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Programmierbare Nester für Zellen Neues Kompositmaterial: Entwicklungshilfe für Stammzellen

| Autor/ Redakteur: Monika Landgraf* / Christian Lüttmann

Stammzellen brauchen eine geeignete Umgebung um zu wachsen und sich zu entwickeln. Ein neues Kompositmaterial von Forschern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) soll genau das liefern: Es lässt sich für verschiedene Anwendungen maßschneidern und kann schonend und schnell abgebaut werden. Mögliche Anwendungen dieser Nester für Zellen liegen in der Medizin sowie im Design stromerzeugender Biohybridsysteme.

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Bakterienzellen (rot) auf einem programmierbaren Kompositmaterial aus Silica-Nanopartikeln (gelb) und Kohlenstoff-Nanoröhren (blau)
Bakterienzellen (rot) auf einem programmierbaren Kompositmaterial aus Silica-Nanopartikeln (gelb) und Kohlenstoff-Nanoröhren (blau)
(Bild: Niemeyer-Lab, KIT)

Karlsruhe – Das Kultivieren von Stammzellen dient der Grundlagenforschung wie auch der Entwicklung wirksamer Therapien gegen schwere Erkrankungen, beispielsweise um geschädigtes Gewebe zu ersetzen. Allerdings können sich Stammzellen nur in einer geeigneten Umgebung zu gesundem Gewebe entwickeln. Besonders zum Aufbau dreidimensionaler Gewebestrukturen bedarf es Materialien, welche die Zellfunktionen durch eine perfekte Elastizität unterstützen.

Neue programmierbare Materialien, die sich als Substrate für biomedizinische Anwendungen eignen, hat nun eine Forschergruppe um Prof. Christof M. Niemeyer am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelt. Mit diesen Materialien lassen sich unter anderem Umgebungen schaffen, in denen sich menschliche Stammzellen einnisten und weiterentwickeln können.

Die Zutaten der Zell-Nester

Die neuen Materialien bestehen aus DNA-Molekülen sowie kleinsten Silica-Partikeln und Kohlenstoff-Nanoröhren. „Diese Kompositmaterialien werden durch eine biochemische Reaktion aufgebaut und lassen sich über die Mengen der Einzelbestandteile in ihren Eigenschaften präzise einstellen“, erklärt Niemeyer. Darüber hinaus lassen sich die Nanokompositmaterialien so programmieren, dass sie schnell und schonend abgebaut werden können und die darin gewachsenen Zellhaufen freisetzen. Diese lassen sich dann für weitere Experimente nutzen.

Unterschlupf für stromerzeugende Bakterien

In einer weiteren Studie haben die Forscher gezeigt, dass sich die neuen Nanokompositmaterialien auch für den Aufbau programmierbarer Biohybridsysteme verwenden lassen. Damit sind elektrochemische Geräte gemeint, in denen lebende Mikroorganismen integriert sind. „So lassen sich beispielsweise mikrobielle Brennstoffzellen, mikrobielle Biosensoren oder mikrobielle Bioreaktoren herstellen“, erläutert Prof. Johannes Gescher vom KIT, der an dieser Studie beteiligt war.

Das von den Karlsruher Wissenschaftlern aufgebaute Biohybridsystem enthält das Bakterium Shewanella oneidensis. Dieses ist exoelektrogen, es produziert also beim Abbau organischer Substanz unter Sauerstoffmangel elektrischen Strom. Wird S. oneidensis in den am KIT entwickelten Nanokompositmaterialien kultiviert, bevölkert es die Matrix des Verbunds. Das nicht exoelektrogene Bakterium Escherichia coli dagegen bleibt auf der Oberfläche des Materials. So kann das stromerzeugende Bakterium gezielt angereichert werden, ohne in Konkurrenz zu dem verbreiteten E. coli zu stehen. Der Shewanella-haltige Verbundstoff hält sich über mehrere Tage stabil. In zukünftigen Arbeiten wird die Forschungsgruppe weitere biotechnologische Anwendungen der neuen Materialien erschließen.

Originalpublikationen:

Yong Hu, Carmen M. Domínguez, Jens Bauer, Simone Weigel, Alessa Schipperges, Claude Oelschlaeger, Norbert Willenbacher, Stephan Keppler, Martin Bastmeyer, Stefan Heißler, Christof Wöll, Tim Scharnweber, Kersten S. Rabe & Christof M. Niemeyer: Carbon-nanotube reinforcement of DNA-silica nanocomposites yields programmable and cell-instructive biocoatings, Nature Communications, 2019; DOI: 10.1038/s41467-019-13381-1

Yong Hu, David Rehnlund, Edina Klein, Johannes Gescher & Christof M. Niemeyer: Cultivation of Exoelectrogenic Bacteria in Conductive DNA Nanocomposite Hydrogels Yields a Programmable Biohybrid Materials System, bioRxiv, 2019. DOI: 10.1101/864967

* M. Landgraf, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 76131 Karlsruhe

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