KI-gestützte Entwicklung von Zellfabriken

Anfrage

Creative Enzymes setzt computergestützte Systembiologie und Stammentwicklung ein, um mikrobielle Wirte in optimierte Produktionssysteme zu überführen. Unsere Plattform gestaltet den Chassis-Stoffwechsel neu, integriert heterologe Stoffwechselwege und balanciert zelluläre Ressourcen, um kommerziell tragfähige Titer, Raten und Ausbeuten zu erreichen.

Herausforderungen bei der Entwicklung von Zellfabriken

Die Entwicklung von Mikroorganismen für die industrielle Produktion steht vor grundlegenden Zielkonflikten zwischen zellulärer Fitness und menschlich definierten Produktionszielen:

Geringe Produktionseffizienz: Der natürliche Stoffwechsel priorisiert Wachstum und Überleben gegenüber der Produktakkumulation. Der Kohlenstofffluss zu Zielprodukten entspricht typischerweise nur einem kleinen Anteil des theoretischen Maximums; der Großteil wird in Biomasse oder Erhaltungsenergie umgeleitet.
Pathway-Belastung: Heterologe Genexpression und Proteinsynthese verursachen eine erhebliche metabolische Last. Ribosomenallokation, Aminosäureverbrauch sowie der Energiebedarf für Transkription und Translation konkurrieren mit nativen, für die Lebensfähigkeit essenziellen Funktionen.
Wirtsinkompatibilität: Fremde Stoffwechselwege bringen Enzyme mit inkompatiblen Kofaktorpräferenzen, suboptimaler Codon-Nutzung oder toxischen Zwischenprodukten ein, die der Wirt evolutionär nicht tolerieren musste. Die Expression dieser Enzyme löst Stressantworten aus, die Produktivität und genetische Stabilität reduzieren.
Metabolisches Ungleichgewicht: Überproduktion von Zielverbindungen erschöpft Vorläuferpools, depletiert Kofaktorvorräte und erzeugt toxische Nebenprodukte. Der Wirt reagiert mit einer Herunterregulierung der Pathway-Expression oder selektiert gegen Produktionsstämme.

Diese Herausforderungen erfordern ein Chassis-Engineering, das den Wirt als zu optimierende Produktionsplattform betrachtet – nicht lediglich als Behälter für eingeführte Stoffwechselwege.

KI-gestützte Zellfabrik-Plattform

Optimierung des Wirtsstamms

Genomskalige Modellierung identifiziert genetische Modifikationen, die die Vorläuferversorgung erhöhen, konkurrierende Stoffwechselwege eliminieren und die Toleranz gegenüber Produkt- und Prozessstress verbessern. Native regulatorische Netzwerke werden so umverdrahtet, dass – wo vorteilhaft – Produktion gegenüber Wachstum priorisiert wird.

Integration von Stoffwechselwegen

Heterologe Stoffwechselwege werden an chromosomalen Loci integriert, die eine Balance zwischen Expressionsstabilität und minimaler Beeinträchtigung des nativen Stoffwechsels gewährleisten. Codon-Optimierung, Promotorselektion und Operon-Architektur werden auf wirtspezifische Translations- und Transkriptionseffizienz abgestimmt.

Metabolisches Balancing

Kohlenstoff-, Energie- und Redoxflüsse werden so umverteilt, dass sowohl Wachstum als auch Produktion unterstützt werden. Dynamische Kontrollsysteme modulieren die Pathway-Expression in Abhängigkeit vom Zellzustand, verhindern metabolische Überlastung in der exponentiellen Phase und maximieren die Produktion in der stationären Phase.

Produktionsprognose

Machine-Learning-Modelle, die auf Fermentationsdatensätzen trainiert wurden, prognostizieren, wie Genotyp des Stamms und Prozessparameter zusammenwirken und Titer, Rate und Ausbeute bestimmen. Die Prognosen steuern die experimentelle Priorisierung und die Scale-up-Planung.

Fermentationsoptimierung

Prozessmodelle identifizieren optimale Fütterungsstrategien, pH-Profile und Sollwerte für gelösten Sauerstoff, abgestimmt auf die metabolische Kapazität des Wirts und die Anforderungen der Stoffwechselwege. Scale-up-Parameter werden aus Labordaten prognostiziert, um Herstellungsrisiken zu reduzieren.

Stammentwicklung

Genom-Editing setzt die geplanten Modifikationen präzise um: Knock-outs konkurrierender Stoffwechselwege, Überexpression geschwindigkeitslimitierender Enzyme, Einführung von Kofaktor-Regenerationssystemen sowie Abschwächung von Feedback-Inhibition.

Engineering-Workflow

Engineering Workflow

1. Produktionsziel: Zielprodukt, erforderlicher Titer und Herstellungsrestriktionen definieren das Engineering-Ziel. Rohstoffbasis, Maßstab und regulatorische Anforderungen fließen in die Wirtsauswahl ein.

2. Wirtsanalyse: Genomskalige Modellierung charakterisiert den nativen Stoffwechsel: Verfügbarkeit von Vorläufern, konkurrierende Stoffwechselwege, Kofaktorpools und Stressantworten. Genetische Stabilität und bisherige Engineering-Historie werden bewertet.

3. Pathway-Integration: Heterologe Stoffwechselwege werden für die chromosomale Integration mit optimierter Expressionsarchitektur ausgelegt. Codon-Nutzung, Promotorstärke und Operon-Organisation werden an die Translationskapazität des Wirts angepasst.

4. KI-Optimierung: Metabolische Modelle prognostizieren die Auswirkungen genetischer Modifikationen auf Wachstum und Produktion. Eine multiobjektive Optimierung identifiziert Stammdesigns, die Ausbeute mit Robustheit und genetischer Stabilität in Einklang bringen.

5. Fermentationsvalidierung: Entwickelte Stämme werden unter bioreaktorrelevanten Bedingungen charakterisiert. Wachstums-, Produktions- und Metabolitenprofile validieren Modellprognosen und unterstützen die iterative Verfeinerung.

Anwendungsbereiche

Industrielle Biotechnologie

Produktion von Chemikalien, Materialien und Kraftstoffen im industriellen Maßstab in mikrobiellen Wirten mit verbesserter Prozesseffizienz und Wirtschaftlichkeit

Rekombinante Proteinproduktion

Optimierte Sekretion und Faltung therapeutischer und industrieller Proteine mit reduzierter Aggregation und proteolytischem Abbau

Spezialchemikalien

Hochwertige Produkte mit geringem Volumen, die präzise Stereochemie und komplexe biosynthetische Routen erfordern

Synthetische Biologie

Programmierbare Chassis für vielfältige Bioproduktionsanwendungen mit modularer Pathway-Integration und schneller Stammkonstruktion

Zugehörige Wet-Lab-Unterstützung

Leistungen	Beschreibung	Preis
Fermentationsentwicklung	Schüttelkolben- und Bioreaktor-Charakterisierung entwickelter Stämme unter prozessrelevanten Bedingungen. Fed-Batch-, kontinuierliche und Zellrückführungs-Konfigurationen werden hinsichtlich optimaler Produktivität evaluiert.	Anfrage
Stammentwicklung	Genom-Editing mittels CRISPR, Recombineering und transposonvermittelter Integration. Modifikationen umfassen Gen-Knock-outs, Promotorersatz und Pathway-Insertions mit sequenzverifizierten Konstrukten.
Prozessoptimierung	Systematische Bewertung von Medienzusammensetzung, Fütterungsstrategien, pH-Regelung und gelöstem Sauerstoff zur Maximierung von Titer und Produktivität. Scale-up-Parameter werden aus Labordaten abgeleitet.

FAQs

F: Welche Wirtsorganismen entwickeln Sie?

A: E. coli, Hefen (Saccharomyces cerevisiae, Pichia pastoris) sowie ausgewählte bakterielle Chassis. Die Wirtsauswahl richtet sich nach Produktanforderungen, Pathway-Komplexität und vorhandener Herstellinfrastruktur.
F: Können Sie bestehende Produktionsstämme verbessern?

A: Ja. Genomskalige Modellierung bestehender Stämme zeigt häufig ungenutzte Kapazitäten, nicht identifizierte konkurrierende Stoffwechselwege und regulatorische Einschränkungen. Zielgerichtetes Engineering dieser Limitierungen führt oft zu deutlichen Ausbeutesteigerungen.
F: Wie stellen Sie die genetische Stabilität sicher?

A: Chromosomale Integration minimiert Plasmidverlust und Kopienzahlvariationen. Genom-Minimierung entfernt mobile genetische Elemente und Rekombinations-Hotspots. Produktionsstämme werden während längerer Kultivierung auf genetische Drift überwacht.
F: Wie ist der typische Zeitplan?

A: 10–16 Monate von der Zielspezifikation bis zum validierten Produktionsstamm für Produkte mittlerer Komplexität. Projekte zur Stammverbesserung benötigen 6–10 Monate.
F: Unterstützen Sie das Scale-up bis zur Herstellung?

A: Ja. Die Fermentationsentwicklung etabliert Prozessparameter im Labor- und Pilotmaßstab. Technologie-Transfer-Pakete unterstützen die Implementierung in der Kundenherstellung.
F: Kann Zellfabrik-Engineering mit dem Pathway-Design integriert werden?

A: Ja. Wirts-Chassis und heterologe Stoffwechselwege werden gemeinsam entwickelt, um metabolische Kompatibilität sicherzustellen. Als Engpässe identifizierte Pathway-Enzyme werden zur kinetischen Verbesserung an Enzymoptimierungs-Services überführt.

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Projektbeschreibung:

Nur für Forschungs- und Industriezwecke. Nicht für den persönlichen Gebrauch bestimmt. Bestimmte Produkte in Lebensmittelqualität eignen sich für die Formulierungsentwicklung in Lebensmitteln und verwandten Anwendungen.

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