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News: Schneealgen: kälteangepasste Extremophile der Polarregionen

Seit mehr als 20 Jahren stehen kälteangepasste Süßwasseralgen, die sogenannten kryophilen Schneealgen, im Mittelpunkt des Interesses einer Forschergruppe des Fraunhofer IBMT unter der Leitung von Dr. Thomas Leya. Am 31. Juli 2013 bricht ein Team aus fünf Experten, darunter Biophysiker, Geologen und Pflanzenphysiologen zu einer vierwöchigen Expedition nach Spitzbergen auf.

In diesem Jahr kommt modernste Technik zum Einsatz. Seit Jahren untersuchte und neue Regionen mit Schneealgenbesiedlung werden auf dem Eis mit einem der modernsten Flugsysteme, einem achtmotorigen Helikopter der Firma Ascending Technologies GmbH, kartiert. Entlang der Nordküste Spitzbergens wird das Expeditionsteam unter Leitung des Institutsdirektors, Prof. Dr. Günter Fuhr, neue und bekannte Schneealgenarten in die Laborforschung überführen, sie genetisch und physiologisch charakterisieren und so eine wissenschaftliche wie biotechnologische Nutzung ermöglichen.

Am Fraunhofer IBMT befindet sich eine der weltweit umfangreichsten Schneealgensammlungen (CCCryo) mit über 370 Isolaten aus 125 Arten. Diese meist einzelligen Algen sind in vielerlei Hinsicht interessant: Einmal, weil sie sich hervorragend bei Temperaturen um den Gefrierpunkt vermehren und damit in den Übergangsjahreszeiten eine Lücke in der deutschen Algenzucht überbrücken könnten. Des Weiteren, weil sie Farbstoffe produzieren, Gele absondern, aber auch eisstrukturierende Proteine exprimieren, die von breiter wirtschaftlicher Bedeutung für die Pharma- und Kosmetikindustrie sind.

Derartige Verwertungen in Verknüpfung mit der Grundlagenforschung entsprechen ganz dem Fraunhofer-Modell der angewandten Forschung. Zusätzlich entstehen Filme und Dokumentationen zu den Veränderungen im Polarbereich als einem der härtesten, für die Biosphäre aber auch wichtigen Biotop der Erde.

Die kälteangepassten Mikroalgen, das "Objekt der wissenschaftlichen Begierde", sind Überlebenskünstler und als solche hervorragend an die sie umgebenden extremen Umweltverhältnisse der ewigen Schnee- und Eisgebiete angepasst. So hat sich z. B. ihr Enzymhaushalt an Temperaturen um 0 °C adaptiert, sie tolerieren wechselnde Nährstoff- und Lichtverhältnisse und produzieren spezielle Proteine, mit denen sie die Eiskristalle in ihrer zellnahen Umgebung modifizieren.

Als augenscheinlichstes Merkmal bringen sie jedoch zum Ende des Polarsommers Dauerformen hervor, die durch einen reduzierten Stoffwechsel, verdickte Zellwände und die Synthese besonderer Sekundärpigmente extrem widerstandsfähig sind. Bei einem der Pigmente handelt es sich um das Ketocarotinoid Astaxanthin, das durch seine blutrote Farbe den Schneealgenblüten die Bezeichnung "Roter Schnee" oder unter den frühen Seefahrern den Namen "Blutschnee" einbrachte. Erst unter den günstigen Bedingungen des Frühsommers des nächsten Jahres wandeln sich diese Dauerformen erneut in ihre vegetativ vermehrungsfähige grüne Form um und setzen als "Grüner Schnee" ihr Wachstum fort.

Mit der "Culture Collection of Cryophilic Algae - CCCryo" (www.cccryo.fraunhofer.de), die seit 1999 existiert, steht seit dem Jahr 2010 diese Sammlung kryophiler Schneealgen auch der breiten Forschergemeinschaft an öffentlichen und industriellen Institutionen als eine einzigartige Bioressource zur Verfügung. Ziel ist es, aus dem Studium der Biologie dieser extremophilen Mikroalgen im Rahmen weiterer biotechnologischer Forschung industrielle Produkte zu entwickeln. Neben Mikroalgen wird die Sammlung mehr und mehr mit Cyanobakterien und Moosen aus den polaren Regionen erweitert, die ähnliche Anpassungen aufweisen.

In mehreren Kooperationsprojekten wird die Eignung dieser Algen für eine Massenproduktion in Photobioreaktoren untersucht. Seit einigen Jahren besteht dazu eine industrielle Kooperation, in deren Rahmen Schneealgenstämme für die Verwendung in Kosmetika in eigens dafür am Fraunhofer IBMT entwickelten Photobioreaktoren produziert werden. Ein nächstes Ziel der Arbeitsgruppe stellt die industrielle Produktion ungesättigter Fettsäuren über Schneealgen dar.

Ziel der diesjährigen Expedition ist es, neben der Sammlung und Isolierung neuer Algenstämme, einen tieferen Blick in die Verbreitungsstrategie der Schneealgen zu erhalten. Noch immer ist ungeklärt, unter welchen Bedingungen es auf den sonst kargen Schnee- und Gletscherflächen zu den Phänomenen des "Grünen" oder "Roten Schnees" kommt. Einmal etabliert, sind diese Algen sehr standorttreu.

Auf bisherigen Expeditionen konnten Nährstoffeinflüsse aus Vogelkolonien oder umgebender Vegetation als bestimmende Faktoren ausgeschlossen werden. Auf der kommenden Expedition soll mittels eines Hubschraubersystems mit Spezialkameras die weitläufige Topografie und Hydrologie der Schneealgenfelder untersucht werden. Die Forscher vermuten, dass die umgebenden Gesteine über Schmelzwassereinträge zu sehr verschiedenen Durchfeuchtungen von Schneeflächen und Versorgung mit anorganischen Nährelementen führt, die dann eine Schneealgenmassenentwicklung ermöglichen, wie sie nun auch im Labor erreicht werden soll.

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