Projektbearbeiter: Achim Overbeck
Thema dieses Projekts ist die Untersuchung zellmechanischer Eigenschaften einzelner Mikroorganismen als Beitrag zur Bioprozessintensivierung.
Die Zellhülle von Mikroorganismen schützt die inneren Vorgänge in einer Zelle vor äußeren Einflüssen wie Scherung, chemischen und biochemischen Angriffen. Zudem regeln sie den Stofftransport und die Agglomerationsneigung der Zellen. Da diesen Eigenschaften der Zellen im Produktionsprozess biotechnologischer Produkte eine zentrale Bedeutung zukommt und die Zellhülle somit einen guten Ansatzpunkt zur Intensivierung dieser Bioprozesse darstellt, werden in Rahmen des Projekts die zellmechanischen Eigenschaften experimentell sowie ergänzend mit FEM-Simulationen untersucht.
Bislang wurden zwei Messmethoden mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM) und Nanoindentation entwickelt und etabliert, die eine Charakterisierung der zellmechanischen Eigenschaften erlauben. Anhand der Hefe Saccharomyces cerevisiae und dem Bakterium Escherichia coli wurden Einflussfaktoren der Messumgebung und des Beanspruchungsprozesses wie Beanspruchungsgeschwindigkeit, osmotischer Druck und Mehrfachbeanspruchungen untersucht und herausragende Kenntnisse, z.B. zum Einfluss von Mehrfachbeanspruchungen, erarbeitet. Gegenstand aktueller Untersuchungen sind die kultivierungsbedingten Einflussfaktoren und die Reaktion der Zelle auf diese Einflüsse. Des Weiteren werden die Untersuchungen auf das (im Gegensatz zu E. coli) Gram positive Bakterium Bacillus megaterium ausgeweitet, was Rückschlüsse auf die Abhängigkeit der mikromechanischen Eigenschaften vom grundsätzlichen Zellwandaufbau erlauben soll. Am Beispiel des mechanischen Zellaufschluss sollen die zellmechanischen Eigenschaften mit den technologischen Eigenschaften korreliert werden. Dabei werden verschiedene Aufschlussmaschinen qualitativ verglichen und bezüglich der wirkenden Aufschlussmechanismen auf Basis der mikro- mechanischen Untersuchungen beurteilt. Abschließend ist die Entwicklung eines Modells zur Vorhersage geeigneter Aufschlussparameter auf Basis der mechanischen Kenngrößen von Einzelzellen geplant.
Zusammenfassend ist das wesentliche Ziel dieses Projektes, das grundlegende Wissen über die zellmechanischen Eigenschaften und deren Abhängigkeiten von Einflussfaktoren deutlich zu verbessern und zu erweitern. Darüber hinaus soll dieses Wissen exemplarisch auf die anwendungsrelevante Fragestellung des Zellaufschlusses angewendet werden. In einem übergeordneten Kontext sollen die Untersuchungen zu einem ganzheitlicheren Verständnis der Vorgänge in und um die Zelle beitragen und somit für eine Bioprozessintensivierung genutzt werden können.
Abbildungen: links: geborstene S. cerevisiae-Zelle; Mitte: globale (Nanoindenter) und lokale (AFM) Beanspruchung; rechts: AFM-Aufnahme einer E. coli-Zelle