Schüttelt und beleuchtet: Das LEDitSHAKE-System
Hier wird geschüttelt, bis grüne Zellen rot und blau werden. LEDitSHAKE ist ein komplexes Beleuchtungssystem, mit dessen Hilfe Forscher Wachstumsbedingungen von Pflanzenzellen in Suspension optimieren können – und zwar bis zu zwölf unterschiedliche Lichtbedingungen in einem Schüttelinkubator. Entwickelt hat dies Biotechnologin Ann-Katrin Beuel vom Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie. Gemeinsam mit ihrer Kollegin und Mit-Doktorandin Leonie Voß arbeitet sie nun daran, LEDitSHAKE zur Marktreife zu bringen. Über Chlorophyll, 3D-Druck und Exkremente im Namen.
Frau Beuel, eines Ihrer Beleuchtungssysteme heißt LEDitSHAKE. Soll das auch der Name ihres Start-ups werden?
Ann-Katrin Beuel: Unser aktuell am weitesten fortgeschrittenes System heißt LEDitSHAKE, ja. Das kommt als Firmenname aber nicht infrage, weil wir noch andere Beleuchtungssysteme entwickelt haben und entwickeln. Wir hatten tatsächlich überlegt, das Start-up cotiLEDon zu nennen, aber noch ist das nicht entschieden.
Ganz offensichtlich geht es bei bei diesem Begriff ebenfalls um LED, wie auch in LEDitSHAKE. Was bedeutet cotiLEDon?
Beuel: Kotyledone sind die ersten Keimblätter bei Pflanzen. Aus dem Y haben wir ein I gemacht, weil wir das im Logo super durch einen Schüttelkolben ersetzen können. Im Deutschen wird Kotyledon mit K geschrieben. Aber das sieht unglücklich aus, wenn statt des Y ein Schüttelkolben eingefügt ist, denn dann steht vorne Kot. [lacht] Also haben wir uns für die englische Schreibweise mit C entschieden. Spannenderweise ist Cotyledon auch noch eine Pflanzen-Gattung. Wir haben im Namen also den Bezug zu Pflanzen, einen Schüttelkolben und die LED.
Und all das ist relevant für das, was Sie entwickelt haben. Was kann LEDitSHAKE?
Beuel: Es handelt sich um ein Beleuchtungssystem für Suspensionskulturen von Pflanzenzellen. Die werden in Schüttelinkubatoren kultiviert, deshalb LEDitSHAKE. Damit jede Kultur einzeln beleuchtet wird und trotzdem weiter schütteln kann, sind LEDs in einer Halterung so befestigt, dass sie den Kolben von unten beleuchten. Damit können wir pro Standard-Schüttelinkubator bis zu zwölf verschiedene Lichtbedingungen einstellen (Sci Rep, 11:23353).
Wie wurden Pflanzenzell-Suspensionen denn bisher beleuchtet?
Beuel: Kommerziell erhältliche Schüttelinkubatoren haben meist nur weißes Licht unter der Decke. Das kann man ein- und ausschalten und eventuell sogar in der Intensität verändern. Aber das war‘s auch schon. Wenn man sich eigene Lösungen basteln möchte, zum Beispiel um den Einfluss einzelner Lichtfarben auf Pflanzen-Suspensionskulturen zu untersuchen, muss man extra Geld in die Hand nehmen und beispielsweise LED-Streifen in den Inkubator kleben. Allerdings wird auch so der gesamte Inkubator in einer Farbe beleuchtet.
Bei Ihrem System jedoch leuchten die LEDs unten am Kolben und somit direkt auf das Medium mit den Zellen. Die Befestigung auf dem Schüttler ist nicht so einfach, warum?
Beuel: Normalerweise stellen wir die Kolben auf Klebematten, sogenannte Sticky Mats. Wenn nun unter dem Erlenmeyerkolben Leuchtdioden sitzen, muss das Glas anders befestigt werden. Sie stecken also in einer Art Halterung, die wir selbst konstruiert und in ihren Einzelteilen im 3D-Druck hergestellt haben. Darin eingebettet befinden sich die LED sowie einiges an Technik. Von oben stülpen wir eine Halterung darüber, um einerseits den Kolben zu fixieren und andererseits das Licht abzuschirmen. So beeinflussen sich benachbarte Kolben mit unterschiedlichen Lichtbedingungen nicht. Die gesamte Konstruktion steht dann fest auf den bereits erwähnten Klebematten.
Welche Lichtbedingungen lassen sich mit diesem System darstellen?
Beuel: Die können Sie frei wählen. Pro Kolbenplatz haben wir sechs LED mit definierten Wellenlängen eingebaut: Rot, grün, blau, weiß, far-red und UV. Jede einzelne LED können Sie minutengenau von 0 bis 100 Prozent Intensität steuern. Das heißt, ich kann in einem Inkubator zwölf Kulturen unterschiedlich beleuchten, zum Beispiel eine nur mit rot, eine weitere mit rot und blau gleicher Intensität, eine andere mit rot und deutlich mehr blau und so weiter. Sie können auch Sonnenaufgänge oder -untergänge simulieren.
Warum ist es überhaupt wichtig, einzelne Lichtfarben zu testen?
Beuel: Schauen wir alleine auf die wichtigsten Pigmente für die Photosynthese, Chlorophyll A und B. Letzteres absorbiert überwiegend blaues Licht, Chlorophyll A hingegen Licht des roten Farbspektrums. Um Energie zu produzieren, benötigen Pflanzen also rotes und blaues Licht. Das ist bekannt und es gibt ja auch schon entsprechende Lampen, zum Beispiel LED Grow Lights. Die bieten diese beide Farben in einem definierten Verhältnis, meist mehr rot als blau. Aber es kommt stark auf die Pflanze an, wie deren optimales Verhältnis von blau und rot aussieht. Mit Standard-Beleuchtungssystemen kann man das nicht variieren, mit unserem schon. Wir können sagen: Ich möchte nur rot und blau und die beiden Farben in zwölf verschiedenen Verhältnissen. Außerdem beeinflusst Licht spezifischer Wellenlänge mitunter, ob und wie viele Sekundärmetaboliten Pflanzenzellen produzieren. Blaues und UV-Licht regt beispielsweise die Synthese von Anthocyanen an.
Die Fragestellung an sich ist ja aber nicht neu. Wie haben Forscher das denn bislang gehandhabt?
Beuel: Wenn Forscher zwölf unterschiedliche Lichtbedingungen testen wollen, müssen sie das bisher in zwölf Schüttlern machen. So viele muss ein Labor aber erst einmal haben. Und wer garantiert mir, dass die Schüttler wirklich exakt gleich schnell rotieren und exakt die gleiche Temperatur halten können. Alternativ machen sie die Experimente nacheinander. Das wiederum ist ein enormer Zeitfaktor, denn ein Experiment mit Pflanzenzellkulturen kann schnell mal zwischen einer und vier Wochen dauern. Problematisch ist zudem, dass sich Kulturen mit der Zeit verändern können, weil sie selten dauerhaft genetisch stabil sind. Im schlimmsten Fall kann man die Experimente nachher also gar nicht miteinander vergleichen. Es ist deshalb sinnvoll, möglichst viele Bedingungen aus der gleichen Ausgangskultur zu testen. Das ist mit unserem System möglich.
Das Gespräch führte Sigrid März
Steckbrief
Gründung: bislang noch gar nicht
Sitz: Aachen
Mitarbeiter: 2
Produkt: Beleuchtungssystem für Suspensionskulturen von Pflanzenzellen
Bild: Fraunhofer IME
Warum Ann-Katrin Beuel für LEDitSHAKE ihre Lötkünste auspacken musste und was die Champagnerbratbirne mit Bioreaktoren zu tun hat, erfahren Sie im Gründerinnenporträt in der demnächst erscheinenden LJ-Ausgabe 06/2022.
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