Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME
Rekombinante technische und therapeutische Proteine (Biopharmaka) sind in der Lebensmittel-, Futtermittel-, Kosmetik- und Pharmaindustrie unersetzlich. Die rekombinanten Proteine werden dabei überwiegend durch Fermentation von Bakterien, Hefen, Insekten und Säugetierzellenkulturen in Bioreaktoren hergestellt, was mit einem hohen Energie- und Ressourcenverbrauch verbunden ist. Pflanzen und Pflanzenzellkulturen können hier eine nachhaltige Alternative sein, da deren Kultivierung mit weniger Ressourcen verbunden ist und im Wesentlichen auf nachwachsenden Rohstoffen basiert. Darüber hinaus replizieren Tier- und Humanpathogene nicht in Pflanzenzellen, was die Anforderungen an sterile Produktionsbedingungen vereinfacht und damit Kosten senkt.
Mit dem Ziel einer kosteneffizienten Produktion rekombinanter Proteine in Pflanzenzellen hat sich die Abteilung Bioprozessentwicklung deshalb auf die Entwicklung geeigneter Expressionsvektoren, Kultivierungsbedingungen für Batch, Fed-Batch und semi-kontinuierliche Fermentationsregime, Extraktions- und chromatographischer Reinigungsverfahren spezialisiert. Dadurch soll das Wachstum der Pflanzenzellen und die Akkumulationsgehalte an rekombinanten Proteinen gesteigert und die Verluste bei der Aufreinigung reduziert und gleichzeitig die Reinheit erhöht werden. Dabei kommen statistische Verfahren wie Design-of-Experiments (DoE) sowie datengetriebene, deskriptive und mechanistische Modelle zum Einsatz, mit denen geeignete Bedingungen für die Produktion und Aufreinigung vorhergesagt und gezielt optimiert werden. Zusätzlich beschäftigt sich die Abteilung mit der Prozessautomatisierung und Datenbank-basierten Integration und Auswertung der gesammelten Daten sowie deren Nutzbarmachung zur Verbesserung der eingesetzten Modelle. Mit der Optimierung der Produktionsbedingungen (Upstream Production, USP) und Aufreinigung (Downstream Processing, DSP) in Kombination mit der Prozessautomatisierung, -modellierung und -digitalisierung wird die gesamte Prozesskette bei der Herstellung rekombinanter technischer und therapeutischer Proteine abgebildet.
Die Prozessentwicklung erfolgt dabei zunächst in einem automatisieren Hochdurchsatzverfahren im Mikrotiterplattenformat und wird anschließend im 1-5 L Maßstab in Glasbioreaktoren verifiziert, wobei die Prozesse so gestaltet werden, dass sie in den Großmaßstab skalierbar sind und den Anforderungen an ein industrielles Produktionsumfeld wie der Lebensmittel- oder Pharmaindustrie entsprechen.