Elektroporation

Elektroporation ist eine Methode, Zellmembranen permeabel (durchlässig) zu machen, um so DNA in prokaryotische Zellen (Transformation) oder eukaryotische Zellen (Transfektion) einzuschleusen. Die Elektroporation wird häufig in der Molekularbiologie verwendet. Im Bereich der Lebensmittel- und Bioverfahrenstechnik kann die Elektroporation zur Besserung von Massentransportprozessen oder zur Inaktivierung von Mikroorganismen eingesetzt werden.

Prinzip

Durch ein elektrisches Feld, das in der Regel durch einen schnell entladenden Kondensator erzeugt wird, wird die Zellmembran, von im Kondensator befindlichen Zellen, aufgrund verschiedener Effekte permeabilisiert. Beispielsweise kann sich die Konformation von Membranbestandteilen verändern. Beobachtet wird auch das Abschnüren von Membranbereichen zu Vesikeln, welche den Import von Makromolekülen und Organellen erklären können. Dieser Effekt der Elektroporation wurde von Zimmermann 1974 sowie Neumann 1972 beschrieben. Durch die Permeabilisierung kommt es zur Freisetzung von intrazellulären Bestandteilen, induziert durch hydrostatische Druckunterschiede (Turgordruck) und osmotische Effekte. Außerdem können Substanzen aus dem Außenmedium in das Zellinnere aufgenommen werden (Farbstoffe, DNA, Ionen). Elektroporation ist faktisch mit allen Zelltypen möglich; die Transformationsrate bei dieser Methode ist extrem hoch.

Elektroporation kann auch zur Abtötung von Mikroorganismen verwendet werden. Ob ein industrieller Einsatz dieser Methode zur Sterilisierung diverser Substanzen (z. B. Wasser) möglich ist, wird noch diskutiert.

Verfahren

Schematische Darstellung eines Elektroporators mit Küvette.

Küvetten für die Elektroporation mit Elektroden aus Aluminium.

Zur Elektroporation benutzt man einen Elektroporator – ein Gerät, das das elektrische Feld erzeugt. Der Elektroporator hat einen Platz für eine Küvette, in die man die Zellsuspension pipettiert. Die Küvette verfügt über zwei Elektroden aus Aluminium.

Die Erfolgsrate der Elektroporation hängt stark von der Reinheit der Plasmidlösung ab; insbesondere muss die Lösung von Salzen frei sein. Eine unreine Lösung kann bei der Elektroporation zu einer kleinen Explosion führen, wobei die Zellen getötet werden. Des Weiteren müssen die Elektroden der Küvette trocken sein.

Im Bereich der Lebensmittelverarbeitung kommen kontinuierlich arbeitende Systeme zum Einsatz. Das zu behandelnde Gut wird durch einen Reaktionsraum gefördert, in dem anhand einer oder mehrerer Elektrodenpaare ein gepulstes elektrisches Feld erzeugt wird. Die Wiederholungsrate der Impulse wird an den Produktstrom angepasst. Die benötigte elektrische Feldstärke liegt üblicherweise in einem Bereich von 1 kV/cm für pflanzliche oder tierische Zellen bzw. 10 bis 40 kV/cm für Mikroorganismen.

Literatur

• Alberts et al.: Molecular Biology of the Cell, Fourth Edition Taylor & Francis, 2002. ISBN 0815340729
• Zimmermann, Ulrich, Electromanipulation of Cells, Crc Press, 1996 ISBN 978-0849344763