Green Bioprinting - Neuartige Agglomerationsumge­bung für Pflanzenzellen

Der Einsatz von pflanzlichen Zellkulturen als Produktionssystem für pharmazeutische Wirk- und Zusatzstoffe bietet gegenüber dem traditionellen Feldanbau viele Vorteile. Zur Steigerung der Energie- und Ressourceneffizienz dieser Prozesse müssen auf die Pflanzenzellen zugeschnittene Verfahren etabliert werden. Aussichtsreich sind integrierte biotechnologische Systeme in denen räumliche und zeitliche Heterogenitäten im Prozess gezielt genutzt werden, um die Geschwindigkeit und die Selektivität der Stoffwandlung und -trennung um Größenordnungen zu verbessern.

Hier setzt das Forschungsprojekt an, indem eine neuartige Agglomerationsmatrix für Pflanzenzellen auf Basis des 3D-Bioprintings geschaffen werden soll. Das sog. „Bioprinting“ bietet die Möglichkeit, aus zuvor in Suspension vorliegenden Zellen mit Hilfe computergesteuerter Techniken eine regelmäßige, dreidimensional strukturierte Immobilisationsmatrix herzustellen. Während das Bioprinting im Bereich des Tissue Engineerings bereits etabliert ist, ist 3D-Bioprinting mit Pflanzenzellen völlig neu. Durch die Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Translationale Knochen-, Gelenk- und Weichgewebeforschung der TU Dresden (TFO) soll Expertenwissen aus dem Gebiet des 3D-Bioprintings und der Pflanzenzellforschung zusammengebracht werden. In früheren Arbeiten gelang es in dieser Kooperation erstmalig 3D-Bioprinting auf Mikroalgen anzuwenden.

Die Produktivität biotechnologischer Prozesse mit Pflanzenzellen soll durch die Einbettung in eine Hydrogelmatrix gesteigert werden, da z.B. die Scherbeanspruchung auf die Zellen bei der Kultivierung vermindert werden kann, eine vereinfachte Aufarbeitung der Zielsubstanz möglich ist und eine zweistufige Prozessführung etabliert werden kann. Im Hinblick auf die Prozessoptimierung spielt der Stoffaustausch an den Phasengrenzen zwischen der Umgebung und der Matrix sowie innerhalb der Zellagglomerate eine entscheidende Rolle. Der Austausch ist von der Hydrogelstruktur auf Meso- und Mikroebene abhängig, weshalb eine detaillierte Charakterisierung und Anpassung der Hydrogelmatrix unumgänglich ist. Mit Hilfe fluoreszenzmikroskopischer Methoden (z.B. long-term cell tracker Farbstoffe) können zeit- und ortsaufgelöste Aussagen über die Morphologie der Einzelzellen, deren Aggregationsverhalten und Vitalität im Hydrogel getroffen werden.

Mittels computergestützter Optimierungsansätze soll, basierend auf den vorangegangen Arbeitspunkten, ideale Matrixstrukturen für Pflanzenzellen generiert werden. Diese Matrixstrukturen werden mit Hilfe des 3D-Bioprintings experimentell validiert.

Projektfinanzierung

DFG-Schwerpunkt „DiSPB“

Projektleiter:

Projektmitarbeiter:

Projektlaufzeit:

 01.07.2016 - 30.06.2019