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Pflanzenzellen auf Hightech-Wegen

Optimierung von industriellen Prozessen zur Metabolitenproduktion und Analyse weiterer Gewebskomplexe mit einer neuartigen Mikrofluidik.

Die Abläufe im Zellorganismus, auch bei der Zugabe der stimulierenden Nährlösung, sind unter dem Mikroskop direkt im transparenten mikrofluidischen Bioreaktor zu beobachten.
Mikrofluidische Systeme und Strukturen sind für viele technische Anwendungsgebiete interessant, zum Beispiel in der Medizintechnik und Biotechnologie. Zur Kultivierung pflanzlicher Zellen werden sie bisher jedoch noch selten eingesetzt, obwohl ein großes Potenzial zur Herstellung und Extraktion von Sekundärmetaboliten für die Medikamentenproduktion besteht. Viele dieser Metaboliten sind jedoch pharmazeutisch interessant. Die biotechnologische Erzeugung in „batch“-Kulturen ist meist nicht erfolgreich, da die für die Metabolitenbildung in der Pflanze erforderlichen dynamischen Interaktionen zwischen verschiedenen Zelltypen technisch nicht abgebildet werden können.

Wissenschaftler des Botanischen Instituts und des Instituts für Mikrostrukturtechnik am KIT haben einen mikrofluidischen Reaktor entwickelt, der diese Limitierung überwindet und so die Entwicklung biotechnologischer Prozesse erleichtert. Der Reaktor ermöglicht die Erzeugung von pharmazeutisch wirksamen Inhaltsstoffen über Pflanzenzell-Fermentation. Neben der Produktion von Wirkstoffen gegen Krankheiten wie Krebs und Alzheimer sind Mittel zur Schädlingsbekämpfung ein weiteres Anwendungsfeld.

Mithilfe eines mikrofluidischen Bioreaktors aus miteinander gekoppelten Modulen auf Polymerbasis ahmen die Wissenschaftler nun komplexes Pflanzengewebe technisch nach. In jedem Einzelmodul wird ein Zelltyp beziehungsweise ein bestimmter Produktionsschritt verarbeitet. Über Kanäle sind die Module miteinander verbunden, die Ergebnissubstanzen inklusive Stoffwechselprodukte eines Zelltyps können so in das nächste Modul gelangen und dort weiterverarbeitet werden, ohne dass sich die unterschiedlichen Zelltypen vermischen. Die Zielsubstanz kann schließlich aus dem Durchfluss extrahiert werden.

Die einzelnen Module lassen sich im Baukastensystem individuell kombinieren. Der Mikroreaktor kann als Mittel zur Prozessoptimierung vor der Großtechnik eingesetzt werden, um durch Vorab-Analysen der geplanten Zielsubstanz Erkenntnisse zu ihrer Wirksamkeit und den toxikologischen Eigenschaften zu gewinnen.

Das KIT sucht Verwertungspartner zur Weiterentwicklung des Reaktors für unterschiedliche Anwendungsgebiete.

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Ihr Ansprechpartner für dieses Angebot

Dagmar Vössing, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Leitung Technologietransfer, Innovations- und Relationsmanagement (IRM)
Telefon: +49 721 608-25582

E-Mail: dagmar voessing@kit edu

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