Mikrosysteme in der Bioverfahrenstechnik am KIT
Die Forschungsgruppe Mikrosysteme in der Bioverfahrenstechnik unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Alexander Grünberger wurde im Oktober 2022 an der Fakultät für Chemieingenieurwesen und Verfahrenstechnik des KIT mit dem Ziel gegründet, neue mikrofluidische Methoden und Werkzeuge für die Biotechnologie und Bioverfahrenstechnik zu entwickeln und zu etablieren.
Forschungsschwerpunkte der Gruppe sind vier Themen:
- Entwicklung und Anwendung neuer mikrofluidischer Kultivierungsmethoden,
- Untersuchung der Populationsheterogenität in Bioprozessen,
- Übertragung, Integration und Skalierung von Einzelzelldaten in den Labormaßstab,
- Erprobung und Optimierung miniaturisierter Reaktorkonzepte für neue Anwendungsfelder.
Die zentralen Fragen, die unsere Forschung motivieren, sind: Wie viel zelluläre Heterogenität ist für einen biotechnologischen Produktionsprozess förderlich? Lassen sich durch gezielte Ausnutzung von Heterogenität oder einer mikrobiellen Symbiose neue biotechnologische Verfahren und Produkte realisieren?
Ziel ist es daher, die Dynamik mikrobieller Populationen und Lebensgemeinschaften auf Einzelzellebene mit mikrofluidischen Einzelzell-Bioreaktoren zu analysieren. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kultivierungssystemen erlauben diese sogenannten „Pikoliter-Bioreaktoren“ die Analyse zellulärer Prozesse wie Wachstum und Stoffwechsel einzelner Zellen und Zellkolonien mit bisher nicht möglicher räumlicher und zeitlicher Auflösung bei definierter Nährstoffversorgung. Von besonderem Interesse ist dabei das Verhalten einzelner Zellen unter verschiedenen, aber definierten Umgebungsbedingungen. Dies dient als Grundlage für weitere Untersuchungen zum Einfluss und zur Rolle der phänotypischen Heterogenität auf die Stabilität, Robustheit und Produktivität beim Scale-up mikrobieller Bioprozesse. Langfristig sollen sowohl ingenieurwissenschaftliche Konzepte als auch Ansätze der synthetischen Biologie genutzt werden, um potenzielle Engpässe während des Scale-up-Prozesses zu optimieren und zu beseitigen. Ziel sind kontrollierbare und vorhersagbare Bioprozesse und eine vereinfachte Überführung von Bioprozessen vom Klein- in den Labormaßstab und vom Pilotmaßstab in den Industriemaßstab. Diese Themen haben einen hohen interdisziplinären Charakter an der Schnittstelle zwischen Mikrofluidik, Mikrobiologie, Bioinformatik und Bioverfahrenstechnik. Nur durch den Ausbau dieses interdisziplinären Ansatzes können neue Methoden im Bereich der Biotechnologie etabliert werden. Dieses Ziel verfolgen wir gemeinsam mit ausgewiesenen Experten auf ihrem jeweiligen Forschungsgebiet sowohl innerhalb des KIT, als auch durch nationale und internationale Kooperationen.
Mit unserer Erfahrung an der Schnittstelle zwischen Biotechnologie und Mikrofluidik stehen wir Ihnen gerne als Ansprechpartner und Gesprächspartner für Fragen in diesem noch jungen, aber zukunftsträchtigen Gebiet zur Verfügung.