AG Multiscale Bioengineering
Die Forschungsgruppe Multiscale Bioengineering unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. Alexander Grünberger wurde im April 2017 an der Technischen Fakultät der Universität Bielefeld neu gegründet, mit dem Ziel neue mikrofluidische Methoden und Werkzeuge für die Biotechnologie und Bioverfahrenstechnik weiterzuentwickeln und zu etablieren. Im April 2021 erfolgte Integration der ehemaligen Arbeitsgruppe Fermentationstechnik in die Multiscale Bioengineering Gruppe.
Forschungsschwerpunkt der Arbeitsgruppe sind sowohl die Entwicklung neuer Bioprozesse durch traditionelle Bioprozessentwicklung als auch die Integration neuer Technologien wie zum Beispiel die Bioprozessmikrofluidik. Dazu gehören folgende Themengebiete:
- Gentechnische Modifizierung von Mikroben zur rekombinanten Proteinexpression
- Bioprozessentwicklung von industriell relevanter Mikroorganismen
- Entwicklung von Rührkessel-basierten mikrobiellen Hochzelldichteverfahren
- Entwicklung und Anwendung von neuen mikrofluidischen Kultivierungsmethoden.
- Untersuchung von Populationsheterogenität in Bioprozessen.
- Transfer und Scale-Up von mikrofluidischen Kultivierungssystemen in den Labormaßstab.
- Erschließung neuer Anwendungsfelder von miniaturisierten Reaktorkonzepten.
Die zentralen Fragen, die unsere Forschung motivieren, sind:
- Wie viel Heterogenität ist gut/schlecht für einen biotechnologischen Produktionsprozess?
- Können neue biotechnologische Prozesse und Produkte durch gezielte Ausnutzung von Heterogenität oder einer mikrobiellen Symbiose realisiert werden?
- Welche Eigenschaften sollte ein Produktionsorganismus aufweisen bzw. nicht aufweisen, um ein Scale-up in den technischen Maßstab zu gewährleisten bzw. eine Produktaufarbeitung zu erleichtern?
- Gibt es gentechnische Möglichkeiten die Produktheterogenität zu beeinflussen?
Ziel ist deshalb die Analyse der Dynamik mikrobieller Populationen und Gemeinschaften auf Einzelzellniveau mit Hilfe mikrofluidischer Einzelzellbioreaktoren. Im Gegensatz zu konventionellen Kultivierungssystemen ermöglichen diese sogenannten „Pikoliter-Bioreaktoren“ die Analyse zellulärer Prozesse wie Wachstum und Metabolismus individueller Zellen und Zellkolonien mit bisher nicht möglicher räumlicher und zeitlicher Auflösung bei definierter Nährstoffversorgung.
Besonderes Interesse gilt hier dem Verhalten einzelner Zellen bei unterschiedlichen, aber definierten Umweltbedingungen. Dies dient als Grundlage für weitere Untersuchungen des Einflusses und der Rolle von phänotypischer Heterogenität auf die Stabilität, Robustheit und Produktivität während der Maßstabsvergrößerung von mikrobiellen Bioprozessen. Langfristig sollen sowohl verfahrenstechnische Methoden als auch Ansätze der synthetischen Biologie verwendet werden, um potentielle Schwachstellen des Scale-Up zu optimieren und bestenfalls zu eliminieren.
Ziel sind kontrollierbare und vorhersagbare Bioprozesse und eine vereinfachte Übertragung der Bioprozesse vom Kleinst- in den Labormaßstab und über den Pilot- bis zum Industriemaßstab. Um diese Ziele eigenständig verfolgen zu können, verfügt die Forschungsgruppe Multiscale Bioengineering über die Möglichkeit rekombinante Mikroben zu generieren, diese auf Einzelzellniveau mittels mikrofluidischer Methoden zu charakterisieren, und die daraus resultierenden Erkenntnisse in den Technikumsmaßstab zu übertragen.
Zudem besteht im Rahmen der Anbindung an das CeBiTec für andere Arbeitsgruppen die Möglichkeit Hochzelldichtekultivierungen in Rührkesseln unter technischen Bedingungen zur besseren Charakterisierung ihrer Mikroben durchzuführen. Auch neue Reaktorkonzepte für z.B. photoautotrophe Mikroben werden erprobt. Im Rahmen der E. coli-basierten Expression von Peptiden bzw. Proteinen kann dessen Sekretion in den extrazellulären Raum die Produktisolierung vereinfachen, und insbesondere dann von Vorteil sein, wenn diese Wirts-toxisch sind.
Ziel ist es anhand von Eigenschaften des Produkts wie z.B. Molekulargewicht, Ladung und Hydrophobizität ein besseres Verständnis für den jeweils besten Weg der Peptid- bzw. Proteinsekretion aus E. coli zu entwickeln.
Diese Themengebiete haben einen hohen interdisziplinären Charakter an der Schnittstelle zwischen Mikrofluidik, Mikrobiologie, Molekulargenetik, Bioinformatik und Bioverfahrenstechnik. Nur durch einen Ausbau dieser interdisziplinären Arbeitsweise lassen sich neue Methoden im Bereich der Biotechnologie langfristig etablieren. Dieses Ziel verfolgen wir gemeinsam mit ausgewiesenen Experten auf ihrem jeweiligen Forschungsgebiet sowohl innerhalb der Universität Bielefeld als auch durch nationale und internationale Kooperationen.
Mit unserer Erfahrung an der Schnittstelle zwischen Biotechnologie und Mikrofluidik dienen wir gerne als Ansprechpartner und Diskussionspartner für Fragestellungen in diesem noch neuen, interdisziplinären und zukunftsträchtigen Themenfeld.