Promotion von Anna Dinius am ibvt zur Charakterisierung der Pellet-Morphologie und Sauerstoffversorgung filamentöser Mikroorganismen

Anna Dinius auf dem Universitätsplatz der TU Braunschweig zur Promotionsfeier

Am Freitag, den 9. Januar 2026 legte Frau Anna Dinius erfolgreich ihre Disputation am ibvt ab. Frau Dinius promovierte über das Thema Morphology Engineering filamentöser Mikroorganismen: Untersuchung der Pelletstruktur und Sauerstoffversorgung, das sie im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms 1934 Dispersitäts-, Struktur- und Phasenänderungen von Proteinen und biologischen Agglomeraten in biotechnologischen Prozessen (DiSPBiotech) (Projektnr. 315457657) durchführte.

Filamentöse Mikroorganismen sind in der industriellen Biotechnologie als Produktionssysteme für wichtige aktive pharmazeutische Wirkstoffe (APIs) und Enzyme verbreitet und werden seit vielen Jahrzehnten erfolgreich eingesetzt. In submerser Kultivierung zeigen diese biolo-gischen Systeme einen komplexen morphologischen Lebenszyklus, der mit der Produktions-leistung des Prozesses eng verknüpft und für die Prozessoptimierung von hohem Interesse ist. Die filamentöse Zellmorphologie variiert bei den Kultivierungen von dichten kugelförmigen Bioagglomeraten, sog. Biopellets, über Klumpenagglomerate bis hin zu einem hochviskosen Myzelgeflecht. Welche dieser Morphologien für die letztlich entscheidende Produktbildung die optimale ist, lässt sich bislang nicht voraussagen. Es gibt sowohl Beispiele, bei denen die freie Hyphenform oder die Pelletform vorteilhaft ist. Die resultierende Zellmorphologie wird dabei von physikochemischen Kultivierungsparametern wie z. B. Medienzusammensetzung, mechanische Beanspruchung, osmotischer Druck, Gegenwart fester Mikro- und Makropartikel beeinflusst und diese können für eine optimale Produktivität wiederum diametral entgegengesetzt sein, je nachdem welchen konkreten Mikroorganismus man betrachtet. In den letzten Jahren wurden eine Reihe leistungsfähiger Methoden bereitgestellt, um die filamentöse Morphologie gezielt in Richtung höherer Produktivität zu dirigieren, was unter dem Terminus Morphology Engineering (ME) zusammengefasst wird. Trotz dieser neuen Methoden sind die Mechanismen, die z. B. bei dem Zusatz vom Mikropartikeln in der micro-particle enhanced cultivation (MPEC) für eine vorteilhafte Morphologie und verbesserter Produktivität sorgen, nicht grundlegend verstanden. Bei der Supplementierung von Biopellets mit Mikropartikeln werden die Änderung der Morphologie und die Erhöhung der Produktivität vornehmlich durch Oberflächeneffekte hervorgerufen. Bei dem Zusatz größerer Makropartikel in das Kulturmedium überwiegt der Einfluss mechanischer Kräfte. Durch sie wird einerseits die Zellmorphologie offenporiger und zeigt durch die verbesserte Sauerstoffverfügbarkeit eine Steigerung der Produktivität. Andererseits sorgt eine Rührer- und Begasung-induzierte mechanische Beanspruchung im Bioreaktor dafür, dass die filamentösen Agglomerate bei hohen Leistungseinträgen nachhaltig geschädigt werden, was zu signifikanten Produktionsverlusten führt. So muss bislang für jedes filamentöse System und je nach Anwendungsfall nach dem optimalen Prozessfenster für den Leistungseintrag zur Homogenisierung, Sauerstoffversorgung, Biomassewachstum und Produktivität der Mikroorganismen gesucht werden.

Die Zielsetzung der Dissertation von Frau Dinius bestand a) im Scale-up des filamentösen Kultivierungsprozesses mit dem schersensitiven Actinomyceten Lentzea aerocolonigenes zur Herstellung des API Rebeccamycin vom Schüttelkolben in den Labor-Bioreaktormaßstab sowie dem optimierten Downstream Processing des Produktes, b) der Untersuchung von Pelletstruktur und Sauerstoffverfügbarkeit an filamentösen Pelletmorphologien von pro- und eukaryotischen Systemen unter dem Einfluss unterschiedlicher ME-Techniken mit Hilfe bildgebender und analytischer Methoden und deren Kombination sowie c) der Bestimmung effektiver O2-Diffusionskoeffizienten in unterschiedlicher filamentösen Systemen. Damit sollte ein wesentlicher Beitrag zum grundsätzlichen Verständnis des Sauerstofftransportes in Pellets und darüber hinaus auch Vergleiche an unterschiedlichen pelletartigen Strukturen ermöglicht werden, die u.a. eine Bewertung von ME-Auswirkungen auf die Hyphenstruktur zulässt und darüber hinaus fehlende Datensätze zur Modellierung der Sauerstoffverfügbarkeit in Pellets und der Simulation ME-bezogener Fragestellungen liefern.

Frau Dinius legt in ihrer Dissertation mit ihrer vielschichtigen, herausfordernden und fachübergreifenden Thematik vergleichende und quantitative Aussagen zum ME filamentöser Mikroorganismen vor. Ihre Arbeit besitzt ihren Schwerpunkt in der Charakterisierung von Pelletmorphologien von Actinomyceten und Pilzen unter verschiedenen ME-Strategien zur Produktsteigerung. Weiterhin hat sie mit der Kombination von röntgen- und synchrotonbasierte Mikrocomputertomographie (SR-µ-CT) und O2-Mikroelektrodentechnik grundlegend neue Methoden zur strukturellen und funktionalen Untersuchung der Pelletarchitektur und von Transportprozessen im Innern von Pellets zielgerichtet weiterentwickelt. Die Arbeiten und die gewonnenen Erkenntnissen zur O2-Versorgung und Pelletstruktur an unterschiedlichen Pelletsystemen unter ME-Bedingungen leisten einen wesentlichen Beitrag zum grundlegenden Verständnis der Auswirkungen des ME und stellen wertvolle Grundlagen für weiterführende Modellierungen und Optimierungen von Bioprozessen mit filamentösen Mikroorganismen dar.

Die Ergebnisse ihrer Arbeit mündeten in 5 Veröffentlichungen:

  1. Dinius et al., Front Bioeng Biotechnol (11, 2023, 1171055, https://doi.org/10.3389/fbioe.2023.1171055, Einfluss von Glasmikropartikeln und Sojalecithin auf die Produktivität und die Zellmorphologie filamentöser Actinomyceten, mit AG Kwade, TUBS),
  2. Dinius et al., Phys Sci Rev (9, 2024, 777, https://doi/10.1515/psr-2022-0112, und 3) Dinius et al., In: Bioprocess intensification, Holtmann D (ed), 265, De Gruyter, Berlin, Boston 2024, Review zur Intensivierung von Bioprozessen filamentöser Mikroorgansimen),
  3. Dinius et al., Biotechnol Bioeng (121, 2024, 3128, https://doi.org/10.1002/bit.28788, Charakterisierung der Wirkung von Glasmikropartikeln auf Pellets von A. niger mittels SR-μ-CT und 3D-Bildanalyse, mit AG Briesen, TUM, und Helmholtz‐Zentrum hieron, Institut für Materialphysik, Geesthacht),
  4. Dinius/Schrader/Schrinner et al., In: Dispersity, structure and phase changes of proteins and bio agglomerates in biotechnological processes, Kwade A, Kampen I (eds), 513, Springer Nature Switzerland AG 2024, https://doi.org/10.1007/978-3-031-63164-1, Re­view/Abschlussbericht SPP1934 zur Simulation und der experimentellen Charakterisierung von mechanischem und Oberflächen-induziertem Stress auf Pellets filamentöser Mikroorga­nismen),
  5. Deffur/Dinius et al., Biotechnol Bioeng (122, 2025, 306, https://doi.org/10.1002/bit.28874, Mikroelektroden-Messungen und Modellierung, mit AG Briesen, TUM).

Weiterhin war Frau Dinius an 3 Veröffentlichungen als Koautorin beteiligt:

  1. Schrinner et al., Biotechnol Bioeng (118, 2021, 3984, https://doi.org/10.1002/bit.27875, Makropartikel-verstärkte Kultivierung von L. aerocolonigenes mit Lecithin-Supplementierung, mit AG Kwade, TUBS),
  2. Meyer et al., J Fungal Biol Biotechnol (8, 2021, 8, https://doi.org/10.1186/s40694-021-00115-6, Review zur Kontrolle des filamentösen Wachstums sowie über neue Werkzeuge für ein gezieltes ME, mit AGs Meyer/King, TUB, und AG Briesen, TUM),
  3. Laible et al., Eng Life Sci (22, 2022, 725, https://doi/10.1002/elsc.202100075, Review über Effekte und Wechselwirkungen von Metalloxiden bei der MPEC-Kultivierung filamentöser Mikroorganismen, mit AGs Briesen, TUM, und Kwade, TUBS).

Die Dissertation wird in Kürze in der ibvt-Schriftenreihe, Bd. 89, Cuvillier Verlag, Göttingen, erscheinen. Das ibvt gratuliert Anna Dinius ganz herzlich zu ihrer Promotion und wünscht ihr für ihren weiteren beruflichen und persönlichen Lebensweg alles Gute, viel Glück und weiterhin viel Erfolg.