Multiscale Bioengineering - Dr.-Ing. Alexander Grünberger

Die Forschungsgruppe Multiscale Bioengineering unter Leitung von Jun. Prof. Dr.-Ing. Alexander Grünberger wurde im April 2017 an der Technischen Fakultät der Universität Bielefeld neu gegründet, mit dem Ziel neue mikrofluidische Methoden und Werkzeuge für die Biotechnologie und Bioverfahrenstechnik weiterzuentwickeln und zu etablieren.

Forschungsschwerpunkt der Arbeitsgruppe sind vier Themengebiete:

  • Entwicklung und Anwendung von neuen mikrofluidischen Kultivierungsmethoden.
  • Untersuchung von Populationsheterogenität in Bioprozessen.
  • Transfer und Scale-Up von Erkenntnissen von Einzelzellkultivierungen in den Labormaßstab.
  • Erschließung neuer Anwendungsfelder von miniaturisierten Bioreaktorkonzepten.

Die zentralen Fragen, die unsere Forschung motiviert, sind: Wie viel Heterogenität ist gut/schlecht für einen biotechnologischen Produktionsprozess? Können neue biotechnologische Prozesse und Produkte durch gezielte Ausnutzung von Heterogenität oder einer mikrobiellen Symbiose realisiert werden?

Ziel ist deshalb die Analyse der Dynamik mikrobieller Populationen und Gemeinschaften auf Einzelzellniveau mit Hilfe mikrofluidischer Einzelzellbioreaktoren. Im Gegensatz zu konventionellen Kultivierungssystemen ermöglichen diese sogenannten „Pikoliter-Bioreaktoren“ die Analyse zellulärer Prozesse wie Wachstum und Metabolismus individueller Zellen und Zellkolonien mit bisher nicht möglicher räumlicher und zeitlicher Auflösung bei definierter Nährstoffversorgung. Besonderes Interesse gilt hier dem Verhalten einzelner Zellen bei unterschiedlichen aber definierten Umweltbedingungen. Dies dient als Grundlage für weitere Untersuchungen des Einflusses und der Rolle von phänotypischer Heterogenität auf die Stabilität, Robustheit und Produktivität während der Maßstabsvergrößerung von mikrobiellen Bioprozessen. Langfristig sollen sowohl verfahrenstechnische Methoden als auch Ansätze der synthetischen Biologie verwendet werden um potentielle Schwachstellen des Scale-Up zu optimieren und bestenfalls zu eliminieren. Ziel sind kontrollierbare und vorhersagbare Bioprozesse und eine vereinfachte Übertragung der Bioprozesse vom Kleinst- in den Labormaßstab und über den Pilot- bis zum Industriemaßstab.

Diese Themengebiete haben einen hohen interdisziplinären Charakter an der Schnittstelle zwischen Mikrofluidik, Mikrobiologie, Bioinformatik und Bioverfahrenstechnik. Nur durch einen Ausbau dieser interdisziplinären Arbeitsweise lassen sich neue Methoden im Bereich der Biotechnologie langfristig etablieren. Dieses Ziel verfolgen wir gemeinsam mit ausgewiesenen Experten auf ihrem jeweiligen Forschungsgebiet sowohl innerhalb der Universität Bielefeld als auch durch nationale und internationale Kooperationen. Mit unserer Erfahrung an der Schnittstelle zwischen Biotechnologie und Mikrofluidik dienen wir gerne als Ansprechpartner und Diskussionspartner für Fragestellungen in diesem noch neuen aber zukunftsträchtigen Themenfeld.