Magnetische millifluidische Fraktionierung einer heterogenen Hefezellkultur zur statistisch relevanten Analyse der altersabhängigen Populationsentwicklung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Becker; Professor Dr. Sebastian Schwaminger
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik ; Lebensmittelchemie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 441672360

Magnetische Nanopartikel gehören zu den vielseitigsten Nanomaterialien und bekommen zunehmende industrielle Bedeutung, da sie mittels magnetischer Felder gezielt prozessiert und aus komplexen feststoffhaltigen Gemischen getrennt werden können. Ziel dieses innovativen Vorhabens ist es ein millifluidisches Trennsystem zu entwickeln, welches die altersspezifische Fraktionierung einer Hefezellpopulation ermöglicht, um den Einfluss exogener Stressoren auf den physiologischen Zustand der singulären Hefezelle altersabhängig untersuchen zu können. Mit einer Durchflusszelle entwickelt sollen die Hefen nach Zellalter/-generationen magnetisch klassiert werden, um später Aussagen zu treffen, ob die Anzahl an Zellteilungen einen Einfluss auf die Produktion in der Lebensmittelindustrie hat und weniger heterogene Populationen erstrebenswert sind.Bei der Hefezellteilung von Mutter- und Tochterzelle verbleibt an der Mutterzelle eine Sprossnarbe, wodurch die Anzahl der Sprossnarben direkt proportional zu der Anzahl an Zellteilungen und somit dem replikativen Zellalter ist. Sprossnarben zeichnen sich durch signifikante Chitin-Mengen aus, sodass der Chitingehalt an der Zelloberfläche indirekt eine Aussage zur Zellgeneration macht. Zur Unterscheidung werden superparamagnetische Nanopartikel (MNP) über ein reversibles His-Tag-System an rekombinant hergestellte Chitin-Binde-Domänen (ChBD) gebunden. Die so modifizierten Nanopartikel können nun über die ChBD an die Sprossnarben der Hefezellen binden, was mit steigender Sprossnarbenanzahl zu einer stärkeren magnetischen Markierung der Zellen führt. Hierdurch können die magnetisch markierten Hefezellen, die hier in einer Durchflusszelle ein extern angelegtes Magnetfeld durchfließen, anhand ihrer magnetischen Eigenschaften fraktioniert werden. Die Anordnung des Magnetfeldes, die Fließgeometrie und die Fließgeschwindigkeit ermöglichen eine Fraktionierung nach MNP-Gehalt und Agglomeratgröße.Durch die altersspezifische Hefezellfraktionierung können grundlegende Fragestellungen zur Expression stressrelevanter Gene in singulären Zellen gewonnen und der Einfluss des Zellalters auf die Fermentationsleistung und der Populationsdynamik in Abhängigkeit des physiologischen Zustandes abgeleitet werden. Dies ist von großem wissenschaftlichem Interesse, da es zum einen äußerst schwierig ist das Zellalter von Hefen zu bestimmen und zum anderen, dient es dem besseren Verständnis heterogener und homogener Hefezellsysteme.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen