Identifizierung von physiologischen Zuständen in Hefe mit neuer IR-Technik

15.11.2011 - 14.06.2016
Forschungsförderungsprojekt
Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung einer neuen in-line fähigen Messmethode zur Detektion und Erkennung von phsiolologischen Zuständen in Zellen (Hefe) sowie deren Anwendung in der Bioprozesskontrolle. Eine Ultraschall unterstützte, faseroptische Infrarot (IR)-Messsonde, basierend auf dem Prinzip der abgeschwächte Totalreflexion, soll zunächst verbessert, und dann für die in-line Messung von Hefezellen in Fermentationen angewandt werden. Diese neuartige Methodenkombination ermöglicht IR Spektren selektiv entweder von Zellen (Hefe) oder von in der Fermentationsbrühe gelösten Stoffen (Substrate, Metabolite) aufzunehmen. Durch gezielt Limitationen in der Medienzusammensetzung sollen S. cerevisiae und P. pastoris in definierte statische oder transiente physiologische Zustände gebracht werden. Dies führt zu Unterschieden in den Konzentrationen an Speicherkohlenhydraten (SC: Speicherkohlehydrate) (Glykogen, Trehalose, Mannan, etc.) in der Zelle, welche sehr stark von der Art des Stresses abhängen. Zunächst sollen Proben gezogen werden um von sich in verschiedenen statischen physiologischen Zuständen befindlichen S. Cerevisiae Infrarotspektren off-line aufnehmen zu können. Diese Arbeiten werden durch parallel durchgeführte klassische Referenzanalytik ergänzt. Die für SC charakteristischen Banden sollen mittels chemometrischer Datenanalyse identifiziert werden. Ziel ist es ein Verfahren zu entwickeln um physiologische Zustände direkt aus den Infrarotspektren der Zellen (Hefe) ablesen zu können. In der Folge soll die entwickelte Messsonde zur in-line Messung in einem 20L Bioreaktor verwendet werden. Die gleichen statischen physiologischen Zustände wie für die off-line Analyse werden in S. Cerevisiae und P. pastoris provoziert, außerdem werden weitere Limitationen und prozessinduzierte Stressfaktoren, wie pH und Temperatur, eingeführt. Die IR Spektren der Zellen bzw. der im Medium gelösten Stoffe werden eine komplette Quantifizierung der Stöchiometrie und des primären Metabolismus ermöglichen. Abschließend werden transiente physiologische Zustände in kontinuierlichen Kulturen durch dynamische Änderungen der extrazellulären Prozessumgebung provoziert. Basierend auf den IR Spektren soll eine Erkennung von physiologischen Veränderungen möglich werden. Am Ende des Projektes wird ein Werkzeug zur Detektion von Veränderung des physiologischen Zustandes entwickelt und charakterisiert worden sein, welches zur Medien-Entwicklung und zur Optimierung von Bioprozessen, sowie zur Prozesskontrolle verwendet werden kann. In Kooperation mit Prof. Sauer (ETH Zürich, Schweiz) werden die Ergebnisse von IR Spektroskopie und der konventioneller Analytik zur metabolischen Modellierung verwendet werden. Dadurch sollen auch neue Erkenntnisse bezüglich der Dynamik des Speicherkohlenhydratmetabolismus, der Regulierungsmechanismen der Zelle sowie über intrinisische Limitationen von S. Cerevisiae und P. Pastoris gewonnen werden können.

Personen

Projektleiter_in

Subprojektleiter_in

Projektmitarbeiter_innen

Institut

Förderungmittel

  • FWF - Österr. Wissenschaftsfonds (National) Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)

Forschungsschwerpunkte

  • Biological and Bioactive Materials: 50%
  • Sensor Systems: 50%

Schlagwörter

DeutschEnglisch
in-line Bioprozessüberwachungin-line bioprocess monetoring
FTIR SpektroskopieFTIR spectroscopy
stehende Ultraschallwellenatanding MHz ultrasonic waves
Identifizierung physiologischer Zustände in Zellenidentification od physiological states of cells

Externe Partner_innen

  • Inst. f. Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Techn. Biowissenschaften

Publikationen