Populationsheterogenität ist ein Phänomen, das in allen Bioprozessen unabhängig von dem untersuchten Organismus auftreten kann. Sie entsteht häufig als Folge beim Upscalen eines Bioprozesses auf industrielle Maßstäbe auf. Hier treten Konzentrationsgradienten in Prozessparametern durch unzureichende Durchmischung aufgrund von höheren Viskositäten und Mengen auf. Einzelne Zellen werden im Bioreaktor dadurch unterschiedlichen Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Eine ursprünglich isogenetische Monokultur kann sich aus diesem Grund zu einer Kultur mit unterschiedlichen Phänotypen entwickeln, um sich gegen die dynamische Umgebung zu behaupten. Dies wiederum kann zu einer verringerten Ausbeute, Produktivität, Wachstum oder vermehrten Nebenproduktbildung führen. Andererseits kann Populationsheterogenität auch zu einer besseren Anpassungsfähigkeit der Zellen führen, da sie durch die wechselnden Umgebungsbedingungen eine höhere Stresstoleranz entwickeln. Auch wenn das Phänomen der Populationsheterogenität bekannt ist, sind seine Ursprünge und Wirkungsweise nicht ausreichend erforscht. Ein tieferes Verständnis, wie sich einzelne Zellen verändern und mit ihrer Umgebung interagieren, kann aus diesem Grunde vorteilhaft für die Optimierung eines Bioprozesses sein.

Um dies zu untersuchen, widmet sich dieses Projekt dem Verständnis der extrinsischen Populationsheterogenität, die durch Zell-Bioreaktor-Interaktionen in einem Zulaufprozess mit Escherichia coli, welche L-Phenylalanin herstellen, entsteht. Um umgebungsbedingte und zelluläre Faktoren, die zu Rauschen oder Populationsheterogenität führen, ermitteln und erklären zu können, können mathematische Modelle für Populationsdynamiken verwendet werden. Ein Projektpartner (Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik) entwickelt einen Mehrfach-Reporterstamm und untersucht diesen in einem herunterskalierten Bioreaktorsystem auf unterschiedlichen Zellebenen. Die experimentellen Daten können darauf in dem erarbeiteten Modell integriert werden. Das Modell ist damit in der Lage die Wechselbeziehungen zwischen den einzelnen Merkmalen, nämlich Wachstum, allgemeines Stresssignal, Sauerstofflimitation und L-Phenylalaninproduktion, zu untersuchen und das Verhalten des Mehrfach-Reporterstamms in einem Prozess industriellen Maßstabs als Grundlage für weitere Experimente vorhersagen. Zusätzlich werden in dem Projekt die Einzelzell-Physiologie Verteilungsfunktionen von dem Mehrfach-Reporterstamm nach Strategien, wie Zellen mit den dynamischen Umgebungsbedingungen umgehen, untersucht.

Damalige projektbetreuung: Dr. Dieu Thi Doan