Wissenschaftler des Zentrums für Systembiologie der Universität Stuttgart und der Universität Tübingen arbeiten in einem Verbundforschungsprojekt mit dem Namen „RecogNice: Modellierung der Regulation der Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Stickstoff-aufnahme in großvolumigen Prozessen mit Escherichia coli“ an der computergestütz-ten Maßstabsvergrößerung industrieller Produktionsprozesse mit Mikroorganismen. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Ausschreibung ‚eBio‘ mit insgesamt 2,4 Millionen Euro (Anteil Uni Stuttgart 1,7 Millionen) gefördert.
Großvolumige Produktionsprozesse (> 10.000 L) sind charakteristisch für die Herstellung von Produkten der weißen Biotechnologie. Folgerichtig müssen neue Stamm- und Prozessent-wicklungen nicht nur im kleinen Labormaßstab erfolgreich funktionieren, sondern auch den schwierigen Schritt der Maßstabsvergrößerung in den oft mehrere 100.000 L umfassenden Produktionsmaßstab überwinden.
Bei großvolumigen Produktionsprozessen bestehen erheblich andere Bedingungen als im Labor. Zellen, die in diesen großvolumigen Produktionsansätzen kultiviert werden, erfahren durch die im Reaktor herrschende Vermischung eine kontinuierliche Veränderung ihrer Kultivierungsbedingungen, was nicht selten zu signifikanten Einbrüchen in den Leistungsdaten führt.
Bisher kein allgemeingültiges Kriterium
Bisher konnte noch kein allgemeingültiges Kriterium für die verschiedenen Scale-up Frage-stellungen entwickelt werden.
Ziel des Projektes ist es daher, auf der Basis von detaillierten systembiologischen For-schungsarbeiten ein quantitatives, modellgestütztes Verständnis für die wesentlichen Ein-flüsse der Kohlenstoff-, Stickstoff- und Sauerstoffregulation in Escherichia coli als industriel-len Modellorganismus zu erhalten. Es ist beabsichtigt, basierend auf diesem detaillierten Stoffwechselmodell, das wesentliche Regulationsmechanismen dynamisch widerspiegeln soll, völlig neuartige Scale-up Kriterien, die nunmehr ausschließlich biologisch fundiert sind, zu identifizieren.
Um die detaillierten Regulationsmodelle für Kohlenstoff-, Stickstoff- und Sauerstoffaufnahme in E. coli datengetrieben identifizieren zu können, müssen umfangreiche repräsentative Sca-le-down Studien durchgeführt, aussagekräftige Proben für die systembiologische Untersu-chung bereitgestellt und die Daten einer entsprechenden Modellierung zugeführt werden.
Zu beachten ist, dass es sich bei dieser Vorgehensweise um einen vollkommen neuartigen Ansatz handelt, bei dem erstmals neuartige Scale-up Kriterien auf der Basis biologischer Rahmenbedingungen definiert werden, was als wesentlicher Beitrag für die wissensbasierte Bioökonomie angesehen wird. Bei erfolgreicher Umsetzung ist davon auszugehen, dass mehr Erfolg versprechende Bioprozesse den sensitiven Schritt aus dem Labor in den Pro-duktionsalltag erreichen werden.
(Universität Stuttgart, 26.03.2013 – KBE)
