Bild des Monats (April 2020) : Lebende Zellfabriken aus den Instituten für Festkörpermechanik (IFM) und für Bioverfahrenstechnik (ibvt), TU Braunschweig

Lebende Zellfabriken
Lebende Zellfabrik unterm Mikroskop: Tiefenkodierte Darstellung eines filamentösen Biopellets des Bakteriums Actinomadura namibiensis (Durchmesser ca. 150 µm) Bildnachweis: Markus Böl/TU Braunschweig

Auf den ersten Blick könnte es die Graphik einer Wärmebildkamera sein. Tatsächlich zeigt unser Bild des Monats April aber eine lebende Zellfabrik unter dem Mikroskop. Entstanden ist das Bild im Rahmen einer Forschungskooperation des Instituts für Festkörpermechanik und des Instituts für Bioverfahrenstechnik der TU Braunschweig.

Filamentöse, also fadenförmig wachsende Mikroorganismen wie Pilze oder Bakterien der Gattung Actinomyceten werden in der Biotechnologie als lebende Zellfabriken eingesetzt und kultiviert, um beispielsweise wertvolle Enzyme, organische Säuren oder pharmazeutische Wirkstoffe herzustellen. Je nachdem, unter welchen Bedingungen diese Mikroorganismen kultiviert werden, bilden sie unterschiedliche Formen (Morphologien) aus. Ihre fadenförmigen Zellen (Hyphen) können als Myzele wachsen, in denen jede Hyphe vom Nährmedium umgeben ist, oder aber dichte, pelletartige Strukturen bilden, in denen sich die Hyphenagglomerate zu einem meist kugelförmigen Pellet zusammenlagern.

Das Bild des Monats zeigt die Struktur eines derartigen Pellets. Mithilfe eines Konfokalmikroskops, einem speziellen Lichtmikroskop, haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Institute für Festkörpermechanik und für Bioverfahrenstechnik die Hyphenstruktur eines Biopellets des Actinomyceten-Bakteriums Actinomadura namibiensis sichtbar gemacht. Die Farbkodierung gibt dabei Aufschluss über die Position der Hyphen: blaue Hyphen befinden sich nahe am Mikroskop-Objektiv, rote sind weiter entfernt.

Kompression von filamentösen Pellets

Eine Eigenschaft von filamentösen Mikroorganismen besteht darin, dass ihre Lebensfähigkeit und Produktivität der Hyphen eng an die Morphologie des Pellets und vor allem an die Dichte der Hyphen geknüpft sind. Durch Änderungen der Kultivierungsbedingungen, wie beispielsweise durch Zugabe von Salz, wird ihre Morphologie maßgeblich beeinflusst. Das zeigt sich zum Beispiel daran, dass durch die Salzzugabe auch die Pelletsteifigkeit erheblich verändert wird. Die Forscherinnen und Forscher der Institute für Festkörpermechanik und für Bioverfahrenstechnik führten Kompressionsexperimente mithilfe eines Mikromanipulators durch. Das ist eine Messeinrichtung, mit der Kräfte und Wege im Mikronewton- bzw. Mikrometerbereich an einzelnen Biopellets aufgenommen werden können. Dabei wurden Biopellets zwischen zwei Plättchen eingespannt und die von der Hyphenstruktur ausgeübte Kraftantwort über dem Plattenabstand bestimmt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Biochemical Engineering Journal veröffentlicht.

Actinomadura namibiensis

Als Teil seines Stoffwechsels produziert das Bakterium A. namibiensis die antiviralen Wirkstoffe Labyrinthopeptin A1 und A2. Labyrinthopeptin A1 zeigt eine antivirale Aktivität gegen den menschlichen Immunschwäche-Virus (HIV) und den Herpes-simplex-Virus (HSV). Darüber hinaus wurden synergistische Effekte mit anderen antiretroviralen Standardmedikamenten gefunden, was Labyrinthopeptin A1 zu einem vielversprechenden Kandidaten für die Entwicklung eines neuen Breitbandantibiotikums macht. Im Gegensatz dazu zeigt Labyrinthopeptin A2 eine Aktivität gegen neuropathischen Schmerz.

Mit ihrer Forschung tragen das Institut für Festkörpermechanik (Zentrum für Pharmaverfahrenstechnik, PVZ) und das Institut für Bioverfahrenstechnik (PVZ und Braunschweiger Zentrum für Systembiologie, BRICS) zum Forschungsschwerpunkt Infektionen und Wirkstoffe bei.

Dittmann, J., Tesche, S., Krull, R., Böl, M. The influence of salt-enhanced cultivation on the micromechanical behaviour of filamentous pellets. Biochemical Engineering Journal, 148, 65-76, 2019 (doi: 10.1016/j.bej.2019.04.023).

Kontakt

Prof. Dr.-Ing. Markus Böl
Technische Universität Braunschweig
Institut für Festkörpermechanik
Schleinitzstraße 20
38106 Braunschweig
Tel.: 0531 391-7052
E-Mail: m.boel@tu-braunschweig.de
www.tu-braunschweig.de/ifm

Prof. Dr. habil. Rainer Krull
Technische Universität Braunschweig
Institut für Bioverfahrenstechnik
Rebenring 56
38106 Braunschweig
Tel.: 0531 391-55311
E-Mail: r.krull@tu-braunschweig.de
www. tu-braunschweig.de/ibvt

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