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Zell-Stress erhöht die Produktivität

02.07.2012
An der TU Wien wurde eine Methode entwickelt, in kürzerer Zeit mehr Information als bisher über den Stoffwechsel von Mikroorganismen herauszufinden, um damit ihre Produktivität zu steigern.

Ein bisschen Stress kann die Produktivität erhöhen – das ist keine Erkenntnis aus der modernen Arbeitswelt, sondern aus dem Labor des Instituts für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und technische Biowissenschaften der TU Wien.


Hefezellen
TU Wien

Wenn man Mikroorganismen (etwa Hefepilze) einsetzen will, um gezielt Biomoleküle herzustellen, muss man zunächst in langwierigen Versuchen die optimale chemische und physiologische Umgebung dafür finden. Im Gegensatz zur konventionellen Tests setzt man an der TU Wien die Mikroorganismen gezielt zeitlich veränderlichen, dynamischen Bedingungen aus, um in kürzerer Zeit mehr über ihren Stoffwechsel zu erfahren. Erstaunlicherweise wird genau durch den dadurch erzeugten Stress die Effizienz der Mikroorganismen deutlich gesteigert.

Mikroorganismen als lebende Chemiefabriken

Pilze oder Bakterien zur Herstellung von bestimmten wertvollen Stoffen einzusetzen ist heute ganz alltäglich. In der pharmazeutischen Industrie werden häufig genmanipulierte Organismen verwendet, etwa um Proteine und Enzyme zu erzeugen. Einen solchen Prozess aufzusetzen und zu optimieren ist jedoch recht aufwendig: Welchen Pilz- oder Bakterienstamm soll man verwenden? Wie müssen die Umgebungsbedingungen sowie die Kontrollstrategien ausgelegt sein, damit die Mikroorganismen möglichst effizient arbeiten? „Bisher musste man all das in vielen einzelnen Versuchen ausprobieren, von denen jeder einzelne viele Tage oder Wochen dauern kann“, sagt Oliver Spadiut (TU Wien).

Daher machte man sich in an der TU Wien auf die Suche nach besseren Alternativen. Anstatt eine Kultur in einem konstanten Gleichgewichtszustand zu beobachten, führt man ihr immer wieder in kurzen Pulsen unterschiedliche Mengen bestimmter Stoffe zu. „Wir beobachten dann die zeitabhängige Reaktion der Kultur auf diese gepulsten Veränderungen“, erklärt Christian Dietzsch, der im Rahmen dieses Projektes seine Dissertation verfasste.

Zeitliche Änderung bringt nützlichen Stress

Während dieser Charakterisierungs-Experimente wurde eine erstaunliche Entdeckung gemacht: genau diese zeitlichen, dynamischen Veränderungen von Prozessbedingungen erwiesen sich als positiv für die Produktivität der Zellen. „Abrupte Änderungen der physiologischen Bedingungen setzen die Zellen unter Stress, und eigentlich hätte man eher vermuten können, dass Stress schädlich für die Zellen ist“, sagt Oliver Spadiut. „Doch genau dieser Stress lässt die Mikroorganismen effektiver arbeiten. In einer dynamisch veränderten Umgebung produzieren sie mehr als in einem konstanten Gleichgewichtszustand.“

„Unsere Taktik, die chemische Zusammensetzung immer wieder gezielt zu ändern hat also zwei wesentliche Vorteile“, erklärt Professor Christoph Herwig, Leiter der Forschungsgruppe Bioverfahrenstechnik. „Wir können in kürzerer Zeit mehr Information gewinnen als bisher – und gleichzeitig erhöhen wir genau durch diese Dynamik auch die Produktivität.“

Medizin bis Alternativenergie

In Rahmen dieses Forschungsprojektes wurde mit Pichia pastoris gearbeitet – einem Hefepilz, mit dem man wertvolle Enzyme herstellen kann, unter anderem für gezielte Krebstherapie. „Das Anwendungsgebiet der neuen Methode ist aber viel breiter“, betont Christoph Herwig. „In unserer Arbeitsgruppe entwickeln wir Methoden, die generisch anwendbar sind. Unsere dynamische Strategie ist sowohl für mikrobielle als auch für tierische Zellen, für die man die optimalen Umgebungsbedingungen schaffen will, anwendbar. Dadurch erspart man sich nicht nur wochenlange, mühevolle Versuchsreihen, sondern auch die dadurch entstehenden Kosten.“ Wichtige Einsatzgebiete gibt es im Bereich Energie und Umwelt (einer der Forschungsschwerpunkte der TU Wien) – etwa die Methanproduktion aus Biomasse. „Von der pharmazeutischen Industrie bis zu erneuerbarer Energie – mit unserer Taktik zur Bioprozess-Optimierung werden in vielen Bereichen deutliche Verbesserungen möglich“, ist Christoph Herwig sicher.

Rückfragehinweise:

Dr. Oliver Spadiut
Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften
Technische Universität Wien
Gumpendorfer Straße 1a, 1060 Wien
T: +43-1-58801-166473
oliver.spadiut@tuwien.ac.at
Univ. Prof. Christoph Herwig
Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften
Technische Universität Wien
Gumpendorfer Straße 1a, 1060 Wien
T: +43-1-58801-166400
oliver.spadiut@tuwien.ac.at

Dr. Florian Aigner | Technische Universität Wien
Weitere Informationen:
http://www.tuwien.ac.at/dle/pr/aktuelles/downloads/2012/zell_stress/

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