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B8 Metabolische Prozessanalyse und -optimierung bakterieller Kultivierungen (Bacillus megaterium)

(Franco-Lara)

Im neuen Teilprojekt B8 (Franco-Lara) sollen in enger Zusammenarbeit mit Teilprojekt B5 (Deckwer; Komm. Leitung: Hempel, Jahn, Franco-Lara) Kultivierungen von Bacillus megaterium insbesondere im Hinblick auf die Kontrollmechanismen metabolischer Stoffflüsse unter in vivo Bedingungen genauer untersucht werden.
Dabei sind die Untersuchungen von intrazellulären Metabolitkonzentrationen und Stoffwechselreaktionen von essentieller Bedeutung (Metabolic Profiling). Sie erlauben ein quantitatives Verständnis für mikrobielle Wachstums- und Produktionsprozesse. Da die intrazellulären Intermediate (Metabolite) regulatorisch auf den Stoffwechsel wirken, können durch die Analyse der Veränderung ihrer Konzentrationen eventuelle Engpässe bei Produktions- bzw. Exkretionsprozessen festgestellt werden.

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Weiterhin sollen in enger Zusammenarbeit mit Teilprojekt B6 (Zeng) die potentiellen metabolischen Netzwerke aus annotierten Genomdaten integriert werden, da bisher bei der Deutung der Reaktionsnetzwerke extrazellulär gewonnene Messinformationen überwiegend benutzt wurden, die diese komplexen und dynamischen Wechselwirkungen nicht hinreichend beschreiben können. Die zunächst bei der Produktion rekombinanter Biokatalysatoren (Teilprojekt A1, Jahn und Teilprojekt A3, Buchholz/Hofer) gewonnenen Erfahrungen und Kenntnisse sollen später auch auf die Produktion und Analyse rekombinanter Antikörper (Teilprojekt A6, Dübel) übertragen werden.
Wesentliches Ziel des neuen Teilprojektes B8 (Franco-Lara) ist besonders das Erreichen eines optimalen Kosten-Nutzen-Verhältnisses durch den Einsatz moderner Prozessführungsstrategien hinsichtlich verschiedener Parameter wie Temperatur, pH-Wert, Induktionszeitpunkt oder Zufütterungsstrategien. Eine Aufgabe der Prozessoptimierung ist es, durch ein geeignetes Prozessregime eine maximale Menge an sekretiertem Produkt (heterologes oder natives Protein) pro Kultivierung zu produzieren. Dies führt jedoch bei mikrobiellen Produktionsprozessen auf eine Optimierungsaufgabe mit mehreren teilweise konkurrierenden Zielen, wobei die Erhöhung der Produktivität oftmals in Konflikt mit dem optimierten Wachstumsverhalten der Mikroorganismen auftritt. In derartigen Fällen existiert meistens kein einzelner optimaler Betriebspunkt, sondern eine Reihe von effizienten Lösungen (trade-off). Die Optimierungsaufgabe kann durch gezielte Experimente gelöst werden. Die kosten- und zeiteffektive Lösung dieser Aufgabe erfordert wie hier vorgesehen die Reduzierung des experimentellen Aufwands durch den Einsatz modellgestützter Methoden.


Forschungsziele:

  • Charakterisierung von in vivo Kinetik
  • Untersuchung der metabolischen Flussanalyse (MFA) unter Induktionsstress
  • Elementary Flux Modes
  • Untersuchungen zur Erfassung des bakteriellen „trade-off“ Verhaltens unter Induktionsstress
  • Modellgestützte Medienformulierung (ANNSGA = Artificial Neural Network Supported Genetic Algorithm)
  • Untersuchung des Temperatur- und pH-Werteinflusses
  • Entwicklung alternativer Zufütterungsstrategien zur Hochzelldichtekultivierung
  • Untersuchung des Induktionszeitpunktes und der Induktorkonzentration


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