BioVT-2008-10 [BibTeX]
Matthias Funke, A. Buchenauer, W. Mokwa, Frank Kensy, C. Müller, Jochen Büchs:
Mikrofluidik meets BioLector - Die Mikrotiterplatte wird zum vollwertigen Fermenter
In: Dieter Beckmann, Manfred Meister (Eds.): Tagungsband - 14. Heiligenstädter Kolloquium
Abstract:
In Screeninganwendungen von Forschung und Industrie werden mikrobielle Kultivierungen heutzutage vielfach in Mikrotiterplatten (MTP) durchgeführt. Mit ihrem einfachen Aufbau, den geringen Kosten, sowie der Anwendung einer Vielzahl speziell entwickelter Technologien, besitzen sie für Experimente mit hohem Durchsatz (High-Throughput Screening) besondere Vorteile.
Ein wesentlicher Nachteil etablierter Kultivierverfahren in MTPen, ist die begrenzte Menge an Informationen, die aus den einzelnen Kultivierungen zu erhalten ist. Zumeist werden lediglich Proben beim Abbruch der Kultivierung analysiert, wobei wichtige kinetische Informationen wie Wachstumsgeschwindigkeit oder Produktbildungsrate nicht berücksichtigt werden. Dies kann im Screening der Auswahl des besten Kandidaten im Wege stehen. Zusätzlich können sich die Kultivierungsbedingungen in konventionellen MTPen negativ auf das Screening-Ergebnis auswirken. Untersuchungen des Sauerstofftransfers in das Kulturmedium einer geschüttelten Standard-Mikrotiterplatte zeigten, dass eine Sauerstofflimitierung während der Kultur oft nicht vermeidbar ist, oder nur durch unüblich hohe Schüttel-Drehzahlen umgangen werden kann. Die Übertragung von Screening-Resultaten, die unter Sauerstofflimitierung gewonnen wurden, in einen größeren Maßstab zumeist unlimitierter Rührreaktoren, ist in den meisten Fällen nicht sinnvoll. Ein weiterer bedeutender Faktor, der das Scale-Up aus Mikrotiterplatten im Rahmen der Prozessentwicklung deutlich erschwert, ist der Unterschied in der Prozessführung der einzelnen Maßstäbe. Während in der industriellen Produktion in vielen Fällen Fed-Batch-Verfahren und/oder pH-regulierte Prozesse zur Anwendung kommen, sind im miniaturisierten Maßstab der Mikrotiterplatten bislang nur ungeregelte Batch-Fermentationen durchführbar.
Das hier vorgestellte Kultursystem auf Basis von Mikrotiterplatten bietet Lösungen für die oben beschriebenen Probleme etablierter Screeningplattformen. Basis des Systems ist die am Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik der RWTH-Aachen entwickelte BioLector-Technologie (m2p-labs GmbH, Aachen). Dieses faseroptische Meßsystem bietet die Möglichkeit, alle wichtigen Fermentationsparameter wie pH, pO2, Biomasse, sowie die Bildung fluoreszierender Produkte (GFP, NADH etc.) online in jeder Kavität einer MTP zu verfolgen. Um das Problem einer mangelnden Sauerstoffversorgung bei Fermentationen in MTPen zu reduzieren, wurde deren etabliertes Design überarbeitet. Durch das Einbringen geeigneter Stromstörer in die einzelnen Kavitäten konnte eine Verdopplung des Sauerstofftransfers bei gleichzeitig reduzierter Schwapphöhe und somit maximiertem Füllvolumen erreicht werden. Das entwickelte Kultursystem realisiert nicht nur ein komplettes online-Monitoring jeder einzelnen Fermentation, vielmehr wird durch die Einbindung von Mikrofluidik-Bauteilen die Dosierung von Flüssigkeit zu jeder einzelnen Kavität erreicht. Hierdurch wird es erstmals möglich, im miniaturisierten Maßstab einer MTP-Kavität, pH-geregelte und/oder Fed-Batch-Kultivierungen durch¬zuführen.
Die Integration aller hier vorgestellten Aspekte in ein Kultivierungssystem führt zur Aufwertung einer einzelnen MTP-Kavität zu einem nahezu vollwertigen Fermenter. Damit stellt es einen erheblichen Fortschritt, nicht nur für industrielle Screening-Anwendungen, sondern auch in der biologischen und biotechnologischen Forschung dar. In Letzteren sind vor allem Bereiche mit hoher Experimentendichte wie z.B. die Systembiologie zu nennen.
Keywords:
Mikrotiterplatte, Sauerstofftransfer, Mikrofluidik, pH-Regelung, Fed-Batch, Fermentation