe Biomasse erzeugt. In der zweiten Phase wird durch Setzen bestimmter Stressoren die Synthese von Sekundärkarotinoiden eingeleitet. Meist werden dabei auch große Mengen an Lipiden aufgebaut, in denen die fettlöslichen Carotinoide gespeichert werden.

Je nach Algenstamm sind in der Algenmasse unterschiedliche Gehalte an:

  • alpha- und beta-Carotin
  • Lutein
  • Neoxanthin
  • Violaxanthin
  • Antheraxanthin
  • Zeaxanthin
  • Echinenon
  • Hydroxyechinenon
  • Adinoxanthin
  • Canthaxanthin
  • Astaxanthin
  • alpha-Tocopherol

zu finden. Industriell interessant sind dabei vorwiegend Lutein, Astaxanthin und alpha-Tocopherol (Vitamin E) für die Nahrungsergänzungs- und Futtermittel- sowie die Kosmetikbranche.

Kartierung von Schneealgenfeldern entlang der Küste Svalbards

Grüner Schnee

Grüner Schnee

Roter Schnee

Roter Schnee

2013 wurde die 6. Expedition nach Spitzbergen durchgeführt. Ziel war es, einen umfassenden Überblick über die Verbreitung von Schneealgenfeldern entlang der gesamten Küste Spitzbergens und der nahegelegenen Inseln im Osten zu erhalten. Unklar blieb bisher, warum in manchen Gebieten Roter und Grüner Schnee, das Massenphänomen von Schneealgenblüten, sehr ausgeprägt ist, an manch anderen Orten dieser aber nicht vorkommt. Auf der Expedition im Jahre 2010 konnte die Nährstoffverfügbarkeit als alleiniger Faktor bereits ausgeschlossen werden. Mit Hilfe eines ferngesteuerten Oktokoptersystems mit VIS- und IR-Kameras sowie chemischer Bodenanalysen konnte nun gezeigt werden, dass die vorherrschenden geologischen Formationen in den verschiedenen Regionen Svalbards und die kleinräumige Topographie einen entscheidenden Einfluss auf das Vorkommen von Schneealgen haben. So bevorzugen diese extremophilen Organismen silikatische Böden (Sandstein und Gneiss) mit niedrigen pH-Werten und geringen Carbonatgehalten gegenüber kalkreichen Regionen. Eine spezielle taxonomische Gruppe ist hingegen besonders auf kalkhaltigen Untergründen anzutreffen. Zusätzlich scheinen kleinklimatische Bedingungen, wie ausreichend Niederschläge, wichtig zu sein. Solche Feldergebnisse liefern wichtige Anhaltspunkte für eine optimale Kultur dieser anspruchsvollen Algen.

Eisstrukturierende Proteine aus Schneealgen zur Qualitätsverbesserung von Speiseeis und Tiefkühl-Konditoreiprodukten (ISP-Food)

In diesem Kooperationsprojekt zusammen mit dem Fraunhofer IVV in Freising wurde die Einbindung von eisstrukturierenden Proteinen (ice structuring proteins, ISP, AFP) aus Schneealgen in Speiseeis und andere TK-Produkte untersucht. ISP haben die Fähigkeit, irreversibel an Eisoberflächen zu binden und damit die Eiskristallmorphologie hin zu kleinen Kristallen zu modifizieren. Ziel war es, einen ISP-haltigen Zusatz für die Lebensmittelindustrie zu entwickeln, der Rekristallisationsprozesse unterbindet und damit die Qualität von TK-Produkten deutlich verbessert.

Für spezielle Arbeiten stehen u.a. folgende Resourcen und Geräte der Arbeitsgruppe und Kooperationspartnern zur Verfügung:

  • Algenkultursammlung CCCryo mit etwa 400 Isolaten an kryophilen Organismen (Algen, Cyanobakterien, Pilze und Moose)
    Die Datenbank der Stammsammlung CCCryo, ebenso wie die Bestellinformationen sind über die Webseite zugänglich. Die Algen sind für öffentliche und industrielle Forschungsinstitutionen erhältlich.
  • 3 PERCIVAL-Zellkulturschränke (T = -15 °C bis +40 °C, Licht = 0-1.000 µmol m-2 s-1, UV-A/B)
  • 1 Kulturraum (T = -10 °C bis +30 °C, Licht = 0-200 µmol m-2 s-1) für Versuchskulturen
  • 1 Kulturraum (T = +4 °C bis +30 °C, Licht = 0-400 µmol m-2 s-1) für Algenmassenkultur
  • 1 temperierbarer 12’-Doppel-Container zur Algenmassenkultur (T = +4 °C bis +30 °C), Beleuchtung mit LED-Technik bis zu 800 µmol m-2 s-1
  • in-situ sterilisierbare Glasröhren-Photobioreaktoren im multiloop- und doublehelix-Design mit Airlift-Prinzip (1 x 60 L, 2 x 30 L, 3 x 25 L, 6 x 10 L), Gesamtvolumen im sterilen Produktionsprozess = etwa 255 L, mit einer Jahreskapazität von etwa 100 kg Algenfrischmasse
  • Kryomikroskop mit digitaler Bildverarbeitung
  • Clifton Nanoliter-Osmometer (Otago Osmometers)
  • Einfriergerät zur kontrollierten Kryokonservierung (SYLAB)
  • Tieftemperaturlager zur Sicherungseinlagerung und Kryokonservierung
  • Gaschromatograph mit FID-Detektor (Agilent 7890B)
  • Elementanalysator (EuroEA CNS)
  • Oktokopter-UAV-System mit VIS- und IR-Digitalkameras zur Luftbilddokumentation

  • Mibelle AG Biochemistry

  • de Vera J-P, Boettger U, Lorek A, Wolter D, Grunow D, Hübers H-W, Spohn T, Noetzel RdlT, Sánchez FJ, Billi D, Baqué M, Rettberg P, Rabbow E, Reitz G, Berger T, Leuko S, Möller R, Bohmeier M, Horneck G, Westall F, Jänchen J, Fritz J, Meyer C, Onofri S, Selbmann L, Zucconi L, Kozyrovska N, Leya T, Foing B, Demets R, Cockell CS, Bryce C, Philips Brown S, Olsson-Francis K, Wagner D, Serrano P, Edwards HGM, Joshi J, Huwe B, Moritz S, Ehrenfreund P, Elsaesser A, Ott S, Meessen J, Feyh N, Szewzyk U, Schulze-Makuch D, Hermelink A, Lasch P. BIOMEX – the Biology and Mars Experiment in space during the EXPOSE-R2 mission on the ISS. GRA. 2014;16.
  • Leya T. Snow Algae: Adaptation strategies to survive on snow and ice. In: Seckbach, J., Oren, A. & Stan-Lotter, H. (eds.): Polyextremophiles, Vol. 27 (2013): S. 401-423, Springer Netherlands. DOI dx.doi.org/10.1007/978-94-007-6488-0_17.
  • Remias D, Wastian H, Lütz C, Leya T. (2013): Insights into the biology and phylogeny of Chloromonas polyptera (Chlorophyta), an alga causing orange snow in Maritime Antarctica. Antarct. Sci. 25 (2013), 5: S. 648-656. DOI dx.doi.org/10.1017/S0954102013000060.
  • de Vera J-P, Boettger U, Noetzel RdlT, Sánchez, FJ, Grunow D, Schmitz N, Lange C, Hübers H-W, Billi D, Baqué M, Rettberg P, Rabbow E, Reitz G, Berger T, Möller R, Bohmeier M, Horneck G, Westall F, Jänchen J, Fritz J, Meyer C, Onofri S, Selbmann L, Zucconi L, Kozyrovska N, Leya T, Foing B, Demets R, Cockell CS, Bryce C, Wagner D, Serrano P, Edwards HGM, Joshi J, Huwe B, Ehrenfreund P, Elsaesser A, Ott S, Meessen J, Feyh N, Szewzyk U, Jaumann R, Spohn T. Supporting Mars exploration: BIOMEX in Low Earth Orbit and further astrobiological studies on the Moon using Raman and PanCam technology. Planetary and Space Science 74 (2012), 1: S. 103-110.
  • Remias D, Aigner S, Leya T, Lütz C, Stuppner H, Schwaiger S. Characterization of an UV- and VIS-absorbing, purpurogallin-derived secondary pigment new to algae and highly abundant in Mesotaenium berggrenii (Zygnematophyceae, Chlorophyta), an extremophyte living on glaciers. FEMS Microbiol. Ecol. 79 (2012), 3: S. 638-648. DOI dx.doi.org/10.1111/j.1574-6941.2011.01245.x.
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  • de Nys R, Leya T, Maximilien R, Afsar A, Nair PSR, Steinberg PD. The need for standardised broad scale bioassay testing: a case study using the red alga Laurencia rigida. Biofouling 10 (1996), 1-3: S. 213-224. DOI dx.doi.org/10.1080/08927019609386281.