Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Biomoleküle vom Band

25.09.2013
Eiweiße im industriellen Maßstab ohne Zellen herzustellen – das ist das ehrgeizige Ziel der »Zellfreien Bioproduktion«.

Mit dem Verfahren könnten sich biologische Wirkstoffe künftig schneller und sparsamer bereitstellen lassen als mit herkömmlichen Techniken. Wissenschaftler und Ingenieure aus acht Fraunhofer-Instituten haben in einem inter-disziplinären Forschungsprojekt Bioreaktoren entwickelt, die ohne Hilfe intakter Zellen Proteine produzieren. Demonstrationsmodelle der Reaktoren werden vom 8. bis 10. Oktober 2013 auf der BIOTECHNICA in Hannover am Stand E09 in Halle 9 erstmals der Öffentlichkeit vorgestellt.


Es ist effizient, Proteine außerhalb lebender Zellen zu produzieren.

Insulin, Antikörper als Basis für Impfstoffe und Krebsmedikamente, Enzyme für die Lebensmittel-, Kosmetik und Waschmittelindustrie – schon heute lassen sich viele dieser Wirkstoffe in großem Maßstab biotechnologisch herstellen. Derzeit wird der Bedarf an Biomolekülen oft noch mit Hilfe von lebenden Zellen oder Organismen gedeckt.

Dazu statten die Forscher Bakterien, Hefen, tierische oder pflanzliche Zellkulturen mit dem Gen aus, das für das gewünschte Protein codiert. Dann werden die veränderten Organismen in Bioreaktoren massenhaft kultiviert, um schließlich das Protein zu isolieren und zu reinigen. Diese Technologie ist zwar sehr leistungsfähig, aber einige Nachteile. Denn viele dieser Schritte sind zeitaufwändig und teuer. Bakterien und andere Zellen verbrauchen zudem einen Teil der eingesetzten Ressourcen, um sich selbst am Leben zu halten – und senken so die Effizienz der Proteinproduktion.

Den größten Nachteil zellbasierter Verfahren nennt Projektleiter Prof. Frank Fabian Bier vom Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT in Potsdam: »Zahlreiche Proteine lassen sich in Zellen schlecht oder gar nicht herstellen. Zum Beispiel Membranproteine, die in der pharmakologischen Forschung eine große Rolle spielen. Oder Proteine, die in hohen Konzentrationen die Zelle vergiften und eben deshalb für die Krebstherapie hilfreich sein könnten«.

Proteine ohne Zellen produzieren

Diese Probleme fallen bei den zellfreien Verfahren weg. Denn anstelle lebender Zellen wird dabei nur deren Syntheseapparat in Anspruch genommen. Doch wie funktioniert die »Biomolekül-Produktion vom Band«? Zunächst lösen die Fraunhofer-Forscher die Zellen auf. So gewinnen sie ein Gemisch, auch Lysat genannt, das alle zur Proteinsynthese notwendigen Komponenten enthält. Dazu gehören neben Enzymen auch biologisch aktive Organellen und Membranteile, die den Zusammenbau der Proteine entsprechend ihrer genetischen Bauanleitung ausführen. Die gewünschten Gene kann man direkt dem Lysat zugeben. Sie müssen nicht mehr erst aufwändig ins zelleigene Erbgut eingeschleust werden.

Das Prinzip der zellfreien Proteinsynthese ist seit langem bekannt. Ziel des Fraunhofer-Verbundprojekts ist es, das Verfahren für die industrielle Fertigung zu adaptieren. Die Idee ist aus dem Strategieprozess »Biotechnologie 2020+« des Bundesforschungsministeriums BMBF hervorgegangen und wird mit 15 Millionen Euro gefördert; weitere 6 Millionen Euro investiert die Fraunhofer-Gesellschaft. Seit Projektbeginn vor zwei Jahren ist viel erreicht worden: Zunächst wurden automatisierte Zellernte- und Aufschlussverfahren zur Herstellung von Lysaten aus Bakterien-, Tabak- und Insektenzellen entwickelt. Diese Lysate lassen sich vollautomatisch mit Aminosäuren und ausgewähltem Genmaterial befüllen, um so die Synthese spezifischer Proteine in Gang zu setzen.

Zwei Konzepte für Bioreakoren

Derzeit werden zwei Reaktorkonzepte für die industrielle Anwendung erprobt. Das eine besteht aus kleinen Synthesekammern, in denen das Lysat über eine teildurchlässige Membran mit frischen Reaktionsbestandteilen beliefert und zugleich von störenden Stoffwechselprodukten befreit werden kann. Durch dieses Ver- und Entsorgungssystem lässt sich die Proteinsynthese mehrere Tage lang aufrechterhalten. Das andere stellt eine mikrofluidische Plattform dar, auf der das Ablesen der Gene und die eigentliche Proteinsynthese – ähnlich wie bei Tieren- und Pflanzen – in getrennten Räumen stattfinden. Dieses System eignet sich besonders für Lysate aus Tier- und Pflanzenzellen.

Die Modellreaktoren sind das Ergebnis einer intensiven Zusammenarbeit von Biologen, Physikern, Maschinenbauern und Elektronikern aus den acht beteiligten Fraunhofer-Instituten. »Wir haben seit Beginn des Projektes im März 2011 eine Menge Energie darauf verwendet, geeignete Lysate zu produzieren, Messmethoden zu etablieren und Komponenten zusammenzustellen, um die Prozesse zu kontrollieren«, betont Prof. Bier. Sein Fazit: »Zellfreie Systeme lassen sich noch weiter optimieren und haben ein enormes Potenzial, auch in großem Maßstab deutlich ökonomischer und ressourcenschonender als bisher wichtige Biomoleküle zu produzieren«.

Birgit Niesing | Fraunhofer-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.zellfreie-bioproduktion.fraunhofer.de

Weitere Berichte zu: Bakterien Biomolekül Bioreaktor Lysat Organismus Protein Proteinsynthese Wirkstoff enzyme

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Forscherteam der Universität Bremen untersucht Korallenbleiche
24.04.2017 | Universität Bremen

nachricht Feinste organische Partikel in der Atmosphäre sind häufiger glasartig als flüssige Öltröpfchen
21.04.2017 | Max-Planck-Institut für Chemie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Immunzellen helfen bei elektrischer Reizleitung im Herzen

Erstmals elektrische Kopplung von Muskelzellen und Makrophagen im Herzen nachgewiesen / Erkenntnisse könnten neue Therapieansätze bei Herzinfarkt und Herzrhythmus-Störungen ermöglichen / Publikation am 20. April 2017 in Cell

Makrophagen, auch Fresszellen genannt, sind Teil des Immunsystems und spielen eine wesentliche Rolle in der Abwehr von Krankheitserregern und bei der...

Im Focus: Tief im Inneren von M87

Die Galaxie M87 enthält ein supermassereiches Schwarzes Loch von sechs Milliarden Sonnenmassen im Zentrum. Ihr leuchtkräftiger Jet dominiert das beobachtete Spektrum über einen Frequenzbereich von 10 Größenordnungen. Aufgrund ihrer Nähe, des ausgeprägten Jets und des sehr massereichen Schwarzen Lochs stellt M87 ein ideales Laboratorium dar, um die Entstehung, Beschleunigung und Bündelung der Materie in relativistischen Jets zu erforschen. Ein Forscherteam unter der Leitung von Silke Britzen vom MPIfR Bonn liefert Hinweise für die Verbindung von Akkretionsscheibe und Jet von M87 durch turbulente Prozesse und damit neue Erkenntnisse für das Problem des Ursprungs von astrophysikalischen Jets.

Supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien sind eines der rätselhaftesten Phänomene in der modernen Astrophysik. Ihr gewaltiger...

Im Focus: Deep inside Galaxy M87

The nearby, giant radio galaxy M87 hosts a supermassive black hole (BH) and is well-known for its bright jet dominating the spectrum over ten orders of magnitude in frequency. Due to its proximity, jet prominence, and the large black hole mass, M87 is the best laboratory for investigating the formation, acceleration, and collimation of relativistic jets. A research team led by Silke Britzen from the Max Planck Institute for Radio Astronomy in Bonn, Germany, has found strong indication for turbulent processes connecting the accretion disk and the jet of that galaxy providing insights into the longstanding problem of the origin of astrophysical jets.

Supermassive black holes form some of the most enigmatic phenomena in astrophysics. Their enormous energy output is supposed to be generated by the...

Im Focus: Neu entdeckter Exoplanet könnte bester Kandidat für die Suche nach Leben sein

Supererde in bewohnbarer Zone um aktivitätsschwachen roten Zwergstern gefunden

Ein Exoplanet, der 40 Lichtjahre von der Erde entfernt einen roten Zwergstern umkreist, könnte in naher Zukunft der beste Ort sein, um außerhalb des...

Im Focus: Resistiver Schaltmechanismus aufgeklärt

Sie erlauben energiesparendes Schalten innerhalb von Nanosekunden, und die gespeicherten Informationen bleiben auf Dauer erhalten: ReRAM-Speicher gelten als Hoffnungsträger für die Datenspeicher der Zukunft.

Wie ReRAM-Zellen genau funktionieren, ist jedoch bisher nicht vollständig verstanden. Insbesondere die Details der ablaufenden chemischen Reaktionen geben den...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

3. Bionik-Kongress Baden-Württemberg

24.04.2017 | Veranstaltungen

Smart-Data-Forschung auf dem Weg in die wirtschaftliche Praxis

21.04.2017 | Veranstaltungen

Baukultur: Mehr Qualität durch Gestaltungsbeiräte

21.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

3. Bionik-Kongress Baden-Württemberg

24.04.2017 | Veranstaltungsnachrichten

1. Es­se­ner Ge­fahr­gut­ta­ge am 19.-20. Sep­tem­ber 2017 mit fach­be­glei­ten­der Aus­stel­lung

24.04.2017 | Seminare Workshops

Intelligenter Werkstattwagen unterstützt Mensch in der Produktion

21.04.2017 | HANNOVER MESSE