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Wie Bakterien dem Kälteschock trotzen

Serie "Kalte Orte", Teil 3 Wie Bakterien dem Kälteschock trotzen

Kalt, kälter am kältesten: In der Biochemie auf den Lahnbergen haben die Wissenschaftler an ihrem Arbeitsplatz vor allem im Sommer kühle Abwechslung.

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Dr. Gert Bange arbeitet mit flüssigem Stickstoff.

Quelle: Tobias Hirsch

Marburg. „Wir machen es kalt, weil wir Proteine untersuchen“, fasst Professor Peter Graumann zusammen, weshalb er mit seiner Arbeitsgruppe teilweise auch auf kühle Temperaturen angewiesen ist. Die räumliche Organisation und die Biochemie der Zellen von Bakterien zählen zum Forschungsgebiet Graumanns, dessen Professur am Fachbereich Chemie angesiedelt ist, der aber auch gleichzeitig dem „Synmikro“-Forschungszentrum für Synthetische Mikrobiologie angehört.

Für ihre Forschungen benötigen die Wissenschaftler unter anderem einen begehbaren Kühlraum mit einer permanenten Temperatur von plus vier Grad Celsius. Bei dieser Temperatur werden die für die Forschung benötigten Proteine aus den Bakterien-Zellen heraus­isoliert. In der Fachsprache heißt das, sie werden aufgetrennt oder gereinigt.

„An einem heißen Tag ist es schon ganz angenehm, sich einmal in den Kühlraum zu begeben“, sagt Professor Graumann. Allerdings kann es dort drinnen auf Dauer schon ganz schön frisch werden. „Man sollte sich auf jeden Fall einen dicken Parka anziehen“, erläutert der Marburger Biochemiker. Bis zu einer halben Stunde am Stück hat er in einem solchen Kühlraum schon gearbeitet. Ein sehr viel längerer Aufenthalt sei allerdings nicht empfehlenswert, um sich nicht dauerhaft zu verkühlen. Das kann man gut nachvollziehen, denn schon nach einigen Minuten wird es in dem Kühlraum sehr kühl, vor allem wenn man kurz vorher an einem warmen Sommertag noch im Freien war.

Für seine Doktorarbeit hat Graumann übrigens in so einem Kühlraum anhand von Schüttelbädern die Antwort von Bakterien auf eine plötzliche Absenkung der Umgebungstemperatur (Kälteschock) erforscht. Das Ergebnis: Er charakterisierte eine neue Klasse von Proteinen, die sogenannten Kälteschock-Proteine. Mittlerweile stehen für ähnliche Experimente auch schon modernere Hilfsmittel zur Verfügung. Das sind Kühlkabinette - kompakte Mini-Kühlräume, die dieselben Temperaturbedingungen aufweisen. Sie haben allerdings den großen Vorteil, dass die Forscher sich nicht direkt in ihnen aufhalten müssen.

Temperatur von minus 196 Grad

Bei ihrer täglichen Arbeit müssen die Wissenschaftler auch viel kältere Utensilien handhaben. So werden für die Forschung benötigte Bakterienstämme bei einer Temperatur von minus 80 Grad in einer Gefriertruhe gelagert, wo sie zeitweise inaktiv sind. Um sie daraus zu entnehmen, benötigen die Wissenschaftler Spezialhandschuhe.

Kalt, kälter, am kältesten: Für besondere Gelegenheiten müssen die Biochemiker auch mit flüssigem Stickstoff umgehen, der eine Temperatur von minus 196 Grad hat.

Beliefert werden sie aus einem speziellen Depot im Fachbereich Chemie, in dem ein vor allem für Kühlzwecke benötigter mit flüssigem Stickstoff gefüllter Großtank steht. Davon werden 30 Liter abgefüllt. Diese Ration hält dann jeweils einige Tage.

Der flüssige Stickstoff hilft bei der Röntgenstrukturanalyse von Proteinkristallen. Diese werden in der extrem niedrigen Temperatur in Sekundenschnelle eingefroren. Die Kristalle werden vor der Untersuchung in einem Messgerät namens Einkristalldiffraktometer auf diese Weise eingefroren, um die Schäden am Proteinkristall durch die Wechselwirkung mit der Röntgenstrahlung zu verringern.

Ohne vorherige Schutz-Ins­truktionen dürfen Nachwuchswissenschaftler übrigens nicht mit dem flüssigen Stickstoff arbeiten. Besonders dicke und kälteabweisende Handschuhe sind ebenso Pflicht wie das Tragen einer Schutzbrille.

Kälteresistenz spielt übrigens teilweise auch eine Rolle bei den Forschungsprojekten der Biotechnologie, wie Dr. Bange erläutert. So erforscht er beispielsweise „kryophile“ Bak-terien, also Bakterien, die besonders die Kälte lieben und sich auf Lebensbedingungen mit Temperaturen zwischen minus zehn und minus 20 Grad spezialisiert haben. „Sie produzieren Proteine, die als eine Art Frostschutzmittel aktiv sind“, erläutert Bange. Diese Proteine haben Ähnlichkeit mit einer in der Lebensmittel­industrie als Verdickungsmittel eingesetzten Substanz, die auch die Bildung von Eiskristallen bis zu einer Temperatur von minus zweihundert Grad verhindern kann. Die Entschlüsselung der Eigenschaften dieser Proteine könnte in der synthetischen Mikrobiologie eventuell in der Zukunft auch zu einer industriellen Verwendung führen.

von Manfred Hitzeroth

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