Filamentöse Mikroorganismen sind bekannt für ihr breites Spektrum an Primär- und Sekundärmetaboliten. So verfügt die Gattung der Actinomyceten über 45% aller bekannter bioaktiver Substanzen aus Lebensmittel-, pharmazeutischer und landwirtschaftlicher Industrie[1], wie z.B. neuartige Antibitika oder potentielle Chemotherapeutika. Trotz dieses Potenzials wird die weit verbreitete Nutzung filamentöser Mikroorganismen häufig durch ineffiziente Produktionsprozesse obstruiert. Filamentöse Mikroorganismen wachsen in einem komplexen Myzelnetzwerk und die entstehende Morphologie ist nicht nur direkt gekoppelt an den Produktbildungsmetabolismus, sondern sorgt gleichzeitig für einen Anstieg der Viskosität der Kultivierungsbrühe. Die resultierenden Effekte der scherverdünnenden Rheologie sorgen für Limitationen in Misch- und Stofftransferprozessen, welche wiederrum Wachstumslimitationen und metabolische Veränderungen hervorrufen könne. Es ergibt sich ein Netzwerk komplexer Abhängigkeiten zwischen Rheologie, Morphologie, welche die effektive Prozessentwicklung und -skalierung erschweren.
In diesem Projekt sollen diese Wechselwirkungen anhand der Variation von Morphologie-steuernder Parameter (z.B. Osmolarität, Sporenkonzentration im Inokulum, Leistungseintrag…) untersucht werden, um ein umfassendes hybrides Modell zu entwickeln und so Herausforderungen der Prozessentwicklung zu überwinden. Streptomyces coelicolor A(3)2 (S. coelicolor) dient dabei als Modellorganismus filamentöser Bakterien und bildet zwei pharmazeutisch relevante Sekundärmetaboliten, das blaue Pigment Actinorhodin, sowie das rot-fluoreszierende Pigment Undecylprodigiosin. Während Actinorhodin antibiotische Aktivität zeigt, bietet Undecylprodigiosin Potential zum Einsatz als Chemotherapeutikum oder zu Behandlung von Malaria- und Pilzinfektionen. Im Anschluss an die Prozessetablierung und -optimierung im Schüttelkolben, soll der Prozess anhand von Rheologie-gestützen Scale-Up-Kriterien in den Bioreaktor übertragen werden. Anhand der generierten Daten wird dann in ein integratives hybrides Modell erstellt, um entscheidende Prozessparameter vorherzusagen und somit effektive Prozessentwicklung und -steuerung zu gewährleisten.
[1] Correia J, Borges A, Simões M, Simões LC, Beyond Penicillin: The Potential of Filamentous Fungi for Drug Discovery in the Age of Antibiotic Resistance. Antibiotics 12, 2023, DOI: 10.3390/antibiotics12081250.
Projektverantwortliche: Leonie Schumann