Home | english  | Impressum | Datenschutz | Sitemap | KIT

Mikrofluidischer Bioreaktor

mikrofluidischer_Bioreaktor
In einer fünfjährigen Kooperation mit dem Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) entwickelten wir diesen mikrofluidischen Bioreaktor, mit dem wir nun im Rahmen eines BMBF Projekts neue pflanzliche Inhaltsstoffe erzeugen

 

Wohin wollen wir? Wertgebende Stoffe aus Pflanzen.

Pflanzen bilden nach neuesten Schätzungen etwa eine Million spezifische Sekundärmetabolite. Viele dieser Metabolite haben die biologische Funktion, die Wechselwirkung mit anderen Organismen zu steuern und sind daher häufig pharmazeutisch aktiv. Viele dieser oft kostbaren und teuren Inhaltsstoffe können nicht synthetisch hergestellt und müssen daher aus ihrer natürlichen Quelle extrahiert und aufgereinigt werden. Die zugrundeliegenden Stoffwechselwege sind komplex und erfordern das Zusammenwirken verschiedener Zelltypen, bis der Wirkstoff in spezialisierten, oft einzelnen, Exkretzellen eingelagert wird. Dies macht die Extraktion häufig mühsam und wenig ertragreich, außerdem sind viele dieser Pflanzen selten und bedroht. Beispielsweise wurde die Pazifische Eibe durch die Entdeckung, dass Taxol Krebszellen hemmt, an den Rand der Ausrottung gebracht. Biotechnologische Ansätze wären hier eine Alternative.

Molecular Farming – Potential und Limitierung.

 

Vor allem in Situationen, wo kleine Mengen eines wertvollen Produkts erzeugt werden, ist Grünes Molecular Farming kostengünstiger als andere Systeme wie transgene Tiere oder Mikroorganismen. Da in geschlossenen Systemen gearbeitet wird, lassen sich die in Europa kontrovers diskutierten Aspekte einer GVO-Freisetzung vermeiden. Der Schwerpunkt liegt momentan noch auf proteinbasierten Komponenten, die Erzeugung von Sekundärmetaboliten spielt nur eine marginale Rolle. Das liegt nicht an Mangel an Interesse – die Synthese des Antikrebs-Wirkstoffs Vinblastin in Zellkulturen von Catharanthus roseus wird seit inzwischen einem halben Jahrhundert verfolgt mit sehr bescheidenen Ergebnissen. Eine Limitierung für Molecular Farming ist die oben erwähnte Kompartimentierung des Sekundärstoffwechsels auf verschiedene Zelltypen was sich in einem typischen Biofermenter nicht reproduzieren lässt. Die Erzeugung wertgebender pflanzlicher Sekundärstoffe setzt voraus, dass Zelltypen mit unterschiedlichen metabolischen Leistungen über einen Fluß gekoppelt werden.

Der neue Ansatz – modulare Mikrofluidik.

Unsere Idee setzt genau hier ein. Im Grunde wollen wir ein Pflanzengewebe technisch nachbilden. Dazu setzen wir nicht auf einen üblichen Fermenter, sondern auf ein Mikrofluidiksystem, das zwischen unterschiedliche Zelltypen, die jeweils unterschiedliche metabolische Leistungen vollbringen, einen metabolischen Fluß herstellt. Das Produkt soll dann im Durchfluss aufgefangen werden. Durch den modularen Aufbau lassen sich auch unterschiedliche Kombinationen erzeugen, die zu unterschiedlichen Wirkstoffen (auch Derivate, die natürlicherweise in der Pflanze gar nicht vorkommen) führen. Ein metabolisches Modul besteht dabei aus Zellen, bei denen über genetic engineering jeweils ein metabolisches Schlüsselenzym überexprimiert ist. Als Modell für den proof-of-principle wählen wir den Flavonoid-/Stilben-Weg (Erzeugung des gegen Krebszellen hochpotenten Aglykons Quercetin) der Weinrebe, den Alkaloid-Weg von Tabak (Erzeugung des anti-Alzheimer-Wirkstoffs Nornicotin) und den Alkaloid-Weg der Schlafbeere Withania (Erzeugung von Withanoliden, mit hohem Potential gegen Parkinson).

 

Wo stehen wir?

 

Gemeinsam mit der Arbeitsgruppe Dr. Guber, Institut für Mikrostrukturtechnik (KIT-CN) wurde in einem mehrjährigen Prozess ein mikrofluidischer Biofermenter entwickelt und zum Patent eingereicht, in der Zellen der Tabaklinie BY-2 über längere Zeit kultiviert werden können. Das System wurde so optimiert, dass die biologische Funktionalität der Pflanzenzellen vollständig erhalten bleibt und im Durchfluss abhängig vom Entwicklungszustand der Zellen unterschiedliche Sekundärmetaboliten geerntet werden können.