Ein technischer Sprung für die Mitochondrienforschung und ihre Anwendungen
Mitochondrien sind die Kraftwerke der Zellen, die Nahrungsenergie in biochemische Energie umwandeln. Sie spielen auch bei der Entstehung von Krankheiten wie Diabetes, Krebs und neurodegenerativen Erkrankungen eine Rolle. Ihre Funktion beeinflusst die altersbedingte Verschlechterung der Muskeln und der kognitiven Fähigkeit – zwei Gesundheitsaspekte von wesentlichem Belang für die Gesellschaft. Die Messung der Mitochondrienfunktion kann daher zur Diagnose der Krankheitsentwicklung für diagnostische und therapeutische Anwendungen eingesetzt werden.
Ein sensibler Sauerstoffsensor zur Messung der Mitochondrienfunktion
Das EU-finanzierte Projekt NextGen-O2k hat eine proprietäre Technologie hervorgebracht, die den Sauerstoffverbrauch von Mitochondrien, Geweben und Lebendzellen messen kann. Die Technologie wurde vom Unternehmen Oroboros Instruments entwickelt und über mehrere Jahre für die Aufgabe optimiert, die Rolle der Zellatmung im gesunden und erkrankten Zustand zu untersuchen und die Photosynthese in Algen zu messen. „NextGen-O2k macht es möglich, mithilfe eines einzigen Instruments das metabolische Profil von energieumwandelnden Organellen mit hoher Empfindlichkeit zu charakterisieren“, erklärt Erich Gnaiger, Projektkoordinator und Geschäftsführer von Oroboros Instruments. Besagtes Instrument umfasst einen elektrochemischen Sensor, der die Sauerstoffkonzentration in einer Kammer misst und mithilfe spezieller Software anschließend die mitochondriale Atmung bzw. die Photosynthese von Algen berechnet. Es entstand in Zusammenarbeit mit dem Mechatronikunternehmen WGT Elektronik und HTech (Haider Technology Consulting), das an der Entwicklung der Software beteiligt war.
Vorteile durch NextGen-O2k
Eine umfassende Studie des Stoffwechsels von Mitochondrien bzw. Chloroplasten ist für gewöhnlich nur unter Zuhilfenahme von mehreren Instrumenten gleichzeitig möglich. Das führt jedoch nicht nur zu hohen Kosten, sondern resultiert zudem in einer geringen Empfindlichkeit und schlechten Auflösung. Daher ist eine zuverlässige und präzise Vorrichtung gefragt, die unterschiedliche Aspekte der zellulären Bioenergetik messen kann. NextGen-O2k wird diesem Bedarf gerecht, da es die Messung der Zellatmung und die Untersuchung der Algenphotosynthese auf eine präzise, kosteneffektivere und schnellere Weise ermöglicht. Um das zu erreichen, entwickelten die Partner zunächst eine Multi-Modul-Konfiguration mit völlig neuartigen Sensoren, die bisher nicht auf dem Markt erhältlich sind und den Redoxzustand der Q-Junction beurteilen. Mehrere Module, die in das Instrument integriert sind, ermöglichen die Messung weiterer Parameter (Membranpotenzial, Produktion von Adenosintriphosphat, pH-Wert), um so einen vollständigeren bioenergetischen Fingerabdruck zu erhalten. Die Partner haben ein Ökosystem aus 700 Laboren in 49 Ländern aufgebaut, das zur Integration und zum Austausch von Wissen und Technologien dient. Die Markteinführung der NextGen-O2k-Technologie ist für März 2022 vorgesehen.
Biotechnologische Anwendungen von NextGen-O2k
Bioenergetik, die Wissenschaft von der Umwandlung der Zellenergie, ist ein aufregender Forschungsbereich, der neue Aussichten in der medizinischen Innovation eröffnet. Der Zusammenhang zwischen der Mitochondrienfunktion und Erkrankungen unterstreicht zweifellos den Stellenwert der Mitochondrienforschung für die Gesundheitsversorgung. Es ergeben sich jedoch auch noch weitere Anwendungen in Bezug auf die Suche nach nachhaltigen Brennstoffen und Nahrungsmitteln, um dem Klimawandel entgegenzuwirken. Algen sind besonders wichtige Organismen für die Biotechnologie und haben das Potenzial, große Mengen an Solarenergie durch Photosynthese in Bioprodukte umzuwandeln und zugleich das Treibhausgas CO2 zu binden. Die nachhaltige Produktion von algenbasierter Biomasse setzt eine optimale Bioenergetik voraus, bei der Mitochondrien und Chloroplasten ihren Energiestoffwechsel und ihre Wachstumsraten steuern. NextGen-O2k kann einen Beitrag dazu leisten, den Algenstoffwechsel zu erforschen und das Potenzial von Algen für die Bioökonomie zu erschließen, um schließlich eine grünere Wirtschaft mit positiven Auswirkungen auf die Gesellschaft voranzubringen.
Eine Kultur der Nachhaltigkeit
NextGen-O2k vereint Reproduzierbarkeit und Nachhaltigkeit zu geringen Betriebskosten. Um diese Funktion zu unterstützen wurde im Rahmen dieses Projektes die Fachzeitschrift Bioenergetics Communications (BEC) gegründet, die ohne Bezahlschranke angeboten wird. Sie umfasst das Konzept „Living Communications“, das viele entgegenstehende Aufgaben unter einen Hut bringen soll: Informationen über neue Methoden und Ergebnisse schnell zur Verfügung zu stellen, einen unüberschaubaren Anstieg an Publikationen effizient zu verhindern und die Qualitätskontrolle im Hinblick auf eine zuverlässige Reproduzierbarkeit und Nachhaltigkeit zu gewährleisten.
Schlüsselbegriffe
NextGen-O2k, Mitochondrien, Algen, Bioenergetik, Biotechnologie, Sauerstoffsensor, Bioökonomie
