Forscher haben Bioreaktoren entwickelt, die ohne Hilfe intakter Zellen Proteine produzieren. Mit ihnen könnten biologische Wirkstoffe künftig schneller und sparsamer hergestellt werden als mit herkömmlichen Techniken.
Ob Insulin oder Antikörper als Basis für Impfstoffe und Krebsmedikamente – 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, hat 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.“ Diese Probleme fallen bei den zellfreien Verfahren weg. Denn anstelle lebender Zellen wird dabei nur deren Syntheseapparat in Anspruch genommen.
Das Prinzip der zellfreien Proteinsynthese ist seit langem bekannt. Ziel eines 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 Mio. Euro gefördert; weitere 6 Mio. Euro investiert die Fraunhofer-Gesellschaft. Seit Projektbeginn vor zwei Jahren ist viel erreicht worden.
Derzeit werden zwei Reaktorkonzepte für die industrielle Anwendung erprobt. Das eine besteht aus kleinen Synthesekammern, in denen das Lysat – das, was nach Auflösung der Zellmembran übrig bleibt – 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.
Demonstrationsmodelle der Reaktoren werden vom 8. bis 10. Oktober 2013 auf der Messe Biotechnica in Hannover am Stand E09 in Halle 9 erstmals der Öffentlichkeit vorgestellt.
Weitere Informationen: www.zellfreie-bioproduktion.fraunhofer.de
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