Kostengünstiges Verfahren zur biotechnischen Produktion von Bacteriorhodopsin

Verfahrensentwicklung zur Produktion von Bacteriorhodopsin

Bacteriorhodopsin (BR) ist ein Membranprotein halophiler Archaebakterien und dient als lichtgetriebene Protonenpumpe der Energiegewinnung für den bakteriellen Stoffwechsel. Da mit dem gerichteten Transport des Protons nach Aufnahme eines Licht-Photons auch ein reversibler Farbwechsel einhergeht, ist Bacteriorhodopsin – auch wegen seiner außergewöhnlichen Stabilität in isoliertem Zustand – für technische Anwendungen interessant. Der Farbwechsel kann in seinen Eigenschaften gentechnisch verändert werden, um das Anwendungsspektrum zu erweitern.

Mögliche Anwendungen von BR werden z. B. in der optischen Datenverarbeitung gesehen (als Speicher oder optisches Schaltelement) oder in der Sicherheitstechnik zur Herstellung von fälschungssicheren Materialien. BR wird nicht in reiner Form verwendet, sondern als sogenannte Purpurmembran in Assoziation mit Membranlipiden. Bisher wurde BR nur in kleineren Mengen im Labormaßstab mit einer relativ aufwändigen Präparation hergestellt. Für technische Anwendungen sind jedoch größere Mengen notwendig, deren Herstellung ein neues und kostengünstiges Produktionsverfahren erfordert.

Ziel: Ein optimiertes kostengünstiges Produktionsverfahren

Gesamtschema des neu entwickelten Prozesses zur Gewinnung von Bacteriorhodopsin.
Bild 1: Gesamtschema des neu entwickelten Prozesses zur Gewinnung von Bacteriorhodopsin.

Für die Kosten des Verfahrens spielen verschiedene Aspekte eine Rolle: die Mediumskosten, die Kosten für die Fermentation und der Aufwand für Produktgewinnung und Reinigung.

Das Kulturmedium besteht aus Salzen und der Kohlenstoffquelle Pepton. Das Pepton konnte durch einen wesentlich billigeren Hefeextrakt ersetzt werden, ohne dass das Wachstum der Organismen und die BR-Produktivität schlechter wurden.

Bei der Fermentation könnten Produktivitätssteigerungen durch den Übergang auf kontinuierlichen Betrieb durch den Wegfall von Rüstzeiten und der Anwachsphase erzielt werden.

Bei der Produktgewinnung und -reinigung konnten mehrere aufeinanderfolgende Zentrifugations- und Dialyseschritte durch ein mehrstufiges Cross-Flow-Filtrationsverfahren ersetzt werden. Dadurch wird der Verfahrensablauf deutlich vereinfacht und Ausbeuteverluste minimiert.

Da das Medium hauptsächlich Salze enthält, die nicht verbraucht werden, könnten durch eine Wiederverwendung des verbrauchten Mediums nach einer speziellen Behandlung weitere Kosten gespart werden.

Die modifizierte Aufarbeitungstechnik erleichtert auch das Scale-up in einen größeren Produktionsmaßstab.

Das Gesamtschema des Prozesses ist in Bild1 dargestellt.