Dietrich Kohlheyer will die Ursachen dafür herausfinden, um biotechnologische Prozesse zu verbessern und damit die Ausbeute zu steigern. Immer mehr setze sich die Erkenntnis durch, sagt er, dass sich Mikroorganismen nicht unbedingt so gleichförmig verhalten, wie Lehrbücher es beschreiben. Beispielsweise betrachtet seine Arbeitsgruppe Bakterien, die genetisch vollkommen identisch sind. „Man sollte annehmen, dass sie dann auch ähnlich gut arbeiten. Das ist aber nicht der Fall: Es gibt unter ihnen hervorragende und eher schlechte Produzenten“, so Kohlheyer. „Wachsen die schlechten Produzenten zudem besser, sinkt die Effizienz im Bioreaktor.“

Hinzu kommt: In einem großen Reaktionsgefäß treffen die Winzlinge nicht überall auf dieselben Bedingungen. Auch wenn die Flüssigkeit im Inneren ständig gut durchmischt wird, können Zonen entstehen, die sich voneinander unterscheiden – sei es im Nährstoffgehalt, im pH-Wert oder in der Verfügbarkeit von Sauerstoff. Manche der Mikroorganismen reagieren auf diese lokalen Schwankungen, indem sie ihren Stoffwechsel herunterfahren und damit weniger von der gewünschten Substanz produzieren.

„Wir möchten möglichst exakt beobachten, wie sich die Zellen unter den verschiedenen Bedingungen verhalten: Wann gedeihen sie besonders gut? Was passiert, wenn man sie unter Stress setzt?“, erläutert Dietrich Kohlheyer. Dazu hat der Mechatronik-Ingenieur besondere Bauteile entwickelt, mit denen er einzelne Zellen ganz genau unter die Lupe nehmen kann, sogenannte Mikrofluidikchips. Sie sind etwa so groß wie ein Daumennagel und bestehen aus einem transparenten Stück Silikongummi. Durch ihr Inneres ziehen sich vier hauchfeine Kanäle. Links und rechts von jedem Kanal öffnen sich unzählige kleine Kammern, die gerade mal so hoch sind, dass die Mikroorganismen hineinpassen. Die sind typischerweise nur wenige Mikrometer groß, also rund zwanzigmal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares.

Durch die Kanäle können die zu untersuchenden Mikroorganismen in die Chips gespült werden. Im Idealfall gelangt nur eine einzelne Zelle in eine Kammer. Dort wird sie aber nicht lange allein bleiben. Denn Bakterien neigen dazu, sich zu teilen. Schon bald entsteht eine kleine Kolonie von Zellen. Ein Mikroskop rastert in regelmäßigen Zeitinter­vallen die Kammern ab und nimmt Bilder der Kolonien auf. Daraus lässt sich ein Film des Bakterienwachstums im Zeitraffer zusammensetzen.

Bei Bodenbakterien der Gattung Streptomyces konnte das Team aus Jülich zeigen, dass sich die Zellen reproduzierbar und stabil vermehren, wenn sich das Nährstoffangebot in den winzigen Kammern des Chips nicht allzu stark ändert. Diese Mikroorganismen sind wichtige Quellen und Produzenten von Antibiotika und Proteinen. Aber weil die fadenförmigen Zellen zu komplexen Geflechten heranwachsen, gelten sie unter Biotechnologen als schwer zu kultivieren. Kohlheyer: „Unsere Beobachtungen zeigen, dass es für diese industriell bedeutende Bakterienart besonders wichtig ist, die Bedingungen in einem Bioreaktor gut einzustellen um die komplexe Form der Zellgeflechte zu kontrollieren.“

Gesucht: fleißig und robust

Aber nicht nur das Wachstum von Bakterien können die Wissenschaftler mithilfe der Chips verfolgen, sondern auch den Stoffwechsel. Mikro­organismen der Gattung Corynebacterium stellen in Bioreaktoren Glutaminsäure und andere Eiweißbausteine her. Um die guten Produzenten zu erkennen, haben die Forscher deren Erbmaterial so verändert, dass die Bakterien einen fluoreszierenden Farbstoff produzieren, wenn sie bestimmte Stoffwechselvorgänge aktivieren. Unter UV-Licht lässt sich so leicht erkennen, welche Bakterien in der Kolonie gut arbeiten – und welche nicht. Und wie sich das Muster verändert, wenn sich zum Beispiel die Zufuhr an Nährstoffen ändert. Dietrich Kohlheyer: „Unser Ziel ist es, besonders robuste Stämme zu identifizieren, die auch unter schwankenden Bedingungen eine maximale Ausbeute liefern.“

Unternehmen haben sich zwar anfangs skeptisch gezeigt, ob sich die Beobachtungen von den kleinen Zellverbünden in den Mikrofluidikchips auch auf die großen Reaktoren in der Industrie übertragen lassen – denn das Volumen eines Reaktors ist rund eine Billiarde mal größer. Doch mittlerweile sei das Interesse der Biotechnologen in den Firmen geweckt: „Wir konnten sehr schnell Ergebnisse vorlegen, die zeigen, wie stabil eine bestimmte Bakterienart unter verschiedenen Bedingungen wächst. Wohlgemerkt handelt es sich dabei noch um Grundlagenforschung. Im nächsten Schritt wollen wir unsere Erkenntnisse in der Industrie anwenden, um Bakterienstämme und Prozesse zu verbessern,“ sagt Kohlheyer.

Arndt Reuning