Innovative CEA-based plant production – from greenhouse-based apllications to vertical farming

Im Gegensatz zur Freilandkultivierung schafft „controlled environment agriculture“ (CEA) durch Einstellung spezifischer abiotischer Faktoren wie Temperatur, Luftfeuchte, CO2-Gehalt, Licht und Nährstoffkonzentration kontinuierliche und reproduzierbare Bedingungen für die Kultivierung von Pflanzen. Die häufigste Anwendung von CEA findet sich in Gewächshäusern, die jedoch aufgrund der Glasstruktur äußeren Veränderungen, wie z.B. tageszeit- und jahreszeitabhängigen Sonnenständen, unterliegen. Wird eine konstante Kultivierungsumgebung unter Ausschluss externer Störfaktoren benötigt, kommen geschlossene Pflanzenwuchskammern (sog. Phytotrone) zum Einsatz, die sich insbesondere in der Art der verfügbaren Beleuchtungsquelle (z.B. Natriumdampflampe vs. LED) und der Nettokultivierungsfläche unterscheiden. Aktuelle Entwicklungen verfolgen die vertikale Kultivierung von Pflanzen über mehrere Ebenen im geschlossenen Produktionssystem, was zu einer signifikanten Erhöhung der Produktionseffizienz bei verringertem Flächenbedarf führt und die Möglichkeit für eine lokale Pflanzenproduktion in urbanen Ballungszentren eröffnet. Auf Basis eigener Forschungsansätze aus dem Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME in Aachen werden exemplarisch verschiedene pflanzenbasierte Anwendungen aus den Bereichen der biopharmazeutischen Produktion (MA et al., 2015) sowie der Nahrungsmittelproduktion im Gewächshaussystem bis zum innovativen orbitropalen Vertical Farming System vorgestellt. Der Kultivierungsmaßstab kann hierbei je nach Bedarf von der Einzelpflanze mit Multiparametertestung bis zur Produktion homogener „Pflanzenbatches“ im Pilotmaßstab variieren. Darüber hinaus wird ein Ausblick auf das neue Fraunhofer IME Innovationsraumkonzept „VertiPROD“ gegeben, das den Fokus auf einen holistischen Ansatz zur Erforschung einer biobasierten vertikalen Produktion unter Berücksichtigung eines zirkulären Stoffmanagements im urbanen Umfeld legt.Im Gegensatz zur Freilandkultivierung schafft „controlled environment agriculture“ (CEA) durch Einstellung spezifischer abiotischer Faktoren wie Temperatur, Luftfeuchte, CO2-Gehalt, Licht und Nährstoffkonzentration kontinuierliche und reproduzierbare Bedingungen für die Kultivierung von Pflanzen. Die häufigste Anwendung von CEA findet sich in Gewächshäusern, die jedoch aufgrund der Glasstruktur äußeren Veränderungen, wie z.B. tageszeit- und jahreszeitabhängigen Sonnenständen, unterliegen. Wird eine konstante Kultivierungsumgebung unter Ausschluss externer Störfaktoren benötigt, kommen geschlossene Pflanzenwuchskammern (sog. Phytotrone) zum Einsatz, die sich insbesondere in der Art der verfügbaren Beleuchtungsquelle (z.B. Natriumdampflampe vs. LED) und der Nettokultivierungsfläche unterscheiden. Aktuelle Entwicklungen verfolgen die vertikale Kultivierung von Pflanzen über mehrere Ebenen im geschlossenen Produktionssystem, was zu einer signifikanten Erhöhung der Produktionseffizienz bei verringertem Flächenbedarf führt und die Möglichkeit für eine lokale Pflanzenproduktion in urbanen Ballungszentren eröffnet. Auf Basis eigener Forschungsansätze aus dem Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME in Aachen werden exemplarisch verschiedene pflanzenbasierte Anwendungen aus den Bereichen der biopharmazeutischen Produktion (MA et al., 2015) sowie der Nahrungsmittelproduktion im Gewächshaussystem bis zum innovativen orbitropalen Vertical Farming System vorgestellt. Der Kultivierungsmaßstab kann hierbei je nach Bedarf von der Einzelpflanze mit Multiparametertestung bis zur Produktion homogener „Pflanzenbatches“ im Pilotmaßstab variieren. Darüber hinaus wird ein Ausblick auf das neue Fraunhofer IME Innovationsraumkonzept „VertiPROD“ gegeben, das den Fokus auf einen holistischen Ansatz zur Erforschung einer biobasierten vertikalen Produktion unter Berücksichtigung eines zirkulären Stoffmanagements im urbanen Umfeld legt

Yeast and plant cells as biofactories for recombinant proteins : evaluation of novel expression and downstream processing strategies

In this thesis, the applicability of several novel developments in protein purification and analysis technologies – in particular immobilized metal ion affinity chromatography (IMAC), expanded bed adsorption (EBA) and biomolecular interaction analysis (BIA) – for recombinant protein production in yeast and tobacco was evaluated. These technologies were successfully combined into strategies for the efficient isolation of three His6-tagged recombinant proteins (FSH-specific scFv4813, CEA N-A3 hybrid protein and CEA-specific scFvT84.66) from crude yeast fermentation broth or plant cell extract, with special emphasis on scalability and cost-effectiveness. Expanded bed IMAC was successfully introduced as a novel method for capture of recombinant proteins from plant cell extract. On-line monitoring of recombinant protein purification from P.pastoris fermentation broth by real-time BIA significantly reduced overall process times. The purified proteins were analysed with respect to purity, integrity and reactivity. The aims of this thesis were achieved by the expression and downstream processing of recombinant therapeutic proteins from P.pastoris fermentation broth and N.tabacum BY-2 suspension cells. These results demonstrate the use of yeast and plant cells as biofactories for the production of therapeutic and diagnostic proteins as an important step towards the commercial exploitation of Molecular Farming

Plant cell cultures for the production of recombinant proteins

The use of whole plants for the synthesis of recombinant proteins has received a great deal of attention recently because of advantages in economy, scalability and safety compared with traditional microbial and mammalian production systems. However, production systems that use whole plants lack several of the intrinsic benefits of cultured cells, including the precise control over growth conditions, batch-to-batch product consistency, a high level of containment and the ability to produce recombinant proteins in compliance with good manufacturing practice. Plant cell cultures combine the merits of whole-plant systems with those of microbial and animal cell cultures, and already have an established track record for the production of valuable therapeutic secondary metabolites. Although no recombinant proteins have yet been produced commercially using plant cell cultures, there have been many proof-of-principle studies and several companies are investigating the commercial feasibility of such production systems

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Yeast and plant cells as biofactories for recombinant proteins: evaluation of novel expression and downstream processing strategie

Towards molecular farming in the future: transient protein expression in plants

Molecular farming in plants can be achieved by stable or transient expression of a recombinant protein. Transient expression of recombinant proteins in plants can rapidly provide large amounts of the proteins for detailed characterization. It is fast, flexible and can be carried out at field scale using viral vectors, but it lacks the increases in production volume that can be achieved easily with stable transgenic crops, This review article focuses on discussing the applications of transient expression using viral vectors, biolistic methods or agroinfiltration