OptoReg: Neue Produzenten und Prozesse auf der Basis optogenetischer Regelkreise

• Antragsteller: Professor Dr. Gerald Radziwill; Professor Dr.-Ing. Ralf Takors
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 428475642

OptoReg basiert auf umfangreichen Voruntersuchungen der Projektpartner. Konkret wird angestrebt, neue IgG1 Produzentenzelllinien (CKO K1 Derivate) mittels rekombinanter, optogenetischer Regelung so zu konstruieren, dass diese Zellen in lichtgesteuerten Perfusionsprozessen mit deutlich erhöhter zellspezifischer Produktivität eingesetzt werden können. Dadurch soll ein neuartiger Ansatz entwickelt werden, die in den letzten Jahrzehnten nur moderat verbesserten zellspezifischen Produktbildungsarten signifikant zu erhöhen. Gerade die aktuell favorisierten Perfusionsprozesse profitieren von diesem Verfahren, da deren erfolgreicher Betrieb essenziell von hohen zellspezifischen Produktbildungsraten zur Erzielung einer hohen Raum-Zeit Ausbeute abhängt. Im Fokus der zellbiologischen Arbeiten steht die Erforschung und Implementierung eines neuartigen Signaltransduktionssystems in Kombination mit einem Aktuator (Stellglied), um die Lichtstimuli in die Modulation des Zellzyklus umzusetzen. Mittels Blaulichtanregung bei 455 nm soll die Funktion des Zellzyklusinhibitors p21/CDKN1A (cyclin-dependent kinase inhibitor 1A; p21) räumlich und zeitlich aufgelöst kontrolliert werden. p21 interagiert im Zellkern mit Cyclin/CDK Komplexen und arretiert dadurch den Zellzyklus bevorzugt in der G1 Phase und vor Eintritt der Zellen in die S-Phase. Verschiedene optogenetische Ansätze werden eingesetzt, um entweder die Genexpression von p21 oder die Kern/Zytoplasma Verteilung von p21 durch Licht zu regulieren. G1 ist bekanntermaßen vorteilhaft für die Erzielung hoher zellspezifischer Produktbildungsraten. Zu beachten ist, dass die optogenetische Regelung gezielt nur die Proliferation moduliert und nicht Nebenprodukt einer Stressantwort ist. Letztere wird in konventionellen Methoden durch Osmolaliät- oder Temperaturstress hervorgerufen. Der geplante Ansatz besitzt das Potenzial, auch in produktionstechnischen Perfusionsprozessen eingesetzt werden zu können. Durch die Einkopplung von Licht in die kleinen Rohrdurchmesser von Zellrückhaltemodulen werden die ansonsten bekannten Probleme der relativ geringen Eindringtiefe in Biosuspensionen umgangen. Typische Nachteile konventioneller Methoden sollen deswegen vermieden werden. Des Weiteren wird davon ausgegangen, dass mit der vorgestellten Methode zellulär eine erhöhte ATP Bereitstellung verbunden ist, da die sonst übliche Stressantwort unterbleibt. Da gemäß eigener Voruntersuchungen eine erhöhte ATP Bereitstellung positiv auf die zellspezifische Produktivität wirkt, wird eine zusätzliche Steigerung der zellspezischen Aktivität erwartet. Folgerichtig zielen die prozesstechnischen Arbeiten darauf ab, optimale Lichtinduktionsszenarien in reaktionstechnisch definierten Bioreaktoren zu untersuchen und deren Implementierung in einen technischen Perfusionsprozess zu erreichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen