Mikrobioreaktoren (MBR) sind Kultivierungssysteme mit einem Volumen von unter 1 mL, in denen Mikroorganismen oder Zellkulturen unter definierten Bedingungen wachsen können. Durch ihre geringe Größe sind MBR eine vielversprechende Möglichkeit, die Entwicklung neuer maßgeschneiderter Pharmazeutika in Zukunft entscheidend zu beschleunigen. Dabei können diese sowohl zur Optimierung der Produktionsbedingungen neuer biotechnologisch hergestellter Wirkstoffe, als auch zum Wirkstoffscreening an Zellkulturen oder Bakterien genutzt werden. Aufgrund ihres geringen Platzbedarfs können MBR in hohem Maße parallelisiert werden und erlauben damit eine hohe Anzahl gleichzeitig ablaufender Experimente. Durch die Automatisierung von MBR können darüber hinaus der Arbeitsaufwand und die damit verbundenen Entwicklungskosten deutlich gesenkt werden. Weiterhin führt das geringe Volumen zum geringeren Verbrauch kostenintensiver Testsubstanzen bzw. Einsatz von begrenzten, teuren Wirkstoffmengen. Diese Vorteile sind bei MBR mit einem Volumen von unter 10 µL besonders stark ausgeprägt. Eine Herausforderung bei diesen MBR stellt oftmals die Generierung von Prozessdaten dar, da aufgrund des geringen Kultivierungsvolumens ausschließlich nicht-invasive faseroptische Sensoren auf engstem Raum implementiert werden müssen. Daher wurden in einem neuartigen Kapillarwellenmikrobioreaktor (engl. capillary-wave microbioreactor, cwMBR) mit einem Volumen von lediglich 7 µL optische Sensoren zur gleichzeitigen Messung von Biomassekonzentration, Glucosekonzentration, pH-Wert und Sauerstoffsättigung eingebracht. Der Glucosesensor arbeitet dabei nach einem für MBR neuartigen Prinzip, bei dem der Sauerstoffverbrauch des Enzyms Glucoseoxidase optisch gemessen wird. Eine derartig hohe Sensorausstattung in einem MBR unter 10 µL wurde bislang noch nicht erreicht. Die umfassende Sensorik wurde erfolgreich in parallelen Kultivierungen des Bakteriums Escherichia coli validiert.
Originalpublikation
Viebrock, K., Rabl, D., Meinen, S., Wunder, P., Meyer, J.-A., Frey, L. J., Rasch, D., Dietzel, A., Mayr, T. & Krull, R. Microsensor in Microbioreactors: Full Bioprocess Characterization in a Novel Capillary-Wave Microbioreactor. Biosensors 12; 10.3390/bios12070512 (2022). https://doi.org/10.3390/bios12070512