Vom Protein zur Produktionsanlage. Neues Expressionssystem macht Pichia pastoris zur Hochleistungshefe für die Proteinproduktion. Proteine verbessern unser Leben. Biopharmazeutika geben Patienten neue Hoffnung auf innovative Therapien und der Einsatz von Enzymen in der industriellen Biotechnologie führt zu Ressourcen schonenden nachhaltigen Herstellungsprozessen für Chemikalien und Wirkstoffe. Mit der wachsenden Nachfrage nach Proteinen steigen aber auch die Anforderungen an die Produktionssysteme. Höhere Reinheit, bessere Raum-Zeit-Ausbeuten und die Fähigkeit, auch komplexe Proteine herzustellen, sind gefordert.

Die VTU Holding ist ein privates Unternehmen mit Niederlassungen in Österreich, Deutschland, Italien und der Schweiz, dessen Kerngeschäft die Planung von Prozessanlagen für diverse Branchen der Chemie darstellt. Seit über 15 Jahren im Engineering für Pharma und Life Science tätig, betreibt die Firma nun mit ihrem Zweig VTU Technology eigene Forschung und Entwicklung im Bereich Biotechnologie. Firmengründer und Geschäftsführer für Innovation Dr. Michael Koncar setzt voll auf diesen Wirtschaftszweig der Zukunft. Dafür wurde eine an der Technischen Universität Graz entwickelte und patentierte Exklusiv-Technologie erworben, durch die sich in der Hefe Pichia pastoris Proteine in hoher Menge und Reinheit herstellen lassen.

Exklusive Technologie

Pichia pastoris ist nicht nur in der Lage, große Mengen an Protein herzustellen, sondern diese auch in die Umgebung abzugeben. Dem eigentlichen Zielprotein wird eine Signalsequenz vorangestellt, die es für die Zelle als extrazelluläres Protein markiert, wodurch das Protein aktiv aus der Zelle geschleust, sprich sekretiert, wird. Diese Sekretion bietet entscheidende Vorteile beim Downstream-Processing: Zur Gewinnung des Proteins müssen die Zellen nicht aufgebrochen werden und das Zielprotein ist kaum durch zelleigene Proteine verunreinigt.

Die Produktion von Proteinen in der Zelle wird durch Promotoren angetrieben, molekulare Schalter, die dem Organismus eine Anpassung an sich ändernde Umgebungsbedingungen ermöglichen. Der stärkste dieser Expressions- Regler in Pichia pastoris ist der AOX1-Promotor, der in Gegenwart von Methanol aktiviert wird und dessen Metabolisierung antreibt. Am Institut für Molekulare Biotechnologie der TU Graz wurden von Franz Hartner und Anton Glieder mit Hilfe der Gentechnik neue Varianten des AOX1-Promotors geschaffen, die unterschiedliche Stärken und Charakteristiken aufweisen. Mit dieser Technologie ist es möglich, für jedes Zielprotein den passenden Promotor zu verwenden, wobei nicht zwangsläufig der stärkste Promotor die höchste Produktivität ergeben muss. Besonders bei solchen Proteinen, deren Produktion eine große Belastung für die Zelle darstellt, führt die sorgfältige Dosierung der Expressionsstärke oft zu höheren Ausbeuten. Auch kann durch Verwendung unterschiedlicher Promotoren eine präzise Feinabstimmung der Expression des Zielproteins und verschiedener gezielt eingeführter Helferproteine erreicht werden. Diese Helfer begünstigen dann etwa die korrekte Faltung des Zielproteins oder unterstützen aktiv dessen Sekretion. Gerade die Kombination aus der einzigartigen Promotor-Technologie und der Co-Expression von Helferproteinen ermöglicht auch in der Herstellung komplexer Proteine Ausbeuten, die mit anderen Systemen nicht möglich sind.

Umfangreiches Know-how

In den eigens eingerichteten modernen Labors von VTU Technology wurden spezielle Protokolle entwickelt, um mit diesem System zuverlässige Ergebnisse in kurzer Zeit zu erhalten. Die parallele einheitliche Kultivierung tausender Klone im Mikromaßstab und Hochdurchsatz-Verfahren für die Analytik ermöglichen es, den besten Produktionsstamm für ein bestimmtes Zielprotein mit vergleichsweise geringem Screening-Aufwand zu finden. Bereits nach Abschluss einer kurzen Machbarkeitsstudie sind innerhalb weniger Wochen Vorhersagen über zu erwartende Ausbeuten im Prozess und damit über die Wirtschaftlichkeit der Proteinproduktion möglich.

Auch an aufbauenden Nachfolgetechnologien und der Erweiterung des Systems wird bereits im Haus und in Kooperation mit universitären Einrichtungen gearbeitet. Eine Verbreiterung der Palette an Promotoren mit neuen Charakteristiken, die Entwicklung weiterer Plattform-Stämme aber auch Innovationen im Bereich der Prozessführung sind hier von Interesse. Im Auftrag von Kunden werden Machbarkeitsstudien für deren Zielproteine durchgeführt und die Fermentationen der Produktionsstämme optimiert.

Flexibles Geschäftsmodell

„Die Anforderungen unserer Kunden sind sehr unterschiedlich“, erklärt Dr. Thomas Purkarthofer, Leiter der Gruppe Biotechnologie. „Während die einen für ein etabliertes Protein ein leistungsfähigeres Expressionssystem suchen, stehen andere in ihrer Produktentwicklung noch am Beginn und sind durch unsere Technologie erstmals in der Lage, ihr Protein in ausreichenden Mengen für Versuche zur Verfügung zu haben.“

Hier kommt den Kunden das flexible Business-Model des Unternehmens zugute. Das Angebot reicht von einer ersten Machbarkeitsstudie über die Weiterentwicklung und Optimierung des Produktionsstamms und der Fermentation bis hin zur Planung etwa bei einer eventuellen Umrüstung bestehender Anlagen beim Kunden oder der Lieferung einer Turn-Key-Anlage. Um die Durchgängigkeit der angebotenen Dienstleistungen sozusagen von der Proteinsequenz bis zur Produktionsanlage zu gewährleisten, wird derzeit in den Bau eines Biotechnikums investiert.

Hier werden im Pilotmaßstab Fermentationsprozesse zur Proteinherstellung inklusive der nachfolgenden Aufarbeitung zum fertigen Produkt abgebildet und Daten für das weitere Scale-Up generiert. Für die großtechnische Implementierung beim Kunden kommt dem Unternehmen seine langjährige Erfahrung im Bereich Anlagen-Planung und Engineering, besonders auch unter der Voraussetzung der GMP-Compliance, zugute. „Gerade diese Vorwärtsintegration durch die Zusammenarbeit der Sparten Technologieentwicklung und Anlagenplanung zeichnet uns aus und unterscheidet uns von Anbietern reiner Auftragsforschung“, sagt Dr. Michael Koncar nicht ohne Stolz.

Kontakt:
Dr. Thomas Purkarthofer
VTU Technology GmbH, Grambach/Österreich
Tel.: +43 316 4009 4017
Fax: +43 316 4009 4010
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