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 Wegbereiter für Vitamin A in Reis
21.07.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

nachricht Pharmakologie - Im Strom der Bläschen
21.07.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

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: Einblicke unter die Oberfläche des Mars

Die Region erstreckt sich über gut 1000 Kilometer entlang des Äquators des Mars. Sie heißt Medusae Fossae Formation und über ihren Ursprung ist bislang wenig bekannt. Der Geologe Prof. Dr. Angelo Pio Rossi von der Jacobs University hat gemeinsam mit Dr. Roberto Orosei vom Nationalen Italienischen Institut für Astrophysik in Bologna und weiteren Wissenschaftlern einen Teilbereich dieses Gebietes, genannt Lucus Planum, näher unter die Lupe genommen – mithilfe von Radarfernerkundung.

Wie bei einem Röntgenbild dringen die Strahlen einige Kilometer tief in die Oberfläche des Planeten ein und liefern Informationen über die Struktur, die...

Im Focus: Molekulares Lego

Sie können ihre Farbe wechseln, ihren Spin verändern oder von fest zu flüssig wechseln: Eine bestimmte Klasse von Polymeren besitzt faszinierende Eigenschaften. Wie sie das schaffen, haben Forscher der Uni Würzburg untersucht.

Bei dieser Arbeit handele es sich um ein „Hot Paper“, das interessante und wichtige Aspekte einer neuen Polymerklasse behandelt, die aufgrund ihrer Vielfalt an...

Im Focus: Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder...

Im Focus: Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes...

Im Focus: Manipulating Electron Spins Without Loss of Information

Physicists have developed a new technique that uses electrical voltages to control the electron spin on a chip. The newly-developed method provides protection from spin decay, meaning that the contained information can be maintained and transmitted over comparatively large distances, as has been demonstrated by a team from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute. The results have been published in Physical Review X.

For several years, researchers have been trying to use the spin of an electron to store and transmit information. The spin of each electron is always coupled...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungen

Den Nachhaltigkeitskreis schließen: Lebensmittelschutz durch biobasierte Materialien

21.07.2017 | Veranstaltungen

Operatortheorie im Fokus

20.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Einblicke unter die Oberfläche des Mars

21.07.2017 | Geowissenschaften

Wegbereiter für Vitamin A in Reis

21.07.2017 | Biowissenschaften Chemie

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungsnachrichten