CCCryo - Sammlung kryophiler Organismen

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Schneealgenfeld am Gnålodden auf Spitzbergen

© Fraunhofer IZI-BB, Foto: Thomas Leya
Einige Mikroalgen haben sich an das extreme Habitat polarer Schneefelder angepasst und bilden an den Berghängen Spitzbergens roten Schnee.

Das Forschungssegment befasst sich mit den Anpassungsstrategien und der Nutzbarkeit kryophiler (= kälteliebender) Süßwassermikroalgen, den sogenannten Schnee- und Permafrostalgen. 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 ist es, die Isolate hinsichtlich ihrer vielfältigen Anpassungsstrategien an diese extremen Umweltparameter zu charakterisieren, und die von den Algen entwickelten besonderen Enzyme und Metabolite in eine industrielle Anwendung zu überführen.

Die in ihrem Umfang und ihrer Diversität einzigartige Stammsammlung CCCryo dient dabei als Basis. Die Algenstämme wurden während Expeditionen in die Polargebiete selbst gesammelt und isoliert. Daneben werden auch Cyanobakterien, Moose, Pilze und Eubakterien kultiviert. Über die Webseite www.cccryo.fraunhofer.de sind die Stammdetails sowie die Bestellinformationen zugänglich.

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Projekte

Expeditionen

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Oktokopter-Flugsystem zur Kartierung aus der Luft

Zwischen 2015 und 2016 waren zwei CCCryo-Stämme im Rahmen des vom Deutschen Luft- und Raumfahrtzentrums DLR koordinierten Projekts BIOMEX zu Gast auf der Internationalen Raumstation ISS. Genauer gesagt verbrachten sie gut eineinhalb Jahre an der Außenseite der ISS. Nach ihrer Rückkehr auf die Erde zeigten sie ihre außerordentlich gute Anpassungsfähigkeit, scheinbar auch an solche extremen Parameter wie Vakuum, UV-A, -B und -C-Strahlung und starke Temperaturschwankungen, wie sie außerhalb der ISS herrschten, denn nahezu alle Proben überlebten diesen Weltraumaufenthalt.

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 Gneis) 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.

Kälteaktive Enzyme und Proteine

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Rekristallisationsassay mit ISP aus dem Schneealgenstamm CCCryo 050-99 (Skala = 50 μm)

Eisstrukturierende Proteine (ice structuring proteins, ISP), oft auch als Eisbindende Proteine (ice binding proteins, IBP) oder Gefrierschutzproteine (antifreeze proteins, AFP) bezeichnet, sind typisch für obligat kryophile Schneealgen. Diese Proteine werden von den einzelligen Algen abgegeben und binden an Eisoberflächen. Dadurch, dass sie nur an eine bestimmte Ebene der Eiskristalle binden, verhindern sie unkontrolliertes Wachstum und zwingen die Eiskristalle in eine kleine, hexagonale bipyramidale Form. Sie verhindern damit Rekristallisationsprozesse, wie sie üblicherweise in gefrierenden Lösungen auftreten.

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. Zudem arbeiten wir nach Standardarbeitsanweisungen (SOP), um eine hohe Reinheit und Keimfreiheit der Algenbiomasse sicher zu stellen.

Die »Schneealgenkosmetik« verschiedener Marken wird zurzeit in der Kosmetikbranche weltweit vermarktet.

Weitere natürlichen Inhaltsstoffe aus CCCryo-Stämmen für innovative Kosmetika sind in unserer Broschüre zusammengefasst.

Methoden & Geräte

Algenkultursammlung CCCryo mit über 550 Isolaten an kryophilen Organismen (Algen, Cyanobakterien, Pilze, Moose, Hefen & Bakterien)
Die Datenbank der Stammsammlung CCCryo, ebenso wie die Bestellinformationen sind über die Webseite zugänglich. Die Algen sind für öffentliche und industrielle Forschungsinstitutionen erhältlich.
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
Gaschromatograph mit FID-Detektor (Agilent 7890B)
Elementanalysator (EuroEA CNS)
Pigmentanalytik (HPLC)

Partner

Deutsches Geoforschungszentrum GFZ, Potsdam (Deutschland)
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR), Berlin (Deutschland)
Mibelle Biochemistry, Mibelle AG, Buchs (Schweiz)
Sammlung von Algenkulturen SAG, Georg-August-Universität Göttingen., Göttingen (Deutschland)
University of California, Berkeley (U.S.A.)

Publikationen

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Schimani, K., Abarca, N., Zimmermann, J., Skibbe, O., Jahn, R., Kusber, W.-H., Leya, T., & Mora, D. (2024 (ahead of print 2023)). Molecular phylogenetics coupled with morphological analyses of Arctic and Antarctic strains place Chamaepinnularia (Bacillariophyta) within the Sellaphoraceae. Fottea. https://doi.org/10.5507/fot.2023.002
Liu, Y., Jeraldo, P., Herbert, W., McDonough, S., Eckloff, B., Schulze-Makuch, D., de Vera, J.-P., Cockell, C., Leya, T., Baqué, M., Jen, J., & Walther-Antonio, M. (2022, 2022/05/20/). Whole genome sequencing of cyanobacterium Nostoc sp. CCCryo 231-06 using microfluidic single cell technology. iScience, 25(5), 104291. https://doi.org/10.1016/j.isci.2022.104291
Liu, Y., Jeraldo, P., Herbert, W., McDonough, S., Eckloff, B., de Vera, J.-P., Cockell, C., Leya, T., Baqué, M., Jen, J., Schulze-Makuch, D., & Walther-Antonio, M. (2022). Non-random genetic alterations in the cyanobacterium Nostoc sp. exposed to space conditions. Scientific Reports, 12, 12580. https://doi.org/https://rdcu.be/cSdb9
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de Vera, J.-P., Alawi, M., Backhaus, T., Baqué, M., Billi, D., Böttger, U., Berger, T., Cockell, C., Demets, R., de la Torre Noetzel, R., Edwards, H., Elsaesser, A., Fagliarone, C., Fiedler, A., Foing, B., Foucher, F., Fritz, J., Hanke, F., Herzog, T., Horneck, G., Hübers, H.-W., Huwe, B., Joshi, J., Kozyrovska, N., Kruchten, M., Lasch, P., Lee, N., Leya, T., Lorek, A., Moritz, S., Möller, R., Olsson-Francis, K., Onofri, S., Ott, S., Pacelli, C., Podolich, O., Martínez-Frías, J., Rabbow, E., Reitz, G., Rettberg, P., Reva, O., Rothschild, L., Sancho, L. G., Schulze-Makuch, D., Selbmann, L., Serrano, P., Szewzyk, U., Verseux, C., Wagner, D., Westall, F., Wolter, D., & Zucconi, L. (2019). Limits of life and the habitability of Mars: The ESA space experiment BIOMEX on the ISS. Astrobiology, 19(2), 145-157. https://doi.org/10.1089/ast.2018.1897
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de Vera, J.-P., Boettger, U., Noetzel, R. d. l. T., Sánchez, F. J., 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, C. S., Bryce, C., Wagner, D., Serrano, P., Edwards, H. G. M., Joshi, J., Huwe, B., Ehrenfreund, P., Elsaesser, A., Ott, S., Meessen, J., Feyh, N., Szewzyk, U., Jaumann, R., & Spohn, T. (2012). 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(1), 103-110. https://doi.org/http://dx.doi.org/10.1016/j.pss.2012.06.010
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