Fraunhofer-Leitprojekt »Zellfreie Bioproduktion«

Innovation für den Wachstumsmarkt Proteine

Ein Grundbaustein aller Zellen sind Proteine. Diese Biomoleküle sind für viele Produkte in der Medizin- und Pharmaindustrie, aber auch in der Lebensmittel-, Agrar-, Kosmetik-, und Waschmittelproduktion unersetzbare Ausgangsstoffe. Ein Anwendungsbeispiel für Proteine sind Impfstoffe: In ihnen sind Antigene z. B. von Viren enthalten, die das Immunsystem stimulieren Antikörper gegen den Krankheitserreger zu bilden. Dabei ist es wichtig, auf Virenmutationen schnell zu reagieren und den passenden Impfstoff in ausreichender Zahl zur Verfügung zu stellen.

Bei herkömmlichen Verfahren werden die benötigten Proteine in lebenden Zellen oder Organismen, zum Beispiel dem Bakterium E. coli, erzeugt. Dieses Verfahren hat verschiedene Nachteile: Für den Stoffwechsel der Zellen und die spätere Reinigung des Produktes muss viel Energie aufgewendet werden. Außerdem besteht bei der Herstellung von toxischen Proteinen das Problem, dass diese aufgrund ihrer Giftwirkung ihre Wirtszellen zerstören können. Eine wirtschaftliche und effiziente Herstellung von Biomolekülen auf diesem Weg ist im industriellen Maßstab schwierig.

Die Innovation – Zellfreie Proteinsynthese

Wesentlich effizienter ist dagegen die »In-vitro-Methode«, bei der Proteine außerhalb lebender Zellen zusammengesetzt werden. Fraunhofer-Forscherinnen und Forscher aus acht Instituten (IBMT, ISIT, IZM, IPA, IPK, IME, ISI und IGB) aus den Bereichen Lebenswissenschaften, Physik, Maschinenbau und Verfahrenstechnik haben im Fraunhofer-Leitprojekt »Zellfreie Bioproduktion« zusammen gearbeitet, um dafür ein industrielles Verfahren auf Basis eines neuartigen Reaktorkonzepts zu entwickeln. Denn die zellfreie Bioproduktion steht an der Schnittstelle zwischen Ingenieur- und Lebenswissenschaften.

Die zellfreie alternative Technologie-Plattform soll so die Proteinsynthese, beispielsweise von Antikörpern, um ein Vielfaches schneller machen und die Bandbreite biotechnologisch produzierbarer Proteine erweitern, z. B. auch auch für die Pharmaindustrie interessante Protein-Toxin-Fusionen oder Membranproteine als Targets für die Wirkstoffentwicklung.

Identifizierung der entscheidenden Parameter

Bei der zellfreien Bioproduktion werden die Proteine in Zellextrakten, auch als Lysate bezeichnet, hergestellt. Die Extrakte enthalten im Wesentlichen nur noch die Proteinsynthese-Maschinerie der Zelle, sodass beispielsweise die Bereitstellung von Energie für die Aufrechterhaltung des Zellstoffwechsels entfällt. Die vorhandene Syntheseleistung kann vielmehr allein auf das gewünschte Produkt fokussiert werden, welches im Extrakt als einziges neu synthetisiert wird.

Im Projekt wurden erste entscheidende Parameter für die industrielle Umsetzung der zellfreien Bioproduktion, namentlich der Proteinsynthese, identifiziert, analysiert und optimiert. Die Kosten der Proteinproduktion im kleinen und mittleren Maßstab konnten durch die neu gewonnenen Erkenntnisse bereits um den Faktor 10 reduziert werden.

Reaktorplattformen

In enger Zusammenarbeit arbeiten die Institute zudem an den Reaktoren für die Technologieplattform. Drei verschiedene Konzepte werden im Projekt verfolgt: eine Mikrofluidik-Plattform mit getrennten Kompartimenten, ein »Continuous Exchange Cell Free System« in Hohlfaserreaktoren und ein Upscaling in Einkammer-Reaktoren.

Unser Beitrag: Antikörper und Energie-Regenerationssystem

© Foto Fraunhofer IGB

Das IGB hat mit einem zellfreien Lysat spezielle Antikörper entwickelt, die überschießende Immunreaktionen bremsen und helfen können, einen septischen Schock zu verhindern.

Eine der größten Herausforderungen auf dem Weg in den Industriemaßstab ist die Energieversorgung der zellfreien Lysate. Mit der Darstellung des membranständigen Proteins ATP-Synthase als Energieregenerationssystem hat das IGB auch hier erste erfolgversprechende Ergebnisse erzielt.