Winzlinge am Werk

Um die Weltbevölkerung auf biologischer Basis mit ausreichend Arzneimitteln, Antibiotika und Nahrungsmitteln zu versorgen, sind leistungsstarke Bioreaktoren nötig. Das sind geschlossene Gefäße zur Kultivierung der Mikroorganismen mit einem Zulauf zur Versorgung sowie einem Ablauf zur Produktentnahme. Meist haben Bioreaktoren eine zylindrische Form, damit die Rührer überall hinkommen. Und die Gefäße bestehen oft aus rostfreiem Stahl.

Sie bieten eine ideale Umgebung für Mikroorganismen und ihre biochemischen Stoffwechselreaktionen. Für Anwendungen in der Industrie sind Bioreaktoren erforderlich, die viele Hunderttausend Liter flüssigen Rohstoff fassen können, der etwa mit Bakterien oder Hefen angereichert wird – Experten sprechen von „Beimpfen“. Wie die Organismen in dem Tank wachsen, wird durch eine aufwendige Verfahrenstechnik gesteuert.

Ein Ziel: Ressourcen schonen

In der Forschung hingegen werden kleine Bioreaktoren genutzt, die auf einen Labortisch passen. Zum Beispiel im Team von Ralf Takors, Leiter des Instituts für Bioverfahrenstechnik der Universität Stuttgart: Dort entwickeln die Wissenschaftler die Technik der biologischen Produktion weiter und suchen dabei nach besonders ressourcenschonenden Prozessen.

„Im Labor lassen sich neue Ansätze in kleinem Maßstab testen, ohne dafür teure Ausgangsstoffe in großen Mengen einzusetzen“, sagt Ralf Takors. „Anschließend müssen die Prozesse in einen größeren Maßstab übertragen werden.“ Doch das ist mitunter schwierig. „Denn die Bedingungen in einem Bioreaktor mit Tausenden Litern Inhalt unterscheiden sich von denen in einem kleinen Gefäß“, betont der Stuttgarter Bioverfahrenstechniker. „Die Durchmischung ist anders, und die Versorgung mit Sauerstoff ist nicht überall gleich.“ Zudem gibt es in einem großen Tank Unterschiede bei Temperatur und Druck, mit denen manche Mikroorganismen nicht zurechtkommen.

Daher muss in einem großen Reaktor intensiv gerührt werden, um eine ausreichende Nährstoffversorgung und Durchlüftung zu gewährleisten. Doch das bringt ein anderes Problem mit sich: Beim Rühren können die Zellen der Organismen Schaden nehmen. Teils erreicht der Rührer auch nicht alle Stellen, wodurch sich Nährstoffe und Sauerstoff nicht gleichmäßig verteilen. Die Folge: Es entstehen sogenannte Hungerzonen, in denen die kleinen lebendigen Helfer zugrunde gehen.

Der Schlüssel, um diese Schwierigkeiten zu meistern, ist eine intelligente Sensorik, mit der sich alle wichtigen Prozessparameter überall im Bioreaktor messen lassen.

Mini-U-Boote auf Messfahrt

„Neuartige Sensoren und digitale Systeme können die Überwachung von Bioprozessen deutlich verbessern“, stellt Peter Neubauer fest, Inhaber des Lehrstuhls Bioverfahrenstechnik an der TU Berlin. Die Industrie nutzt sie bereits, doch sie sind meist umständlich verkabelt.

Künftig könnten Messfühler wie kleine U-Boote kreuz und quer durch den Reaktortank flitzen und mit ihren Daten den Forschern helfen, die komplizierten biochemischen Vorgänge dort besser zu verstehen. „Unser Ziel ist es letztlich, Modelle zu entwerfen, die sowohl das biologische als auch das technische System möglichst realistisch beschreiben“, erklärt Neubauer. Mit solchen „digitalen Zwillingen“ wäre es möglich, das Geschehen in dem Bioreaktor exakt im Voraus zu berechnen. Das soll gewährleisten, dass die verwendeten Mikroorganismen-Stämme die bestmöglichen Bedingungen für ihr Wachstum vorfinden, um Material, Energie und Kosten zu sparen.

Steril muss es sein

Der Produktionsprozess beginnt mit dem Beimpfen. Sobald ein geeigneter Stamm der Organismen ausgewählt und präpariert ist, muss zunächst das flüssige Nährmedium eingefüllt werden. Es muss steril und frei von Verunreinigungen sein. Wenn Bakterien oder Pilze hinzugefügt sind, kann die Produktion beginnen. Wie die Mikroorganismen wachsen, bestimmen auch physikalische Parameter wie Druck, Temperatur oder Schaumbildung in der Flüssigkeit.

Eine besondere Bedeutung hat das etwa bei der Herstellung von Impfstoffen, die seit Beginn der Covid-19-Pandemie im Zentrum des öffentlichen Interesses stehen. Dass Bioreaktoren sehr gut geeignet sind, Impfstoffe in großen Mengen zu produzieren, haben zwei Forscherteams um Udo Reichl und Yvonne Genzel am Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme in Magdeburg gezeigt. Sie haben den Prozess der Kultivierung von Viren, die für die Impfstoffherstellung nötig sind, für Gelbfieber- und Zika-Viren optimiert. Mit ihrer neuen Technik lassen sich in einem Ein-Liter-Bioreaktor in zwei Wochen rund zehn Millionen Impfdosen produzieren.

An der Entwicklung neuartiger Verfahren für eine biotechnische Herstellung von Impfstoffen arbeiten auch Forscher des Tübinger Unternehmens Curevac. Ihr Ziel ist, Bioreaktoren für die Herstellung von mRNA-Impfstoffen zu nutzen. Der technische Zugang, mit dem sich Impfdosen künftig bei Bedarf an jedem Ort der Welt bereitstellen lassen könnten, ist bereits durch ein Patent abgesichert.

Multikulti im Mikrokosmos

Neu an dem Prinzip, das die Forscher im Rahmen des Programms Interzell der DFG verfolgen, ist eine besonders enge Anlehnung an die Natur: „Bisher wurden in der Biotechnologie meist nur Monokulturen verwendet“, berichtet der Koordinator des Schwerpunktprogramms Ralf Takors. Doch in der Natur wirken vor allem Mischkulturen, deren Zusammensetzung durch die besonderen Bedingungen an ihrem Wachstumsort bestimmt wird. So bestehen Bakterienkulturen in Joghurt immer aus verschiedenen Arten von Organismen.

Solche speziellen Mischkulturen heranzuzüchten, ist ein Ziel der Forscher um Takors. Gemeinsam mit einem Team unter Leitung von Georg Sprenger vom Institut für Mikrobiologie der Universität Stuttgart zielt ein Teilprojekt der zehn Projekte des Schwerpunktprogramms darauf ab, bakterielle Co-Kulturen zur Herstellung von Violacein zu kultivieren – einem Pigment, das wegen seiner antibiotischen Wirkung im Fokus der pharmazeutischen Forschung steht.

Vera Meyer und Peter Neubauer an der TU Berlin sowie Heiko Briesen an der TU München forschen an anderen heterogenen pilzlichen Mischkulturen mit Aspergillus niger, dem Schwarzschimmel. Trübe Fruchtsäfte klären, Penicillin oder andere Antibiotika herstellen – all das können solche Pilze leisten. Doch je nach Zusammensetzung, Struktur und äußeren Bedingungen verhalten sie sich anders. Den Ursachen dafür wollen die Wissenschaftler in Berlin und München auf die Spur kommen, indem sie dem Myzel – dem fadenartigen Geflecht der Pilze – unter anderem per Tomografie zu Leibe rücken. „Mit Mikro-Computertomografie können wir heute die dreidimensionale Struktur eines Pilzgeflechts komplett analysieren, ohne die Struktur zerstören zu müssen“ erläutert Heiko Briesen, Lehrstuhlinhaber für Systemverfahrenstechnik von der TU München.

„Bislang gibt es kaum Untersuchungen zur Struktur von Pilzen bei verschiedenen Prozessbedingungen – und das, obwohl sie in der industriellen Produktion eine große Rolle spielen“, sag Peter Neubauer, der das Fachgebiet Bioverfahrenstechnik der TU Berlin leitet. Er entwickelt deshalb mit seinem Team Sensoren, mit denen sich das Zellwachstum in den Organismen per mikroskopischer Bildanalyse direkt im Bioreaktor verfolgen und bewerten lässt.

Pilze in Pellets

Da sie nicht linear wachsen, bilden Pilzmyzelien normalerweise ein wildes Knäul. Doch in einem Bioreaktor wachsen Pilze als dreidimensionale Pellets heran: kleine Knöllchen, die je nach Bedingungen und Prozessphase mehr oder weniger kompakt sind. Sie führen häufig dazu, dass die Kulturlösung zähflüssig wird. „Das beeinträchtigt den Prozessverlauf und die Aufbereitung der Produkte“, sagt Neubauer. „Wenn man das fadenartige Pilzgeflecht unter dem Mikroskop betrachtet, muss man gleichermaßen an Chaos und an ausgeklügelte Organisation denken“, sagt Vera Meyer. „Man sieht modular funktionierende Zellstrukturen, die zusammen ein großes Ganzes ergeben: Dabei bestimmt die mikroskopische Morphologie, also die Form und der Verzweigungsgrad der Zellfäden, die äußere Gestalt des Pilzes.“

Der Pilz entscheidet selbst

So bilden sich Pellets, die unterschiedlich groß sind – ein weiteres Problem für die kleinen Zellfabriken. „Ins Innere großer Pellets gelangen kaum Nährstoffe“, erläutert Vera Meyer. „Daher wollen wir klären, wie sich deren Verfügbarkeit verbessern lässt.“ Den Forschern erscheinen Pilze gleichermaßen überraschend und verrückt: „Ein Pilz scheint selbst zu entscheiden, wie klein oder groß seine makroskopischen Strukturen werden“, staunt Vera Meyer.

Die Berliner Wissenschaftler suchen nun nach genetischen Prozessen, die das steuern – und die gezielt beeinflussbar sind. „Unsere bisherigen Ergebnisse zeigen: Die Struktur lässt sich auf allen Größenskalen so steuern, dass aus einer heterogenen eine homogene Pellet-Zusammensetzung wird“, berichtet Vera Meyer. Mit diesem sogenannten Morphogenetic Engineering haben Biotechnologen ein neues Werkzeug an der Hand, um Produktionsprozesse in eine gewünschte Richtung zu lenken. „Denn die Form entscheidet darüber, ob der pilzliche Stoffwechsel mehr oder weniger Antibiotika oder Enzyme bildet.“

Ein riesiges Potenzial in Sicht

Die Berliner Biotechnologin, die neben ihrer Forschung auch als Künstlerin mit Pilzen arbeitet und diese etwa in Skulpturen integriert, ist überzeugt: Das Potenzial der Organismen, die wissenschaftlich als Fungi bezeichnet werden, ist noch lange nicht ausgeschöpft. Vielleicht findet man ihr Werk künftig auch am Frühstückstisch oder beim abendlichen kulinarischen Ausklang des Tages.