Automatisiertes Screening-System für die Auswahl und Charakterisierung von effizienten Biokatalysatoren und Prozessbedingungen.
Enzymkatalysierte Reaktionen gewinnen in der Verfahrenstechnik zunehmend an Bedeutung. Gleichzeitig bringen moderne biotechnologische Methoden wie „Directed Evolution“ eine Vielzahl rekombinanter Enzyme hervor. Dieser Umstand erfordert neue Hochdurchsatzverfahren für das Screening der Biokatalysatoren. Solche Technologien ermöglichen die Entwicklung eines optimierten Produktionsprozesses unter Berücksichtigung der großen Zahl potentiell einsetzbarer, rekombinanter Enzyme, sowie eines breiten Betriebsparameterfeldes.
Aus diesem Grund wurde ein System entwickelt, welches ein Online Monitoring System für Kultivierungen und Reaktionen in Mikrotiterplatten (BioLector) mit einem Pipettierroboter kombiniert. Diese Verbindung ermöglicht automatisiertes Arbeiten im Hochdurchsatz mit einer enormen Datenausbeute für prozessrelevante Parameter (Biomasse, Produktbildung, Sauerstoffpartialdruck, pH-Wert,…). Durch die Interaktion beider Systeme können unterschiedlichste Protokolle realisiert werden:
- Vollautomatische Probenahme und -lagerung
- Zugabe von Substanzen (z.B. Induktor, Substrate, pH-Stellmittel)
- Downstream-Prozesse (Biomasseabtrennung, Enzymextraktion, Enzymaufreinigung)
- Assays zur Enzymcharakterisierung
Um Mikrotiterplatten als definiertes Reaktionssystem einsetzen zu können, wurde in den letzten Jahren zusätzlich intensiv daran gearbeitet, verschiedene Plattentypen verfahrenstechnisch zu charakterisieren. In der Folge wurden Veränderungen vorgenommen, um bestimmte Eigenschaften, z.B. den Sauerstofftransfer, zu verbessern.
Dieses Projekt ist Teil des Exzellenzclusters "Tailor-Made Fuels from Biomass". Das Exzellenzcluster selbst verfolgt einen interdisziplinären Ansatz unter Verwendung optimierter Syntheseprozesse zur Erforschung neuer, auf Biomasse basierender, synthetischer Kraftstoffe, um das Potenzial hinsichtlich moderner verbrennungsmotorischer Technologien zu bestimmen und gleichzeitig die Abhängigkeit von fossilen Energien zu verringern. Das langfristige Ziel ist die Bestimmung einer optimalen Kombination von Kraftstoffkomponenten und deren Herstellungsprozessen, die auf nachwachsenden Rohstoffen und neuen Verbrennungsprozessen basiert.
Kern dieses Teilprojektes ist die Entwicklung eines automatisierten Systems zur Charakterisierung effizienter Biokatalysatoren und Prozessbedingungen im Hochdurchsatz. Vor dem Hintergrund des Exzellenzclusters „Tailor-Made Fuels from Biomass“ liegt der Fokus auf dem enzymatischen Abbau cellulosehaltiger Biomasse zu Zuckern, die anschließend zu Biotreibstoffen fermentiert werden sollen. Dabei sind sowohl das optimale Expressionssystem für cellulolytische Enzyme (Mikroorganismus, Kulturbedingungen) als auch der Hydrolyseschritt (Enzym, Lösungsmittel) Gegenstand der Forschung. Mittels online Messverfahren sollen die entsprechenden Parameter im Maßstab von Mikrotiterplatten ermittelt werden, um so Aussagen über Wachstums- und Expressionskinetik sowie Aktivität und Langzeitstabilität der Enzyme treffen zu können.
Veröffentlichungen
Samorski M, Muller-Newen G, Büchs J. 2005. Quasi-continuous combined scattered light and fluorescence measurements: A novel measurement technique for shaken microtiter plates. Biotechnology and Bioengineering 92(1):61-68.
Huber R, Ritter D, Hering T, Hillmer AK, Kensy F, Muller C, Wang L, Büchs J. 2009. Robo-Lector - a novel platform for automated high-throughput cultivations in microtiter plates with high information content. Microbial Cell Factories 8:42.
Hermann R, Lehmann M, Büchs J. 2003. Characterization of gas-liquid mass transfer phenomena in microtiter plates. Biotechnology and Bioengineering 81(2):178-186.
Funke M, Diederichs S, Kensy F, Müller C, Büchs J. 2009b. The Baffled Microtiter Plate: Increased Oxygen Transfer and Improved Online Monitoring in Small Scale Fermentations. Biotechnology and Bioengineering 103(6):1118-1128.
Kensy F, Engelbrecht C, Büchs J. 2009a. Scale-up from microtiter plate to laboratory fermenter: evaluation by online monitoring techniques of growth and protein expression in Escherichia coli and Hansenula polymorpha fermentations. Microbial Cell Factories 8:68.
Kensy F, Zang E, Faulhammer C, Tan RK, Büchs J. 2009b. Validation of a high-throughput fermentation system based on online monitoring of biomass and fluorescence in continuously shaken microtiter plates. Microbial Cell Factories 8:31
Rachinskiy K, Schultze H, Boy M, Bornscheuer U, Büchs J. 2009. "Enzyme Test Bench," a High-Throughput Enzyme Characterization Technique Including the Long-Term Stability. Biotechnology and Bioengineering 103(2):305-322.