Untersuchung von Zellstress für eine bessere Gesundheit - und besseres Bier
Nicht nur der Mensch leidet unter Stress - auch Mikroorganismen können betroffen sein. Jetzt haben Forscher der Chalmers University of Technology, Schweden, eine neue Methode entwickelt, um zu untersuchen, wie einzelne biologische Zellen auf Stresssituationen reagieren. Das Verständnis dieser Reaktionen könnte dazu beitragen, wirksamere Medikamente gegen schwere Krankheiten zu entwickeln. Darüber hinaus könnte die Forschung sogar helfen, besseres Bier zu brauen.
Die beiden Lichtpfade sind in Phase, bis einer die Hefezellenprobe passiert. Da die Zelle einer Belastung ausgesetzt ist, ist es möglich, die Veränderungen ihrer Eigenschaften durch die daraus resultierenden Schwankungen der Strahlphasenversätze abzulesen.
Yen Strandqvist
Alle lebenden Organismen können in schwierigen Situationen Stress erleben. Zellen und Mikroorganismen haben komplizierte Systeme, um zu steuern, wie sie sich an neue Bedingungen anpassen. Sie können ihre eigene Struktur verändern, indem sie viele verschiedene Substanzen in die Umgebung aufnehmen oder freisetzen. Aufgrund der Komplexität dieser molekularen Prozesse ist das Verständnis dieser Systeme eine schwierige Aufgabe.
Die Chalmers-Forscher Daniel Midtvedt, Erik Olsén, Fredrik Höök und Gavin Jeffries haben nun einen wichtigen Durchbruch erzielt, indem sie untersucht haben, wie einzelne Hefezellen auf Veränderungen in der lokalen Umgebung reagieren - in diesem Fall eine erhöhte Osmolarität oder Konzentration von Salz. Sie identifizierten und überwachten sowohl die Veränderung der Verbindungen innerhalb der Hefezellen, von denen eine ein Zucker, Glycerin, war. Darüber hinaus konnten sie die genaue Rate und Menge an Glycerin messen, die von verschiedenen Zellen unter verschiedenen Stressbedingungen produziert wird.
"Hefe und Bakterien haben sehr ähnliche Systeme, wenn es um die Reaktion auf Stress geht, was bedeutet, dass die Ergebnisse aus medizinischer Sicht sehr interessant sind. Dies könnte uns helfen zu verstehen, wie wir unerwünschten Bakterien, die in unseren Körper eindringen, das Leben erschweren können - ein Mittel, um ihre Abwehrmechanismen auszuschalten", sagt Daniel Midtvedt, Forscher in Biophysik bei Chalmers und Hauptautor der wissenschaftlichen Arbeit.
Seit 2015 erforscht er das Thema und hat zusammen mit seinen Kollegen eine Variante der holographischen Mikroskopie entwickelt, um die Zellen dreidimensional zu untersuchen. Das Verfahren basiert auf einem Interferenzbildgebungsansatz, der einen Laserstrahl in zwei Lichtwege aufteilt. Man geht durch eine Zellprobe, und man tut es nicht. Die beiden Strahlen werden dann in einem leichten Versatzwinkel neu kombiniert. Dadurch ist es möglich, Änderungen der Zelleigenschaften durch die Variationen der Strahlphasenversätze zu erkennen.
Mit dieser Methode zur Untersuchung einer Zelle können Forscher sehen, was verschiedene Mikroorganismen unter Stress produzieren - ohne verschiedene Arten von traditionellen "labelbasierten" Strategien anwenden zu müssen. Ihre nicht-invasive Strategie ermöglicht es, mehrere Verbindungen gleichzeitig zu erkennen, ohne die Zelle zu schädigen.
Die Forscher planen nun, die neue Methode in einem großen Kooperationsprojekt einzusetzen, um die Akzeptanz gezielter Biomedizin zu untersuchen.
"Hoffentlich können wir zu einem besseren Verständnis beitragen, wie Medikamente von menschlichen Zellen aufgenommen und verarbeitet werden. Es ist wichtig, neuartige Medikamente entwickeln zu können, in der Hoffnung, dass wir die Krankheiten behandeln können, die heute unbehandelbar sind", sagt Chalmers-Professor Fredrik Höök, der zudem das Forschungszentrum Formulaex leitet, in dem AstraZeneca der führende Industriepartner ist.
Neben dem Nutzen für die Mediziner könnte ein verbessertes Wissen über die Auswirkungen von Stress auf Hefezellen für die Lebensmittel- und Getränkeindustrie wertvoll sein - nicht zuletzt, wenn es darum geht, besseres Bier zu brauen.
"Hefe ist sowohl für die Zubereitung von Speisen und Getränken unerlässlich, z.B. beim Brotbacken und Bierbrauen. Dieses Wissen über die physikalischen Eigenschaften von Hefezellen könnte von unschätzbarem Wert sein. Wir konnten die Produkte genau so optimieren, wie wir sie haben wollen", sagt Daniel Midtvedt.
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