Multiscale modeling: A mathematical-based tool for bioprocess design, control and scale up/down

In einem riesigen Industrietank versucht ein einzeller, seine Arbeit zu verrichten. Er ist eine winzige Fabrik, die Zucker konsumiert und ihn in etwas Nützliches verwandelt, aber er lebt nicht in einer perfekten, gleichmäßigen Welt. In der realen Welt eines großen Bioreaktors ist die Umgebung chaotisch. Die Flüssigkeit vermischt sich nicht augenblicklich; Taschen mit hoher Zuckerkonzentration liegen neben Taschen mit niedriger Konzentration. Die Sauerstoffwerte schwanken, während die Flüssigkeit wirbelt. Jahrzehntelang haben Wissenschaftler versucht vorherzusagen, wie diese Mikroben sich verhalten, indem sie davon ausgingen, dass der Tank eine perfekt durchmischte Suppe sei, in der jede Zelle exakt dieselben Bedingungen vorfindet. Doch diese Annahme scheitert oft. Wenn eine Mikrobe in einer Ecke eines riesigen Tanks plötzlich mit Zucker überflutet wird, reagiert sie anders, als wenn sie sich in einem kleinen, perfekt durchmischten Laborbecher befände. Das Verständnis dieser Lücke zwischen dem kleinen Labor und der riesigen Fabrik ist der Schlüssel dazu, Bioprozesse effizienter, kostengünstiger und zuverlässiger zu machen.

Dies ist die Herausforderung, der sich ein Team von Forschern der Universidad Nacional de Colombia widmet. Sie machten sich daran, ein mathematisches Werkzeug zu entwickeln, das in die unsichtbare Welt eines großen Bioreaktors blicken kann, indem es die Bewegung der Flüssigkeit mit der internen Chemie der Zellen verbindet. Anstatt den Tank als einen einzigen, gleichmäßigen Klumpen zu behandeln, unterteilten sie ihn in viele kleinere Abschnitte, vergleichbar mit einem Gitter aus winzigen Räumen, um zu verfolgen, wie sich Zucker und Sauerstoff durch die Flüssigkeit bewegen. Dann verknüpften sie diese Karte des Tanks mit einem detaillierten Modell der Zelle selbst. Dies ermöglichte es ihnen, zu simulieren, was passiert, wenn ein Puls aus Zucker in das System geleitet wird, wobei sie beobachteten, wie die Flüssigkeit diesen Zucker in verschiedene Teile des Tanks trägt und wie die Zellen an diesen spezifischen Stellen in Echtzeit reagieren.

Die Forscher konzentrierten sich auf einen 22 Kubikmeter großen industriellen Bioreaktor, ein Gefäß, das groß genug ist, um ein kleines Schwimmbecken zu fassen. Sie simulierten ein Szenario, bei dem ein konzentrierter Strom von Glukose, einer Art von Zucker, in den Tank injiziert wurde. In einem kleinen Laborreaktor würde sich dieser Zucker fast sofort verteilen, und jede Zelle erhielte eine winzige, gleichmäßige Dosis. In ihrer Simulation des großen Tanks war die Geschichte jedoch eine ganz andere. Da die Flüssigkeit Zeit benötigt, um sich zu vermischen – manchmal bis zu fast drei Minuten, um gleichmäßig zu werden –, erzeugte der Zucker eine temporäre Welle. Zellen in der Nähe des Injektionspunktes schwammen plötzlich in einem Meer aus Zucker, während Zellen am fernen Ende des Tanks fast gar nichts bemerkten. Die Zeit, die der Zucker zur Verteilung benötigte, war kürzer als die Zeit, die die Zellen zum Verzehren des Zuckers brauchten, was zu einer chaotischen Umgebung führte, in der sich einige Zellen vollstopften, während andere hungerten.

Das Team entdeckte, dass es entscheidend ist, wo man den Zucker zugibt. Als sie die Zugabe des Zuckers am oberen Ende des Tanks simulierten, was in der Industrie gängige Praxis ist, dauerte die Vermischung am längsten. Die Zellen am oberen Ende erlebten einen massiven Zuckerschub, wobei ihre internen Zuckerwerte innerhalb von Sekunden auf mehr als das Hundertfache ihres normalen Niveaus anstiegen. Zellen am Boden des Tanks hingegen bemerkten eine viel geringere Veränderung. Dies schuf eine Situation, in der die gesamte Kultur nicht als eine Einheit agierte, sondern als eine Sammlung verschiedener Gruppen, von denen jede ihre eigene interne Chemie besaß. Die Zellen am oberen Ende waren gezwungen, ihre internen Mechanismen anzupassen, um mit einer plötzlichen Flut fertig zu werden, während die Zellen am Boden so weitermachten, als wäre nichts geschehen. Diese Ungleichmäßigkeit, so fanden die Forscher, konnte zu einer Kultur führen, die weniger effizient ist und weniger des gewünschten Produkts produziert.

Um zu testen, ob sie dies beheben konnten, ließen die Forscher Simulationen mit unterschiedlichen Einstellungen laufen. Sie fanden heraus, dass es half, die Mischblätter einfach schneller drehen zu lassen. Als sie die Geschwindigkeit der Agitation erhöhten, verteilte sich der Zucker schneller, was die gefährlichen Spitzen und Tiefpunkte glättete. Dies ging jedoch mit einem Preis einher. Um die Mischgeschwindigkeit von langsamen 60 Rotationen pro Minute auf schnelle 240 Rotationen pro Minute zu erhöhen, müsste die Energie, die zum Antrieb der Maschine benötigt wird, um den Faktor vierundsechzig steigen. Dies ist eine massive Kostensteigerung, was darauf hindeutet, dass schnelleres Mischen zwar das biologische Problem löst, aber vielleicht nicht die wirtschaftlichste Lösung für eine Fabrik ist.

Die Studie untersuchte auch, wie die Zellen intern reagierten. Die Forscher modellierten das komplexe Netzwerk von Reaktionen innerhalb der Hefezellen und verfolgten, wie diese den Zucker speicherten und nutzten. Sie fanden heraus, dass die Zellen in der Nähe des Zuckerinjektionspunktes enorme Reserven an internem Zucker aufbauten, weit mehr, als sie sofort verwenden konnten. Dieser interne Aufbau war eine direkte Folge der Tatsache, dass die externe Umgebung zu reich an Zucker war, als dass die Zellen ihn schnell verarbeiten könnten. Im Gegensatz dazu konnten Zellen in Bereichen, in denen sich der Zucker bereits verteilt hatte, ein stetiges, ruhiges Tempo beibehalten. Die Simulation zeigte, dass diese unterschiedlichen Umgebungen die Zellen in verschiedene metabolische Zustände versetzen können, was effektiv unterschiedliche „Persönlichkeiten“ innerhalb desselben Tanks schafft.

Letztendlich zeigt die Arbeit, dass die alte Denkweise, Bioreaktoren als perfekt durchmischte Behälter zu betrachten, für großtechnische Operationen unzureichend ist. Die Forscher zeigten, dass die Zeit, die die Flüssigkeit zum Mischen benötigt, und die Zeit, die die Zellen zur Reaktion benötigen, zwei konkurrierende Kräfte sind. Wenn sich die Flüssigkeit langsam bewegt, entstehen Gradienten, die die Zellen dazu zwingen, sich je nach Standort unterschiedlich zu verhalten. Durch die Nutzung ihres neuen Werkzeugs, um diese Interaktionen abzubilden, können Ingenieure nun genau sehen, wo diese Probleme auftreten. Sie können verschiedene Designs testen, wie etwa das Versetzen des Zuckerinjektionspunktes in die Mitte des Tanks, was laut den Simulationen zu wesentlich sanfteren Bedingungen für die Zellen führen würde. Dieser Ansatz bietet eine Möglichkeit, bessere Bioreaktoren zu entwerfen und sie präziser zu steuern, um sicherzustellen, dass jede Zelle im Tank, von oben bis unten, in Harmonie arbeitet, anstatt gegen eine chaotische Umgebung zu kämpfen.