Wie wird Elastin gewonnen?

Vor dem Aufkommen der Biotechnologien bestand die einzige Möglichkeit, Elastin zu gewinnen für wissenschaftliche oder kosmetische Zwecke darin, es direkt aus tierischen Geweben mit hohem Anteil an elastischen Fasern. Diese Gewebe, wie die Aorta oder die Haut von Rindern und Schweinen, stellen wichtige natürliche Quellen für Tropoelastin – die lösliche und unreife Form von Elastin, die vor ihrer Vernetzung in der extrazellulären Matrix ausgeschieden wird – und für Elastin dar. Am häufigsten werden Gewebe von Feten oder neugeborenen Tieren verwendet, in denen die Elastinsynthese ihren Höchststand erreicht. Bei ausgewachsenen Tieren dagegen ist die Produktion nur noch gering.

Da das reife Elastin ein stark vernetztes und nahezu unlösliches Protein, ist die direkte Gewinnung schwierig, aber möglich. Sobald das Gewebe entnommen wurde – häufig aus Schlachthöfen – wird es fein zerkleinert und dann in einem Kulturmedium mit Enzyminhibitoren und Antibiotika inkubiert. Nach dem Waschen und der Homogenisierung in einer sauren Lösung werden die löslichen Fraktionen durch Säureextraktion gefolgt von einer Trennung durch organische Lösungsmittel (Propanol und Butanol) isoliert. Die Phase, die das Elastin enthält, wird anschließend konzentriert, mit Aceton ausgefällt, zentrifugiert, getrocknet und schließlich lyophilisiert, um ein reines Pulver zu erhalten. Die Reinheit des Elastins wird üblicherweise mittels SDS-PAGE-Elektrophorese und Aminosäurenanalyse kontrolliert.

Außer den klassischen Quellen von Säugetieren haben Studien gezeigt, dass Elastin auch aus Fischen gewonnen werden kann. In diesem Fall werden die Gewebe zunächst analysiert, um das Vorhandensein von Elastin zu bestätigen und die Zusammensetzung spezifischer Aminosäuren (Desmosin und Isodesmosin) zu bestimmen. Für die kommerzielle Herstellung werden die Gewebe aufgetaut, entfettet und abgekocht, um das Kollagen zu entfernen, und anschließend mit proteolytischen Enzymen hydrolysiert. Die Mischung wird filtriert und sprühgetrocknet, um wasserlösliche Elastinpeptide. Das marines Elastin wird insbesondere zur Entwicklung von Nahrungsergänzungsmitteln verwendet.

Diese Methoden stoßen heute an ethische und umweltbezogene Grenzen. Daher wendet sich die Kosmetik- und Biomedizinindustrie zunehmend nachhaltigeren biotechnologischen Ansätzen zu, die die Gewinnung von rekombinantem Elastin ohne den Einsatz tierischer Gewebe ermöglichen.

Angesichts der ethischen und technischen Grenzen bei der Gewinnung von Elastin aus tierischem Gewebe hat sich die Forschung nachhaltigen Alternativen zugewandt: rekombinantes Elastin in Form von Peptiden. Diese Biopolymere werden durch Gentechnik hergestellt, meist in Bakterien wie Escherichia coli. Ziel ist es, die wiederholende Sequenz des menschlichen Elastins nachzubilden und dabei auf tierisches Gewebe zu verzichten. Die Synthese beginnt mit der Konstruktion eines Gens, das für Elastin kodiert und seine Sequenz repliziert. Nachdem das Gen synthetisiert und in ein Plasmid – eine zirkuläre DNA, die als Vektor dient – inseriert wurde, wird es in die Bakterien eingebracht E. colium das Protein durch rekombinante Überexpression zu produzieren.

Nach der Induktion mit IPTG (Isopropyl-β-D-thiogalactopyranosid), einem in der Molekularbiologie verwendeten Laktosemetaboliten, beginnen die Bakterien mit der Produktion von Elastinpeptiden, die anschließend aus den Zellen extrahiert werden. Der Reinigungsschritt basiert auf den thermosensitiven Eigenschaften dieser Peptide: Oberhalb einer bestimmten Temperaturschwelle werden sie unlöslich und präzipitieren. Die Reinigung erfolgt wie folgt:

• Zelllyse und Entfernung unlöslicher Zelltrümmer bei einer Temperatur unterhalb der Schwellentemperatur.

• Erwärmung des Überstandes über die Schwellentemperatur, was zur selektiven Fällung von Elastinpeptiden führt.

• Abkühlung und erneutes Auflösen des Niederschlags in einem kalten Puffer, gefolgt von einer erneuten Zentrifugation zur Entfernung von Verunreinigungen.

Diese Methode, die weder organische Lösungsmittel noch tierische Gewebe benötigt, ermöglicht es, Proteine zu gewinnen, die die mechanischen und feuchtigkeitsspendenden Eigenschaften von Elastin natürlicher Herkunft reproduzieren und gleichzeitig die Umweltbelastung begrenzen.

Hinweis : Dieser Abschnitt, der die natürliche Elastinsynthese in der Haut beschreibt, dient ausschließlich Informationszwecken. Es handelt sich nicht um eine Methode, die in der Kosmetikindustrie zur Herstellung von Elastin verwendet wird.

Die Elastinfasern bilden ein komplexes Netzwerk in der Dermis, der mittleren Schicht der Haut. Die Synthese der elastischen Fasern, oder Elastogenese, ist ein sehr gut organisierter Prozess, abhängig von der Verfügbarkeit, der Zusammenbau und Vernetzung des Tropoelastins, dem Vorläufer des Elastins. Die Fibroblasten, die ebenfalls für die Synthese von Kollagen und Hyaluronsäure, sind die Zellen, die Tropoelastin sezernieren. Dieses wird anschließend von Enzymen der Familie der Lysin-Oxidasen oxidiert und danach vernetzt, um stabile Bündel zu bilden. Mithilfe des Glykoproteins Fibulin-5 lagern sich die Tropoelastinbündel auf Mikrofibrillen ab, die als Gerüst dienen, bis eine funktionelle Elastinfaser entsteht.

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