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Vorsicht! Heiß und exotisch

(22.09.2020) In einem Keller der Universität Regens­burg steht ein weltweit einzig­artiges Zuchtlabor für Archaeen. Ein Blick hinter die Kulissen mit Harald Huber.
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Harald Huber im Regensburger Archaeenzentrum

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Über vierzig Jahre nach der Entdeckung der Archaeen ist es immer noch ganz große Labor­kunst, diese Orga­nismen zu vermehren. Kapriziös sind nicht nur diejenigen Spezies, die unter extremen Bedin­gungen leben, welche sich im Labor nicht so einfach in den Griff kriegen lassen. Nein, selbst Arten mit anscheinend sehr gewöhn­licher Lebens­weise entpuppen sich als echt wider­spenstig. Ein Beispiel: „Jeder Mensch hat auf seiner Haut Archaeen, aber es ist trotzdem noch niemandem geglückt, diese Orga­nismen zu kultivieren,“ sagt Harald Huber. Auch ihm ist es bisher nicht gelungen. Dabei ist der leitende Wissen­schaftler des Archaeen-Biotech­nikums der Universität Regensburg ein echter Künstler in dieser Disziplin.

Bereits in den frühen Tagen der Archaeen­forschung war die Kultivierung der exotischen Organismen ein zentrales Thema. „Wir haben zu Beginn mehr Material­forschung als Biologie gemacht“, flachst Huber. Niemand wusste, wie man Orga­nismen wie beispiels­weise Sulfolobus acido­caldarius kultivieren kann, der bei pH 2 und Tempe­raturen von achtzig Grad lebt. „pH 2 ist echt extrem. Ich habe mal mit einer Pinzette ein Stückchen Fleisch reingesteckt. Das war nach drei Minuten aufgelöst.“

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Glühend heißer Dampf

In Reih und Glied stehen die Kultur­gefäße im Technikum und fassen zwischen 16 bis 300 Liter. Alle sind doppel­wandig, damit heißer Wasser­dampf die Kultur­flüssigkeit auf Temperaturen bis zu 120 Grad Celsius bringen kann. Die massiven Verschlüsse am Deckel halten bis zu fünf Bar stand. Einen Tag bevor ein Fermenter über eine spezielle Öffnung angeimpft wird, rührt Ingenieur Thomas Hader das Medium zusammen und startet das Gerät. Innerhalb von rund drei Stunden auto­klaviert sich der Fermenter quasi selber. Dann beimpfen die Regens­burger das Medium mit einer 200-Milliliter-Vorkultur, die sie zuvor aus fünf Mikroliter Ausgangs­material über mehrere Vermeh­rungsschritte in kleinen Druck­flaschen aufgepäppelt haben.

„Manche Archaeen wachsen sehr schnell, andere unendlich langsam. Und wir wissen nicht, warum das so ist“, sagt Huber. Je nach Spezies schwankt die Ausbeute aus einem Dreihundert-Liter-Ansatz zwischen 400 mg und ein­einhalb Kilo. Irgendwann – nach zwei Tagen oder erst nach zwei Monaten – ist Erntezeit. Dann öffnet Hader, der technische Leiter der Anlage, den Hahn am Boden des Kultur­gefäßes und lässt das Medium samt Archaeen zur Gegen­stromanlage laufen. Hier kühlt es innerhalb von fünf Minuten auf vier Grad Celsius ab. Bei langsa­merer Abkühlung würden sich die Archaeen verändern, ihren Metabolismus umstellen und mitunter sogar absterben.

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Auch auf Bestellung

Nach dem Tempera­tursturz wird die Flüssigkeit in eine Durchlauf­zentrifuge gesprüht. Die Organismen setzen sich an einer außen liegenden Teflonfolie ab. Sind auch die letzten hundert Milliliter Kultur­medium in der Zentrifuge herum­gewirbelt worden, nimmt Hader die Teflonfolie heraus, friert sie in flüssigem Stickstoff ein, schabt die Archaeen bröckchen­weise herunter und lagert sie bei minus achtzig Grad Celsius in der Tiefkühl­truhe bis zur Auslie­ferung. Im Keller wird nämlich nicht nur für den Eigen­bedarf produziert, sondern auch auf Bestellung. „Das hier“, sagt Hader und hält einen Beutel mit einigen Fünfzig-Milliliter-Falcon-Röhrchen hoch, „ist eine sehr wertvolle Auftrags­arbeit, weil die Archaeen für NMR-Unter­suchungen speziell markiert werden mussten.“

Nicht nur Massen­produktion, auch die Archivierung reiner Kulturen zählt zu den Aufgaben des Instituts. Weder technisch noch biologisch ist eine Reinkultur eine triviale Angele­genheit. In den „wilden Zeiten“ der Archaeen­forschung zogen die Wissen­schaftler Kultivate aus Umwelt­proben. Dabei haben sich, das weiß man heute, die am wenigsten empfind­lichen Spezies durch­gesetzt. Vermutlich gingen etliche Arten verloren.

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Gute alte Technik

Da die Organismen nicht auf festen Nähr­böden wachsen, mussten einzelne Zellen aus Flüssigkeits­kulturen isoliert werden. Dafür wurde am Institut eine „optische Pinzette“ gebaut, bestehend aus einem invertierten Mikroskop, einem Laser sowie einem Computer. Der HP-Vectra-Computer hat noch Disketten­laufwerke, und der Bildschirm trägt das rundliche Design der Achtziger­jahre.

„Reinkulturen von Archaeen anzulegen, ist für die Forschung sehr wichtig. Mitunter ist das aber gar nicht möglich, denn in vielen Fällen benötigen sie Partner, um zu wachsen“, gibt Huber zu bedenken. Tatsächlich fanden die Forscher vor vielen Jahren auch in ihrem Schatz­kästchen Misch­kulturen. Die hatten sie durch damals noch sehr teures Sequen­zieren identifiziert und anschließend neu aufgereinigt. Das Wort „unkulti­vierbar“ mag der Forscher aber nicht benutzen. „Unkulti­vierbare Archaeen gibt es nicht. Wenn wir sie nicht vermehren können, heißt das nur, dass wir die Kultur­bedingungen nur noch nicht kennen.“

Karin Hollricher

Foto: K. Hollricher

Dieser hier gekürzte Artikel erschien in ausführlicherer Form zuerst im Laborjournal 09/2020. In diesem Heft erfahren Sie im großen Archaeen-Special noch vieles mehr über die Einzeller.

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Letzte Änderungen: 22.09.2020

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