Kleine Algen, große Perspektiven für kultiviertes Fleisch

Sie sind mikroskopisch klein und könnten bei der Entwicklung von kultiviertem Fleisch eine überraschend große Rolle spielen: Mikroalgen. Eine internationale Forschungsgruppe hat untersucht, wie die Alge Chlorella BDH-1 dazu beitragen kann, kostenintensive Bestandteile von Zellkulturmedien einzusparen und Ressourcen in einem Kreislauf zu nutzen. An der Studie ist Professorin Dr. Ute Marx als Co-Autorin beteiligt. Einen wesentlichen Beitrag leistete sie mit ihrer Expertise in der NMR-Spektroskopie, mit der sich die molekulare Zusammensetzung komplexer biologischer Proben untersuchen lässt.

Kultiviertes Fleisch entsteht aus tierischen Zellen, die außerhalb des Tieres in einem nährstoffreichen Kulturmedium vermehrt werden. Insbesondere Aminosäuren und Serum machen diese Medien bislang zu einem erheblichen Kostenfaktor. Die Forschenden verfolgten deshalb einen ungewöhnlichen Ansatz: Verbrauchtes Zellkulturmedium wurde genutzt, um Chlorella BDH-1 zu kultivieren. Aus der dabei entstehenden Algenbiomasse gewannen sie ein Extrakt aus aufgeschlossenen Algenzellen, das anschließend wieder für die Kultivierung tierischer Zellen eingesetzt wurde.

Die Ergebnisse sind vielversprechend. Das verbrauchte Zellkulturmedium konnte mehrfach für die Kultivierung von Mikroalgen genutzt werden. Nach zwei solchen Recyclingrunden wurde besonders viel Algenbiomasse gewonnen. Unter bestimmten Bedingungen wuchsen die tierischen Zellen mit dem Algenextrakt mehr als doppelt so gut wie in einem herkömmlichen Zellkulturmedium. Besonders interessant war die Kombination mit einer sogenannten Ko-Kultivierung, bei der Mikroalgen und tierische Zellen gemeinsam kultiviert werden. Dadurch konnten die Mengen an zugesetzten Aminosäuren und Serum, die als wichtige Bestandteile des Zellkulturmediums das Wachstum der Zellen unterstützen, um 50 Prozent reduziert werden. Gleichzeitig vermehrten sich die Zellen rund 40 Prozent stärker. Mit Hilfe der NMR-Spektroskopie untersuchte Ute Marx, welche wertvollen Nährstoffe im Algenextrakt enthalten sind und welche davon die tierischen Zellen tatsächlich aufnehmen. Die Analysen geben Aufschluss darüber, welche Bestandteile für das Wachstum der Zellen wichtig sind und wie sich der Algenextrakt gezielt als Alternative zu herkömmlichen Bestandteilen von Zellkulturmedien nutzen lässt.

„Mich fasziniert an dieser Forschung, dass wir mit der NMR-Spektroskopie sichtbar machen können, welche Stoffe im Algenextrakt stecken und was die Zellen davon tatsächlich aufnehmen. So können wir Schritt für Schritt herausfinden, welche Bestandteile für das Zellwachstum besonders wichtig sind“, erklärt Professorin Dr. Ute Marx. „Die Verbindung von Analytik, Zellbiologie und Algenbiotechnologie eröffnet interessante Perspektiven für eine ressourcenschonendere Zellkultur.“

Die Forschung stößt auch international auf Aufmerksamkeit. Die Australian Financial Review berichtete über die Arbeiten der University of Queensland und hob das Potenzial von Mikroalgen hervor, die Produktion von kultiviertem Fleisch wirtschaftlicher zu machen. In Australien wird bereits an der Übertragung der Forschungsergebnisse auf größere Produktionsmaßstäbe gearbeitet.

Für Professorin Dr. Ute Marx ist die Studie ein weiterer Erfolg internationaler Zusammenarbeit. Sie arbeitet eng mit der Forschungsgruppe von Professor Ben Hankamer (Direktor des Centre for Solar Biotechnology am Institute for Moleculare Bioscience) an der University of Queensland in Australien zusammen, der auch Dr. Melanie Oey angehört. Aus dieser Kooperation sind bereits mehrere begutachtete wissenschaftliche Publikationen hervorgegangen. Dr. Oey, die das beschriebene Projekt leitet, war bereits im April an der Hochschule Pforzheim zu Gast und hielt dort einen Vortrag.

„Die gemeinsame Forschung mit Melanie Oey zeigt, wie fruchtbar unsere Zusammenarbeit ist. Der Austausch verbindet unterschiedliche wissenschaftliche Perspektiven und bringt immer wieder neue Impulse für unsere Forschung“, sagt Ute Marx. Die langjährige Zusammenarbeit mit der Forschungsgruppe von Professor Ben Hankamer ermöglicht einen kontinuierlichen internationalen Austausch und verbindet unterschiedliche Kompetenzen aus Biotechnologie, Zellbiologie und Analytik.

Die Studie liefert eine wichtige Grundlage für weitere Untersuchungen zur technischen Skalierbarkeit und Wirtschaftlichkeit des Ansatzes. Sie zeigt, dass Mikroalgen nicht nur als Proteinquelle interessant sind, sondern auch dabei helfen könnten, Nährstoffe in zukünftigen Zellkultursystemen effizienter zu nutzen.

Die Verbindung zwischen kultiviertem Fleisch und Medizintechnik ist dabei noch viel enger: Beide Bereiche nutzen ähnliche Zellkulturverfahren. Tierische Zellen werden unter kontrollierten Bedingungen vermehrt und können in Bioreaktoren gezielt zu Muskel- und Fettgewebe gezüchtet werden. Vergleichbare Methoden kommen in der regenerativen Medizin zum Einsatz, etwa bei der Entwicklung von Haut- und Knorpelgewebe oder perspektivisch bei künstlichen Organen. Trotz unterschiedlicher Ziele profitieren beide Bereiche in ihrer Forschung voneinander. In beiden Fällen geht es darum, Zellen unter kontrollierten Bedingungen optimal mit Nährstoffen zu versorgen, ihr Wachstum gezielt zu steuern und geeignete Verfahren für die Übertragung vom Labor in größere oder komplexere Systeme zu entwickeln.

Die Forschungsarbeit steht damit für einen Ansatz, der naturwissenschaftliche Grundlagen mit technologischer Anwendung verbindet. Genau an dieser Schnittstelle bewegt sich auch das Medizintechnik-Studium an der Hochschule Pforzheim: Studierende lernen, biologische und medizinische Fragestellungen mit ingenieurwissenschaftlichen Methoden zu bearbeiten und daraus innovative Lösungen für die Gesundheitsbranche zu entwickeln.

Für die Hochschule Pforzheim ist die Forschungsarbeit damit zugleich ein Beispiel dafür, wie interdisziplinäre Forschung und anwendungsorientierte Lehre ineinandergreifen. Die Verbindung von moderner Analytik, Biotechnologie und technischen Anwendungen eröffnet dabei nicht nur neue Forschungsfelder, sondern auch spannende Perspektiven für die Medizintechnik von morgen.