Biogenes Gefrierschutzmittel

Ein biogenes Gefrierschutzmittel (auch biogenes Frostschutzmittel) ist ein Gefrierschutzmittel, das von Lebewesen hergestellt wurde.

Eigenschaften

Gefrierschutzmittel biologischen Ursprungs umfassen niedermolekulare Verbindungen und Anti-Frost-Proteine. Sie kommen insbesondere bei Lebewesen aus arktischen Klimazonen vor. Als niedermolekulare Verbindungen werden unter anderem Glycerol, andere Polyole, Harnstoff und Glucose verwendet. Dies sind Verbindungen, die bereitwillig Wasserstoffbrücken zu benachbarten Wassermolekülen ausbilden. Dadurch wird eine Gefrierpunktserniedrigung innerhalb der Zellen erreicht, wodurch eine Perforation der Zellmembranen durch Eiskristalle vermieden wird. Teilweise wird zusätzlich in den Zellen die Konzentration an Wasser gesenkt (Anhydrobiose).

Die meisten Anti-Frost-Proteine verhindern das Einfrieren des Zellplasmas nicht, können es aber etwas verzögern. Ihre Wirkung beruht darauf, dass sie das Wachstum der Eiskristalle behindern, und bereits entstandene Eiskristalle, die als Kristallisationskeim wirken könnten, abschirmen. Dadurch bleiben die entstehenden Kristalle klein, das Eis wird feinkörnig und kann auch beim Durchfrieren nicht die Strukturen der Zelle zerstören. Die Zelle nimmt nach dem Auftauen ihre normalen Funktionen wieder auf.

Kryokonservierung

In der Biochemie werden Zellen zur Kryokonservierung meist in einem Einfriermedium aus dem Kulturmedium mit Dimethylsulfoxid eingefroren, z. B. in Kulturmedium mit 20 % (V/V) FCS und 10 % (V/V) DMSO. Teilweise wird an Stelle des DMSO auch Ethylenglykol verwendet. Bei einer Vitrifikation wird dagegen versucht die Ausbildung von Eiskristallen beim Kühlen ganz zu vermeiden, z. B. mit konzentrierten Glycerollösungen (17 Mol pro Kilogramm).

Einzelnachweise

1. D. J. Larson, L. Middle, H. Vu, W. Zhang, A. S. Serianni, J. Duman, B. M. Barnes: Wood frog adaptations to overwintering in Alaska: new limits to freezing tolerance. In: The Journal of experimental biology. Band 217, Pt 12Juni 2014, S. 2193–2200, doi:10.1242/jeb.101931, PMID 24737762.
2. J. P. Costanzo, A. M. Reynolds, M. C. do Amaral, A. J. Rosendale, R. E. Lee: Cryoprotectants and extreme freeze tolerance in a subarctic population of the wood frog. In: PloS one. Band 10, Nummer 2, 2015, S. e0117234, doi:10.1371/journal.pone.0117234, PMID 25688861, PMC 4331536 (freier Volltext).
3. Z. Shu, S. Heimfeld, D. Gao: Hematopoietic SCT with cryopreserved grafts: adverse reactions after transplantation and cryoprotectant removal before infusion. In: Bone Marrow Transplantation. Band 49, Nummer 4, April 2014, S. 469–476, doi:10.1038/bmt.2013.152, PMID 24076548, PMC 4420483 (freier Volltext).
4. Y. Agca, J. Liu, A. T. Peter, E. S. Critser, J. K. Critser: Effect of developmental stage on bovine oocyte plasma membrane water and cryoprotectant permeability characteristics. In: Molecular reproduction and development. Band 49, Nummer 4, April 1998, S. 408–415, doi:10.1002/(SICI)1098-2795(199804)49:4<408::AID-MRD8>3.0.CO;2-R, PMID 9508092.
5. J. A. Bautista, H. Kanagawa: Current status of vitrification of embryos and oocytes in domestic animals: ethylene glycol as an emerging cryoprotectant of choice. In: The Japanese journal of veterinary research. Band 45, Nummer 4, Februar 1998, S. 183–191, PMID 9553322.
6. A. F. Davidson, C. Glasscock, D. R. McClanahan, J. D. Benson, A. Z. Higgins: Toxicity Minimized Cryoprotectant Addition and Removal Procedures for Adherent Endothelial Cells. In: PloS one. Band 10, Nummer 11, 2015, S. e0142828, doi:10.1371/journal.pone.0142828, PMID 26605546, PMC 4659675 (freier Volltext).