Ganz ohne Glaskugel

Vor mehr als 100 Jahren wurde die industrielle Biotechnologie mit der Herstellung von Zitronensäure durch den Schimmelpilz (Aspergillus niger) begründet. Heute stellt unter anderem die Herstellung von Zitronensäure mittels Schimmelpilze für die Lebensmittel- und Getränkeindustrie ein Millionen-Geschäft dar. Darüber hinaus werden Schimmelpilze in kugeliger Form mit Durchmessern von 0.5 – 3 mm auch zur Herstellung von lebensrettenden Arzneimitteln, Enzymen, organische Säuren oder anderen biotechnologischen Produkten verwendet. Eine Studie hierzu erschien jüngst im Journal Biotechnology and Bioengineering.

Team-Foto vor dem Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) vor der Röntgenstrahlungsquelle Petra III in Hamburg. Vlnr: Stefan Schmideder (TU München), Lars Barthel (TU Berlin), Charlotte Deffur (TU München), Karin Engelbert (TU Berlin), Anna Dinius (TU Braunschweig), Henri Müller (TU München). Foto: TU München/ Henri Müller

Die Produktivität der Bioprozesse hängt sehr stark von der mikroskopischen Form der Schimmelpilze ab. Diese enge Beziehung hat zu einer Vielzahl von Analysemethoden zur Quantifizierung ihrer sichtbaren Form geführt. Nur eine auf Mikro-Computertomographie basierende Methode – wie es die Beamlines des German Engineering Materials Science Centers (GEMS) ermöglichen, die vom Institut für Materialphysik des Helmholtz-Zentrums Hereon an der Synchrotronstrahlungsquelle PETRA III betrieben werden – bringt eine detaillierte Analyse der kompletten 3D-Mikromorphologie. Dieselbe Untersuchungsmethode im Labormaßstab, wie sie in vielen Laboren zu finden ist, eignet sich aber kaum für die Untersuchung der mikromorphologischen Entwicklung einer kompletten Pilzkultur in einem Bioreaktor, da keine statistisch repräsentative Anzahl an Proben untersucht werden kann. „Dank einer nahezu vollständingen Automatisierung der Datenerhebung und Bildprozessierung konnten in der vorliegenden Studie mehrere Tausend Pilzhyphen untersucht werden und somit statistisch aussagekräftige Messdaten zum Wachstum der Pilzkulturen erhalten werden“, sagt Hereon-Forscher Dr. Jörg Hammel.

Entwicklung einzelner filamentöser Schimmelpilz-Pellets über die Zeit in einem Bioprozess. Grafik: Tu München/ Lehrstuhl für Systemverfahrenstechnik

„An Deutschlands größtem Beschleunigerzentrum – dem Deutschen Elektronen-Synchroton DESY – haben wir auf Basis von Mikro-Computertomographie mittels hoch brillanter Synchrotronstrahlung und 3D Bildverarbeitung eine Methode entwickelt, die es zum ersten Mal ermöglicht, die Entwicklung der Form einer ganzen Pilzkultur in einem Bioprozess hochaufgelöst und dreidimensional stetig zu verfolgen“, sagt Henri Müller, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Systemverfahrenstechnik der TU München und Erstautor der Studie. Aus den über die 3D Bildverarbeitung erhaltenen Daten lassen sich wertvolle Rückschlüsse für die Produktionsoptimierung gewinnen.

„Mit Hilfe der Mikro-Computertomographie können wir uns den inneren Aufbau der Pilzpellets mit einem völlig neuen Detaillierungsgrad ansehen“, betont Prof. Briesen, Leiter des Lehrstuhls, die Bedeutung der Forschungsergebnisse. „Solche Daten können nun unter anderem in Modelle eingehen, die das Wachstum von Schimmelpilzen und deren Produktivität voraussagen können“, ergänzt Briesen.