Temperatur- und Kultivierungseinflüsse auf die mechanischen Eigenschaften von Saccharomyces cerevisiae
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die mechanischen Eigenschaften der Hefe Saccharomyces cerevisiae anhand von Mikrokompressionsexperimenten an einzelnen Zellen untersucht. Dadurch konnten Einblicke in das Verformungsverhalten und die strukturelle Integrität gewonnen werden. Aus den ermittelten Kraft-Weg-Daten wurden mikromechanische Kennwerte wie die Berstkraft teilweise direkt abgeleitet. Zusätzlich wurde ein Modell zur Beschreibung des Verformungsverhaltens entwickelt, um intrinsische Kennwerte wie die Zugfestigkeit und das Elastizitätsmodul der Zellwand zu ermitteln. Die Untersuchungen zum Einfluss von Kultivierungsparametern auf die mechanischen Eigenschaften der Zellen haben ergeben, dass langsames Wachstum zu robusteren Zellen führt. Als mögliche Erklärung für diese Beobachtung werden die Selbstordnungseffekte bei der Bildung der Zellwand gesehen.
Die Temperatur während der Belastung zeigt nur einen geringen Einfluss auf das Elastizitätsmodul der Zellwand. Jedoch nimmt die Zugfestigkeit der Zellwand mit erhöhten Temperaturen ab 40 °C ab. Als mögliche Erklärung wurde ein Modell entwickelt, das das charakteristisch veränderte Verformungsverhalten bei erhöhten Temperaturen erklären kann und eine mögliche Erklärung für die abnehmende Zugfestigkeit bietet. Die ermittelten Kennzahlen sowie das durch das Modell charakterisierte Verformungsverhalten können zukünftig zur Modellierung von biotechnologischen Prozessen, beispielsweise dem mechanischen Zellaufschluss, herangezogen werden. Auf diese Weise wird das Verständnis dieser Prozesse vertieft und deren Intensivierung vorangebracht.
In this study, the mechanical properties of the yeast Saccharomyces cerevisiae were analysed
using microcompression experiments on individual cells. This allowed insights into the
deformation behaviour and structural integrity to be gained. Micromechanical parameters
such as the bursting force were derived directly from the force-displacement data obtained.
In addition, a model was developed to describe the deformation behaviour in order to
determine intrinsic characteristic values such as the tensile strength and the young's modulus
of the cell wall.
Investigations into the influence of cultivation parameters on the mechanical properties of the
cells have shown that slow growth leads to more robust cells. The self-organisation effects
during the formation of the cell wall were cited as a possible explanation for this observation.
The temperature during loading has only a minor influence on the modulus of elasticity of the
cell wall. However, the tensile strength of the cell wall decreases with increased temperatures
above 40 °C. As a possible explanation, a model was developed that can explain the
characteristically changed deformation behaviour at elevated temperatures and offers a
possible explanation for the decreasing tensile strength.
The characteristic values determined and the deformation behaviour characterised by the
model can be used in future to model biotechnological processes, such as mechanical cell
disruption. This will deepen our understanding of these processes and promote their
intensification.
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