Analyse von Populationsheterogenität mit Reporterstämmen

(M.Sc. Manh Dat Hoang)

Populationsheterogenität beschreibt das ungleiche Verhalten von Zellen einer isogenen Kultur in Bioprozessen, welche insbesondere in Bioreaktoren im industriellen Maßstab aufgrund von Inhomogenitäten auftritt. Ein besseres Verständnis zu den Mechanismen, die zur Ausbildung von Populationsheterogenitäten führen können, könnte eine sichere Maßstabsübertragung vom homogenen Laborbioreaktor in den industriellen Produktionsmaßstab ermöglichen.

Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist daher im Labormaßstab herauszufinden, unter welchen Bedingungen ein Escherichia coli Produktionsstamm zur L-Phenylalaninherstellung aus Glycerin im Zulaufverfahren Subpopulationen ausbildet. Gradienten sollen im Labormaßstab mit einem speziellen Zwei-Kompartment-Reaktor bestehend aus einem Rührkesselreaktor mit Rohrreaktor im Bypass erzeugt werden. Im Rohrreaktor können die Mikroorganismen unterschiedlichen Gradienten wie beispielsweise Substratmangel oder –überschuss ausgesetzt werden.

Um die Ausbildung von Subpopulationen in vivo im Bioprozess analytisch erfassen zu können, sollen L-Phenylalanin erzeugende E. coli Reporterstämme eingesetzt werden. Dafür wird die Expression von fluoreszierenden Proteinen an zelluläre Eigenschaften gekoppelt, die das Erfassen der Wachstumsrate, der allgemeinen Stressantwort, der Sauerstoffverfügbarkeit sowie der Produktbildungsrate von Einzelzellen erlauben. Die Fluoreszenz der Produktionsorganismen unter unterschiedlichen Prozessbedingungen soll mit Hilfe von Durchflusszytometrie analysiert und auftretende Subpopulationen mit einem Zellsortierer isoliert und nachfolgend genauer charakterisiert werden.

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.
  • 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.