Smarte Fermentation für die Aquakultur: Wie ein VOC-Sensor die Herstellung innovativer Tilapia-Impfstoffe revolutionieren kann

Dr. Ansgar Stratmann (W42 Industrial Biotechnology) mit dem fermSYS - CUBE im Labor

Die globale Aquakultur wächst rasant – und mit ihr die Herausforderung, Fischbestände wirksam vor viralen und bakteriellen Erkrankungen zu schützen. Besonders in der Tilapia-Zucht verursachen pathogene Viren/Bakterien erhebliche wirtschaftliche Verluste. Eine vielversprechende Lösung ist die Entwicklung neuartiger, für die orale Einnahme geeignete Impfstoffe auf Basis rekombinanter Hefe.

In diesem Entwicklungsprojekt von W42 Industrial Biotechnology wird Komagataella phaffii (früher Pichia pastoris) als Produktionsplattform für einen multivalenten Impfstoff gegen zwei bedeutende virale Fischpathogene eingesetzt. Das Besondere: Die Hefezellen selbst werden nach der Fermentation als funktioneller Bestandteil des Fischfutters eingesetzt. Damit wird die Hefe gleichzeitig zur Produktionszelle, Verpackung und zum natürlichen Immunverstärker.

Doch wie überwacht man einen solchen Prozess effizient? Hier kommt die Echtzeit-Messung flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs) ins Spiel.

Impfstoffproduktion in Hefe: Ein „Whole-Cell Vaccine“-Ansatz

Das Ziel des Forschungsprojektes ist die Herstellung künstlich designter Proteine, die mehrere immunologisch relevante Epitope aus zwei viralen Tilapia-Pathogenen kombinieren. Die Epitope werden mithilfe rationaler Designstrategien und KI-gestützter Analysen ausgewählt.

Das resultierende Multiepitope-Protein wird in Komagataella phaffii exprimiert. Nach der Kultivierung werden die Hefezellen geerntet, getrocknet und direkt in das Fischfutter eingemischt.

Vorteile dieses Ansatzes

• Keine aufwendige Proteinreinigung

• Für die orale Einnahme geeignet 

• Die Hefezellwand wirkt als natürlicher Immunverstärker und unterstützt die Ausbildung einer starken Schutzreaktion.

• Geringere Produktionskosten

• Skalierbar für industrielle Anwendungen

Der Fermentationsprozess

Die Produktion folgt einem etablierten Hochzelldichteprozess und hat folgende Phasen:

1. Glukose-Batch: Schnelles Zellwachstum und Aufbau erster Biomasse.

2. Glycerin-Fed-Batch: Kontrollierter, respirativer Stoffwechsel zur Erzeugung sehr hoher Zelldichten.

3. Übergangsphase: Beginn der Methanol Fütterung und Adaption der Zellen auf den MeOH-Stoffwechsels. Aktivierung des Pw42-2 Promoters in dem Zeitfenster von Minute 1500 - 1750.

4. Methanol-Induktion:

   • Umstellung der Zellen auf einen „mixed-feed“ aus Glycerin und Methanol, schrittweiser Erhöhung der MeOH Konzentration und Produktion des rekombinanten Impfproteins. Ab Minute 3000 ist die finale Glycerin/MeOH Mischung erreicht, die eine optimale Produktion ermöglicht.

   • Zelldichten von OD₆₀₀ > 400 sind dabei realistisch – und wurden in unserem Prozess bereits erreicht.

VOC-Monitoring: Ein Blick in den Stoffwechsel

Flüchtige organische Verbindungen entstehen als Nebenprodukte des Zellstoffwechsels und können online im Abluftstrom erfasst werden.

Ein VOC-Sensor liefert damit zusätzliche Informationen über den physiologischen Zustand der Kultur:

• Substratüberschuss

• Overflow-Metabolismus

• Adaptionsphasen

• Stressreaktionen

• Stationäre Produktionsphasen

Interpretation des VOC-Signals über den Prozess

VOC Messkurve für eine Fermentation mit Komagataella phaffii (früher Pichia pastoris) als Produktionsplattform für einen multivalenten Impfstoff

Hoher VOC-Wert im Glukose-Batch (Phase 1)

Zu Beginn wurde ein deutliches Signal beobachtet. Dies deutet auf die Bildung flüchtiger Metaboliten wie Alkohole oder organischer Säuren hin – ein typisches Zeichen für Overflow-Metabolismus.

Rückgang im Glycerin-Fed-Batch (Phase 2)

Mit dem Wechsel auf Glycerin sank das Signal deutlich. Dies ist charakteristisch für einen respirativen Stoffwechsel mit geringer Nebenproduktbildung.

Anstieg während der Methanol-Adaptation (Phase 3)

Beim Start der Methanol-Zufuhr stieg das Signal erneut an, vermutlich aufgrund intermediärer Metaboliten, während sich die Zellen an den Methanol-Stoffwechsel anpassten.

Stabile Phase mit Methanol (Phase 4)

Nach der Adaptation zeigte sich ein konstantes Signalniveau bis zum Prozessende – ein starker Hinweis auf metabolische Stabilität und effiziente Methanolverwertung.

Warum ein VOC-Sensor mehr sieht als DO und pH

• Klassische Prozessparameter wie pH, DO oder Temperatur zeigen nur indirekt, was in den Zellen passiert.

• Ein VOC-Sensor misst dagegen unmittelbar die gasförmigen Stoffwechselprodukte und liefert damit:

  • Frühwarnsignale bei metabolischem Stress

  • Informationen über Substratakkumulation

  • Hinweise auf toxische Intermediate

  • Ein Echtzeit-Fenster in den Zellstoffwechsel

Next Step: VOC-gesteuertes Methanol-Feeding

Methanol ist ein leistungsfähiger, aber kritischer Induktor. Eine Überdosierung kann zur Akkumulation toxischer Zwischenprodukte wie Formaldehyd führen.

Die geplante VOC-basierte Regelstrategie in der Methanol-Phase:

• VOC-Signal steigt an: Methanol-Zufuhr reduzieren

• VOC-Signal fällt zu stark ab: Methanol-Zufuhr erhöhen

• VOC-Signal bleibt stabil: Optimaler Produktionszustand

Damit würde das Methanol-Feeding direkt am metabolischen Zustand der Zellen ausgerichtet – nicht nur an indirekten Größen wie DO oder andere.

Vorteile einer VOC-gesteuerten Regelung

• Vermeidung von Methanol-Akkumulation

• Reduzierter Zellstress

• Stabilere Proteinexpression

• Höhere Produktausbeuten

• Schnellere Prozessentwicklung

• Potenzial für Scale-up und Automatisierung

Besonders wertvoll für Whole-Cell Vaccines

Da in diesem Projekt die gesamte Hefe als Impfstoff eingesetzt wird, ist nicht nur die Proteinmenge entscheidend, sondern auch:

• hohe Biomasse

• intakte Zellstruktur

• stabile Physiologie

• reproduzierbare Antigenproduktion

Ein VOC-Sensor hilft dabei, genau diese Faktoren in Echtzeit zu überwachen.

Noch dazu - Live-Daten im Blick – jederzeit und von überall

Wer mit Hochzelldichte-Fermentationen arbeitet, kennt das Gefühl: Noch bevor der erste Kaffee ausgetrunken ist, kreisen die Gedanken bereits um den Bioreaktor.

• Läuft die Methanol-Induktion stabil?

• Ist das VOC-Signal unauffällig?

• Gibt es Hinweise auf Stress oder Feed-Probleme?

• Muss ich sofort ins Labor?

Mit der fermHUB-Datenplattform lässt sich genau diese Unsicherheit deutlich reduzieren. Die Plattform bündelt alle relevanten Prozessdaten in einem zentralen Dashboard. Ob im Büro, im Homeoffice oder unterwegs – der aktuelle Zustand der Fermentation ist jederzeit abrufbar.

Fazit

Die Kombination aus rekombinanter Hefe, KI-basiertem Antigendesign und Echtzeit-VOC-Monitoring eröffnet neue Möglichkeiten für die kosteneffiziente Herstellung oraler Fischimpfstoffe.

Unser Fermentationsverlauf zeigt eindrucksvoll, dass der VOC-Sensor metabolische Übergänge und stabile Produktionsphasen zuverlässig sichtbar macht.

Der nächste logische Schritt ist ein VOC-gesteuertes Methanol-Feeding, das die Zellen genau in dem Zustand hält, in dem sie maximal leistungsfähig sind.

So wird aus einem Sensorsignal ein intelligentes Werkzeug für die Bioprozesssteuerung – und aus Hefezellen ein innovativer Impfstoff für die nachhaltige Aquakultur.

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=> Mehr lesen über Aquakultur und W42:  https://w42biotechnology.de/Aquaculture …

Literatur:

Devereux Taylor, R. (2019, 13. Dezember). Sea lice could be eradicated by new treatment at salmon farms. The Herald.

Dindial, A., Monaghan, S., Haywood, J., McLean, K., Androscuk, D., Thompson, K., Roy, W., & Bron, J. (2025). Investigation of proteins identified in the secretory and excretory products (SEPs) of the infectious copepodid stage of the salmon louse Lepeophtheirus salmonis. Veterinary Parasitology, 340, 110608. https://doi.org/10.1016/j.vetpar.2025.110608