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Das Wunder des biologischen Gefrierens: Warum können manche Lebewesen bei -196 °C überleben?
In der wissenschaftlichen Gemeinschaft war die Gefriertechnologie schon immer eine wichtige Richtung bei der Erforschung des Fortbestands des Lebens. Biofreezing oder Kryokonservierung zielt darauf ab, Zellen, Gewebe oder Organe einzufrieren, um ihre Haltbarkeit zu verlängern. Diese Technologie ermöglicht es, jeden Zellstoffwechsel, der biologische Materialien schädigen könnte, bei niedrigen Temperaturen (typischerweise -80 °C oder -196 °C bei Verwendung von flüssigem Stickstoff) wirksam zu stoppen.
Diese Technologie spielt nicht nur eine wichtige Rolle bei der Konservierung biologischer Proben, sondern spielt auch eine große Rolle beim Transport biologischer Proben über große Entfernungen. Gegen den osmotischen Schock und die physische Belastung, denen Zellen beim Einfrieren ausgesetzt sind, fügen Forscher häufig einige spezielle Moleküle hinzu, sogenannte Kryoschutzmittel (CPA), um diese Risiken zu verringern. Diese Kälteschutzmittel sind in erster Linie von den kälteresistenten Lebewesen der Natur wie Bäumen, Waldfröschen und Bärtierchen inspiriert.
„Mikrobielle Organismen wie Bärtierchen widerstehen dem Gefrieren, indem sie den größten Teil ihres inneren Wassers durch Zucker ersetzen, wodurch eine Kristallisation verhindert wird, die zu Schäden an den Zellmembranen führen kann.“
Beispiele für natürliche Kryokonservierung
In der Natur verfügen viele Organismen über eine erstaunliche Frostbeständigkeit. Waldfrösche beispielsweise können als Vorbereitung auf den Winter Harnstoff in ihrem Blut und anderen Geweben ansammeln. Auch Glykogen in der Leber wird bei der Bildung innerer Eiskristalle massiv in Glukose umgewandelt. Diese Substanzen wirken alle als Kryoschutzmittel, indem sie die Eisbildung begrenzen und die osmotische Schrumpfung der Zellen verringern. Untersuchungen zeigen, dass Frösche im Winter mehrfach einfrieren und auftauen können, vorausgesetzt, dass 65 % ihres Körperwassers nicht gefriert.
Geschichte der Kryokonservierung
In Bezug auf die frühe Theorie der Kryokonservierung schlug James Lovelock 1953 vor, dass die Schädigung der roten Blutkörperchen beim Einfrieren hauptsächlich auf den osmotischen Druck zurückzuführen sei. Er führte eine Reihe von Experimenten durch und bestätigte, dass bestimmte Tiere (z. B. Hamster) bei langsamer Abkühlung 60 % des gefrierenden Wassers aushalten können.
Mit der Weiterentwicklung der Gefriertechnologie begann 1954 die Kryokonservierung menschlicher Körpermaterialien in die Anwendungsphase zu gelangen. Anschließend wurden 1966 die ersten menschlichen Überreste kryokonserviert. Im Jahr 1967 wurde James Bedfords Körper als erster Körper in der Geschichte in der Hoffnung auf eine zukünftige Auferstehung kryokonserviert.
Risiken bei der Kryokonservierung
Während der Kryokonservierung können Zellen mehreren Schädigungsrisiken ausgesetzt sein, darunter Lösungseffekte, extrazelluläre Eiskristallbildung, Dehydrierung und intrazelluläre Eiskristallbildung. Obwohl diese Effekte durch Kryoschutzmittel verringert werden können, wird beim Einfrieren die Schutzwirkung des konservierten Materials vor weiteren Schäden verstärkt.
„Wenn Zellen gefroren sind und die Abkühlgeschwindigkeit langsam genug ist, kann Wasser so weit aus der Zelle austreten, dass die Bildung tödlicher innerer Eiskristalle vermieden wird.“
Wichtige Präventionsmethoden für Kryokonservierungsrisiken
Zu den wichtigsten Techniken zur Verhinderung von Gefrierschäden gehören kontrollierte Abkühlraten und langsames Einfrieren sowie eine neuere Technik namens Vitrifizierung. Langsam programmierbare Gefriertechnologie ist in Bereichen wie Menschen, Tieren und Zellbiologie weit verbreitet.
Der Vitrifizierungsprozess kühlt die Probe schnell ab und verhindert die Bildung von Eiskristallen, wodurch mögliche Schäden während des Gefriervorgangs reduziert werden. Diese Technologie wurde seit Mitte der 1980er Jahre für die reproduktive Kryokonservierung eingeführt und bis heute in verschiedenen klinischen Praxen erfolgreich eingesetzt.
Die Bedeutung der Kryokonservierung für die Biotechnologie
Mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie beschränkt sich die Anwendung der Kryokonservierung nicht nur auf die Konservierung biologischer Proben, sondern wird sich auch auf Bereiche wie Gentherapie und Stammzellenforschung erstrecken. Die Kryokonservierungstechnologie eröffnet weitreichende Perspektiven für zukünftige biologische Forschung und klinische Anwendungen.
Für viele Menschen oder Lebewesen, die existentiellen Bedrohungen ausgesetzt sind, bedeutet die Weiterentwicklung dieser Technologie, dass in Zukunft neue Lebensmöglichkeiten gefunden werden können. Ist das nicht eine Überlegung wert?
