3D-gedruckte Bioreaktoren eröffnen neue Möglichkeiten Medikamente herzustellen

Ein Forscherteam der University of Washington in Seattle hat 3D-gedruckte Bioreaktoren aus Hefe entwickelt, die sich innerhalb von wenigen Minuten herstellen lassen und über Monate hinweg durchgängig aktiv sind.

Bioreaktoren sind Behälter, in denen bestimmte Mikroorganismen, Zellen oder kleine Pflanzen unter möglichst optimalen Bedingungen kultiviert bzw. fermentiert werden. Neben der Herstellung von Lebensmitteln wie Bier und Wein, werden Bioreaktoren aber auch bei Klär- oder Biogasanlagen sowie in der Pharma- und Kosmetikindustrie eingesetzt.

Die Fermentation ist allerdings ein aufwendiger und komplexer Prozess, bei dem über die Steuerung verschiedener Parameter wie Temperatur, Sauerstoffgehalt oder Konzentration der Nährstoffe, optimale Bedingungen geschaffen werden müssen. Zudem erfolgt anschießend eine Reihe von Schritten für den Reinigungsprozess. Bei der Betriebsweise unterscheidet man den Batch-Betrieb, der hauptsächlich in der Forschung Anwendung findet, und den kontinuierlichen Betrieb für größere Produktionsanlagen. Im Batch-Betrieb wird der Behälter nach jedem Fermentierungsprozess geleert und gereinigt, während im kontinuierliche Betrieb die ständige Zugabe von Substraten, die Entnahme des fertigen Produktes sowie Reinigungsprozesse durchgehend erfolgen. Der 3D-gedruckte Bioreaktor von Dr. Alshakim Nekson und seinem Team könnte auf eine einfache Weise diesen kontinuierlichen und somit ökonomischeren Fermentierunsprozess ermöglichen und den Batch-Betrieb ersetzen.

Die am eigens entwickelten 3D-Drucker hergestellten Bioreaktoren bestehen aus Hydrogel, welches sich zu 70% aus Wasser und 30% aus einem speziellen Polymer, das mit Hefe versetzt wurde, zusammensetzt. Mit der Gitterstruktur der würfelförmigen Objekte soll die Oberfläche bei bestehendem Volumen maximiert werden. Nach dem 3D-Druck des Würfels mit rund einem Zentimeter Kantenlänge wird dieser mittels UV-Licht ausgehärtet. Der komplette Herstellungsprozess dieser Mini-Bioreaktoren kann innerhalb von nur fünf Minuten durchgeführt werden. Anschließend werden die Würfel in eine Glukoselösung getaucht, wo die Hefe damit beginnt die Glukose in Ethanol umzuwandeln.

Das Unerwartete dabei war allerdings, dass dieser Prozess über mittlerweile Monate hinweg anhält, solange die fermentierte Lösung regelmäßig mit frischer ersetzt wird. Die genaue Ursache dafür ist allerdings nicht ganz klar. Dr. Nelson glaubt, dass das Hydrogel die Hefezellen am Altern und Reproduzieren hindert, ohne ihre Fähigkeit zur Fermentation zu beeinträchtigen. Ziel ist es nun größere Strukturen mit dem Verfahren herzustellen. Zudem möchte man versuchen die Hefezellen so zu modifizieren, dass komplexere Moleküle als Ethanol produziert werden können, wie beispielsweise Proteine.

Langfristig glauben die Forscher eine Kette aus den 3D-gedruckten Bioreaktoren herstellen zu können, bei denen jeder Einzelne für eine bestimmte Reaktion in einem kompletten Syntheseweg konzipiert ist. Dies würde die Produktion von Produkten wie Medikamenten ermöglichen.