Moderne Methoden der Zellbiologie

VII: Biotechnologie (INHALT)

Zellkulturen

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Für die biotechnische Herstellung von Produkten stehen Zehntausende unterschiedlicher Mikroorganismen zur Verfügung. Das sind natürliche Organismen ("Wildtypen"), deren besondere Eigenschaften bei Screening-Versuchen entdeckt worden sind, sowie Bakterienstämme, deren genetische Eigenschaften mit gentechnischen Methoden verändert worden sind. Informationen über die einzelnen Stämme kann man über mehrere große Sammlungen erhalten: Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen American Type Culture Collection World Data Centre for Microorganisms Links: Microbial Strain Data Network Für die einfachste Form der Kultur von Mikrooranismen, der Batch-Kultur (unten), werden Starterkulturen und Nährmedium gemischt und bei guten Kulturbedingungen gehalten. Im Reaktionsgefäß brauchen die Mikroorganismen erst einige Zeit, bis sie ihren Stoffwechsel auf die neuen Kulturbedingungen eingestellt haben. In dieser Phase (Lag-Phase) vermehren sie sich nicht oder nur sehr langsam - die Zelldichte im Reaktor bleibt nahezu konstant. Nach der Lag-Phase teilen sich die Mikroorganismen, wobei ein Teilungszyklus unter günstigen Bedingungen nur 15 - 60 min dauert. Die Folge ist eine exponentielle Zunahme der Zelldichte in der exponentiellen Phase, der Phase größter Teilungsaktivität. Gleichzeitig nimmt die Substratkonzentration im Nährmedium exponentiell ab. Wenn das Substrat knapp wird, hört die Zellteilung auf, die Kultur kommt in die stationäre Phase. Bedingt durch den Substratmangel und die Anreicherung toxischer Stoffwechselprodukte sterben mehr Zellen ab als durch Teilung nachwachsen - die Zelldichte nimmt in der Absterbephase ab. Die Produktkonzentration steigt währed der exponentiellen und stationären Phasen an. Bei Erreichen der Absterbephase wird die Kultur abgebrochen und das Produkt gereinigt.

Für die biotechnische Herstellung von Produkten stehen Zehntausende unterschiedlicher Mikroorganismen zur Verfügung. Das sind natürliche Organismen ("Wildtypen"), deren besondere Eigenschaften bei Screening-Versuchen entdeckt worden sind, sowie Bakterienstämme, deren genetische Eigenschaften mit gentechnischen Methoden verändert worden sind. Informationen über die einzelnen Stämme kann man über mehrere große Sammlungen erhalten:

Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen
American Type Culture Collection
World Data Centre for Microorganisms
Links: Microbial Strain Data Network

Für die einfachste Form der Kultur von Mikrooranismen, der Batch-Kultur (unten), werden Starterkulturen und Nährmedium gemischt und bei guten Kulturbedingungen gehalten. Im Reaktionsgefäß brauchen die Mikroorganismen erst einige Zeit, bis sie ihren Stoffwechsel auf die neuen Kulturbedingungen eingestellt haben. In dieser Phase (Lag-Phase) vermehren sie sich nicht oder nur sehr langsam - die Zelldichte im Reaktor bleibt nahezu konstant. Nach der Lag-Phase teilen sich die Mikroorganismen, wobei ein Teilungszyklus unter günstigen Bedingungen nur 15 - 60 min dauert. Die Folge ist eine exponentielle Zunahme der Zelldichte in der exponentiellen Phase, der Phase größter Teilungsaktivität. Gleichzeitig nimmt die Substratkonzentration im Nährmedium exponentiell ab. Wenn das Substrat knapp wird, hört die Zellteilung auf, die Kultur kommt in die stationäre Phase. Bedingt durch den Substratmangel und die Anreicherung toxischer Stoffwechselprodukte sterben mehr Zellen ab als durch Teilung nachwachsen - die Zelldichte nimmt in der Absterbephase ab. Die Produktkonzentration steigt währed der exponentiellen und stationären Phasen an. Bei Erreichen der Absterbephase wird die Kultur abgebrochen und das Produkt gereinigt.

Bei der kontinuierlichen Kultur (unten) versucht man, ein Fließgleichgewicht zu erreichen, d.h. die Kultur durch gleichmäßige Zufuhr von Substrat (und evtl. auch frischen Mikroorganismen) möglichst lange in einem produktiven Zustand zu erhalten. Das erspart den häufigen Wechsel der Kulturen sowie die Reinigung und Sterilisierung der Reaktionsgefäße, die bei einer Abfolge von Satzkulturen anfällt.

Frisches Nährmedium wird kontinuierlich dem Reaktionsraum zugeführt, und das gleiche Volumen Kultur wird abgenommen und daraus des Produkt gewonnen. Die Einstellung des Zulaufs erfolgt über eine Rückkopplungs-Regulation: Die Substratkonzentration wird im Reaktor oder im Abfluß gemessen und mit einem Sollwert verglichen. Fällt der aktuelle Wert unter den Sollwert, wird der Zulauf erhöht, bei Übersteigen des Sollwerts wird der Zulauf gedrosselt (Chemostat). Zudem kann die Zelldichte für die Regulation des Mediumflusses verwendet werden. Trübungssensoren messen die Zelldichte und erhöhen den Zulauf, wenn die Zelldichte zu hoch wird (Turbidostat). Auf diese Weise kann eine Kultur über lange Zeit bei gleichen Bedingungen gehalten und ein gleichmäßiger Ertrag des Produktes gewonnen werden.

Forschungszentrum Jülich