High-throughput process optimization techniques in microtiter plates

Brehl, Carl; Büchs, Jochen; Pietruszka, Jörg

doi:41980

High-throughput process optimization techniques in microtiter plates = Hochdurchsatzverfahren zur Prozessoptimierung in Mikrotiterplatten

Brehl, Carl^RWTH*

2022 & 2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Carl Brehl

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2023

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Büchs, Jochen (Thesis advisor)^RWTH* ; Pietruszka, Jörg (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-11-18

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-01548
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/946051/files/946051.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik (416510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
BioLector (frei) ; E. coli (frei) ; Prodigiosin (frei) ; Pseudomonas putida (frei) ; bioprocess (frei) ; cIPTG (frei) ; co-cultivation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Um eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft zu etablieren, ist die Bioökonomie essenziell. Neue bioökonomisch relevante Prozesse müssen machbar, robust und skalierbar sein. Die Entwicklung solcher Prozesse erfordert zuverlässige Hochdurchsatzscreening Verfahren. Für die unterschiedlichen Prozesse sind häufig individuelle Hochdurchsatzscreenings erforderlich. Eine prominente Hochdurchsatzscreening Plattform ist der BioLector. Diese Arbeit umfasst die grundlegende Entwicklung von vier verschiedenen biologischen Screening-Prozessen unter Verwendung mehrerer BioLector-Systeme. Im ersten Teil wird ein Hochdurchsatzscreening für das von P. putida pig r2 produzierte Prodigiosin entwickelt. Das Hochdurchsatzscreening wurde für die Optimierung der Kultivierungsbedingungen eingesetzt, hin zu einer Temperatur von 18 °C und 15 g/L Glukose. Mit Hilfe dieser Methode konnte der Titer im Vergleich zu früheren Versuchen mehr als verdoppelt werden. Im zweiten Teil wurde ein Hochdurchsatzscreening für drei verschiedene fluoreszierende P. putida-Stämme (mCherry, mTagBFP2 und eYFP) entwickelt. Nach der Bestimmung der Messeinstellungen für das fluoreszierende Protein eines jeden Stammes wurden die Kultivierungsbedingungen optimiert. Das Co-Kultivierungssystem wurde etabliert. Es zeigte sich, dass die drei Stämme während der Co-Kultivierung anhand ihrer individuellen Fluoreszenz unterschieden werden konnten. Außerdem wurde Fruktose als bessere Kohlenstoffquelle für die Expression der fluoreszierenden Proteine in P. putida identifiziert. Der dritte Teil zeigte die Entwicklung eines Hochdurchsatz-Screenings für eine verbesserte Tensidproduktion. Mithilfe eines Induktionsprofils konnte gezeigt werden, dass ein co-exprimiertes eYFP genutzt werden kann, um verbesserte Kultivierungsbedingungen für Tenside mit P. putida mRL-eYFP zu identifizieren. Die eYFP-Signale wurden verwendet, um verbesserte Induktionsbedingungen zu identifizieren. Der vierte Teil zeigte die Anwendung einer schrittweisen optischen Induktion mit E. coli FbFP. Es wurde gezeigt, dass eine vielseitige Induktionsstrategie mit Hilfe von Lichtinduktion realisiert werden kann. Komplexe Induktionsstrategien bieten ein neuartiges Werkzeug für das Hochdurchsatzscreening neuer Produktionsverfahren im kleinen Maßstab. Die Entwicklung der Prozessoptimierungsmethoden unter Verwendung des BioLectors zeigt die Leistungsfähigkeit und Anwendbarkeit innovativer Hochdurchsatz-Screenings für eine beschleunigte Prozessentwicklung auf dem Weg zu einer zirkulären Bioökonomie.

On the way to establish a sustainable circular economy, the bioeconomy is essential. Novel bioeconomically relevant processes need to be robust, scalable and feasible. The development of such processes requires reliable high throughput screening processes. For different processes, individual high throughput screenings are required. The BioLector is a prominent high throughput screening platform. This work features the basic development of four different screening processes using multiple BioLector systems. In the first part, a high throughput screening for prodigiosin produced by P. putida pig r2 is developed. The high throughput screening was used to determine optimized cultivation conditions, with a temperature of 18 °C and 15 g/L glucose. With the help of this method, the titer could be increased by more than twofold, compared to the previous experiments. In the second part, a high throughput screening for three different fluorescent P. putida strains (mCherry, mTagBFP2 and eYFP) was developed. After determining the measurement window for the fluorescent protein of each strain, the cultivation conditions were optimized. A co-cultivation system was established. It was shown that the three strains could be differentiated by their individual fluorescence during co-cultivation. Furthermore, fructose was identified as a better carbon source for the expression of the fluorescent proteins in P. putida. The third part showed the development of a high throughput screening for improved surfactant production. Using an induction profiling, it was shown that a co-expressed eYFP could be used to identify improved production conditions for the surfactants with the strain P. putida mRL-eYFP. The eYFP signals were used to identify improved induction conditions. The 4th part showed the application of a stepwise optical induction using E. coli FbFP. It was demonstrated that a versatile induction strategy could be realized by employing light induction. Complex induction strategies offer a novel tool for high-throughput screening of new small-scale production processes. The development of the process optimization methods using the BioLector demonstrates the power and applicability of innovative high throughput screenings for an accelerated process development on the way towards a circular bioeconomy.

OpenAccess:
PDF
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