Polarfische dienen als Inspiration für synthetische Frostschutzpolymere
Obwohl die Oberflächentemperaturen oft unter Null liegen, sind die Polarmeere reich an Leben. Polarfische gedeihen in diesen Umgebungen dank einzigartiger Anpassungsmechanismen. Dazu zählt die Fähigkeit zur Produktion von eisbindenden Proteinen, die auch als Frostschutzproteine bekannt sind. „Diese Proteine sind außergewöhnlich“, erklärt Matthew Gibson, Koordinator des Projekts CRYOMAT und Professor für Chemie an der Universität Warwick. „Sie können Eis erkennen und sich an Eis binden, obwohl sie in Wasser gelöst sind. Indem sie den Gefrierpunkt des Blutes absenken, sorgen sie dafür, dass sich kein Eis bildet.“ Gibson zufolge verfügen diese Proteine außerdem über eine zweite Eigenschaft – und zwar die Fähigkeit, bereits gebildete Eiskristalle am Wachsen zu hindern. Aus diesem Talent zur Hemmung der Eisrekristallisation könnten sich ganz neue Anwendungen ergeben, die etwa gefrorene Lebensmittel noch geschmeidiger werden lassen oder das Einfrieren von Spenderzellen und -gewebe unterstützen. „Die Herausforderung besteht darin, dass die eisbindenden Proteine unglaublich vielfältig sind“, erklärt Gibson. „Um industriell sinnvolle Lösungen zu entwickeln, müssen wir unbedingt wissen, wie das Zielprotein funktioniert, und ob das Ganze skalierbar ist.“
Replizierende Proteinfunktion
Zum Projekt CRYOMAT motivierte die Idee, synthetische Polymere zu entwickeln, welche die Funktion dieser eisbindenden Proteine/Frostschutzproteine reproduzieren, ohne tatsächlich wie ein Protein „auszusehen“. Diese Forschung wurde vom Europäischem Forschungsrat unterstützt. „Der Hauptvorteil besteht darin, dass die Polymersynthese sehr gut skalierbar und zu niedrigen Kosten realisierbar ist“, merkt er an. „Wir wollten beweisen, dass unsere synthetischen Polymere die Funktion der eisbindenden Proteine nachahmen können. Und wir wollten reproduzieren, was sie tun, und nicht, wie sie aussehen, was zu jenem Zeitpunkt eine einzigartige Strategie darstellte.“ Gibson und sein Team entwickelten und charakterisierten Polymere verschiedener Größen und Formen und untersuchten dann ihren Einfluss auf das Eiswachstum. Er fügt hinzu: „Ein Hauptziel war, auf garantiert systematische Weise zu erforschen, wie die Struktur die Funktion beeinflusst.“ Das Projekt entdeckte ein Polymer, welches das Eiswachstum hemmen könnte. „Das ist eigentlich eine ziemlich seltene Sache“, versichert Gibson. „Außerdem ermittelten wir einige Klassen aktiver Materialien und zeigten, wie diese der Kryokonservierung von Zellen zugutekommen können. Wir verglichen diese dann im Rahmen von Anwendungen, in denen Frostschutzproteine Potenzial haben, um ihren Einsatz möglichst realitätsbezogen zu validieren.“
Eisbindendes Potenzial
Gibson und sein Team haben eine Zusammenarbeit mit Industriepartnern begonnen, um potenzielle industrielle Anwendungen zu erkunden. Dazu gehört die Kühlkettenlagerung biologischer Gewebe. „Eisbindende Materialien haben für die Luft- und Raumfahrt, Biotechnologie, Medizin, im Bauwesen und sogar in der Weltraumwissenschaft ein riesiges Potenzial“, erklärt er. „Jeder Prozess, der niedrigen Temperaturen ausgesetzt ist, muss gegenüber möglicher Eisbildung resistent sein. Ich bin wirklich darauf gespannt, wie dieser Bereich weiter wachsen wird.“ Gibson und sein Team haben sich eine „Proof of Concept“-Finanzhilfe des ERC mit dem Schwerpunkt Kryokonservierung von Stammzellen gesichert, die auf einigen dieser Projektergebnisse aufbaut. „Das ist sehr gut gelaufen“, fügt er hinzu. Wir haben Patente zu diesem Thema eingereicht und durchlaufen nun den Prozess der Gründung eines Spin-off-Unternehmens, um diese Arbeit voranzubringen.“ Gibson stellt außerdem mit Stolz fest, dass die an CRYOMAT beteiligten Studierenden und Promovierten inzwischen Karrierewege in der Industrie, im akademischen Bereich, in der Lehre und in weiteren Feldern eingeschlagen haben. „Dieses Projekt hat auch mir persönlich dabei geholfen, meine Karriere und meine Arbeit über etliche interdisziplinäre Grenzen hinweg fest zu etablieren“, schließt er. „Dank Flexibilität und langfristiger Finanzierung konnte ich einige risikoreiche Forschungsbereiche verfolgen, die dennoch für unser Verständnis entscheidend wichtig sind.“
Schlüsselbegriffe
CRYOMAT, Proteine, Frostschutzmittel, unter Null, Eis, Zellen, Kryokonservierung, Polymere, Biotechnologie
