Ein innovativer und integrierter Ansatz zur rationalen Bioprozessentwicklung

In der von Dr. Johannes Buyel geleiteten Nachwuchsgruppe »FAST-PEP« sollte die Expertise des Fraunhofer IME im Bereich des Plant Molecular Farming erweitert werden und zentrale Hürden in der Bioprozessentwicklung im Produktionssystem Pflanze/Pflanzenzelle überwunden werden.  Eine pflanzliche Hochdurchsatz-Expressions- und Reinigungsplattform für pharmazeutisch, agrarwirtschaftlich und kosmetisch relevante Proteine, z. B. für dringend benötigte Impfstoffe und Antikörper für die Krebstherapie,  sowie weiteren biologischen Quellen sollte hier entwickelt und etabliert werden.

Das übergeordnete Ziel der ATTRACT-Gruppe »FAST-PEP« war es die Bioprozessentwicklung bei Pflanzenzellen ganzheitlich entlang der Entwicklungskette zu denken und die zentralen Probleme in der Leitstrukturoptimierung, Expressionssystemauswahl und Entwicklung einer Reinigungsstrategie (Downstream processing, DSP) zu lösen. Der Lösungsansatz sah vor, vorhersagefähige Modelle mit einer hohen Parallelisierung, rationalem Versuchsdesign und Integration der Datenauswertung zu kombinieren. Leitstrukturen sollten durch einen systembiotechnologischen Ansatz von Beginn an auf Produktausbeute sowie die für das DSP entscheidenden Faktoren (z. B. Aggregationsverhalten) optimiert werden. 

Ein innovativer Ansatz aus integrierter Hochdurchsatz-Proteinexpression und Produktreinigung sollte den gegenwärtig kostentreibende Entwicklungsengpass beim DSP beheben, so dass Produktkandidaten effizienter ausgewählt werden können. Die Wirkstoffkandidaten sollten anhand ihrer erwarteten Expression, Herstellbarkeit (z. B. pH-Stabilität) und Reinigbarkeit (z. B. Ladungseigenschaften) in silico vorselektiert und einer rationalen Strukturoptimierung unterzogen werden.

Parallel sollten mit mechanistischen Modellen Bedingungen für eine effiziente Reinigung der Kandidaten von den im jeweiligen Expressionssystem vorliegenden Kontaminanten berechnet und empirisch mittels statistischer Versuchsplanung verifiziert werden.

Auf Grundlage der erzielten Ausbeuten, Reinheiten und erwarteten Kosten sollte von einem Expertensystem die optimale Folge von Prozessschritten berechnet und so eine wettbewerbsfähige Herstellung für Unternehmen im Chemie-, Biotechnologie- und Pharmasektor sichergestellt werden.