Flow-cytometrisches online Biomonitoring von Hefen in biotechnischen Verfahren

Hefen spielen in vielen Bereichen der Biotechnologie eine wichtige Rolle: Im Rahmen von biotechnischen Synthesen treten Candida und Yarrowia als Produzenten von organischen Säuren und anderen Naturstoffen auf, gentechnisch modifizierte Zellen von Saccharomyces cerevisiae oder Hansenula polymorpha können Wirkstoffe produzieren, und Yarrowia lipolytica als Spezialist für den Fettabbau in Problemabwässern gilt als umweltbiotechnologisch relevanter Vertreter. Außerdem haben Hefen als Modellsysteme für andere biotechnologisch relevante Zellfabriken (Säuger-, Insekten- und Pflanzenzellen) große Bedeutung. Die Leistung von "Zellfabriken" in biotechnischen Prozessen ist die Summe der Leistungen jeder einzelnen Zelle, die von deren physiologischem Zustand abhängen und mit dem Stadium im Lebenszyklus und mit räumlich heterogenen oder sich zeitlich verändernden Umgebungsbedingungen stark variieren. Bisher werden biotechnische Prozesse fast ausschließlich nach dem sogenannten "indirect measurement concept" beobachtet, wobei der Zustand der Zellen anhand ihrer Lebensäußerungen (z.B. dem Sauerstoff-Verbrauch oder der Kohlendioxid-Produktion) beurteilt. Diese Verfahren sind ungenau, zeitverzögert und insbesondere integral, d. h. es können nur Mittelwerte des Zellzustandes bestimmt werden. Ziel des Projektes ist es, die Flow Cytometry, eine schnelle lokale Messmethode zur Erfassung der Zustandsverteilungen von großen Populationen von Einzelzellen, zum Prozessmonitoring an biotechnischen Verfahren einzusetzen und dabei neue molekularbiologische Techniken zur Markierung von für das Prozessergebnis relevanten Zellinhaltsstoffen zu nutzen. Dazu soll ein leistungsfähiges, robustes, preiswertes Flow-Cytometer mit ausgewählten biotechnischen Verfahren mit Hefen über eine Fließinjektionsanalyse (FIA) gekoppelt und on-line die Zustandsverteilung der Zellen untersucht werden. Dieses Herangehen ist die Grundlage für neue, effiziente Steuerungskonzepte von Bioprozessen. Durch das Zusammenwirken der Arbeitsgruppe Bioverfahrenstechnik an der TU Dresden und der Firma Cytecs GmbH in Görlitz sind sowohl auf bioverfahrentechnischem als auch auf flow-cytometrischem Gebiet wissenschaftlich-technische Voraussetzungen gegeben, um das Projekt erfolgreich zu bearbeiten. Der Innovationscharakter besteht darin, dass eine komplexe, in der Medizin erfolgreich eingesetzte Messmethode durch das Einbeziehen von aktuellen Entwicklungen in so unterschiedlichen Gebieten wie Biochemie und Molekularbiologie (neue Fluoreszenzmarker), Lasertechnik (neue Laserdioden) und Informationstechnik (leistungsfähige Computer und Software, die neue Verfahren der Systemanalyse programmtechnisch umsetzt) auf dem Gebiet der Bioverfahrenstechnik zu einer neuen Qualität der Prozessüberwachung, -steuerung und -optimierung führen wird.

Kooperationspartner:

CyTecs GmbH, Görlitz

Projektfinanzierung:

Sächsisches Landesamt für Umwelt und Geologie

Projektbearbeitung und Kontakt:

Bühner, Bley