Arbeitsteilung im modularen Bioreaktor

Produktion pharmazeutisch aktiver Naturstoffe

Wissenschaftler des KIT und der Firma Phyton Biotech bilden komplexe Pflanzengewebe mit Hilfe eines mikrofluidischen Bioreaktors nach, um pflanzliche Wirkstoffe gegen Krebs und Alzheimer effektiver gewinnen zu können.

Der mikrofluidische Bioreaktor ahmt Pflanzengewebe technisch nach. Im neuen Projekt machen die Forscher nun den nächsten Schritt (Bild: KIT).

Pflanzen produzieren zahlreiche Substanzen, die sich bei der Behandlung von Krebs, Alzheimer oder Parkinson einsetzen lassen. Doch häufig sind die Stoffwechselwege zur Zielsubstanz so komplex, dass ihre biotechnologische Herstellung wenig effektiv und kostenintensiv ist. Mithilfe eines innovativen mikrofluidischen Bioreaktors aus miteinander gekoppelten Modulen ahmen die Wissenschaftler komplexes Pflanzengewebe jetzt technisch nach, um Wirkstoffe gegen Krebs oder Alzheimer effektiver und günstiger zu gewinnen als bislang.

Zu komplex für konventionelle Fermenter
Häufig sind die zugrunde liegenden Stoffwechselwege sehr komplex: Die Substanz von Interesse ist in der natürlichen Pflanze meist das Produkt einer langen Kette von Zwischenschritten mit ebenso vielen immer wieder umgewandelten Zwischenprodukten. Die dafür nötigen chemischen Prozesse finden zudem auch nicht unbedingt in einer einzigen Pflanzenzelle statt, sondern können von der Wurzel bis zum Blatt über das gesamte Pflanzengewebe auf spezialisierte Zelltypen verteilt sein.

Das Unternehmen Phyton Biotech konnte bereits vor vielen Jahren zeigen, dass sich pflanzliche Arzneistoffe wie Taxol® auch ressourcenschonend und nachhaltig - durch Kultivierung von Pflanzenzellen im Labor - herstellen lassen. „Für bestimmte Substanzen gilt jedoch, dass sie sich weder in einer einfachen Zellkultur noch in gentechnisch manipulierten Mikroorganismen abbilden lassen, weil die Stoffwechselwege zu komplex sind“, sagt Peter Nick, Professor für Molekulare Zellbiologie am Botanischen Institut des KIT.

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„In einem neuen Forschungsprojekt wollen wir deshalb ein Pflanzengewebe mit unterschiedlichen Zelltypen technisch nachbilden - mit einem sogenannten mikrofluidischen Bioreaktor. Dieser besteht aus einer Reihe von Modulen, in denen je ein Zelltyp kultiviert wird. Die Module sollen über Kanäle miteinander verbunden sein. Ziel ist es, dass Stoffwechselprodukte eines Zelltyps in das nächste Modul gelangen und dort weiterverarbeitet werden, ohne dass sich die unterschiedlichen Zelltypen vermischen. Die Zielsubstanz könnte dann zum Beispiel aus dem Durchfluss extrahiert und somit ‚geerntet' werden.“

Ziel: kostengünstiger und effektiver
Das Projekt wird vom Projektträger Jülich (PtJ) betreut und vom Bundesministerium für Bildung und Forschung über zwei Jahre mit 750000 Euro gefördert. Projektpartner sind das Botanische Institut, das Institut für Mikrostrukturtechnik (beide KIT) und das Unternehmen Phyton Biotech GmbH. Zusammen decken die drei Partner die für das Projekt nötige Expertise komplett ab. Das Botanische Institut bringt seine Erfahrung in der molekularen Zellbiologie pflanzlicher Zellkulturen ein. Prof. Andreas Guber und Dr. Ralf Ahrens vom Institut für Mikrostrukturtechnik sind für die Entwicklung und Fertigung der Teilkomponenten der mikrofluidischen Bioreaktoren sowie deren Mikro-Montage und Verschaltung zu einem funktionsfähigen Gesamtsystem zuständig. Die Phyton Biotech als Industriepartner ist führend im Bereich Pflanzenzellfermentation und liefert die nötige Expertise und Infrastruktur, um die Anwendungsmöglichkeiten auf industriellem Maßstab auszuloten.

„Wir glauben, dass wir in dieser Kooperation mit den Experten des KIT die Nutzung von kontrolliert kultivierten Pflanzenzellen auf eine neue Ebene stellen können“, sagt Dr. Gilbert Gorr, Leiter für Forschung und Entwicklung bei Phyton. „Die Zugänglichkeit zu weiteren Naturstoffen zu ermöglichen, die bisher nur unter größten Schwierigkeiten und Kosten produziert werden können, ist unser gemeinsames Ziel“.

Phyton Biotech ist als Hersteller von qualitativ hochwertigen aktiven pharmazeutischen Inhaltsstoffen durch Pflanzenzellfermentation ein weltweiter Lieferant für Paclitaxel und Docetaxel. Neben der Produktion bietet Phyton auch Entwicklungsdienste für Kunden an. Diese umfassen die Entwicklung von pflanzlichen Zelllinien und Fermentationsprozessen für pflanzliche Inhaltsstoffe, aber auch die Entwicklung von Syntheseprozessen komplexer Substanzen.

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