Zellfreie Proteinproduktion in größerem Maßstab

Der Einsatz rekombinanter Proteinen für therapeutische, diagnostische, technische, landwirtschaftliche und kosmetische Anwendungen nimmt ständig zu. Die meisten rekombinanten Proteine werden in Säugetierzellen oder Mikroben (Bakterien und Hefen) hergestellt. Zahlreiche vielversprechende Proteinkandidaten, die in lebenden Zellen schwer zu produzieren (oder sogar toxisch) sind, gehen jedoch beim Screening und bei Bewertungsverfahren verloren, bevor geeignete industrielle Produktionsprozesse etabliert werden können. Daher erwägen einige Industrieunternehmen den Einsatz von zellfreien Expressionssystemen, um Proteinkandidaten zu identifizieren, die mit den derzeitigen prokaryotischen und eukaryotischen zellbasierten Expressionsplattformen nicht hergestellt werden können. Obwohl sich solche zellfreien in vitro Transkriptions- und Translationssysteme (IVTT) gut für ein schnelles und reproduzierbares Hochdurchsatz-Screening eignen und Mikrogrammmengen an Protein für erste analytische Tests bereitstellen können, ist die Produktion von Milligramm- oder sogar Grammmengen mit zellfreien Expressionssystemen derzeit nahezu unmöglich. Für den nächsten Schritt der Produktentwicklung müssen jedoch größere Proteinmengen zur Verfügung gestellt werden, um die Proteinkandidaten genauer zu charakterisieren, bevor der endgültige Proteinproduktionsprozess definiert wird.

Das geplante ThinkBig Projekt wird diese Lücke im Entwicklungsprozess durch Etablierung von Verfahren, die es ermöglichen die zellfreie Expression vom aktuellen mL-Bereich auf 1-10 L hoch zu skalieren, schließen. Da viele pharmazeutische und technische Proteine eukaryotischen Ursprungs sind, soll sich auf ein neu entwickeltes zellfreies Lysat aus Tabak BY-2-Zellen fokussiert werden, das schneller und kostengünstiger herzustellen ist, dabei aber deutlich höhere Proteinausbeuten als andere zellfreie Systeme, wie z.B. das häufig verwendete Weizenkeim-Extrakt, liefert. Im ThinkBig Projekt werden neue Verfahren für die Herstellung von zellfreien Lysaten in größerem Maßstab sowie die Implementierung innovativer Bioreaktorstrategien für die in vitro Transkriptions- und Translationsreaktion im Bereich von 1-10 L entwickelt, die eine schnelle Bereitstellung von Proteinen in Grammmengen innerhalb von 1-2 Tagen ermöglichen. Das Projekt wird auch die Anforderungen an die Einhaltung industrieller und regulatorischer Standards berücksichtigen, z.B. bei der Herstellung therapeutischer Proteine für klinische Tests. Der Anwendungsaspekt des Ansatzes soll durch die Herstellung eines Antimalaria-Immunotoxins, des humanen epidermalen Wachstumsfaktors (hEGF) für kosmetische Nutzung und des technischen Enzyms Enterokinase demonstriert werden. Obwohl es eine große Nachfrage nach solchen Proteinen gibt, kann keines dieser Proteine in zellbasierten Expressionssystemen in hohen Ausbeuten produziert werden. Die Projektpartner werden auch Strategien zur Kommerzialisierung der Projektergebnisse durch den Industriepartner LenioBio GmbH entwickeln, um das zellfreie Verfahren zur Herstellung von Proteinen im großen Maßstab sowie die während des Projekts produzierten Proteine zu vermarkten. Das Projekt deckt damit die gesamte Wertschöpfungskette ab und liefert Verfahren für die zellfreie Proteinbiosynthese in größerem Maßstab, die auch für die Produktion anderer Proteine, deren weitere Entwicklung durch niedrige Ausbeuten in konventionellen zellbasierten Systemen behindert wird, genutzt werden können.