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Dem Geheimnis der Eierschalen auf der Spur

Die Nanaostruktur prägt die Festigkeit der Eischale. (Illustration: Marc McKee)

Wie können Eierschalen einerseits eine feste Schutzhülle bilden, andererseits aber auch zerbrechlich genug sein, um dem Küken den Schlupf zu ermöglichen? Moderne Techniken der Materialforschung haben nun Einblicke in die Nanostrukturen und Prozesse gewährt, die hinter diesen gegensätzlich wirkenden Funktionen stecken. Während sich ein Küken entwickelt, verändert sich demnach die Nanostruktur auf der Innenseite der Eierschale, sodass sie weicher wird. Die Hauptrolle spielt dabei ein spezielles Protein in der Schale. Die Ergebnisse könnten für die Lebensmittelsicherheit in der Agro-Industrie wichtig sein, sagen die Forscher.

Das Ei ist ein ausgesprochenes Erfolgsmodell der Natur: Seit Jahrmillionen schicken die Vertreter verschiedener Tiergruppen ihren Nachwuchs mit diesem Verpackungskonzept auf den Weg ins Leben. Das Ei bildet dabei eine ideale Kammer für das embryonale Wachstum: Es enthält alle nötigen Nährstoffe, bietet Schutz – lässt sich am Ende aber von dem Wesen öffnen, das in ihm entstanden ist. Dass es sich bei der Eierschale um ein Verbundmaterial aus anorganischen und organischen Stoffen handelt, ist bereits lange bekannt. Doch detaillierte Einblicke in den Feinbau dieser Strukturen sind Forschern bisher teilweise verwehrt geblieben.

Heikles Forschungsobjekt

„Eierschalen sind schwer mit herkömmlichen Methoden zu untersuchen, da sie so leicht zerbrechen, wenn man versucht, eine dünne Schicht für die elektronenmikroskopische Untersuchung herzustellen“, sagt Marc McKees von der McGill University in Montreal. Er und seine Kollegen haben deshalb nun eine neue Probenvorbereitungstechnik eingesetzt, um den Feinbau von Hühner-Eierschalen so detailliert aufzudecken, wie nie zuvor. „Dank eines neuen fokussierten Ionenstrahl-Schnittsystems konnten wir die Proben präzise und dünn schneiden und dann schließlich die Nanostrukturen der Schale abbilden“, so McKees. Die Forscher führten außerdem Untersuchungen durch, die aufzeigten, welche Merkmale des Materials für die Festigkeit verantwortlich sind.

So konnten sie dokumentieren: Für den Grad der Schalenfestigkeit ist die Konzentration des mineralbindenden Proteins Osteopontin verantwortlich. Diese Substanz kommt auch in anderen biologischen Verbundmaterialien vor – beispielsweise in Knochen. Wie die Forscher erklären, sorgt im äußeren Bereich der Schale vergleichsweise viel Osteopontin für eine feine Nanostruktur der Mineralsubstanz und damit für Härte. Der zum Inneren des Eis gerichtete Bereich weist hingegen weniger des Proteins auf und ist dadurch weicher.

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Raffiniert zunehmend zerbrechlich

Das Team konnte zudem zeigen, dass sich dieser Unterschied im Laufe der Entwicklung eines Kükens verstärkt. Während der Ei-Inkubation löst sich der innere Teil der Schale auf, um dem Küken Kalzium zur Entwicklung seiner Knochen zu liefern. Gleichzeitig wird die Schale dadurch geschwächt, sodass sie das Küken später leichter aufbrechen kann. Durch Verfahren der Rasterkraftmikroskopie und der Elektronen- und Röntgenbildgebung stellten die Forscher fest, dass dieser Prozess durch winzige Veränderungen in der Nanostruktur der Schale möglich wird, die während der Ei-Inkubation auftreten.

In parallelen Experimenten gelang es den Wissenschaftlern außerdem, eine Nanostruktur künstlich herzustellen, die der von Eierschalen ähnelt: Durch die Kombination von Osteopontin und Mineralkristallen, konnten sie dieses Material im Labor erzeugen. Dabei zeigte sich weiter die Bedeutung des Proteins für die Mineralisationsprozesse, die zur Stabilität von Eiern führen.

Wie die Forscher betonen, könnten ihre Ergebnisse nun sowohl für die Entwicklung von bioinspirierten Materialien als auch für die Lebensmittelsicherheit wichtig sein. „Etwa 10 bis 20 Prozent der Hühnereier zerbrechen oder bekommen Risse, was das Risiko von Bakterienwachstum und damit von Salmonellenvergiftungen erhöht“, sagt McKee. „Zu verstehen, wie die mineralische Nanostruktur zur Schalenfestigkeit beiträgt, könnte die Auswahl von genetischen Merkmalen bei Legehennen ermöglichen, um widerstandsfähigere Eier für eine verbesserte Lebensmittelsicherheit zu produzieren“, so der Forscher.

Quellen: McGill University, Science Advances doi: http://advances.sciencemag.org/content/4/3/eaar3219

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