Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie, Institutsteil Bioanalytik und Bioprozesse IZI-BB
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CCCryo - Sammlung kryophiler Organismen

Kälteangepasste Mikroalgen als Bioressource

Das Forschungssegment befasst sich mit den Anpassungsstrategien und der Nutzbarkeit kryophiler Süßwassermikroalgen, den sogenannten Schnee- und Permafrostalgen. Kälteliebende Algen sind vielfältigen extremen Stressfaktoren ausgesetzt. Dazu gehören in erster Linie Kälte, erhöhte Licht- und UV-Strahlung, Austrocknung sowie stark wechselnde Nährstoff- und Salzgehalte. Die Isolate werden hinsichtlich ihrer vielfältigen Anpassungsstrategien an diese extremen Umweltparameter bei uns charakterisiert. Die Extrakte oder produzierten, besonderen Enzyme und Metabolite können dann in eine industrielle Anwendung überführt werden.

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 sind die Stammdetails sowie die Bestellinformationen zugänglich.

Charakteristika und Nutzungspotentiale der Technologie

  • CCCryo-Stämme sind weltweit einzigartig und das Fraunhofer IZI-BB besitzt daran uneingeschränkte Nutzungsrechte
  • CCCryo-Stämme unterliegen keinen Einschränkungen im Rahmen des Nagoya-Protokolls
  • Screening der CCCryo-Stämme nach kundenspezifischen Inhaltsstoffen. Mehr Informationen zu Stammdetails und Bestellinformationen unter https://www.cccryo.fraunhofer.de
  • Bioprospektion nach geeigneten Organismen für besondere Anwendungsfragen
  • Charakterisierung zur Massenproduktion Ihrer eigenen Isolate
  • Entwicklung von Produktionsprozessen
  • Produktion von Rohmasse nach SOPs, auch hochrein mit mikrobiologischer Qualitätskontrolle nach ISO-Standards

Wir setzen unsere Kompetenzen für Ihre Forschungsziele ein.

© Fraunhofer IZI-BB, Foto: Thomas Leya

Unser Beitrag zu Ihrem Projekt

  • Bereitstellung einzigartiger Algenstämme »mit einer Geschichte« für Ihre neuen Produktideen
  • Mikroalgenproduktion hochreiner Biomasse in eigenen Photobioreaktoren
  • Algenbiomasse und Extrakte für hochwertige Produkte in den Bereichen Kosmetik und Nahrungsergänzungsmittel
  • Auslizensierung von Algenstämmen oder deren Nutzung nach Ihren individuellen Vorstellungen
  • Analytik-Portfolio: HPLC, GC-FID für Pigmente und Fettsäuren

  • Eisstrukturierende Proteine (ISP/AFP)
  • Pigmente aus Algen und Cyanobakterien für die Lebensmittelindustrie:
    • Astaxanthin | alpha- und beta-Carotin | Lutein | alpha-Tocopherol
  • Fettsäuren
    • PUFAs | a-Linolensäure (ALA) | Eicosapentaensäure (EPA) | Nervonsäure (C24:1(15)
  • Gallerten (EPS) 
    • extrazelluläre Zuckerverbindungen als biologische Verdickungsmittel
 

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Forschungsfahrten zu den Polen

Extremophilenfoschung

Im Rahmen von mehreren Forschungsfahrten in die Arktis (Svalbard) und die Antarktis wurden unzählige Proben von Schneefeldern, Gletschern, Permafrost und diversen anderen Habitaten entnommen und daraus Tausende von Einzelzellisolaten angelegt. Diesen natürlichen Bioresourcen bildeten die Basis für die CCCryo Culture Collection of Cryophilic Algae. Sie beherbergt heute als Lebendsammlung über 500 Stämme an Algen, Cyanobakterien, Moosen, Bakterien und Pilzen. Die Isolate werden bei uns im Labor hinsichtlich ihres Wachstums und ihrer Inhaltsstoffe charakterisiert.

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Expeditionen

Oktokopter-Flugsystem zur Kartierung aus der Luft
© Fraunhofer IZI-BB, Thomas Leya
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 als getrocknete Dauerstadien 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 auf den 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 viele dieser 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

Rekristallisationsassay mit ISP aus dem Schneealgenstamm CCCryo 050-99 (Skala = 50 μm)
© Fraunhofer IZI-BB, Thomas Leya
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 verhindern sie ein, in der zellnahen Umgebung, unkontrolliertes Wachstum.

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 seit 2010 in der Kosmetikbranche weltweit vermarktet.

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

 

Methoden

Algenkultursammlung CCCryo mit über 530 Isolaten an kryophilen und thermophilen Algen, Cyanobakterien, Pilzen, Moosen, Hefen und Bakterien von extremen Standorten wie Gletschern, Schneefeldern, Permafrost und warmen oder sauren Quellen.

Die Datenbank der Stammsammlung CCCryo, ebenso wie die Bestellinformationen sind über die Webseite  CCCryo  zugänglich. Die Algen sind für öffentliche und industrielle Forschungsinstitutionen erhältlich.

Geräte 

  • Kryomikroskop mit digitaler Bildverarbeitung
  • Gaschromatograph mit FID-Detektor (Agilent 7890B)
  • Elementanalysator (EuroEA CNS)
  • Pigmentanalysen (HPLC)
  • 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

  •  Yokogawa Innovation Switzerland GmbH, Allschwil (Schweiz)
  • Deutsches Geoforschungszentrum GFZ, Potsdam (Deutschland)
  • Mibelle Biochemistry, Mibelle AG, Buchs (Schweiz)
  • Sammlung von Algenkulturen SAG, Georg-August-Universität Göttingen, Göttingen (Deutschland) 
  • University of California, Berkeley (U.S.A.) 
  • Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR), Berlin (Deutschland) 
  • Lubrizol Advanced Materials Inc. , Barcelona, Spanien

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  • 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., 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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