Populationsheterogenität in industriellen Bioprozessen

Dr. Anna-Lena Heins, Nachwuchsgruppenleiterin Technische Universität München, 2017-2023

Populationsheterogenität tritt besonders in großvolumigen industriellen Bioprozessen auf und zeichnet sich durch das ungleiche Verhalten von Zellen einer isogenen Population aus. In technischen Bioreaktoren bilden sich durch unzureichende Durchmischung Gradienten aus, wodurch Zellen an verschiedenen Stellen im Reaktor unterschiedlichen Mikroumgebungen ausgesetzt sind. Da nicht alle Zellen den gleichen Weg zurücklegen und zusätzlich unterschiedlich reagieren können, entsteht im Prozessverlauf eine heterogene Zellpopulation. Als Konsequenz kann es in industriellen Bioprozessen zu geringeren Ausbeuten und verstärkter Nebenproduktbildung im Vergleich zum (ideal durchmischten) Labormaßstab kommen.

Zur Charakterisierung von Populationsheterogenitäten wurden zum einen im Labormaßstab gezielt Inhomogenitäten experimentell erzeugt und zum anderen die Ausbildung von Subpopulationen am Beispiel von Escherichia coli analytisch erfasst. Um das Entstehen und den zeitlichen Verlauf von Populationsheterogenität in vivo verfolgen zu können, wurden verschiedene zelluläre Reporterproteine eingesetzt. Dazu wurde die Expression von unterschiedlich fluoreszierenden Reporterproteinen an ausgewählte zelluläre Eigenschaften gekoppelt, so dass beispielsweise die Wachstumsraten einzelner Zellen mit Hilfe der Durchflusszytometrie als Fluoreszenzverteilung detektiert werden konnten.

Publikationen

• Hoang MD, Polte I, Frantzmann L, von den Eichen N, Heins AL, Weuster-Botz D (2023): Impact of mixing insufficiencies on L-phenylalanine production with an Escherichia coli reporter strain in a novel two-compartment bioreactor. Microb Cell Fact 22: 153.
• Hoang MD, Riessner S, Oropeza Vargas JE, von den Eichen N, Heins AL (2023): Influence of varying pre-culture conditions on the level of population heterogeneity in batch cultures with an Escherichia coli triple reporter strain. Microorganisms 11: 1763.
• Arulrajah P, Heins A-L (2023): Versteckte Vielfalt: Diversität von Zellen im industriellen Bioprozess. BIOspektrum 29: 241-244.
• Hoang MD, Doan DT, Schmidt M, Kranz H, Kremling A, Heins A-L (2023): Application of an Escherichia coli triple reporter strain for at-line monitoring of single-cell physiology during L-phenylalanine production. Eng Life Sci 23: e2100162.
• Doan DT, Hoang MD, Heins A-L, Kremling A (2022): Applications of coarse-grained models in metabolic engineering. Front Mol Biosc 9: 806213.
• Heins A-L, Hoang MD, Weuster-Botz D (2022): Advances in automated real-time flow cytometry for monitoring of bioreactor processes. Eng Life Sci, 22: 260-278.
• Heins A-L, Reyelt J, Schmidt M, Kranz H, Weuster-Botz D (2020): Development and characterization of Escherichia coli triple reporter strains for investigation of population heterogeneity in bioprocesses. Microb Cell Fact 19:14.
• Heins A-L, Lundin L, Nunes I, Gernaey KV, Sørensen SJ, Lantz AE (2019): The effect of acetate on population heterogeneity in different cellular characteristics of Escherichia coli in aerobic batch cultures. Biotechnol Prog 35: e2796.
• Heins AL, Weuster-Botz D (2018): Population heterogeneity in bioprocesses: origin, analysis, mechanisms, and the future perspectives. Bioproc Biosys Eng 41: 889-916.