Aktuelle Veranstaltungen

Today, the strategic alliance ‘ZeroCarbonFootprint – ZeroCarbFP’ is exploring the ways in which this hidden potential could be recovered. The twelve participating partners in the alliance, which officially began work in 2013, are hunting for microorganisms that can use the carbon-rich wastes as substrates and in the process convert them into valuable building blocks and substances for industry. Around half of the funding for the approximately 48 million-euro alliance is being provided by the BMBF as part of the ‘Innovation Initiative Industrial Biotechnology’ programme.

Every day, around 10 million cubic metres of wastewater flow through the German sewage networks and onward to various plants for treatment. This wastewater carries masses of organic cargo, meaning also significant quantities of carbon and energy, and to date represents a largely untapped resource. Such carbonic waste streams can also be created outside of the wastewater sector: Biodiesel production process also produces crude glycerine, bioethanol production results in CO2, and the process of bioleaching in mining leaves behind a metal-enriched broth.

Valuable resources lying dormant

“We want to unlock these waste streams as a source of raw materials, with the aim of manufacturing innovative products,” says Dirk Bogaczyk from Emschergenossenschaft, one of Germany’s largest associations for water management. Bogaczyk is also coordinator of the ‘ZeroCarbFP’ strategic alliance. “Among the products that we want to manufacture are chemicals for de-icing and coolants, high-performance additives for lubricants, as well as oils and basic chemicals for the plastics industry,” says Bogaczyk. Technologies for bioleaching (also known as ore leaching) as well as biotechnological procedures aimed at increasing energy yields from wastewater are also being developed.Since July 2013, seven companies in research, industry and the public sector have joined forces as part of a unique alliance. Working alongside Emschergenossenschaft is BRAIN, Fuchs Schmierstoffe, Enzymicals, Bioeton, Ceritech and Südzucker. Including academic research partners, the nine-year strategic alliance comprises a total of 12 partners from across Germany.

Microorganisms take central place

A key role in the alliance is being taken by a number of naturally occurring and specialised microorganisms, which will utilise the carbon-rich waste as a foodstuff. Thereby, their metabolism converts the waste materials into interesting chemicals. A team of microbiology specialists headed by Guido Meurer from Zwingenberg-based BRAIN AG have scoured not only the vast bioarchives at BRAIN but have also taken site samples from industrial plants operated by partners in the alliance, with the aim of discovering microorganisms that display a special talent for this task of conversion. The best candidates are optimised using biotechnological techniques to prepare them for application in industrial production.

Single cell oils from wastewater

ZeroCarbFP consists of five sub-programmes that are each focused on a different waste material with a specific valuable product for later commercialisation. The sub-programme ‘Additive 2’, for example, concerns the exploitation of wastewater. Here, fermenting in a series of digesters is a mixture of microbes that creates biogas from the organic materials. For this biogas to burn well, the methane content must be as high as possible. “The alliance is thus looking for organisms that can use the wastewater residues to produce oils and lipids or enhanced methane gas in our bioreactors,” says Bogaczyk. Thereby, the microbial oils known as single-cell oils are especially desirable. These are distinguished by a unique fatty acid composition and are well suited for use in energy production, as a platform chemical, or as an additive in the lubricant industry.

Microbial fuel cell delivers power

There have already been some promising results: “The scientists at BRAIN have found a number of different microorganisms for the production of oils,” says Bogaczyk. These candidates will now be subject to further investigation, while alliance partners are already considering how best to incorporate the oil-bacteria in their sewage plant operations. The latent energy in wastewater is the focus of a separate sub-project being pursued by researchers from the Karlsruhe Institute of Technology (KIT) together with Emschergenossenschaft. The two partners are currently experimenting with microbial fuel cells in the laboratories in Karlsruhe with the aim of optimising bacteria-based electricity production. In the future, they will also carry out their research in the test sewage plants operated by Emschergenossenschaft in Dinslaken. At their first annual meeting in September 2014, the alliance was able to report positive news from all five sub-programmes: all objectives set for this time have been achieved. The first patent applications are now being compiled, covering the microorganism-based production of speciality products such as coolants, lubricant additives and base chemicals from waste materials. The alliance has commissioned an analysis and quantification of sustainability aspects to ensure that the biobased processes and products are sustainable. The objective here is to find out how much CO2 can be saved by the innovative process and the precise environmental contribution made by utilising waste materials as a source of raw materials.

Author: Philipp Graf

Tobias May ist mit Leib und Seele Forscher. Seine Passion die Zelllinien-Entwicklung. Dass der gebürtige Niedersachse irgendwann seine eigene Firma haben würde, war für ihn noch vor zehn Jahren weder gewollt noch vorstellbar. Seit 2011 ist der promovierte Biochemiker Mitgeschäftsführer des Braunschweiger Start-ups Inscreenex, einer Ausgründung des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI). Das Start-up bietet von ihm entwickelte neuartige gewebsähnliche Zellkulturen zur Wirkstoffidentifizierung an. Der Clou: die gewebeähnlichen Zellkulturen für Leber oder Lunge könnten langfristig helfen, Tierversuche in der Pharmaindustrie zu minimieren oder zu ersetzen. Bei der Entwicklung der Technologie kam der Firma auch eine Förderung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Initiative „KMU-innovativ: Biotechnologie“ zugute.

Die Entwicklung neuer Wirkstoffe in der Pharmaindustrie ist extrem aufwendig und die Erfolgsquote mit zehn Prozent eher gering. Das heißt, 90 Prozent aller Wirkstoffkandidaten bleiben während der klinischen Studien auf der Strecke. „Das ist ein wesentlicher Grund dafür, dass die Zahl der neuen medizinisch wirksamen Substanzen, die auf den Markt gelangen, in den letzten Jahren abgenommen hat. Diese enorme Ausfallquote macht deutlich, wie ineffizient der derzeitige Wirkstoffidentifizierungsprozess ist“, sagt Tobias May. Über zehn Jahre seiner wissenschaftlichen Laufbahn hat der promovierte Biochemiker nach einem Weg geforscht, die teure und aufwendige Medikamentenentwicklung zu verbessern. Seine Ausdauer wurde belohnt. Eine von ihm mitentwickelte Technologie steht inzwischen Forschern, Pharma- und Biotechfirmen zur Verfügung. Sie wird von der Inscreenex GmbH angeboten, deren Mitgeschäftsführer May seit 2011 ist.

Bakterien für ihren Einsatz in der biotechnologischen Produktion zu trimmen,  ist ein kniffliges Unterfangen. Mal produzieren die Mikroben ein gewünschtes Enzym, ein anderes Mal wiederum nicht. Der Grund für dieses oft widerspenstige Verhalten bleibt dem Forscher oft verborgen. In dem Verbundprojekt  P27 des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützten Clusters Biokatalyse 2021 wollen Forscher das Produktionsverhalten eines wirtschaftlich sehr interessanten Bakteriums optimieren: Es handelt sich um Bacillus subtilis, den Heubazillus. Die Bakterien sollen für die Produktion von Proteinen und Enzymen fit gemacht werden, die sowohl von der Lebensmittel- als auch von der pharmazeutischen Industrie geschätzt werden.

Die Forscher im Cluster Biokatalyse 2021, einem von vier Netzwerken der BMBF-Förderinitiative BioIndustrie 2021, beschäftigen sich mit Projekten der industriellen Biotechnologie. Dazu gehört auch das Projekt mit der Nummer P27 mit dem Titel: „Neue Bacillus Expressionssysteme“. Das BMBF fördert das Vorhaben mit insgesamt 760.000 Euro über die Dauer von drei Jahren.

Eigentlich wollte Arno Cordes Brauereitechnologie studieren. Doch das Studium war ihm zu fad und so entschied sich der Niedersachse für die Biotechnologie. Im Nebenfach "Brauerei und Brennerei" destillierte der Praktikant zunächst aus den angefallenen Restbieren "eine Art Whisky" für die Labormitarbeiter an der TU Berlin. In der Herstellung von Enzymen fand der Biotechnologe vor vielen Jahre dann seine Nische. Seit fast 24 Jahren ist Arno Cordes nun Chef des Enzymherstellers ASA Spezialenzyme. Seine Firma produziert Enzyme und Bakterienmischkulturen für die Industrie, die unter anderem in biologischen Reinigern für Gewässer zum Einsatz kommen.

"So ein echter Selbstläufer, eine Art Cashcow, das fehlt uns noch“, räumt Arno Cordes ein. Gleichwohl kann der heute 59-jährige Vater von drei Töchtern und Chef  des Enzymherstellers ASA Spezialenzyme auf eine bemerkenswerte Firmengeschichte zurückblicken. Denn die Biotech-Konkurrenz in Deutschland hat er im Durchschnitt locker mehrfach überlebt. Klar, mit 16 Mitarbeitern und Jahresumsätzen von etwa einer Million Euro ist die Firma kein Schwergewicht. Doch Cordes hat sich mit der Herstellung von Enzymen und Bakterienkulturen erfolgreich seine Nische geschaffen.

Von Entrostungsgel bis Gewässerreiniger

Angefangen hat alles in der Waschküche seines Hauses: "Es geht nicht klischeehafter, es war aber so", gibt er schmunzelnd zu Protokoll. Bei der Gründung 1991 kann er preiswert auf die Ausstattung seines Ex-Brötchengebers, die Braunschweiger Biotechnologie GmbH, zurückgreifen. Der Enzymexperte musste nach einem Verkauf an eine Schweizer Immobiliengruppe schließen. Deren Urteil: nicht innovativ genug. Cordes war zuletzt Geschäftsführer und musste den 30 Mitarbeitern kündigen. Als die Nachfrage nach den Enzymen in den folgenden Monaten aber nicht abebbte, entschloss er sich, auf eigene Faust weiterzumachen. "Auch die Bakterien- und Pilzstämme konnte ich einfach so mitnehmen", erinnert sich der Niedersachse.

Biologisches Entrostungsgel ist in der Oldtimer-Szene gefragt

1993 stellte er die ersten beiden Mitarbeiter ein. Zu den eigenentwickelten Enzymprodukten gehört zum Beispiel ein biologisches Entrostungsgel, welches vor allem in der Oldtimer-Szene gefragt ist. Neben der Enzymherstellung etablierte sich bald ein neuer Geschäftszweig: die Herstellung von Bakterienmischkulturen. "Als sich die Umsätze ab 1995 eine Zeit lang jährlich verdoppelten, wusste ich, dass es mit der Firma auch längerfristig klappen könnte", so der 59-Jährige. "In Deutschland gibt es neben uns meines Wissens nur noch eine Firma, die Bakterienkulturen in großen Mengen kommerziell herstellt", so Cordes.

Biologischer Reiniger für Gewässer

Das wichtigste Produkt gibt es in vielen Baumärkten zu kaufen: ein biologischer Reiniger für Gewässer. Unter der Marke des Aquarien-Spezialisten Dennerle geht die Bakterienkultur an den Endkunden, mit interessierten Kommunen spricht ASA Spezialenzyme direkt. Die in den Produkten enthaltenen Bakterien reduzieren Ammonium, Ammoniak, Nitrit und Nitrat im Gewässer und haben so bereits in etlichen deutschen Badeseen für eine gute Wasserqualität gesorgt. Die Methode gilt als deutlich schonender für das Ökosystem als das Ausbaggern des Sees, hält aber dafür nicht so lange vor.

Wer mag sich da noch gerne das Gesicht eincremen? Konservierungsstoffe in Kosmetikprodukten wie Formalin oder Parabene verlängern zwar die Haltbarkeit der Creme und verhindern das Wachstum von unerwünschten Bakterien und Pilzen, doch leider rufen sie häufig Allergien und Unverträglichkeiten hervor und wirken im schlimmsten Fall sogar krebserregend. Eine Alternative zu chemisch synthetisierten Konservierungsmitteln könnte die natürlich vorkommende Zimtsäure sein. Im Rahmen des Projekts Biokatalyse2021 P23 wurde die industrielle Umsetzung der Aminosäure L-Phenylalanin zur trans-Zimtsäure über den Zeitraum von drei Jahren gefördert. Die Ergebnisse können sich sehen lassen.

Die E-nema Gesellschaft für Biotechnologie und biologischen Pflanzenschutz produziert die Zimtsäure in der Zwischenzeit in industriellem Maßstab mit einer Reinheit von 95% bis 100%. „Wir verkaufen das Produkt an einen Großhändler, der es wiederum an verschiedene Kosmetikfirmen abgibt“, erzählt Arne Peters, promovierter Biologe und Mitbegründer der E-nema. Bis die Firma im schönen Schwentinental in Schleswig-Holstein so weit war, floss viel Forschungsarbeit in die Optimierung der Produktion.

Dagmar Köhler-Repp war Mitte 20, als sie den Sprung in die Selbständigkeit gewagt hat. Gleich nach ihrem Studium gründete die frischgebackene Diplom-Biologin die Tierimpfstoff-Firma Ripac-Labor. Was 2001 als Ein-Mann-Betrieb im Keller der elterlichen Wohnung in Berlin begann, ist heute ein High-Tech-Unternehmen mit Sitz im Wissenschaftspark Potsdam-Golm. 2014 wurde die erfolgreiche Geschäftsfrau und zweifache Mutter als Brandenburgs Unternehmerin des Jahres ausgezeichnet.

Wenn die Eltern, der Mann und die Studienfreunde eingespannt sind, dann kann mit Fug und Recht von einer echten Familienfirma gesprochen werden. Initiiert und dirigiert wird das Ensemble von Dagmar Köhler-Repp, die 2001 die Tierimpfstoff-Firma Ripac-Labor GmbH gegründet hatte – im Keller des Elternhauses und mit ihr selbst als einziger Angestellten. Ganz allein war sie allerdings doch nicht, wie sie selbst zugibt: „Ich wurde von meiner Familie extrem unterstützt.“ Köhler-Repps Vater ist Tierarzt im Ruhestand und schaut auch heute noch regelmäßig in der Firma nach dem Rechten. „Auch der Firmenname geht auf eine Beratung mit meinen Eltern und meinem Bruder zurück“, erinnert sich die 39-Jährige. In dem Akronym sind die Erreger wichtiger Infektionskrankheiten bei Nutztieren versteckt. So steht zum Beispiel „Ri“ für Riemerella-Bakterien, die bei infizierten Enten zu zentralnervösen Störungen und damit Lahmheit und Apathie sowie zu ernsten Lungenproblemen führen.

Die Tiergesundheit im Blick

Ripac stellt nach der Diagnose der Art und des Serotyps des Erregers sogenannte bestandsspezifische Impfstoffe her, mit denen zum Beispiel die Tiere einer Entenherde behandelt werden. Der Effekt: Sind die Eltern geimpft, weisen die Jungtiere schützende Antikörper auf und bleiben gesund. Die Infektionswelle ebbt ab. „Mein Vater hatte damals eine Lücke bei der Versorgung der Tierwirte mit derartigen Impfstoffen ausgemacht“, so Köhler-Repp. „Da mich die Selbständigkeit schon immer gereizt hat, habe ich direkt nach meinem Studium diese Nische besetzt.“ Und das ziemlich erfolgreich: Das ehemalige Ein-Frau-Unternehmen beschäftigt heute 22 Angestellte. Neben dem Schutz für Enten und andere Wasservögel entwickelt Ripac Impfstoffe für Hühner, Schweine, Kaninchen und Rinder. Besonders spannend wird es für das Team, wenn ein Tierarzt aus einem Zoo anruft. So wurden zum Beispiel schon Vakzine für Okapis, Robben und Totenkopfäffchen nachgefragt.

Dagmar Köhler-Repp was in her mid-twenties when she took the brave step into self-employment. Immediately after completing her studies, the graduate founded the veterinary vaccine company Ripac-Labor. What began as a one-person operation in the basement of her parents' apartment in Berlin in 2001 is now a high-tech company based in Science Park Potsdam-Golm. In 2014, the successful businesswoman and mother of two was named Brandenburg Entrepreneur of the Year.

If the parents as well as husband and friends from student days are included in the picture, then it is no exaggeration to call Ripac-Labor a family company. The ensemble is conducted by Dagmar Köhler-Repp, who founded the veterinary vaccine company Ripac-Labor in 2001 from the basement of the family home, with herself as the sole employee. However, as she herself admits, she was not entirely on her own: “I had fantastic support from my family.” Köhler-Repp’s father is a retired veterinarian, and still today is actively involved in the company. “Even the company name goes back to a conversation with my parents and brother,” recalls the 39-year-old. The acronym derives from the names of pathogens for significant infectious diseases in farm animals. ‘Ri’, for example, stands for Riemerella bacteria, which is associated with central nervous system disturbances in ducks, and which leads to lameness and listlessness, as well as serious lung problems.

Veterinary health in her sights

Following a diagnosis, and depending on the type and serotype of the virus, Ripac can provide so-called autogenous vaccines. The effect: If the parents are vaccinated, the offspring will carry protective antibodies and remain healthy. The wave of infection then recedes. “Back then, my father spotted a gap in how animal farmers were supplied with such vaccines,” says Köhler-Repp. “As I had always been interested in working independently, I immediately concentrated on this niche after my studies were finished.” And with no small amount of success: The former one-woman company now has 22 employees. Alongside protection for ducks and other waterfowl, Ripac also develops vaccines for chickens, pigs, rabbits and cattle. The team is always particularly pleased to get a call from a zoo. Among others, they have assisted with vaccines for okapi, seals and squirrel monkeys.

Im Julius Kühn-Institut (JKI) in Groß-Lünewitz spielt in den kommenden drei Jahren der Roggen eine große Rolle. Im Forschungsprojekt RYE-SELECT untersuchen Molekularbiologen das Erbgut der bedeutenden Getreidesorte, um gezielter als bisher Sorten mit besseren Eigenschaften züchten zu können. Der Startschuss für das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Förderinitiative "Pflanzenbiotechnologie der Zukunft“ mit knapp zwei Millionen Euro geförderte Verbundvorhaben fiel im Oktober. An dem Verbundprojekt sind neben JKI-Wissenschaftlern auch Forscher aus München, Hohenheim und Gatersleben beteiligt.
Roggen ist außerordentlich vielseitig. Als Brotgetreide hat die Getreidesorte einen hohen ernährungsphysiologischen Wert. Die Bedeutung des Roggens als Futtergetreide und als erneuerbarer Energieträger, der Biomasse-Fruchtfolgen ergänzen und auflockern kann, wächst. Roggen ist weit verbreitet, was seiner Ertragsstärke, aber auch seiner Anspruchslosigkeit und Widerstandsfähigkeit zuzuschreiben ist. Als Wintergetreide legt er im Frühjahr das schnellste Pflanzenwachstum vor und liefert sichere Erträge auch auf leichten Sandböden, auf denen andere Kulturarten nicht mehr gedeihen.

Die Wildtier-Tuberkulose ist eine schleichende Krankheit: Von der Ansteckung bis zum Ausbruch vergehen oft Monate oder Jahre. Genügend Zeit, in der die Krankheit vom Wild- auf ein Nutztier überspringen kann. Wegen der zunehmenden Beliebtheit von Rohmilchprodukten könnte die Tierkrankheit dann – zum Beispiel über infizierte Kühe –auch für den Menschen zur Gefahr werden. Im Rahmen des europäischen Netzwerks EMIDA hatten Forscher aus Deutschland, Österreich, Italien und der Schweiz das Auftreten von Tuberkulose bei Rotwild in den gefährdeten alpinen Regionen untersucht. Ziel von "TB Alpine Wildlife": Eine länderübergreifende Gesundheits- und Kontrollstrategie entwickeln sowie die zur Verfügung stehenden diagnostischen Methoden verbessern.

Rinder und Wildtiere können an Tuberkulose (Tb) erkranken, wenn sie sich mit dem Erreger Mycobacterium bovis oder Mycobacterium caprae infizieren. Durch den Kontakt mit erkrankten Tieren oder den Verzehr von kontaminierten Lebensmitteln sind auch Ansteckungen von Menschen möglich. „Speziell in alpinen Regionen werden Rohmilchprodukte wieder als Premiumartikel beworben. Dadurch steigt die Gefahr der Übertragung auf den Menschen", berichtet Mathias Büttner, Chef-Virologe des Bayerischen Landesamts für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit und einer der deutschen Partner im Forschungsverbund "TB Alpine Wildlife".

Ein Hotspot des Berliner Start-up-Booms, die Factory, war in diesem Jahr Schauplatz der sechsten „Innovationsakademie Biotechnologie“. Der exklusive Workshop – eine Initiative des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) – fand vom 19. bis 20. November im Rahmen der „Gründerwoche Deutschland“ statt. 50 findige Gründungswillige, Wirtschaftsexperten und Designer waren dabei, um in bunt gemischten Teams neue Ideen für biotechnologische Produkte oder Dienstleistungen zu suchen. Getreu dem diesjährigen Motto „Visionären Geschäftsideen Gestalt geben“ ging es darum, nicht nur abstrakte Geistesblitze, sondern möglichst etwas Greifbares zu präsentieren. Eine Nanopartikel-Therapie gegen Krebs, ein Hightech-Zahnimplantat sowie ein Online-Archiv für Ethnomedizin – am Ende konnten drei Teams besonders überzeugen. Sie erhalten 50.000 Euro, um ihre Ideen weiter auszuarbeiten.

Die „Factory“ bezeichnet sich selbst als Deutschlands größter Start-up-Campus, jede Menge junger IT-Firmen als auch erfolgreiche Größen wie Twitter oder Soundcloud haben sich in dem modernen Gebäudekomplex direkt neben der Mauer-Gedenkstätte Bernauer Straße angesiedelt. Der langgezogene Veranstaltungsraum im Keller der Factory, gesäumt von unverputztem Mauerwerk und schwarzen Stahlträgern, bot das geeignete Umfeld für zwei Tage intensive Werkstattatmosphäre.

Ob Kokain, Heroin oder Amphetamine: Drogen sind eine Gefahr. Nicht nur für diejenigen, die sie konsumieren und dabei gesundheitliche Folgeschäden oder Abhängigkeit riskieren. Gefährdet ist oft auch das Umfeld, zum Beispiel im Straßenverkehr. Seit mehreren Jahren schon steht der deutschen Polizei ein biotechnologischer Schnelltest zur Verfügung, mit dem insgesamt zehn verschiedene Rauschmittel nachgewiesen werden können. Statt einer aufwändigen Blutuntersuchung ist hier nur noch ein Speichelabstrich notwendig. Der Test ist nun im Rahmen einer Förderung durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) weiterentwickelt worden. Jetzt ist es auch möglich, die Konzentration der untersuchten Rauschmittel im Körper zu bestimmen.

"Denken Sie an einen Lackmustest", sagt Michael Matallana. Der Geschäftsführer der Matest Systemtechnik GmbH will es nicht zu kompliziert machen. "Auch bei unserem System gibt es einen Papierstreifen, der mit der zu untersuchenden Probe bestrichen wird."

Vor mehreren Jahren hat das Diagnostik-Unternehmen aus Baden-Württemberg einen Speichel-Schnelltest zum Drogennachweis entwickelt, der die Arbeit der Polizei inzwischen  deutlich erleichtert. Statt Blutuntersuchungen geht es nun ganz einfach: Wie bei dem bekannten Verfahren zur Bestimmung des pH-Werts wird das Ergebnis durch eine Verfärbung des Streifens angezeigt.

Konzentration von zehn Rauschmitteln erfasst

Nun hat Matest diesen Ansatz noch weiter ausgebaut, um auch die Konzentration von insgesamt zehn verschiedenen Rauschmitteln im Speichel eines Menschen möglichst einfach und schnell messen zu können. "Das kann nicht jeder. Unser Test ist in dieser Form weltweit einzigartig", so Matallana. Der Streifen mit der Probe wird in ein handliches Gerät geschoben. Schon nach zehn Minuten lassen sich an  dem angeschlossenen Computer die Messwerte ablesen. Die Analyse einer Blutprobe im Labor kann hingegen Tage dauern.

In dem von Matest entwickelten Gerät ist ein optischer Sensor eingebaut. Diese registriert alles, was auf dem Streifen geschieht. Ist in der Speichelprobe eine der zehn zu untersuchenden Drogen enthalten, dann beginnt er sich zu verfärben. Aus der Art, der Geschwindigkeit und der Stärke der Verfärbung erkennt dann eine Software im Computer nicht nur, um welches Rauschmittel es sich handelt, sondern errechnet auch noch die Konzentration.

Enzyme sind Biokatalysatoren, die dafür sorgen, dass Lebensmittel besser verdaulich sind oder die Wäsche sauberer wird. Um die gewünschte spezifische biochemische Wirkung zu entfalten, müssen Proteine jedoch in reiner und konzentrierter Form vorliegen. In der industriellen Enzymherstellung ist die „Aufreinigung“, der sogenannte Downstream-Prozess, ein oftmals extrem aufwendiger und teurer Schritt. Im Rahmen des Projektes „Technologieplattform Innovative Downstream-Prozesse“ haben Forscher der Technischen Universität Dortmund nun zwei bisher kaum genutzte Verfahren zur Aufreinigung biotechnologisch hergestellter Produkte, unter anderem auch Enzyme, untersucht und für die industrielle Nutzung weiterentwickelt. Im Fokus der fünfjährigen Forschungsarbeit standen die Methoden der Zerschäumung und der Begasungskristallisation. Das Vorhaben wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit insgesamt drei Millionen Euro gefördert.

Mindestens 50 verschiedene Aufreinigungsverfahren gibt es, um beispielsweise Enzyme in Reinstform für die Arzneimittelherstellung zu gewinnen. Doch auch hier gilt: Wer die Wahl hat, hat die Qual. Diverse Laborversuche sind erforderlich, um für das jeweilige gewünschte Enzym die richtige Aufreinigungsmethode zu finden, denn die industrielle Aufarbeitung nimmt nicht nur viel Zeit in Anspruch. Bis zu 80 Prozent der Herstellungskosten gehen auf dieses Konto. Damit sind Downstream-Prozesse ein entscheidender Faktor für die Wirtschaftlichkeit eines biotechnologischen Herstellungsprozesses. Ein Fakt, der bisher oft vernachlässigt wurde. In dem vom BMBF geförderten Projekt „Technologieplattform Innovative Downstream-Prozesse“ haben Wissenschaftler der Technischen Universität Dortmund daher nach effektiven und betriebsökonomisch günstigen Verfahren der Aufreinigung geforscht. Aus der Vielzahl der vorhandenen Methoden nahmen sie zwei bisher eher wenig genutzte Technologien unter die Lupe und entwickelten diese weiter.

Enzyme aus Schaumbläschen fischen

Im Zentrum der fünfjährigen Forschungsarbeit, die unter dem Dach des Technologie-Clusters "CLIB2021" durchgeführt wurde, standen die Zerschäumung und die Begasungskristallisation. Die Zerschäumung ist ein Verfahren, das bei der Säuberung großer Fischteiche bereits verwendet wird. Hier nutzt man einen Apparat, in den Luftblasen eingebracht werden, um das Wasser des Teichs zum Schäumen zu bringen. Der oben schwimmende graue Schaumteppich wird einfach abgeschöpft. Denn in den Bläschen sammelt sich der Unrat. Diese Methode haben die Dortmunder Forscher nun in umgekehrter Weise für die Enzymaufreinigung genutzt. „Wir haben Schaum benutzt, um mit sehr wenig Energie diese Proteine schonend abzutrennen“, erklärt Projektleiter Gerhard Schembecker. Dafür erzeugten sie Blasen, an deren Oberflächen Proteine andockten. Ähnlich wie in einer Badewanne brauchten die Forscher dann nur noch den Schaum abzuschöpfen, um an das gewünschte Proteinprodukt zu gelangen. „Da wir den Schaum mit Unterdruck zerstören, platzen die Blasen und übrig bleiben etwas Flüssigkeit und die konzentrierten Enzyme“, so der Experte.

Die Methode scheint simpel. Doch bis dahin war es ein langer Weg. Zunächst musste das Dortmunder Team Grundlagenforschung betreiben und die physikalisch-chemischen Hintergründe des Zerschäumungsprozesses verstehen. „Man hat bisher nicht verstanden, wie das Andockverhalten an die Blasenoberfläche mit den Stoffeigenschaften der Enzyme zusammenhängt. Denn die Zerschäumung klappt nicht bei allen Proteinen“, sagt Schembecker. Mithilfe eines Hightech-Messgeräts nahmen sie buchstäblich jedes einzelne Molekül unter die Lupe und beobachteten, wie sie sich an den Phasengrenzflächen verhalten.

Polyamide sind Kunststoffe für die anspruchsvollen Aufgaben: Sie werden im Auto verbaut, stecken in Hightech-Textilien, ummanteln Elektrokabel oder Katheter. Bei der Herstellung der Polyamide werden chemische Einzelbausteine zu einer Polymerkette verknüpft. Die sogenannten Monomere basieren in der Regel auf Erdöl. Der Spezialchemiekonzern Evonik entwickelt nun ein Verfahren, um die Polymer-Bausteine aus dem nachwachsenden Rohstoff Palmkernöl zu gewinnen. Dazu hat Evonik zusammen mit Biotechnologen an Universitäten in Deutschland und Österreich den Stoffwechsel von Bakterien gezielt umgestaltet, sodass sie fortan den Synthesebaustein Aminolaurinsäure herstellen können. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat das Projekt namens „BISON“ mit 1,5 Millionen Euro im Rahmen der Förderinitiative BioIndustrie 2021 unterstützt.

Als zähe und langlebige Kunststoffe können langkettige Polyamide extreme Temperaturen von minus 50 bis plus 120 Grad problemlos überstehen. Deshalb sind sie überall da gefragt, wo es technisch anspruchsvoll wird: Bei Kraftstoff- und Bremsleitungen im Auto, bei Ölpipelines am Meeresgrund, bei Sporttextilien oder bei Kathetern in der Medizintechnik. Polyamide sind wie alle anderen Kunststoffe klassische Produkte der Erdölchemie. Sie gehören seit Jahrzehnten zur Produktpalette von Evonik. Aufbauend auf diesem Know-how setzte der Spezialchemiekonzern in dem Verbundprojekt „BISON“ auf Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen. „In diesem Projekt ging es darum, alternative Produktionswege zur Erdölchemie zu untersuchen“, sagt Christoph Schorsch, Projektleiter bei der Evonik Creavis GmbH – der strategischen Innovationseinheit der Evonik Industries AG in Marl.

Schon die indigenen Völker Nordamerikas schätzten Asimina triloba wegen ihrer nahrhaften Früchte. Neben der hocharomatischen Frucht ist der Baum winterhart und gegenüber Schädlingen unempfindlich. Das Obstgehölz, das auch als „Indianerbanane“ bekannt ist, ist in Europa und Deutschland noch selten zu finden. Der Grund: Die Pflanze lässt sich schwer vermehren. Die Bock Bio Science GmbH forscht seit 2012 an Möglichkeiten, die „Indianerbanane“ für den Einsatz in hiesigen Obstplantagen zu vermehren. Ziel der Bremer Biologen ist die biotechnische Massenvermehrung der Gewächse im Labor. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt das Vorhaben im Rahmen der Förderinitiative KMU-innovativ mit 380.000 Euro.

Ihre Form erinnert eher an eine Avocado. Und auch geschmacklich ist die „Indianerbanane“ nicht vorrangig mit der herkömmlichen Banane vergleichbar. Die süße und hocharomatische Frucht ist vom Geschmack her vielmehr eine Mischung aus Ananas, Mango, Melone und Vanille. In Europa und Deutschland ist der Obstbaum zwar noch wenig bekannt, findet aber zunehmend Liebhaber. „Das Interesse ist sehr groß. Es gibt immer wieder Nachfragen“, berichtet Projektleiterin Maria Blondeau von dem in Bremen gelegenen Familienunternehmen Bock Bio Science. Die Früchte von Asimina tribola haben einen hohen Nährstoffgehalt und gelten als sehr gesund. Sie stecken voller Vitamine und Spurenelemente und können daher Herzkreislauferkrankungen vorbeugen. Aus den Früchten entstehen Marmeladen, Eiscreme, Säfte und Liköre. Asimina wird von Experten sogar zum Weinanbau empfohlen. Pflanzenbiologen aus den USA und Deutschland bescheinigen dem aus Nordamerika stammenden Gehölz mit seinen Früchten seit langem ein hohes Marktpotenzial. Der Grund: der Baum hält selbst eisigen Temperaturen bis minus 26 Grad stand und ist auch gegenüber Schädlingen unempfindlich. Das macht den Baum auch für den ökologischen Anbau interessant. Doch bevor Asimina den Markt erobern kann, muss ein geeignetes und kostengünstiges Pflanzmaterial entwickelt werden.

Massenvermehrung durch Gewebekultur

Bock Bio Science ist auf die biotechnische Produktion von genetisch identischen Ablegern von Nutzpflanzen, sogenannten Klonen, spezialisiert. Damit lassen sich Sorten stabil und in großen Mengen vermehren. Bei Orchideen oder Erdbeeren ist die In-vitro-Vermehrung im Labor bereits Routine. In den Laboren des Unternehmens wird nun seit drei Jahren auch an Möglichkeiten geforscht, Asimina triloba für einen flächendeckenden Anbau in Obstbaubetrieben zu etablieren. Die Indianerbanane ist nicht nur robust, sondern trägt äußerst nahrhafte Früchte. Trotz vieler Züchtungsanstrengungen: die Ausbeute ist bisher gering. Ein zentrales Problem für Obstbauern ist die Vermehrung: Ableger erwiesen sich als schwierig. Und die aus Samen gezogenen Nachkommen der Gewächse bleiben hinsichtlich Ertrag, Geschmack und Größe sowie in dem Verhältnis von Fruchtfleisch zu Kernen zurück.

Und so ist die Indianerbanane sowohl in den USA als auch in Europa noch immer ein kostspieliges Liebhaberstück. Eine Jungpflanze ist mit 50 Euro für eine industrielle Verwertung noch zu teuer. „Die große Schwierigkeit ist die Bewurzelung der Pflanzen. Bei Asimina bewurzeln Stecklinge überhaupt nicht. Die einzige Art sie zu vermehren, ist bisher die Veredelung auf Sämlingsunterlagen“. Gemeinsam mit vier Kollegen arbeitet Blondeau seit drei Jahren an der Lösung des Problems. Im Rahmen der Förderinitiative KMU-innovativ fördert das BMBF das Forschungsprojekt mit rund 380.000 Euro. Das Team von Bock Bio Science tüftelt dabei an einem Verfahren für die In-vitro-Vermehrung der Indianerbanane im Labor. Ziel ist es herauszufinden, unter welchen Licht- und Temperaturbedingungen die Pflanzenklone am Besten gedeihen und welche Mineralien und Pflanzenhormone das Wurzelwachstum befördern.

The Asimina triloba plant, also known as the pawpaw, is native to North America and was valued by North America’s indigenous people for centuries. In addition to its highly aromatic fruit, the tree is hardy and resistant to pests. The fruit trees are rare in Europe and Germany because the tree does not propagate well. The company Bock Bio Science GmbH has been researching on ways to increase the pawpaw population in local orchards since 2012. The goal of the biologists from Bremen is the biotechnical mass propagation of plants in the laboratory. The Federal Ministry of Education and Research (BMBF) is supporting the project as part of the funding initiative SMEs Innovative with 380,000 euros.

The pawpaw is shaped like an avocado and with soft yellow flesh with a creamy, custard-like consistency. The sweet and highly aromatic fruit has a banana-like flavour with hints of papaya, pear, mango, and pineapple. The fruit tree may not be well known in Europe and Germany, but it is growing in popularity. “Interest is very large. There are always demands,” reports project leader Maria Blondeau from the Bremen-based family company Bock Bio Science. The fruits from Asimina triloba are rich in nutrients and considered extremely healthy. Pawpaws are packed with vitamins and trace elements and can help to prevent cardiovascular diseases. They also contain a higher amount of protein than the banana, apple or orange. It also has higher concentrations of most minerals and essential amino acids. The fruits are used to make jams, ice cream, juices and liquor. Asimina is even recommended by experts for vineyards. Plant biologists from the US and Germany have attested for some time now that the native American tree has a lot of market potential. The reason: the tree can withstand even icy temperatures as low as minus 26 degrees and is resistant to insects. This makes the tree interesting for organic farming. But before Asimina can conquer the market, a suitable and cost-effective planting material needs to be developed.

Mass propagation using tissue culture

Bock Bio Science is specialised in the biotechnological production of genetically identical cuttings of crops, called cloning. This allows species to propagate steadily and in large amounts. In vitro propagation in the laboratory is already routine in orchids and strawberries. Scientists at the company’s laboratories have been researching how to establish an extensive cultivation of Asimina triloba in fruit farms now for three years. The pawpaw is not only robust, it also bears extremely nutritious fruits. Despite many efforts at propagation, the yield has been poor. A central problem for fruit growers is the propagation of the plant: shoots proved difficult to generate. And the offspring from the seeds of the fruits lack in yield, taste and size as well as the ratio of flesh to seeds when compared to the indigenous trees in the US.

For these reasons the pawpaw is still an expensive luxury in Europe. A young plant is still too expensive at 50 euros for industrial utilisation. “The great difficulty is the rooting of plants. Asimina cuttings don’t take root at all. The only way to propagate them so far is by grafting them on rootstocks,” explains Blondeau. Together with colleagues, she has been working for three years on solving this problem. Within the funding initiative SME Innovative, the BMBF is funding the research project with around 380,000 euros. The team from Bock Bio Science have been working on developing a new procedure for the in vitro propagation of the pawpaw in the laboratory. Their goal is to find out under which light and temperature conditions the plant clones best thrive and which minerals and plant hormones advance root growth. 

A “magic potion” transforms tissue into trees

During the project, researchers resorted to using cultivated varieties of young Asimina plants with which they experimented using the tissues of different types of fruits and seedlings. However, own-rooted plants from Asimina are not so easy to produce biotechnologically and it is also a lengthy process. “The plant tissue has to be sterile and at the same time it has to be viable,” says Blondeau. The Bremen researchers have overcome these hurdles. “The fact that they grow up absolutely sterile, it also means they are disease-free,” reports Blondeau. With a self-created “magic potion” – a mix of different growth promoters – they have managed to transform the extracted tissue into seedlings which propagate exponentially fast. Whole trees can develop from these microshoots. "We have also carried out experiments with the spectral composition of light, because it is known that some trees take root better if they can absorb infrared light.”

The exact recipe for the propagation and rooting of Asimina remains, however, is the Bock Bio Science researchers' secret. Meanwhile up to 70,000 microshoots are growing on ten-metre high shelves in the company’s tissue culture laboratories. In autumn last year, more than 30 percent of the microshoots were lost due a fungal infestation caused by a technical defect in the laboratory. Despite the setback, Maria Blondeau and her team are confident of being able to present an optimal propagation method soon. But it will take some time before Asimina is available as a standard product for a reasonable price at garden centres and tree nurseries. Nevertheless, the researchers are convinced: if their work is successful, the pawpaw could become a triumph in Germany just like when the kiwi was brought over to New Zealand from China in the early 20th century.

Author: Beatrix Boldt

Brütende Sommerhitze in Deutschland – Hersteller von Speiseeis haben gerade Hochkonjunktur. In den Kühltruhen vieler Supermärkte finden Eisliebhaber derzeit wieder eine besondere Nascherei: Lupineneis. Dahinter steckt ein Herstellungsverfahren, das Fraunhofer-Forscher in Bayern und Mecklenburg-Vorpommern entwickelt haben. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat sie dabei unterstützt. Kürzlich wurden die Entwickler sogar mit dem Deutschen Zukunftspreis des Bundespräsidenten ausgezeichnet.

Das Eiweiß für das vegane Speiseeis stammt aus den Samen der Blauen Süßlupine Lupinus angustifolius. Die robusten Pflanzen mit den weiß-blauen Blüten gedeihen besonders auf norddeutschen Äckern sehr gut. Sie gelten daher auch als das „Soja des Nordens“. Als Stickstoffsammler düngen die Gewächse den Boden. Lange stand die Lupine bei der Lebensmittelindustrie jedoch nicht besonders hoch im Kurs. Der Grund: Die proteinreichen Samen schmeckten meist zu bitter und zu bohnig.

Raffinierte Technik entfernt störende Aromen

Doch das hat sich geändert: Eine Züchtung der Blauen Süßlupine, die jedoch nicht gentechnisch verändert ist, enthält weniger Bitterstoffe als andere Sorten. Zudem haben Forscher vom Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung (IVV) in Freising und der Ausgründung Prolupin GmbH in Grimmen in Mecklenburg-Vorpommern eine raffinierte Technik entwickelt. Damit lassen sich die störenden Aromen schonend entfernen. Die so gewonnenen Lupinen-Proteine schmecken und riechen neutral und lassen sich gut zu Lebensmitteln verarbeiten. Bei der Entwicklung ihres Verfahrens wurden die Fraunhofer-Forscher durch das Bundesforschungsministerium unterstützt. Im regionalen Wachstumskern "PlantsProFood" wurden zudem die Marktchancen von innovativen Lupinenprotein-Produkten ausgelotet.

Milch- und Wurstersatzprodukte

Das Lupinen-Protein eignet sich als pflanzliche Alternative zu Milcheiweiß. Und damit als Grundlage für eine große Vielfalt an Lebensmitteln, etwa Fleisch- und Milchersatzprodukte. In der Lupinen-Technologie steckt so viel innovatives Potenzial, dass ihre Entwickler von Bundespräsident Joachim Gauck mit dem Deutschen Zukunftspreis 2014 ausgezeichnet wurden.

Das seit 2011 vermarktete Eis und auch weitere Produkte aus Lupinen-Protein sind mittlerweile so beliebt, dass die Firma Prolupin sie seit wenigen Monaten unter dem neuen Label „Made with LUVE“ vermarktet. Dabei steht LUVE für Lupine + Vegan. „Das Lupineneis gibt es mit einer völlig neuen Rezeptur – in den klassischen Geschmacksrichtungen Vanille, Schokolade und Erdbeer“, sagt Marc Zillmann, der bei Prolupin für die Produktentwicklung zuständig ist. Die vegane Nascherei finden Liebhaber in den bundesweit in den Kühlregalen einer großen Supermarkt-Kette und bei weiteren Einzelhändlern.

Laktosefrei und gesund

Mit dem veganen und laktosefreien Eis liegen die Hersteller im Trend. Studien deuten zudem auf einen gesundmachenden Effekt hin: die Lupinen-Proteine helfen offenbar, den Cholesterinspiegel zu senken. Und da die Süßlupine auf Äckern in Mecklenburg-Vorpommern und in Brandenburg angebaut wird, sind es regionale Produkte. Mit der Alternative zum importierten Soja lässt sich damit viel CO2 sparen. Lupineneis ist also nicht nur eine innovative sondern auch eine nachhaltige Leckerei.

Autor: Philipp Graf

Summer may well have packed its bags and left town for another year, but the taste for ice cream hasn’t left our palates. In the freezer section of many supermarkets there is a special treat on offer for ice cream enthusiasts: lupin ice cream. Fraunhofer researchers in Bavaria and Mecklenburg-Vorpommern are the developers of the production process behind the frozen desserts and are supported by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF). Recently the developers were awarded the Federal President's "Future" Prize.

The protein for the vegan ice cream stems from the seeds of the blue sweet lupin Lupinus angustifolius. The robust plants with the white and blue petals flourish when grown in Germany and have even been called the “soya of the North”. The blue sweet lupin also naturally improves soil quality with its nitrogen-binding roots. Until recently, however, the high content of bitter substances and the bean-like taste in its protein-rich seeds, had prevented its take-up in the food industry.

Sophisticated technology removes unpleasant taste

But things have changed: the cultivation of the blue sweet lupin, which has not been genetically modified, contains less bitter substances than other types of lupins. Furthermore, researchers from the Fraunhofer Institute for Process Engineering and Packaging (IVV) in Freising and the spin-off company Prolupin GmbH from Grimmen in Mecklenburg-Vorpommern have developed a sophisticated technology that carefully removes the unpleasant taste. The lupin proteins extracted from this process taste and smell normal and can easily be made into food products. During the development of its procedure, the Fraunhofer researchers were supported by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF). The regional grower’s initiative “PlantsProFood” sponsored by the BMBF explored the market opportunities for the innovative lupin protein products.

Milk and vegetarian sausages

The lupin protein is a particularly useful plant alternative to milk protein, and can be used as the basis for a wide variety of food, such as meat and dairy-free substitutes. There is so much potential to be found in the lupin technology that Germany’s president Joachim Gauck awarded the scientists with the German Future Prize 2014. Marketed since 2011, the ice cream and other lupin protein products have become so popular that a few months ago, the company Prolupin started to market the products under the new label “Made with LUVE” – with LUVE standing for lupin and vegan. “The lupin ice cream is made with a completely new recipe and available in the classic flavours – vanilla, chocolate and strawberry,” says Marc Zillmann, responsible for the product development at Prolupin. Fans of the vegan ice cream can find it in the freezer sections at large supermarket chains and at other retailers across Germany.

Lactose-free and healthy

The vegan and lactose-free ice cream manufacturers are in fashion. Furthermore, research shows that the ice cream is healthy too: apparently the lupin proteins help to sink cholesterol levels. And because the sweet lupin is grown on arable land in Mecklenburg-Vorpommern und in Brandenburg, it is a regional product. So as an alternative to imported soya, the sweet lupin also saves on CO2. Lupin ice cream is not only an innovative but also a sustainable treat.

Author: Philipp Graf

Mikroben als Hersteller von biobasierten Chemikalien sind Alltag in der industriellen Biotechnologie. Gefüttert werden die biologischen Minifabriken meist mit Zucker. Einen alternativen Weg bietet die Elektrobiotechnologie: Hier wird der Stoffwechsel von Bakterien mit Strom angetrieben. Als zusätzlicher Rohstoff könnten organische Abfälle oder Kohlendioxid dienen. Solche bioelektrochemische Prozesse sind bereits jetzt zum Teil wettbewerbsfähig. Zu diesem Ergebnis kommen Wissenschaftler um Falk Harnisch vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) und der University of Queensland, die die ökonomischen Chancen der Elektrobiotechnologie untersucht haben. Die Forscher berichten im Fachblatt ChemSusChem (2015, Bd.8, S. 758). Das BMBF fördert die Arbeiten im Rahmen der Initiative „Biotechnologie 2020+“.

Im Gegensatz zur Energie- und Kraftstoffbranche, die zum Großteil durch staatliche Ziele geprägt ist, wird die Chemieindustrie ausschließlich von Marktmechanismen dominiert. Firmen und Kunden sind bisher größtenteils nicht bereit, einen Mehrpreis für „grüne“ Produkte zu bezahlen. Dies hat zur Folge, dass die Produktion von bio-basierten Chemikalien gegenüber der traditionellen erdölbasierten Produktion billiger sein oder einen Zusatznutzen haben muss. Bei gleichen Kosten dagegen setzen Firmen meist auf die bewährten Produktionswege und -verfahren. Trotzdem wird der Anteil der „grünen“ an der gesamten Chemieproduktion bis 2025 deutlich steigen, so die Prognosen verschiedenster Institutionen. Dieser große Markt steht im Mittelpunkt der sogenannten Weißen Biotechnologie, die biotechnologische Methoden für industrielle Produktionsverfahren einsetzt und von der roten (Medizin) sowie grünen Biotechnologie (Pflanzen) abgegrenzt wird.Treibstoffe und Chemikalien können bioelektrochemisch produziert werden. Dazu werden mikrobielle Synthesen durch elektrischen Strom angetrieben und gesteuert, was neue Möglichkeiten eröffnet.

Aminosäureproduktion als Modell

Trotzdem ist diese „Elektrifizierung“ der Weißen Biotechnologie nicht leicht zu erreichen, da biochemische und elektrochemische Reaktionen unterschiedliche Prozessbedingungen bevorzugen. Deshalb besteht noch ein erheblicher Bedarf an systematischer Forschung und Entwicklung, um diese Technologie für den Markt verfügbar zu machen, wie die Forscher in ihrer Arbeit darlegen. Um die ökonomischen Chancen dieses relativ neuen Ansatzes abzuschätzen, betrachteten die Forscher einen etablierten Prozess zur Biosynthese und verglichen diesen mit der entsprechenden Bioelektrosynthese. Als Modellprozess wählten sie die Lysinproduktion, welche konventionell auf Zuckern oder komplexen Substraten, wie beispielsweise auf Saccharose aus Zuckerrüben oder Melasse basiert. Lysin ist ein Massenprodukt, von dem 2013 weltweit über 1,9 Millionen Tonnen hergestellt wurden. Diese Aminosäure wird als Zusatz in Futtermitteln oder in Schmerzmitteln verwendet und erzielte Preise zwischen 1,6 und 2,4 US-Dollar pro Kilogramm.

Elektrische Energie als Substrat

Die Forscher verglichen nun die Substratkosten für eine solche konventionelle Biosynthese (auf Saccharose basierend) mit der Bioelektrosynthese, bei welcher neben Saccharose auch elektrische Energie als Substrat eingesetzt wird. Durch unterschiedliche Rohstoffpreise für Saccharose in der EU und in den USA ergaben sich für beide Szenarien unterschiedliche Kosten: Unter Annahme aktueller Marktpreise würde die bioelektrochemische Produktion von 30 Tonnen Lysin, was einem typischen Produktionsansatz entspricht, demnach in der EU etwa 21.500 US-Dollar und in den USA etwa 16.700 US-Dollar kosten. Gegenüber der klassischen Biosynthese ergäben sich durch die neue, effizientere Produktionsmethode Kosteneinsparungen von 8,4% in der EU und 18,0% in den USA. „Dabei werden potentielle Ersparnisse durch den geringeren Bedarf an Produktreinigung aufgrund der verringerten Nebenproduktproduktion noch nicht einmal berücksichtigt“ ergänzt  Jens Krömer von der Universität Queensland. „Wenn man spekuliert und dies auf einen Zeithorizont von zehn Jahren umrechnet, macht dies bei einer Anlage mit einer Jahresproduktion von 50.000 Tonnen immerhin 30 Millionen US-Dollar in der EU bzw. 50 Millionen US-Dollar in den USA aus. Dabei müssen allerdings noch die zusätzlichen Investitionskosten, welche bisher nicht abgeschätzt werden können, abgezogen werden. Nichtsdestotrotz zeigt dieses Beispiel, dass die bioelektrische Produktion von Chemikalien also auch ökonomisch interessant werden kann“, erläutert Falk Harnisch vom UFZ. Als Forschungspreisträger im Rahmen der Inititative Biotechnologie 2020+ hat er in Leipzig eine Arbeitsgruppe zur mikrobiellen Biokatalyse aufgebaut.

Autor: Philipp Graf

Bei der Suche nach biokompatiblen Materialien für die Medizin sind Forscher um Werner E.G. Müller von der  Universitätsmedizin der Johannes Gutenberg-Universität Mainz in Marinen Schwämme fündig geworden. In den ältesten Tieren der Erde entdeckten sie ein Biosilikat, das sich für neuartige medizinische Beschichtungen nutzen lässt – zum Beispiel für die Zahnmedizin oder bei Knochenimplantaten. Mit Unterstützung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) hat die Firma NanotecMARIN GmbH die Entwicklung von biotechnologischen Produktionsverfahren für das Material vorangetrieben. Demnächst stehen erste Tests an Patienten an.

Sie sind anspruchslos, widerstandsfähig und haben selbst die Dinosaurier überlebt: Marine Schwämme. Seit 700 Millionen Jahren gibt es sie auf unserem Planteten. Das Besondere: Ob im Amazonas, im Baikalsee oder in der Tiefsee –  die ältesten Tiere der Erde sind überall dort zu finden, wo es Wasser gibt und das unter ganz verschiedenen Bedingungen. Die 9.000 verschiedenen Schwammarten sind somit wahre Überlebenskünstler und ein interessantes Forschungsobjekt.

Zu den Pionieren der Schwammforschung zählt Werner E.G. Müller. 30 Jahre seines Forscherlebens hat der Mainzer Molekularbiologe den Marinen Schwämmen gewidmet – unter anderem unter dem Dach des Kompetenzzentrums BIOTECmarin. Mit Unterstützung des Bundesforschungsministeriums haben hier von 2001 bis 2011 zahlreiche Wissenschaftler die besonderen biologischen Eigenschaften, aber auch die chemischen Strukturen der Schwämme untersucht, um sie für Anwendungen in Medizin nutzbar zu machen.

Recorded as the oldest species on the planet, scientists have discovered a bio-silicate in sponges that can be used for new kinds of medical coatings, for example in dentistry or for bone implants. Supported by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF), the company NanotecMARIN GmbH has pushed forward the development of biotechnological production processes for the material. The first tests on patients are set to begin.

Sponges can survive in a wide range of different conditions

Marine sponges are unique animals that are unassuming, resistant and even outlived the dinosaurs and have been on our planet for 700 million years. What makes sponges unique is that the oldest animals on Earth can be found wherever there is water – from the Amazon to Lake Baikal to the deepest oceans, and in a wide range of different conditions. The 9,000 different species of sponges can be considered true survivors of life on Earth and are a fascinating research object. Werner E.G. Müller is a pioneer in sponge research. The Mainz-based molecular biologist has dedicated 30 years of his life to research into marine sponges, including under the umbrella of the BIOTECmarin competence centre. From 2001 to 2011, and with support from the Federal Ministry of Research, numerous scientists at BIOTECmarin have been investigating the exceptional biological properties as well as chemical structures of the sponges, with the aim of utilising this knowledge for medical applications.

Müller founded the company NanotecMARIN GmbH in 2007. At the time, the researcher was primarily interested in the inorganic skeleton of marine sponges. This is comprised of silicate, which in human beings is also important for bone formation. To date, it has been unclear how this material is produced. From early on in his career, Müller was convinced that there must be a protein that enables the biomineralisation that is witnessed in the sponges, also in abnormal conditions. In the lab, this biomineralisation can only be achieved only under extreme pressure. “By 2009, we knew of no enzyme that could produce such a polymeric inorganic polymer,” explains Müller today. After no small amount of work, the researchers at GmbH NanotecMARIN could verify – and isolate – the enzyme silicatein as the material that sponges utilise to create a crystal-clear bio-silicate out of silicon dioxide molecules. This discovery is likely to be extremely valuable for industry: for production processes that currently require temperatures of over 1800 degrees Celsius, the enzymes in the sponges need only cold water – a process in which they have been experts for millions of years. 

Sponge enzyme as an aid for the production of bio-silicates

Aided by the enzyme, it has been possible to develop establish a biotechnological production process for the bio-silicate, meaning that the findings from Werner E.G. Müller and his team have laid the foundations for the industrial production of the biomaterial. “To do this, we first had to locate the silicatein gene,” recalls the University of Mainz professor. With his help, the researchers could produce recombinant silicatein using bacterial bioreactors. It quickly became clear that the extreme stability and the bone-building effect of the bio-silicate makes it especially well suited as a dental surface coating material. These require a special level of insulation because teeth become increasingly sensitive to cold and acid as people age. This tendency can be traced back to progressive age-related demineralisation, which causes capillaries on the tooth surface to increase in size and to thus become more susceptible to decay. By using bio-silicate, it could be possible to lay down a novel sealant in the form of organic protective sheath – or so the idea goes.  “We wanted to spur the enzyme into forming a sheathing of silicate around the tooth,” explains Müller. After numerous rounds of testing, the scientists were successful. Under an electron microscope, it could be seen that the capillaries had regenerated under the biocompatible layer of sealing. Muller's company was supported in its work with 180,000 euros as part of the BMBF funding measure ‘SME Innovative’.

Bio dental protection to be tested on patients

The next step is for the bio-silicate to be tested on actual patients. “The approach will be to apply a biocompatible natural silicate surface on to the tooth, which will reduce sensitisation,” explains Müller. At this point it is not clear whether the layer will be applied by brush or spray. In the meantime, there is no shortage of prospects for the new tooth coating, and Müller is optimistic that the biomaterial will be being used in dentistry within three years.

Developing bio-silicate for bone formation

Werner Müller and his team are conducting parallel testing of the bio-silicate on bone implants. This is likewise an area of great potential. Here, the biomaterial would protect the prosthesis before it is recognised by the body as a foreign object, preventing immune rejection. Moreover, in osteoporosis, bio-silicate can balance out the impaired mechanism that regulates the equilibrium between bone formation and bone resorption. In 2010, the Mainz-based expert received a million-strong grant from the European Research Council ERC for the pursuit of this project. “Our primary objective now is to develop three-dimensional and purely biological structures using the bio-silicate, which at some point will be able to assume a bone-forming function in humans. If we succeed, it would be groundbreaking for regenerative medicine,” emphasises Müller. Using this approach, it might be possible to develop materials for implants in the field of tissue engineering.

Author: Beatrix Boldt