Nanostruktur von Eierschalen geknackt
Wie kommt es, dass befruchtete Hühnereier dem Bruch von außen standhalten und gleichzeitig so schwach sind, dass sie beim Schlüpfen der Küken von innen brechen? In der Nanostruktur der Eierschale steckt alles, so eine neue Studie unter der Leitung von Wissenschaftlern der McGill Universität.
Die Ergebnisse könnten wichtige Auswirkungen auf die Lebensmittelsicherheit in der Agrarindustrie haben.
Vögel haben von Millionen von Jahren Evolution profitiert, um die perfekte Eierschale herzustellen, eine dünne, schützende biomineralisierte Kammer für embryonales Wachstum, die alle Nährstoffe enthält, die für das Wachstum eines Küken benötigt werden. Die Schale, die nicht zu stark, aber auch nicht zu schwach ist (man könnte sagen, dass sie "genau richtig" ist), ist bis zum Schlüpfen bruchfest.
Aber was genau gibt den Vogelschalen diese einzigartigen Eigenschaften?
Um das herauszufinden, benutzte Marc McKees Forschungsteam an der McGill's Faculty of Dentistry zusammen mit Richard Chromik's Gruppe in den Ingenieurwissenschaften und anderen Kollegen neue Probenvorbereitungstechniken, um das Innere der Eierschalen freizulegen und deren molekulare Nanostruktur und mechanische Eigenschaften zu untersuchen.
"Eierschalen sind bekanntlich schwer zu studieren, weil sie leicht zerbrechen, wenn wir versuchen, eine dünne Scheibe für die Elektronenmikroskopie herzustellen", sagt McKee, der auch Professor in McGills Abteilung für Anatomie und Zellbiologie ist.
"Dank eines neuen fokussierten Ionenstrahlschnittsystems, das kürzlich von McGills Forschungseinrichtung für Elektronenmikroskopie erhalten wurde, konnten wir die Probe präzise und dünn schneiden und das Innere der Schale abbilden."
Eierschalen bestehen sowohl aus anorganischen als auch aus organischen Stoffen, wobei es sich um kalziumhaltige Mineralien und reichlich vorhandene Proteine handelt. Doktorandin Dimitra Athanasiadou, die erste Autorin der Studie, fand heraus, dass ein Faktor, der die Schalenstärke bestimmt, das Vorhandensein von nanostrukturiertem Mineral ist, das mit Osteopontin assoziiert ist, einem Eierschalenprotein, das auch in zusammengesetzten biologischen Materialien wie Knochen vorkommt.
Im Laufe ihrer kurzen Lebenszeit verändern Vogeleierschalen ihre Stärke. Zum Beispiel werden sie dünner und schwächer, bevor das Schlüpfen beginnt. Jetzt haben Forscher, die die Eierschalenstruktur untersuchen, sich auf die feine Struktur und die mechanischen Eigenschaften von Hühnereierschalen und Schalenveränderungen im Zusammenhang mit dem Schlüpfen von Küken konzentriert.
Carla Schaffer/ AAAS
Das sind Eierschalen in Prof. McKees Labor.
Laurie Devine McGill University
Ein Blick in die Ei-Biologie
Die Ergebnisse geben auch Einblick in die Biologie und Entwicklung von Hühnerembryonen in befruchteten und bebrüteten Eizellen. Die Eier sind beim Legen und Brüten hart genug, um sie vor dem Bruch zu schützen. Da das Küken in der Eierschale wächst, braucht es Kalzium, um seine Knochen zu bilden. Während der Ei-Bebrütung löst sich der innere Teil der Schale auf, um diese Mineralionenzufuhr zu gewährleisten, während gleichzeitig die Schale so geschwächt wird, dass sie von dem schlüpfenden Küken gebrochen werden kann. Mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie und Elektronen- und Röntgenbildgebungsverfahren fand das Team von Professor McKee heraus, dass diese Doppelfunktionsbeziehung dank kleinster Veränderungen in der Nanostruktur der Schale möglich ist, die während der Eierinkubation auftreten.
In parallelen Experimenten gelang es den Forschern auch, eine ähnliche Nanostruktur wie in der Schale durch Zugabe von Osteopontin zu den im Labor gezüchteten Mineralkristallen zu rekonstruieren. Professor McKee glaubt, dass ein besseres Verständnis der Rolle von Proteinen bei den Verkalkungsvorgängen, die die Verhärtung und Festigkeit der Eierschalen durch Biomineralisierung fördern, wichtige Auswirkungen auf die Lebensmittelsicherheit haben könnte.
"Etwa 10-20% der Hühnereier brechen oder knacken, was das Risiko einer Salmonellenvergiftung erhöht", sagt McKee. "Das Verständnis, wie die mineralische Nanostruktur zur Festigkeit der Schale beiträgt, wird es ermöglichen, genetische Merkmale bei Legehennen zu selektieren, um durchweg stärkere Eier zu produzieren und so die Lebensmittelsicherheit zu erhöhen".
Originalveröffentlichung
Athanasiadou, Dimitra et al.; "Nanostructure, osteopontin, and mechanical properties of calcitic avian eggshell"; Science Advances; 2018
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