CO₂ ist ein nicht brennbares, nicht explosives und nicht radioaktives Gas, das weltweit in der Physik, Chemie, Biologie und Medizin Anwendung findet. Durch chemische Synthese lassen sich aus ¹³CO₂ zahlreiche komplexe Verbindungen herstellen. Diese Verbindungen finden vielfältige Anwendung in Umweltstandards, der forensischen Forschung und der Diagnostik. Bekanntermaßen kann ¹³C-Harnstoff für den Harnstoff-Atemtest verwendet werden (nach oraler Gabe von ¹³C-markiertem Harnstoff an eine Testperson kann dieser bei Vorliegen einer Helicobacter-pylori-Infektion im Magen zu ¹³C-markiertem CO₂ abgebaut werden; somit lässt sich eine H.-pylori-Infektion durch den Nachweis von ¹³C-CO₂ in der Ausatemluft mittels eines hochpräzisen Gasisotopenverhältnis-Massenspektrometers diagnostizieren). Da oral verabreichtes 13C-Harnstoff sich nach Erreichen des Magens gleichmäßig verteilt, lässt sich eine Helicobacter-pylori-Infektion sensitiv nachweisen, sobald Helicobacter pylori am Kontaktort mit 13C-Harnstoff vorhanden ist. In den letzten Jahren haben sich daher auch erweiterte, multiple Verbindungen in nicht-invasiven Atemtests in der medizinischen Praxis etabliert. 13CO2 wird zudem als Lasergas in Lasern eingesetzt. Es findet nicht nur in der Grundlagenforschung, sondern auch klinisch in der Laserlaparoskopie Anwendung.
Biologen füttern Algen, Bakterien und andere Mikroorganismen mit isotopenmarkiertem 13C-Gas, um deren Stoffwechselprozesse mittels NMR zu untersuchen. Aus den 13C-markierten Organismen lassen sich verschiedene Aminosäuren, Proteine, Fette, Zucker und DNA extrahieren. Die Anzahl der extrahierten Komponenten steigt drastisch an, wenn die markierten Algen oder Bakterien zur Züchtung komplexer Mikroorganismen verwendet werden. Wissenschaftler nutzen die markierten Komponenten, um die Struktur von Makromolekülen und die Wechselwirkungen von Koordinationsgruppen zwischen Proteinen zu bestimmen. Das Züchten von Algen in einer Atmosphäre aus reinem 13CO2 ermöglicht eine gleichmäßige 13C-Markierung der Algen. Einige Forscher haben Hühner mit dieser 13C-markierten Spirulina gefüttert, wodurch die Untersuchung aktiver Aminosäuren ermöglicht wurde.
Eine wichtige Anwendung von 13C-Glucose und 13C-Glutaminsäure ist die kompensatorische metabolische MRT (Magnetresonanztomographie) des Gehirns. Die Zellproliferation lässt sich mit 13C-markierter DNA messen. Mithilfe von 13C-markierten Komponenten und moderner 13C-MRS (Magnetresonanzspektroskopie) können Genstruktur und Genquantifizierung untersucht werden, um ein umfassendes Bild menschlicher Gene und Veränderungen in der molekularen Zusammensetzung lebender Zellen zu erhalten. Die direkte Anwendung von 13CO2 auf biologische Systeme (z. B. die Bedeckung von Ackerböden mit 13CO2-angereicherter Luft) ermöglicht die Überwachung der Kohlenstoffdynamik in Organismen für Lebensexperimente. 13C-markierte Substanzen können verwendet werden, um die organische Kohlenstoffzusammensetzung von Böden sowie die Transportwege zu verfolgen.
Da Pflanzen CO₂ aus der Luft aufnehmen, kann dieses CO₂ auch mit ¹³C markiert werden. Dies findet Anwendung in der Grundlagenforschung und angewandten Forschung. Beispiele hierfür sind die Untersuchung der Nährstoffverfügbarkeit und des Stoffwechsels organischer Substanzen, die mit markierten Pflanzen verfüttert werden (Bioverfügbarkeit von Nährstoffen aus verschiedenen Nahrungsmitteln bei Tieren und Menschen). Die Entwicklung von ¹³C-markierten Verbindungen und analytischen Instrumenten hat die Anwendungsmöglichkeiten stabiler Isotope erweitert und neue Wissensgebiete über den Menschen und die Umwelt erschlossen.
Veröffentlichungsdatum: 26. Juni 2024