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    Technologien für Zell- und Gewebekulturen
    Kooperationen: Bioengineering AG, Wald, SchweizBioglobe GmbH, Hamburg Dr. Uwe Marx, TissUse GmbH, Berlin DTL Biotechnology Ltd, Ireland Fraunhofer Einrichtung Marine Biotechnologie, Lübeck Infors AG, Schweiz Ingenieurbüro Dr.-Ing. Schoop GmbH medorex eK, Bovenden Prof. Dr.-Ing. Björn Frahm, FH Lemgo Prof. Dr.-Ing. Dieter Eibl, ZHAW Wädenswil, Schweiz Prof. Dr.-Ing. Hoc Kiem Trieu, Technische Universität Hamburg-Harburg, Institut für Mikrosystemtechnik Prof. Dr.-Ing. Peter Czermak, TH Mittelhessen, Gießen Prof. Dr.-Ing. Thomas Becker, TU München Prof. Dr.-Ing. Volker C. Hass, HS Furtwangen Prof. Dr. Gerardo Catapano, Uni. of Calabria, Italy Prof. Dr. Michael Amling, UKE Hamburg Prof. Dr. Roland Lauster, TU Berlin Prof. Dr. Udo Schumacher, UKE Hamburg ZellWerk GmbH, Eichstädt Zellkulturprozesse zur Wirkstoffproduktion Steuerung von fed-batch-Prozessen Design, Betrieb und Scale-up von Festbettreaktoren mit immobilisierten Zellen Tissue Engineering Herstellung implantierbarer Knorpel-Träger-Konstrukte als Gelenkflächenersatz 3D-Gewebekulturen für Toxizitätstests
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    IBÖM04:mDoE-Toolbox2-Neue mDoE Software-Toolbox zur modellgestützten Optimierung biotechnologischer Prozesse
    Die Entwicklung und Optimierung biobasierter Produkte ist noch stark empirisch geprägt. Dazu werden häufig „Design of Experiment“ (DoE)-Methoden eingesetzt, die eine hohe Anzahl an zeitintensiven Experimenten erfordern. Die Konzeption, insbesondere die Eingrenzung des Parameterraumes, ist schwierig und die Aussagekraft häufig begrenzt. Die zentrale Projektidee besteht darin, modulare Software-Tools anzubieten, die DoE-Strategien mit mathematischen Prozessmodellen verknüpfen und somit den experimentellen Aufwand signifikant reduzieren und die Aussagekraft eines DoE entscheidend erhöhen. In der Sondierungsphase wurde der hohe Bedarf des Software-Tools abgeschätzt und in einer on-line Umfrage bestätigt. In der Machbarkeitsphase soll die Software-Toolbox zusammen mit den Partnern schrittweise entwickelt, evaluiert und ihre Leistungsfähigkeit an relevanten bioökonomischen Beispielprozessen demonstriert werden.
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    Multiskalige modellgestützte Untersuchungen der Formation von katalytisch aktiven Clustern und Agglomeraten großer Multienzymkomplexe
    Motivation Targeted formation of stable enzyme clusters and agglomerates is of highest interest for the construction of efficient and adjustable bioreaction cascades Nowadays no suitable methodology available to predict formation and stability of clusters and agglomerates Impact of process parameters – pH, temperature, mechanical stress – on cluster and aggregate formation and functionality yet hardly investigated Objectives of this project: Identify mechanisms and determinants responsible for building functional and efficient agglomerates. Develop and validate solid model framework to describe and predict dynamic formation and reformation of multi-enzymatic complex clusters and agglomerates Influence of process conditions on formation and catalytic efficiency
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    New approaches for population-based kinetic study and modeling of cell culture under high cell density
    tIt is conventionally assumed that mammalian cell cultures cultivated in bioreactors exhibit a homogeneous and indifferent kinetic behavior. However, real cell cultures consist of a mixture of multiple subpopulations with variable composition that interact with each other via the culture medium. A major cause for the occurrence of such subpopulations is the progress of individual cells within the cell cycle. Potential metabolic and regulatory variations of the behavior of mammalian cell cultures during the different cell cycle phases have not been systematically examined in literature. Experimental results are often incomplete and contradictory, leading to intense disputes with a spectrum of opinions ranging from the assumption of completely eventless metabolism and regulation in the cell cycles towards extremely complex and not mechanistically explained cell-cycle dependent regulation cascades. A main reason for these discrepancies lies in incompletely validated or non-physiological synchronization methods and insufficient statistic analysis and proper model description. During the last few years, our group has established the necessary framework regarding process control, cell culture techniques and modeling in order to conduct systematic kinetic and well validated experimental examinations of cell-cycle related metabolic processes and regulations in cell cultures under widely undisturbed, that is process relevant physiological conditions. First analyses already indicated cell cycle dependent variations of cell mass specific substrate turnover rates. In the proposed project, a systematic elucidation of relevant cell cycle specific metabolic processes in cell cultures under process conditions, especially at high cell density, shall be performed utilizing population based analysis and statistic evaluation methods. The focus is especially laid on the regulation kinetics of the pyruvate metabolism under stress conditions and the influence of high cell density on growth kinetics and central metabolism. Furthermore, we intend also to explore the possibility of using such population-based kinetic relationships for optimal control of process stability under variable cultivation conditions.
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    Basistechnologien Nachwuchsgruppe: Multiskalige Modellierung und Modifikation von Multienzymkomplexen als Basistechnologie für zellfreie Reaktionskaskaden
    Im Rahmen des beantragten Projektes wird die systematische Aufklärung von Struktur-Funktionszusammenhängen des zielgerichteten Metabolitentransfers in Multienzymkomplexen -- insbesondere auf Basis des Metabolic Channeling -- angestrebt. Eine wesentliche Rolle während aller Arbeitsschritte spielen multiskalige Modelingmethoden: Von der Nanostruktur auf Molekülebene, über die Mesostruktur in Mikrokompartimenten bis hin zur Makroskala, d.h. zum Gesamtprozess und dessen Optimierung. Ziel ist die Realisierung der notwendigen Basistechnologien für effiziente zellfreie enzymkatalysierte synthetische Reaktionskaskaden in vitro unter Ausnutzung dieser Channelingeffekte, um bisher auftretende effizienzmindernde Schwachpunkte, wie z.B. Intermediat-Diffusion und Feedback-Inhibierung, zu vermeiden. Die zu erreichenden Ziele stehen im Einklang mit den während der Fachgespräche von Oktober 2010 bis Januar 2012 formulierten Meilensteinen des BMBF-Strategieprozesses ''Biotechnologie 2020+''.
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