Nanosekunden Elektroschocks bringen Mikroalgen auf Trab

Worum geht es?

Es ist inzwischen klar: Energieversorgung muss nachhaltig sein. Bioenergie ist daher einer der Schwerpunkte am KIT. Algen wachsen schnell und setzen Lichtenergie sehr wirksam in chemische Energie um. Die Anzucht in Fermentern ist freilich noch so aufwendig, dass man mehr Energie reinsteckt, als man hinterher herausbekommt. Kann man das Wachstum der Algen so stimulieren, dass man bessere Ausbeuten bekommt? Seit mehr als 10 Jahren arbeiten wir mit dem Institut für Hochenergie-Impuls- und Mikrowellentechnologie (IHM) am Campus Nord zusammen. Bei dem interdisziplinären Projekt geht es um die Wirkung von ultrakurzen Elektroschocks auf Pflanzen. Diese nsPEFs (für nanosecond pulsed electrical fields) erzeugen bei Pflanzen erstaunliche Wirkungen (Kühn et al. 2013). Beispielsweise kann man eine Zuckerrübe durch solche Schocks dazu "überreden", sich durch programmierten Zelltod selbst umzubringen, so dass man den Zucker energiesparender gewinnen kann (Sack et al. 2010). Wenn man die Spannung der nsPEFs herabsetzt, findet man nun seltsamerweise, dass das Wachstum stimuliert wird (Frey et al. 2011). Wie und warum, weiß noch keiner. In einem von der Landesstiftung Baden-Württemberg geförderten Projekt geht es nun darum, diese Elektroschocks biotechnologisch nutzbar zu machen. Zum einen wird versucht, die Bildung von Biomasse zu beschleunigen. Ein völlig neuer Aspekt, der vermutlich noch viel spannender ist: kann man durch solche Pulse die Bildung von medizinisch interessanten Substanzen stimulieren. Elektroschocks statt Apotheke?

Wie gehen wir vor?

Für Chlamydomonas wissen wir schon, dass die Kultur in der Zellteilungsphase ganz anders auf Auxine reagiert als in der Zellexpansionsphase (Bai et al. 2017). Im folgenden Projekt ging es um eine weitere Art, Haematococcus, eine Mikroalge, die unter bestimmten Bedingungen das Asthaxanthin produziert, ein für medizinische Anwendungen sehr wertvolles Carotinoid. Wir wollen verstehen, wie die Bildung dieses wertgebenden Inhaltsstoffes gesteuert wird und an welcher Stelle wir das durch Elektroschock-Behandlung steigern können. Hierfür wurden systematische Pilotstudien durchgeführt (Bai et al. 2020).

Veröffentlichungen

130. Bai F, Gusbeth C, Frey W, Nick P (2017) Nanosecond pulsed electric fields trigger cell differentiation in Chlamydomonas reinhardtii. BBA Membranes 1859, 651-661

158. Bai F, Gusbeth C, Frey W, Nick P (2020) Nanosecond pulsed electric fields manipulates modulate the transcription expression of the astaxanthin biosynthesis genes psy, crtR-b and bkt 1 during the astaxanthin biosynthesis in Haematococcus pluvialis. Nature Scientific Reports 10, 15508