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Biotechnologie Forschung an zellfreier Biotechnologie

| Redakteur: Sonja Beyer

Bisher nutzen Biotechnologen Zellen oder Mikroorganismen, um proteinbasierte Produkte wie Antikörper herzustellen. Nun wollen die Forscher die zellfreie Biotechnologie als Methode etablieren.

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(Logo: Fraunhofer IBMT)
(Logo: Fraunhofer IBMT)

Potsdam-Golm – Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT arbeiten an der nächsten Generation biotechnologischer Verfahren.

In den 60er Jahren konnten Marshall Nirenberg und Heinrich Matthaei erstmals mit Hilfe prokaryotischer Enzymextrakte verschiedene essentielle Faktoren der Proteinsynthese charakterisieren. Ende der 80er Jahre konnte das Leistungsvermögen der Zelllysate insbesondere durch die Arbeiten von Alexander Spirin deutlich verbessert werden, wodurch erstmals Synthesen größerer Proteinmengen in zellfreien Systemen möglich wurden. Das von Spirin patentierte „Continuous-Exchange Cell-Free“–Verfahren basiert auf einem kleinen Bioreaktor mit einer Synthesekammer und einem angeschlossenen Vorratsbehälter, der die Reaktion kontinuierlich über eine Dialysemembran mit frischen Verbrauchssubstanzen und allen notwendigen Aminosäuren als Bausteine für die Proteinsynthese versorgt. Zugleich werden dabei der Synthesekammer niedermolekulare Inhibitoren entzogen, die bei zunehmender Konzentration stören würden. Diese Technologie ermöglichte erstmals eine kontinuierliche zellfreie Synthese von Proteinen über einen Zeitraum von bis zu 24 Stunden, wodurch die Proteinausbeute gegenüber anderen Systemen deutlich verbessert wurde.

Die Tendenz einer zunehmenden Miniaturisierung und Parallelisierung zeichnet sich im Bereich der zellfreien Proteinsynthese in besonderem Maße ab. Mit dem Einsatz rechnergesteuerter Pumpsysteme und den dazu neu zu entwickelnden mikrofluidischen Komponenten sollte in naher Zukunft in Mikro-Reaktorsystemen die kontinuierliche Synthese und Analytik pharmakologisch und technologisch relevanter Proteine in bislang noch nicht erreichten parallelisierten, subzellulären Maßstäben möglich werden. Die steuerbare und somit ressourcenschonende zellfreie Proteinsynthese wird auch eine interessante Alternative zu den derzeit eingesetzten energieintensiven klassischen Fermentationsprozessen darstellen. Um im industriellen Produktionsmaßstab zukünftig großvolumige Reaktoren zur zellfreien Synthese von Proteinen umzusetzen, muss die Prozessregelung und Steuerung dieser Systeme detailliert untersucht und adaptiert werden. Mit der bereits jetzt gegebenen Möglichkeit genkodierende Sequenzen vollsynthetisch herzustellen, sowie den zunehmenden Erkenntnissen aus den derzeit intensiv bearbeiteten Proteinstruktur-Projekten sollte in Kombination mit der zellfreien Proteinsynthese zukünftig ein rationales Design und eine unmittelbar folgende automatisierte Synthese von technologisch relevanten Proteinen möglich sein. Die Vielfalt der neu synthetisierbaren Proteine wird dabei nicht mehr durch die Limitierungen kultivierter oder synthetischer Zellen eingeschränkt sein.

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