Ein Zukunftslabor in Berlin

  • 48 Experimente können gleichzeitig durchgeführt werden. © TU Berlin/PR/Felix Noak48 Experimente können gleichzeitig durchgeführt werden. © TU Berlin/PR/Felix Noak

Die Automation von 48 Experimenten

Die Kosten für die Entwicklung und Zulassung werden immer mehr zum Hindernis für die Entwicklung von neuen Medikamenten.  Die vollständige Digitalisierung und Automation der Prozesse sind durch die steigende Effizienz und Präzision eine Möglichkeit diesem Trend entgegen zu wirken und wieder mehr Wirkstoffe in die Medikamentenzulassung zu bringen.

Die Entwicklung von neuen Prozessen zur Herstellung von Antibiotika oder Krebsmedikamenten ist langwierig und teuer. Zehn bis 15 Jahre vergehen, bis ein neues Produkt auf dem Markt ist. An der TU Berlin hat das Team um Prof. Peter Neubauer deshalb ein Labor entwickelt, in dem die Entwicklungszeiten verkürzt und die Kosten gesenkt werden. Manuell durchgeführte Laborarbeiten, selbst die manuelle Planung und Auswertung der Experimente sollen der Vergangenheit angehören. Herzstück des Labors sind derzeit zwei Roboter. Einer bearbeitet die Analytik, der andere die Kultivierung der Zellen. Die Kultivierungsbedingungen können für jedes der 48 Gefäße jeweils einzeln festgelegt werden. Damit sind 48 voneinander unabhängige Experimente gleichzeitig möglich. Kultivierung und Analytik sind nicht mehr zeitlich voneinander getrennt.

Der Ansatz von Peter Neubauers Team ist es, alle erforderlichen Schritte in einem Roboter zu integrieren und diesen durch intelligente Computersysteme zu steuern. So wurden Werkzeuge entwickelt, die das Potenzial der Automatisierungstechnik besser ausschöpfen sollen. Es geht dabei in erster Linie darum, sich 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 nutzen diese Experimente meist lediglich Endpunktmessungen.

Um das Wachstum der Zellen und die Synthese des gewünschten Produktes mathematisch beschreiben zu können, sollen mehr Informationen aus den einzelnen Experimenten erhalten werden. Dafür werden während eines Experiments kontinuierlich das Zellwachstum, die Sauerstoffkonzentration und den pH-Wert der Kultur gemessen. Zur Steuerung und Auswertung des Experiments wurde ein Netzwerk aus Programmen entwickelt, dass 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. Das Zukunftslabor wird für die Produktion von Proteinen, die anschließend für die Herstellung bioaktiver Substanzen verwendet werden, genutzt. Bioaktive Substanzen sind in diesem Fall zum Beispiel antivirale Wirkstoffe oder Krebsmedikamente. Die biologische Synthese neuartiger Wirkstoffe benötigt neuartige Biokatalysatoren. Im Zukunftslabor kann die Produktion einer großen Zahl an Biokatalysatoren in sehr kurzer Zeit erfolgen. Zahlreiche Parameter des Prozesses können überwacht und ständig optimiert werden. Außerdem ermöglich das Zukunftslabor die Identifikation neuer Enzymaktivitäten aus hunderten von neuartigen Proteinen, deren Funktion derzeit noch nicht genau bekannt ist.

www.bioprocess.tu-berlin.de

Link zur Pressemitteilung.

 

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