Pflanzenzellkulturen für die Kosmetikindustrie

Aufgrund ihrer enormen Vielfalt an wirksamen Inhaltsstoffen sind pflanzliche Extrakte ein wichtiger Rohstoff für die stetig wachsende kosmetische Industrie. Das Fraunhofer IME entwickelt daher Verfahren diese ressourcen- und kostenschonend nutzbar zu machen.

Pflanzliche Zellkulturen für die Kosmetikindustrie

© Fraunhofer IME | Ann-Katrin Beuel
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© Fraunhofer IME | Stefan Rasche

Bereits seit der Steinzeit verwendeten Menschen Pflanzen für Kosmetik. Das ist heute noch so, Körperpflegeprodukte und Kosmetik bestehen aus etwa 25-30 Prozent natürlichen und 70-75 Prozent synthetischen Inhaltsstoffen. Die Branche ist bemüht, Inhaltsstoffe, die bislang auf petrochemische Vorstufen zurückgehen, künftig aus biologischen Ressourcen zu gewinnen. Das verspricht mehr Nachhaltigkeit und neue Eigenschaften der Produkte. Gleichzeitig beobachten wir den verstärkten Wunsch der Verbraucherinnen und Verbraucher nach mehr natürlichen Inhaltsstoffen. Die Verwendung von pflanzlichen Inhaltsstoffen in der Kosmetik ist seit einiger Zeit wieder in den Fokus von Forschung und Entwicklung gerückt. Allerdings ist die Nutzung von ganzen Pflanzen oder Früchten mit einer Reihe von Herausforderungen verknüpft. Je nach Jahreszeit und Umweltbedingungen können Erntemengen und Qualität schwanken. Oder das Pflanzenmaterial ist sogar mit Schadstoffen wie Schwermetallen oder Pestiziden belastet.

Eine Alternative ist die Verwendung von pflanzlichen Zellen in Suspensionskultur, die standardisierten und kontrollierten Bedingungen ausgesetzt sind. Das Fraunhofer IME erhielt von einem Kosmetikunternehmen in Aachen den Auftrag, aus den Früchten der Birnensorte »Champagner Bratbirne« (Pyrus communis cv. Champagner Bratbirne) sowie der Elsbeere (Sorbus torminalis) pflanzliche Zellkulturen zu gewinnen. Des Weiteren sollte das Verfahren für die Gewinnung der Zellen im 20-50 kg Maßstab geeignet sein.

Zunächst sterilisierten die Forscherinnen und Forscher die Oberflächen der Früchte beider Pflanzen, so werden unerwünschte Keime entfernt. Unter sterilen Bedingungen kultivierten sie das Fruchtgewebe auf Nährmedium. Neben Zucker als Nahrungsquelle, enthält dies auch verschiedene pflanzliche Hormone, die ein undifferenziertes Zellwachstum des Fruchtgewebes auslösen. Es entstehen Zellhaufen, die nun in Flüssigmedium weiter kultiviert werden, durch stetige Bewegung liegen die Zellen nun als kleinere Zellaggregate oder Einzelzellen vor. Da sich diese undifferenzierten Zellen bei Zugabe spezieller Pflanzenhormone wieder zu intakten Pflanzen regenerieren lassen, bezeichnet die Kosmetikindustrie diese Zellkulturen auch als pflanzliche Stammzellen.

Im nächsten Schritt erfolgte die Produktionsoptimierung. Hierfür setzten die Biotechnologen statische Versuchsplanung (engl. Design of Experiments, DoE) ein. In der Vergangenheit beherrschten intuitive Vorgehensweisen den Laboralltag, wie das Ändern eines Faktors nach dem anderen oder nach dem Prinzip Versuch und Irrtum. Diese bringen jedoch nur zufällig ein optimales Versuchsergebnis hervor, da Einzelwirkungen und Wechselwirkungen von Einflussfaktoren nicht erkannt werden. Im Gegensatz dazu ermöglicht die statistische Versuchsplanung eine systematische Planung und statistische Auswertung der Versuche. Mit geringem personellen und methodischen Aufwand wird der funktionale Zusammenhang von Einflussparametern und den Ergebnissen ermittelt und mathematisch beschrieben. Der Vorteil der statistischen Versuchsplanung besteht darin, dass mehrere »Faktoren«, wie z. B. Temperatur, Konzentration oder Kulturdauer gleichzeitig bewertet werden können, um die Bedingungen zu analysieren, unter denen die Produkteigenschaften oder »Reaktionen«, wie z. B. Ausbeute einen Idealwert erreichen.

Mithilfe dieser Methode gelang es den Forschenden die Zellausbeute bei einer Kultivierungsdauer von sieben bis 14 Tagen um 300 Prozent zu erhöhen, die unliebsamen/nicht gewünschten Nebenprodukte - Lipide und Polysaccharide - auf < 5 Prozent zu verringern und die Produktionskosten um den Faktor 3 zu reduzieren. Vor der Verwendung in ausgewählten Kosmetika werden die Zellen vom Medium durch Filtration getrennt, im Homogenisator aufgeschlossen und die unlöslichen Bestandteile mittels Zentrifugation abgetrennt. Abschließend wird der klare Zellextrakt mit Alkohol versetzt und unser Produkt kann ausgewählten Kosmetika z.B. Cremes beigemischt werden.

In diesem Fall stellt die Verwendung von pflanzlichen Zellen in Suspensionskultur eine attraktive Alternative zur Nutzung intakter Pflanzen dar, die verschiedenste Vorteile bietet. Durch kontrollierte Bedingungen bei der Kultivierung können beispielsweise mikrobielle Verunreinigungen durch Endotoxine ausgeschlossen und auf den Einsatz von Pflanzenschutzmitteln kann verzichtet werden, was der Umwelt und der Produktqualität zugutekommt. Des Weiteren sind solche Zellkultivierungen unabhängig von klimatischen Bedingungen, Jahreszeiten oder auch der geopolitischen Lage, wodurch eine kontinuierliche Produktion gewährleistet werden kann.

Ausgewählte Publikation


More for less: Improving the biomass yield of a pear cell suspension culture by design of experiments, Rasche et al.

Scientific Reports 6, 23371