Projekt 13099/01

Förderschwerpunkt Biotechnologie: ICBio: Innovatives Baukastensystem zum integrierten Downstream-Processing von Pharmatargets auf der Basis modularer Membranadsorbertechnologie

Projektdurchführung

Leibniz Universität HannoverZentrum Angewandte ChemieInstitut für Technische Chemie
Callinstr. 5
30167 Hannover

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Isolierung und Aufreinigung wertschöpfender Proteinkomponenten aus Rohprodukten, wie Fermentationsbrühen, Blutseren oder Reaktionslösungen, stellt heute eine der großen Herausforderungen im Be-reich Downstreamprocessing biotechnologischer Pharmazeutika dar. Bis heute müssen die einzelnen energie- undabwasserintensiven Verfahrensschritte getrennt voneinander durchgeführt werden. Das vorliegende Vorhaben zielt darauf ab, integrierte Systeme zu schaffen, die eine schnelle und gezielte Problemlösung vorliegender Trennaufgaben, Kopplung der Verfahrensschritte und einfache Handhabung ermöglichen sol-len. Diese integrierten Systeme auf Basis von Membranadsorbern werden in einem Baukastensystem verwirklicht, das eine flexible Anpassung an die jeweilige Problemstellung erlaubt und durch die Integration in modulare Kartuschensysteme eine hohe Scale-up-Fähigkeit aufweist.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie praktischen Arbeiten beginnen mit der Konzeption und Entwicklung der Basismembranen, wobei Derivatisierungstechniken zur Funktionalisierung der Membranen und Dekorationstechniken zur Bindung spezifischer Liganden verwendet werden. Diese Membranen werden dann in verschiedene Module (Kapsule) eingesetzt und anhand von Standardproteinen getestet. Die Übertragung der Ergebnisse auf Realmedien amspeziellen Beispiel des r-hGH führt dann zu einer allgemeinen Methodik, die die Optimierung der Aufreinigungsparameter durch HTDS-Systeme (high throughput downstream screening) ermöglicht. Das System erlaubt eine schnelle und leicht zu handhabende Modellierung jedes Downstreamprocessing-Problems und vereinfacht somit das Up-Scaling in den Produktionsbereich erheblich, was anhand des Beispiels r-hGH verwirklicht werden soll.


Ergebnisse und Diskussion

Die im Rahmen des Projekts geplanten wissenschaftlichen Arbeiten wurden erfolgreich durchgeführt. Die Arbeitspakete, wie die Konzeption und Entwicklung bzw. die Funktionalisierung der Basismembranen sowie deren Einsatz und Testung in Modulen sind vollständig abgeschlossen. So liegen derzeit funktions-fähige Membranmodule im 8-er Streifen-Format vor. Diese 8-strips sind mit üblicherweise verwendeten 96-well-Mikrotiterplatten kompatibel und bilden die Basis für das HTDS. Auch die verfahrenstechnischen Probleme (wie Prozessführung durch Unterdruck, Überdruck oder Zentrifugation) wurden intensiv bearbeitet. Das HTDS-System wurde an Standards und auch an Realproben getestet. Die Membranmodule kamen insbesondere bei der Aufreinigung von hGH aus dem Zellkulturüberstand zum Einsatz. Anstatt des kosten- und ressourcenintensiven herkömmlichen Verfahrens konnte so auf ein schnelles und einfaches Verfahren zurückgegriffen werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

- 2003, Dechema: Proteinaufreinigung durch Affinitätswechselwirkungen mittels Membranadsorbereinheiten; K. Kitzler, A. Tappe, F. Menzel, C. Kasper, N. Kashani-Poor, R. Zeidler, T. Scheper
- 2003, Gordon Conference Bioinformatics: from predictive models to inference, Oxford; Enzyme purification from fermentation broth using membrane adsorber based centrifugal devices; C. Kasper, K. Suck, F. Stahl, R. Zeidler, T. Scheper
- 2004, Bioperspectives: Human growth hormone (hGH) purification from CHO cell culture supernatant using membrane adsorber based centrifugal devices; J. Walter, K. Suck, A. Tappe, C. Kasper, R. Zeidler, A. Kocourek, T. Scheper
- 2004, Dechema-Tagung Simultane und integrierte Bioprozessentwicklung: (Bio-)modifizierte Membranmodule im Downstream-Processing; Poster: D. Harkensee, T. Scheper, O.-W. Reif, R. Ulber
- 2005, Bioperspectives: Purification of His6-tagged ß-Glucanase using membrane adsorber based devices; Ö. Kökpinar, J. Walter, C. Kasper, R. Zeidler, K. Friehs, T. Scheper
- 2005, Bioperspectives: Human growth hormone (hGH) purification from CHO-cell culture supernatant, Poster: A. Tappe, J. Walter, C. Kasper, R. Zeidler, O.-W. Reif, T. Scheper
- 2005, Bioperspectives: Reversible immobilisation of glycoproteins on bíological activated membranes; Vortrag: D. Harkensee, S.Beutel, T. Scheper, O.-W. Reif, R. Ulber
- 2005, ESACT Human growth hormon (hGH) purification from CHO-cell culture supernatant utilizing macroporous chromatographic media Poster: J. Walter, A. Tappe, C. Kasper, R. Zeidler, O.-W. Reif, T. Scheper Veröffentlichungen: Fast and efficient protein purification from complex cell culture samples using membrane adsorber systems; K. Suck, J. Walter, F. Menzel, A. Tappe, C. Kasper, C. Naumann, R. Zeidler, T. Scheper; Eingereicht bei Journal of Biotechnology


Fazit

Die im Projekt benannten Arbeitspakete wurden in der Projektlaufzeit von 2 Jahren, unter Berücksichtigung einer kostenneutralen Verlängerung aufgrund des um 2 Monate verzögerten internen Projektbe-ginns, bis auf das letzte Arbeitspaket vollständig abgeschlossen. Das Vorhaben wird auch über die Pro-jektlaufzeit hinaus weitergeführt: Das Up-scaling in den Produktionsbereich bei der Aufreinigung von hGH wird auch nach Ende des Projekts intensiv bearbeitet. Zur schnellen Ermittlung der optimalen Aufreini-gungsparameter verschiedener Zielproteine wird das HTDS-System weiterhin verstärkt eingesetzt. Mit den im Bereich der Membranentwicklung gewonnenen Erkenntnissen werden auch in Zukunft weitere Funktionalisierungsversuche durchgeführt.