Multiscale Bioengineering
Forschung
Die Entwicklung industrieller biotechnologischer Verfahren, die nachwachsende Rohstoffe und daraus resultierende Abfallprodukte in hochwertige Produkte umwandeln ist von zentraler Bedeutung für eine nachhaltige Nutzung natürlicher Ressourcen. Hierbei spielen mikrobielle Produktionsorganismen eine zunehmende Bedeutung. Leider stehen bis heute nur wenige Werkzeuge zur Verfügung, um die dahinterliegenden molekularbiologischen Prozesse im Detail zu untersuchen und verstehen zu können.
Die Forschungsgruppe Multiscale Bioengineering wurde im April 2017 an der Technischen Fakultät der Universität Bielefeld neu gegründet, mit dem Ziel neue mikrofluidische Methoden und Werkzeuge für die Biotechnologie und Bioverfahrenstechnik weiterzuentwickeln und zu etablieren. Im April 2021 erfolgte Integration der ehemaligen Arbeitsgruppe Fermentationstechnik in die Multiscale Bioengineering Gruppe. Forschungsschwerpunkt der Arbeitsgruppe sind sowohl die Entwicklung neuer Bioprozesse durch traditionelle Bioprozessentwicklung als auch die Integration neuer Technologien wie zum Beispiel die Bioprozessmikrofluidik.
Forschungsschwerpunkt der Arbeitsgruppe sind folgende Themengebiete:
- Gentechnische Modifizierung von Mikroben zur rekombinanten Proteinexpression
- Bioprozessentwicklung von industriell relevanter Mikroorganismen
- Entwicklung von Rührkessel-basierten mikrobiellen Hochzelldichteverfahren
- Entwicklung und Anwendung von neuen mikrofluidischen Kultivierungsmethoden.
- Untersuchung von Populationsheterogenität in Bioprozessen.
- Transfer und Scale-Up von mikrofluidischen Kultivierungssystemen in den Labormaßstab.
- Erschließung neuer Anwendungsfelder von miniaturisierten Reaktorkonzepten.
Angewandte Molekulargenetik
Durch angewandte Molekulargenetik werden Stämme für die Produktion von bestimmten Stoffen wie z.B. rekombinante Proteine konstruiert und für die Bioverfahrenstechnik und Aufarbeitung optimiert. Darüber hinaus ist ein besseres Verständnis der rekombinanten Sekretion von Peptiden/Proteinen aus Escherichia coli in den extrazellulären Raum ein Forschungsschwerpunkt.
Bioprozessentwicklung
Klone, die im Mikrotiterplatten- und/oder Schüttelkolbenmaßstab vielversprechende Produktivitäten offenbaren, können diese Leistung unter technischen Bedingungen im Rührkessel nicht immer bestätigen. Dies kann viele Ursachen wie z.B. Zell-Lyse haben, welche durch die Kultivierungsbedingungen im Rührkessel und/oder durch zahlreiche, destabilisierende genetische Modifikationen des Wirts verstärkt auftreten kann. Ziel ist die Identifikation und Vermeidung dieser Probleme in der Maßstabsübertragung auf molekularbiologischer sowie verfahrenstechnischer Ebene.
Prozessoptimierung
Die große Diversität von Mikroben impliziert jeweils speziell angepasst Kultivierungsbedingungen, insbesondere dann, wenn Hochzelldichtekultivierungen im technischen Maßstab etabliert werden sollen. Neben den individuell anzupassenden Kultivierungsbedingungen gilt dies auch für die Etablierung von Regelungsstrategien für Zulauf-basierte Prozesse. Auch Scale-up-Betrachtungen wie z.B. hinsichtlich des spezifischen Leistungseintrags oder alternative Bioreaktorsysteme für z.B. Mikrolagen werden in diesem Forschungsschwerpunkt adressiert.
Mikrofluidische Kultivierung
Die Entwicklung und Anwendung neuer mikrofluidischer Konzepte für die Kultivierung von Bakterien auf Einzelzellebene ist fundamental, um Einblicke in das Verhalten von Zellpopulationen zu bekommen. Im Gegensatz zu konventionellen Kultivierungssystemen ermöglichen diese sogenannten “Pikoliter-Bioreaktoren„ die Analyse zellulärer Prozesse wie Wachstum und Metabolismus individueller Zellen und Zellkolonien mit bisher nicht möglicher räumlicher und zeitlicher Auflösung bei definierter Nährstoffversorgung.
Populationsheterogenität
Die zentralen Fragen, die unsere Forschung motiviert, sind: Wie viel Heterogenität ist gut/schlecht für einen biotechnologischen Produktionsprozess? Können neue biotechnologische Prozesse und Produkte durch gezielte Ausnutzung von Heterogenität oder einer mikrobiellen Symbiose realisiert werden? Können wir aus den Strukturen und Mechanismen natürlicher mikrobieller Mischkulturen lernen, um nachhaltige Bioprozesse zu etablieren?
Scale-up
Die gewonnen Erkenntnisse aus Einzelzellkultivierungen können verwendet werden, um Organismen gezielt gentechnisch zu verändern oder neue verfahrenstechnische Strategien für nachhaltige Bioprozesse zu entwickeln. Hierbei ist ein Schwerpunkt unserer Arbeit der Ergebnistransfer von Erkenntnissen aus der Einzelzellkultivierung in größere Maßstäbe. Dieser Aspekt ist gegenwärtig wenig untersucht, aber von zentraler Bedeutung für die Integration mikrofluidischer Methoden im Bereich Bioprozessentwicklung.
Miniaturisierte Reaktorkonzepte
Miniaturisierte Bioreaktoren finden nicht nur Verwendung in der Bioprozessentwicklung, sondern bieten die Möglichkeit zur Erschließung ganz neuer Anwendungsfelder z.B. in der Medizin. Hier widmen uns mit der Entwicklung neuer miniaturisierter Bioreaktorkonzepte zur Erschließung dieser neuen Anwendungsfelder.