Magnetische millifluidische Fraktionierung einer heterogenen Hefezellkultur

(Dr. Leonie Wittmann)

Hefen sind einzellige Pilze, die in den verschiedenen Bereichen, wie in Gärungsprozessen der Lebensmittelindustrie oder in der Arzneimittelherstellung ihre Anwendung finden.  In ihrer natürlichen Umgebung sind Hefen abiotischen (Temperaturschwankungen, limitierter Nährstoffgehalt, UV-Strahlung) und biotischen (Konkurrenz durch Ascomyceten und Bakterien) Stressoren gleichzeitig ausgesetzt. Gleiches gilt für industrielle Prozesse, wenngleich dort diese künstlich und teilweise auch bewusst eingestellt werden (Zusammensetzung des Mediums, pH-Wert, Temperatur, O2-Gehalt, Metabolite). Der Hefemetabolismus reagiert darauf, sodass der Fermentationsverlauf wesentlich davon abhängt, wie sich die Summe der physiologischen Zustände der Einzelzellen in Bezug zum Gesamtverhalten der Hefekultur (Viabilität und Vitalität) zeigen. Die singulären Hefezellen unterscheiden sich dabei in ihrem individuellen Phänotyp; ein wesentlicher Einflussfaktor ist das Alter der einzelnen Zelle. Bei der Zellteilung von Mutter- und Tochterzelle verbleibt an der Mutterzelle eine Sprossnarbe, daher ist die Anzahl der Sprossnarben direkt proportional zum Zellalter, an welche Magnetische Nanopartikel binden können. Dieser Zusammenhang ermöglicht eine detailliertere Betrachtung der Altersverteilung von Hefezellen in einer Kultur. Durch die Fraktionierung der Hefezellen und damit ihres Zellalters ergeben sich noch nicht beschriebene Möglichkeiten, Analysen zum Fermentationsverlauf in Abhängigkeit der Altersverteilung einer Hefepopulation, vorzunehmen. Es wird hierdurch erstmals möglich, die Populationsdynamik von Hefezellkulturen mit einer definierten Anzahl an Sprossnarben zu untersuchen. Darüber hinaus ist die Grundlage zur Betrachtung der Stresstoleranz von Hefezellen unterschiedlichen Alters gelegt, wodurch ein vertieftes Verständnis der Stressreaktion von jungen und älteren Zellen und damit deren Auswirkung auf den Fermentationsverlauf möglich wird.

Ziel dieses Projekts ist es, einen milli-/mikrofluidischen Chip zur Auftrennung von Hefezellen zu entwickeln. Diese altersabhängige Fraktionierung basiert auf der Bindung von magnetischen Nanopartikeln an die Hefen und deren unterschiedlich starke Ablenkung im Magnetfeld. Die Partikeleigenschaften werden so angepasst, dass das Agglomerationsverhalten gezielt gesteuert werden kann und eine spezifische Adsorption über ein Protein an die Sprossnarben der Hefe sichergestellt werden kann. Die Erstellung eines simulativen Modells mit COMSOL Multiphysics unterstützt die experimentelle Prozessentwicklung und anschließende Validierung des Chips. Dieses Forschungsprojekt wird zusammen mit dem Lehrstuhl für Brau- und Getränketechnologie in Weihenstephan im Rahmen eines DFG Projekts durchgeführt.