Verunreinigungen 14.12.2020, 07:00 Uhr

Überraschender Mechanismus: Mikroplastik wandert als Trojaner in Zellen

Mikroplastik ist in fast allen Ökosystemen zu finden. Wie die Umwelt kleine Partikel aktiviert und ihnen den Weg in Zellen ebnet, haben Forscher herausgefunden.

Im Labor untersuchen Forschende, wie Mikroplastik von Zellen aufgenommen wird.
Foto: Christian Wißler/Universität Bayreuth

Im Labor untersuchen Forschende, wie Mikroplastik von Zellen aufgenommen wird.

Foto: Christian Wißler/Universität Bayreuth

Als Mikroplastik bezeichnet man kleine, feste Kunststoffteilchen mit einem Durchmesser unter fünf Millimetern. Sie sind beispielsweise in Kosmetikprodukten oder Zahncremes zu finden und gelangen über das Abwasser in die Umwelt. Neben diesem primären Mikroplastik gibt es auch eine sekundäre Form. Beim Zerfall von Kunststoffen entstehen diese Partikel. Eine weitere Quelle ist der Abrieb von Autoreifen. Mehr als 300.000 Tonnen gelangen pro Jahr in die Umwelt – und über die Nahrungskette auch in den menschlichen Körper.

Forscher der Universität Bayreuth haben nun herausgefunden, dass Partikel in der Umwelt aktiviert werden. Sie binden an ihrer Oberfläche Biomoleküle, was zur leichteren Aufnahme in Zellen führt.

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Mikroplastik bindet Biomoleküle an der Oberfläche

Bei ihrer Studie haben die Wissenschaftler Partikel mit drei Mikrometern Durchmesser untersucht. Mikroplastik dieser Größenordnung ist in vielen Ökosystemen zu finden. Doch was passiert in der Umwelt chemisch? Um diese Frage zu beantworten, wurden Proben aus dem Labor in einen künstlich angelegten Teich mit Süßwasser gebracht. Weitere Teilchen landeten in einem Meeresaquarium. Nach mehreren Wochen entnahmen die Bayreuther Forscher ihre Proben und untersuchten sie mit Technologien der instrumentellen Analytik. Sie fanden auf der Oberfläche diverse Biomoleküle.

„Spektroskopische Untersuchungen deuten darauf hin, dass es sich bei den Biomolekülen um Kohlenhydrate, Aminosäuren, Nukleinsäuren und Proteine handelt“, berichtet Anja Ramsperger. Sie ist Doktorandin am Lehrstuhl Tierökologie I und in der Arbeitsgruppe Biologische Physik der Universität Bayreuth. Ramsperger: „Wir sprechen hierbei von einer ‚Eco-Corona‘, die sich auf den Mikroplastik-Teilchen in einer natürlichen Umwelt bildet.“

Leichtere Aufnahme in Zellen 

Welche Relevanz die Biomoleküle haben, war bislang unklar. Im nächsten Schritt untersuchte das interdisziplinäre Team aus Tierökologen, Biophysikern und Polymerchemikern deshalb Wechselwirkungen mit Zellen. Dabei handelte es sich um eine leicht im Labor kultivierbare Zelllinie von Mäusen. Um zu sehen, ob Mikroplastik nur an Außenseiten haftet oder ins Innere der Zellen gelangt, arbeiteten die Forscher mit einem Trick. Sie verknüpften das Strukturelement Aktin im Zellinneren mit Fluoreszenzfarbstoffen.

„Die Fluoreszenz-Markierung der Aktinfilamente hat es uns ermöglicht, genau zu erkennen, welche Partikel von den Zellen aufgenommen wurden“, berichtet Holger Kress, Professor für Biologische Physik an der Universität Bayreuth. „Aufgrund spektroskopischer Verfahren konnten wir sicher sein, dass es sich bei diesen Teilchen tatsächlich um Mikroplastik – genauer gesagt: um Polystyrol-Partikel – handelte und nicht etwa um zufällige Verunreinigungen.“ Unter dem Fluoreszenzmikroskop waren die von Zellen aufgenommenen Partikel als dunkle Strukturen erkennbar.

Als Kontrollgruppe dienten Partikel, die sich in sterilem Wasser befunden hatten und daher keine Beschichtung mit Biomolekülen aufwiesen. Sie wurden nur vereinzelt von Zellen aufgenommen.

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Ein Trojaner im Körper

„Unsere Studie spricht für die Annahme, dass Mikroplastik, das aus der Umwelt stammt und daher mit Biomolekülen beschichtet ist, nicht nur den Verdauungstrakt passiert, wenn es mit der Nahrung aufgenommen wird, sondern auch in das Gewebe übergehen kann“, kommentiert Christian Laforsch. Er ist Sprecher des von der DFG geförderten Sonderforschungsbereichs „Mikroplastik“ an der Universität Bayreuth und Inhaber des Lehrstuhls Tierökologie I an der Universität Bayreuth.

Laforsch vermutet, Biomoleküle könnten wie ein „trojanisches Pferd“ wirken. Zellen erkennen Oberflächenstrukturen und schleusen Mikroplastik ein. Ob sich ihre Ergebnisse von Zelllinien der Maus auf menschliche Zellen übertragen lassen, ist unklar, gilt aber als recht wahrscheinlich. Welche Mechanismen dann ablaufen, und zu welchem Maße Zellen geschädigt werden, ist ebenfalls nicht bekannt. Diesen Fragen wollen sich Forscher im Sonderforschungsbereich „Mikroplastik“ jetzt widmen.

Zu einem anderen Vorgang weiß man schon heute mehr: Mikroplastik bindet an der Oberfläche Giftstoffe aus marinen Ökosystemen. Die Toxine werden angereichert. Im nächsten Schritt nimmt Zooplankton kleine Teilchen auf. Fische ernähren sich von den Kleinstlebewesen, und Gifte reichern sich in der Nahrungskette an. Je kleiner die Teilchen sind, desto größer ist das Risiko, von Tieren aufgenommen zu werden.

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Von Michael van den Heuvel

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