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TU Berlin

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Forschung

Blick in die Labore der TU Berlin

48 Experimente gleichzeitig

Das „Lab of the future“ revolutioniert die Bioprozesstechnologie

Mehrere verschiedene Probenhalter können mit diesem automatischen Robotergreifarm bestückt und gelagert werden
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Aufnahme und Transporteinrichtung, Pipetten zur Befüllung und Bioreaktoren (von links nach rechts)
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Senkrecht stoßen die acht Pipetten des Pipettierroboters in jeweils acht der 48 Mini-Bioreaktoren und entnehmen Proben zur biochemischen Analyse verschiedener Prozessparameter. Die Proben spritzt der Pipettierroboter in 48 kleine Mulden, die in eine Platte eingelassen sind. Eine Roboterhand befördert die Platte dann zum Transferschlitten, der die Proben automatisch zu einem anderen Roboter fährt, der für die Analysen zuständig ist und die Proben verdünnt oder filtriert, entsprechend den durchzuführenden Analysen verteilt oder die Proben mit diversen Flüssigkeiten versetzt. Die Analyse erfolgt dann mit modernen optischen Methoden, entweder über ein an die Anlage angeschlossenes Fluoreszensspektrophotometer oder über ein Durchflusszytometer.

Ein an der TU Berlin entwickelter Probenhalter
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Was hier geschieht, revolutioniert die Bioprozesstechnologie. Das alles erfolgt an der Roboterstation im „Lab of the future“ des Fachgebietes Bioverfahrenstechnik in Berlin-Wedding und vollzieht sich übrigens nahezu lautlos.

Viele Prozesse in der chemischen und pharmazeutischen Industrie beruhen auf der Aktivität von Zellen oder der in ihnen enthaltenen Biokatalysatoren. So werden heute Antibiotika, organische Säuren, aber auch bioabbaubare Polymere produziert. Die Entwicklung von neuen Prozessen ist jedoch vergleichsweise teuer.

Vollautomatisches Befüllen von Bioreaktoren mit verschiedenen Substanzen nach einem zuvor festgelegten Muster
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„Zehn bis 15 Jahre vergehen heute, bis ein neues Produkt auf dem Markt ist, und Investitionen in Milliardenhöhe sind keine Seltenheit“, sagt Prof. Dr. Peter Neubauer, Leiter des Fachgebietes. In seinem „Lab of the future“ möchte er die Entwicklungszeiten drastisch verkürzen und damit die Kosten extrem senken. Der Weg zu diesem Ziel: Die Prozesse zur Entwicklung eines innovativen Bioprodukts werden vollständig automatisiert. Manuell durchgeführte Laborarbeiten, selbst die manuelle Planung und Auswertung der Experimente, sollen der Vergangenheit angehören.

Florian Glauche setzt einen Probenhalter mit Lösungen ein, die in die Bioreaktoren gefüllt werden
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Zwar werden Roboter bereits heute in Laboren eingesetzt, aber diese „beherrschen“ meist nur einen Prozessschritt. Entweder können sie Zellen kultivieren oder Zellen zerstören, um an Inhaltsstoffe heranzukommen, oder sie können Proben analysieren. Peter Neubauers Ansatz ist es, all diese Schritte in einem Roboter zu integrieren und diesen durch intelligente Computersysteme zu steuern.

Herzstück des Lab sind derzeit zwei Roboter: Einer ist für die gesamte Analytik zuständig, der andere kümmert sich um die Kultivierung der Zellen. Dieser Roboter enthält ein Mini-Bioreaktorsystem mit 48 Kulturgefäßen, für die die Kultivierungsbedingungen jeweils einzeln festgelegt werden können. Damit sind 48 voneinander unabhängige Experimente gleichzeitig möglich. Kultivierung und Analytik sind im „Lab of the future“ nicht mehr zeitlich voneinander getrennt.

Das Team

Prof. Dr. Peter Neubauer, Leiter des Fachgebietes Bioverfahrenstechnik

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Mit dem Forschungsprojekt „AutoBio“ begannen wir 2012 unsere Forschungen am Aufbau des „Lab of the future“. Es gab damals keine Anlagen, Ansätze oder Arbeiten, die eine Integration und Automatisierung aller Schritte bei der Entwicklung von Bioprozessen zur Herstellung von innovativen Bioprodukten wie etwa Enzymen, die zu therapeutischen Zwecken eingesetzt werden, ermöglichte. Unser Ansatz ist neu und weltweit einmalig. Nach vier Jahren Forschung haben wir jetzt in den EU-Projekten „LeanProt“ und „BioRapid“ mit unserem „Lab of the future“ einen ersten Beweis erbracht, dass eine vollständige Digitalisierung und Automatisierung in der Bioverfahrenstechnik möglich ist.

Dr. M. Nicolas Cruz Bournazou, Gruppenleiter Computergestützte Bioprozessentwicklung, und Florian Glauche, Leiter des Zukunftslabors

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Wir entwickeln seit 2012 im Zukunftslabor Werkzeuge, die das Potenzial der Automatisierungstechnik besser ausschöpfen sollen. Es geht uns dabei in erster Linie darum, uns von der klassischen Arbeitsweise Versuchsplanung, Durchführung und Auswertung wegzubewegen und die Möglichkeiten des Zusammenspiels von Computer und Roboter besser auszunutzen. Die Anzucht und Analyse von Zellkulturen mittels Robotertechnik gehört in der Industrie zur Routine, jedoch beinhalten diese Experimente lediglich Endpunktmessungen. Wir möchten mehr Informationen aus den einzelnen Experimenten erhalten, um das Wachstum der Zellen und die Synthese des gewünschten Produktes mathematisch beschreiben zu können. Dafür messen wir während eines Experiments kontinuierlich das Zellwachstum, die Sauerstoffkonzentration und den pH-Wert der Kultur. Zur Steuerung und Auswertung des Experiments haben wir ein Netzwerk aus Programmen entwickelt, das während der Versuchslaufzeit die vorhandenen Daten auswertet, ein mathematisches Modell daran anpasst und Instruktionen an die Roboter für das nächste Zeitfenster weitergibt. Ein Experiment kann so während der Laufzeit einen völlig anderen Verlauf nehmen, als zu Beginn geplant. Dies macht es möglich, die maximale Menge an Informationen zu gewinnen und damit eine möglichst genaue mathematische Beschreibung des Produktionsprozesses zu erhalten.

Dr. Anke Wagner, wissenschaftliche Mitarbeiterin im Fachgebiet Bioverfahrenstechnik

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Ich nutze das Zukunftslabor für die Produktion von Proteinen, die anschließend für die Herstellung bioaktiver Substanzen verwendet werden. Bioaktive Substanzen sind in diesem Fall zum Beispiel Antibiotika oder Krebsmedikamente. Die biologische Synthese neuartiger Wirkstoffe benötigt viele Biokatalysatoren. Im Zukunftslabor kann die Produktion einer großen Zahl von Biokatalysatoren in sehr kurzer Zeit erfolgen. Zahlreiche Parameter des Prozesses können überwacht und ständig optimiert werden. Außerdem ermöglicht das Zukunftslabor die Identifikation neuer Enzymaktivitäten aus Hunderten von neuartigen Proteinen, deren Funktion derzeit noch nicht genau bekannt ist.

Sybille Nitsche, "TU intern" 18. Juli 2017

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