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In der Natur tummeln sich unzählige Mikroorganismen, die das Potenzial haben, der Gesundheit von Mensch und Tier Gutes zu tun. Zu den bekanntesten dieser unsichtbaren Gesundheitshelfer zählen die Milchsäurebakterien. Doch sie sind bei weitem nicht die einzigen. Im Rahmen der strategischen Allianz „Good Bacteria and Bioactives in Industry – GOBI” werden die Unternehmen Organobalance GmbH, Bionorica SE und Evonik Nutrition & Care GmbH nicht nur die bekannten Kandidaten weiter erforschen, sondern gezielt nach neuen, positiv wirkenden Bakterien suchen, die sich für die Herstellung neuer Produkte in der Gesundheits-, Pharma- und Futtermittelindustrie eignen. Ein Ziel: Ein Bakterium finden, das den Einsatz von Antibiotika bei Mensch und Tier ablöst. Als Gewinner der „Innovationsinitiative Industrielle Biotechnologie“ wird das Konsortium vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) in den kommenden sechs Jahren gefördert und hat ein Projektvolumen von bis zu 9 Millionen Euro.

Milchsäurebakterien zählen zu jenen Bakterienstämmen, die unser Wohlbefinden fördern, indem sie für eine gesunde Darmflora sorgen. Neben den sogenannten Probiotika, die bereits in vielen Lebensmitteln zu finden sind, schlummern auch in der Umwelt Mikroorganismen mit heilenden Kräften. Darüber hinaus ist der Mikroben-Kosmos noch weitgehend unerforscht und somit viele gute Bakterienarten noch gar nicht beschrieben. Auf dem Weg von einer erdöl- zu einer biobasierten Wirtschaft spielen nachhaltige Ressourcen wie Mikroorganismen eine immer größere Rolle. Unter dem Dach der „Nationalen Forschungsstrategie BioÖkonomie 2030“ hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) 2011 die „Innovationsinitiative industrielle Biotechnologie“ aufgelegt, um den Innovationsprozess und somit den industriellen Strukturwandel zu beschleunigen. Im Fokus steht dabei die Förderung von Allianzen, in denen Unternehmen aus den verschiedensten Wirtschaftsbereichen zusammenarbeiten.

Allianz sucht positiv wirkende Bakterien

Zu solch einer strategischen Allianz haben sich die Organobalance GmbH, Bionorica SE und Evonik Nutrition & Care GmbH zusammengeschlossen. Das Bündnis namens GOBI – „Good Bacteria and Bioactives in Industry"– will, wie es der Name andeutet, gezielt nach positiv wirkenden Bakterien für den Einsatz in der Tierernährung, der Gesundheits- und Pharmaindustrie forschen. „Wir wollen das rasant wachsende Wissen um das Zusammenspiel von Mikroorganismen mit Mensch und Tier und die Bedeutung einer ausgewogenen Mikroflora für die Gesundheit gezielt und systematisch bewerten und nachfolgend in Produkte umsetzen", erklärt die Chefin der Organobalance GmbH, Christine Lang.

Nature is teeming with countless micro-organisms potentially of benefit to human and animal health. Lactic acid bacteria are among the best-known of those invisible helpers. But they are certainly not the only ones. As part of the GOBI (Good Bacteria and Bioactives in Industry) strategic alliance, Organobalance GmbH, Bionorica SE and Evonik Nutrition & Care GmbH are not only conducting further research on known candidates but also actively looking for new beneficial bacteria suited to the manufacture of innovative products in the animal feed, healthcare and pharmaceutical industries. Their goal: to find a bacterium to replace antibiotic use in the case of humans and animals. As the winner of the "Innovationsinitiative Industrielle Biotechnologie", the consortium will be funded by the Federal Government's Department of Education and Research (BMBF) over the next six years in a project worth up to 9 million euros.

Lactic acid bacteria are among those strains that promote our well-being by providing us with healthy intestinal flora. In addition to the so-called "probiotics" already found in many foods, micro-organisms with healing powers are also present in the environment. Not only that: the microbial cosmos remains largely unexplored, meaning that many types of beneficial bacteria have yet to be described. Sustainable resources such as micro-organisms are playing an ever bigger role on the path towards a bio-based economy, replacing petroleum. In 2011, the BMBF published the "Innovationsinitiative industrielle Biotechnologie" under the auspices of the "Nationale Forschungsstrategie BioÖkonomie 2030" to advance the process of innovation and thus structural change in industry. It focuses on fostering alliances in which companies from the most diverse sectors work together.

Alliance searches for beneficial bacteria

Organobalance GmbH, Bionorica SE and Evonik Nutrition & Care GmbH have come together to form just such a strategic alliance. As the name suggests, the GOBI – "Good Bacteria and Bioactives in Industry"– alliance aims to research beneficial bacteria for use in animal feed, healthcare and the pharmaceutical industry. "We want to evaluate the rapidly expanding knowledge of micro-organisms' interplay with humans and animals, as well as of balanced micro-flora's importance to our health, actively and systematically, afterwards turning it into products," explains Christine Lang, Manager of Organobalance GmbH.

Stickstoff gilt als Motor des Pflanzenwachstums. Weltweit setzen Landwirte und Bauern auf Nitratdünger, um ihre Erträge  zu steigern. Doch es gibt Pflanzen wie Zuckerrohr, die gänzlich ohne die extrem energieaufwendigen Düngemittel auskommen. Der Trick: Mit Hilfe von Bakterien, die in und an der Wurzel lagern, binden sie Stickstoff direkt aus der Luft und versorgen sich somit selbst. Im Forschungsprojekt "NITRO-SUS" suchen Molekularbiologen um Barbara Reinhold-Hurek von der Universität Bremen seit 2011 nach genomischen Ansätzen, die Stickstoff-Nachhaltigkeit bei Getreide zu verbessern. Dabei experimentiert das Team mit Wildreis, der ebenfalls über stickstoffbindende Bakterien verfügt. Ihr Ziel: Das Stickstoff-Fixierungspotenzial der wilden Pflanze mittels Gentechnik oder Kreuzung auf den Kulturreis zu übertragen und damit langfristig die Stickstoffdüngung bei Reispflanzen und anderen Getreidearten zu reduzieren. Das  Forschungsprojekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit rund 1 Million Euro unterstützt.

Stickstoff ist der Treibstoff, der das Pflanzenwachstum ankurbelt und den Boden fruchtbar macht. Weltweit werden Getreidefelder daher mit künstlichen Stickstoffdünger bestreut, um Weizen oder Gerste sprießen zu lassen und eine reiche Ernte einfahren zu können. Der Grund: Anders als Hülsenfrüchte wie Bohnen, Erbsen oder Lupinen, die mit Hilfe von Bakterien in den Wurzeln Stickstoff binden, kann sich Getreide nicht selbst mit diesem Nährstoff versorgen, obwohl ein Meer von natürlichem Stickstoff in der Atmosphäre schwebt. Denn 78 Prozent der Luft besteht aus Stickstoffgas.

Getreidewachstum auf natürliche Weise beflügeln

Diese nachhaltige Ressource zu nutzen, um das Wachstum von Getreide auf natürliche Weise zu beflügeln, ist das Anliegen von Barbara Reinhold-Hurek. Die Mikrobiologin und Genetikerin leitet das vom BMBF finanzierte Forschungsprojekt "NITRO-SUS" an der Universität Bremen. Reinhold-Hurek und ihr Team suchen darin nach genetischen Ansätzen für eine stickstoff-nachhaltige und umweltfreundliche Getreideproduktion. Dabei helfen soll das Wissen um Pflanzen, die natürlicherweise über stickstoffbindende Fähigkeiten verfügen. "Kunstdünger ist nicht nur ein Kostenfaktor, sondern auch eine Belastung für die Umwelt. Wenn Stickstoff von Bakterien geliefert wird, ist es auf jeden Fall nachhaltiger", erklärt Reinhold, die sich seit Jahrzehnten mit dem Thema auseinandersetzt. Dieses Fixierungspotenzial auf Kulturpflanzen zu übertragen, ist das Ziel der Forscher, die am Projekt "NITRO-SUS" beteiligt sind.

Reis im Fokus der Forschung

Im Labor haben die Bremer Forscher dafür zunächst zahlreiche Wildpflanzen auf ihre Bakterienaktivität in den Wurzeln untersucht. "So fanden wir die wilde Reisart. Hier schien die Bakterienaktivität hinsichtlich der Stickstofffixierung besonders hoch zu sein.  Dazu kommt, dass dieser Reis auch auf nährstoffarmen Böden sehr gut wächst.“ Im Rahmen des seit 2011 laufenden Projektes versuchen die Bremer nun, dieses hohe endophytische Stickstoff-Fixierungspotenzial vom Wildreis auf den Kulturreis zu übertragen. Dabei gehen sie zwei verschiedene Wege. Zum einen versuchen sie aus dem Wildreis geeignete Gene zu selektieren, durch die die Pflanze besonders gut mit Bakterien zur Stickstoffversorgung kooperieren kann. "Einige dieser Kandidatengene wurden in einem parallelen Ansatz in Kulturreispflanzen eingebracht, um zu sehen, ob wir den Prozess in diesen genetisch modifizierten Pflanzen verbessern können", erklärt die Forscherin. Parallel dazu versucht das Team, diesen Effekt durch Kreuzung von Wildreis mit Kulturreis zu erreichen.  Diese Züchtungsversuche wurden gemeinsam mit dem International Rice Research Institut (IRRI) auf den Philippinen durchgeführt. Während das gentechnische Experiment noch nicht ganz abgeschlossen ist, gibt es bei der konventionellen Züchtung erste "vielversprechende" Ergebnisse, berichtet Reinhold-Hurek. "Bei einigen stieg die Stickstofffixierung, sodass sich vermutlich an der Pflanze durch Interaktion etwas verändert".

Vitamine sind das A und O einer gesunden Ernährung. Doch meist wird nur ein Bruchteil ihres Potenzials vom Körper tatsächlich aufgenommen. Denn ein Großteil der gesunden Moleküle geht bei Nahrungsaufnahme verloren. Das Berliner Biotechnologie-Unternehmen Organobalance hat nun ein Verfahren entwickelt, dass Wirkstoffe wie Vitamine, Spurenelemente und Fettsäuren auf sehr natürliche Weise speichert und schützt – und zwar mit einem Mantel aus ausgewählten Hefestämmen. Dieser natürliche Wirkstoffschutz könnte eine Alternative zur herkömmlichen Vitamin- oder Arzneikapsel sein und deren Produktion nachhaltiger gestalten. Die Arbeiten wurden im Rahmen der KMU-Innovativ-Förderung vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) über drei Jahre mit rund 260.000 Euro gefördert.

Dem Bäcker und Bierbrauer dienen sie seit Jahrhunderten als Werkzeug – die Saccharomyces-Hefen. Doch die Bäckerhefen können weit mehr als nur den Gärungsprozess bei der Bierherstellung ankurbeln oder den Kuchenteig zum Quellen bringen. Das Berliner Biotechnologie-Unternehmen Organobalance weiß um das vielfältige Potenzial der Mikroorganismen: in einer Sammlung beherbergt die Firma  mehrere tausend unterschiedliche Hefe- und Bakterienstämme, alle mit anderen interessanten Eigenschaften.  Mithilfe eines besonderen Screeningverfahrens können für Kunden aus der Industrie – sei es im Pharma-, Chemie- oder Lebensmittelbereich – die jeweils für den konkreten Bedarf geeigneten Mikroorganismen selektiert werden.

Hefezellen als Schutzhülle

Wenn es darum geht, gesunde Lebensmittel herzustellen, können die Winzlinge zum Beispiel eine wichtige Schutzfunktion übernehmen. Im Visier der Forscher: Vitamine, Spurenelemente und Fettsäuren. Denn diese wertvollen Substanzen gehen bei der Nahrungsaufnahme meist viel zu schnell verloren, bevor sie ihre Wirkung im Körper entfalten können. Lebensmittelexperten versuchen daher schon lange, einen Weg zu finden, wie sich diese Nährstoffe auf natürliche Weise vor Oxidation, Hitze oder Feuchtigkeit schützen lassen. Im BMBF geförderten Projekt „Effiziente Hefebeladung mit bioaktiven Wirkstoffen für die Ernährung“ wollten die Wissenschaftler nun herausfinden, welche Hefen für diese Aufgabe geeignet sind. „Unser Ziel war es, ein Anreicherungsverfahren zu entwickeln, das Bäckerhefen mit funktionellen Wirkstoffen anreichert, so dass vermehrt Wirkstoffe aufgenommen werden“, erklärt Klaus Pellengahr von Organobalance und ergänzt: „Die Hefezelle ist quasi eine Schutzhülle, die verhindert, dass diese wertvollen Wirkstoffe Schaden nehmen“.

Vitamins are essential to healthy eating. However, because the majority of the healthy molecules are lost during the intake of food, only a fraction of their potential is actually absorbed. Berlin biotechnology company Organobalance has now developed a procedure to store and protect active compounds such as vitamins, trace elements and fatty acids in a natural way by using a coating of selected yeast strains. This natural active compound protection could be an alternative to conventional vitamins or drug capsules and make their production more sustainable. The work is being funded over three years by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) as part of the KMU-Innovativ funding programme with around 260,000 euros.

Bakers and brewers have used the yeast strain Saccharomyces as a tool for hundreds of years. But baker’s yeast can be used for much more than just the fermentation process in beer production or making cake dough rise. The Berlin-based biotechnology company Organobalance is aware of the great potential of the microorganisms: the company houses several thousand different yeast and bacteria strains with interesting properties. Using a special screening process, customers from the pharma, chemical or food industry can select the appropriate microorganisms for their concrete needs.

Yeast cells form a protective cover

The tiny microorganisms take on an important role in the production of healthy food. The researchers are focused on trace elements and fatty acids. These valuable substances are often lost during the intake of food before they can exert their positive effect on the body. Food experts have therefore been trying to find a natural way to protect these nutrients from oxidisation, heat or moisture. In the BMBF funded project, “Efficient yeast loaded with bioactive agents for nutrition” the scientists now want to find out which yeast is suitable for this task. “Our goal was to develop an enrichment process that fortifies baker’s yeasts that contain increased amounts of functional active compounds,” explains Klaus Pellengahr from Organobalance, continuing, “the yeast cells act like a protective cover that prevents these valuable substances from getting damaged.”

Breaking down the cellular wall with cellular extracts

As a first step, the researchers have to find suitable yeast strains from the extensive strain collection. Three strains were chosen with which the scientists want to test the compound loading ability of the yeast. The scientists use wild yeast strains, which have a cellular wall that is naturally hard to break. The next step was to identify natural extracts to break through the cellular wall. “The cell wall acts as a large barrier when transferring from outside the cell. We need to help the active compounds enter the yeast cells, so to resolve this we took advantage of our natural extracts from microorganisms,” explains Pellengahr. The substances, however, must be able to bind to the yeast and to promote the absorption of the active compounds. Organobalance’s special technology platform makes the cell loading possible. “The transport across the membrane is facilitated with this special tool,” says Pellengahr. At the end, 1,000 cell extracts were made from 1,000 different microorganisms, incubated with yeast and then the beneficial effect is tested on endocytosis – i.e the intake of the yeast’s active substances.

Three candidates chosen out of 1000 yeast strains 

The result: among the 1000 cell extracts produced in the lab, the Organobalance researchers found in total 38 substances with endocytosis-promoting properties. At the end of the selection, the three candidates yielded another characteristic that is suitable for the product development. All three will be able to support the transport of vitamins, trace elements and fatty acids in the yeast cells so that the sensitive nutrients are protected from external influences. But that’s not all. “The cell extracts allow absorption of active ingredients, so that they are enriched in the yeast cells with a significantly higher concentration. The yeast cells alone would not let in so much,” Pellengahr emphasises the advantage of the new yeast loading process. Because of their size of just a few micrometres, yeast strains are a natural alternative to the much larger but commonplace vitamin or medicine capsules. Because less fossil resources are consumed, the tiny microorganisms could make this production process more sustainable. “It is a very natural way to store and protect vitamins,” summarizes Klaus Pellengahr. Now the researchers are working on increasing the efficiency of the yeast loading. Their goal: to store even larger amounts of active compounds in the yeast cells.

Author: Beatrix Boldt

Sonja Jost liefert den Beweis, dass der Begriff „Grüne Chemie“ kein Widerspruch in sich sein muss. Ihre Neugier und Leidenschaft am Analysieren brachte die gebürtige Niedersächsin auf eine Geschäftsidee, die das Potenzial hat, die Pharmaindustrie zu revolutionieren. Im Rahmen des Exzellenzclusters UniCat entwickelte die Expertin für chirale Katalyse an der TU Berlin ein Verfahren, das erdölbasierte Lösungsmittel bei der Arzneimittelherstellung durch Wasser ersetzt sowie eingesetzte Edelmetallkatalysatoren schont und wieder nutzbar macht. Um die Technologie auf den Markt zu bringen wagte die Wissenschaftlerin 2013 den Sprung in die Selbstständigkeit und gründete das Berliner Start-up Dexlechem. Mit ihrem Team fühlt sich Jost den Gründervätern der „Grünen Chemie“ verpflichtet. Ihr Ziel: Dexlechem zu einem der größten Chemie-Unternehmen der Zukunft zu machen.

Wenn Sonja Jost von ihrer Geschäftsidee berichtet, ist die Begeisterung spürbar. Dabei schwingt in ihrer Stimme sowohl der Stolz der Wissenschaftlerin mit, wie auch die Zielstrebigkeit, mit der sie nunmehr als Unternehmerin versucht, andere von ihrer Idee zu begeistern. Vor drei Jahren gründete die Forscherin gemeinsam mit Partnern das Berliner Start-up Dexlechem, um ein von ihr entwickeltes Verfahren zur Wiederverwendbarkeit chiraler Edelmetallkatalysatoren in der chemisch-pharmazeutischen Industrie zur Marktreife zu führen. „Ich wollte was bewirken. Ich sah wie viele großartige Erfindungen es nicht zu einer industriellen Anwendung schaffen und dachte mir, dann muss ich mich selbst darum kümmern, um diese Lücke zu schließen“, sagt Jost.

Vorliebe für methodische Sachverhalte

Wie jedes Kind war Jost von Neugier getrieben. Sie interessierte sich für Politik, Geschichte und Chemie gleichermaßen. Doch schon während ihrer Schulzeit in Niedersachsen machte sich ihre Vorliebe für methodische Sachverhalte bemerkbar. Beim Abitur kam die Leidenschaft für die Chemie hinzu. Das „Ausknobeln, Austüfteln und Ausrechnen“ lag der Tochter einer Ingenieurin offenbar im Blut. Von 1999 bis 2005 studierte Jost an der Technischen Universität Berlin die Fächer Wirtschaftsingenieurwesen und Technische Chemie. „Was ich in der technischen Chemie gut finde ist eben, dass man Vorhersagen machen kann, die solide sind“.

Sonja Jost's message is that the term "green chemistry" need not be a contradiction in terms. Her curiosity and passion for analysis led the native of Lower Saxony to a business idea with the potential to revolutionise the pharmaceutical industry. As part of the UniCat Cluster of Excellence, the expert on chiral catalysts developed a process at the TU Berlin that involved replacing petroleum-based solvents used in drug manufacture with water, and conserving and recycling precious-metal catalysts. In 2013, the scientist struck out on her own, founding the Berlin-based start-up Dexlechem to bring the technology to market. Jost and her team feel indebted to the forefathers of "green chemistry". Her goal: to turn Dexlechem into one of the largest chemistry companies.

When Sonja Jost explains her business idea, her enthusiasm is palpable. Pride and determination resonate in her voice when she talks about it. That same determination she is now bringing to bear to awaken others' enthusiasm for her idea. Three years ago, the researcher and her partners got together to found Berlin-based start-up Dexlechem with the goal of bringing her process for the reusability of chiral precious-metal catalysts in the chemical-pharmaceutical industry to market. "I wanted to do something. I knew of so many brilliant inventions that were never developed as industrial applications and I thought to myself, 'I need to take this on myself to square the circle'," explains Jost.

Passion for methodological data

Like all children, Jost was driven by curiosity. She was equally interested in politics, history and chemistry. But her preference for methodological data was already evident during her school days in Lower Saxony. Her passion for chemistry came later, in the run-up to her graduation from high school. "Figuring things out, working things through and making calculations" was clearly second nature to an engineer's daughter. From 1999 to 2005, Jost studied Industrial Engineering and Technical Chemistry at Berlin Technical University (TU Berlin). "What I enjoy most about technical chemistry is the ability to make solid predictions."

Biokraftstoffe der zweiten Generation konkurrieren nicht mehr mit der Nahrungsmittelindustrie, sondern nutzen unter anderem Cellulose. Die Zuckerverbindung ist auch in Stängeln, Stämmen und Bioabfall enthalten, und lässt sich in Bioethanol umwandeln – mit den richtigen Enzymen. Denen ist seit Januar 2011 auch eine deutsch-russische Forschungskooperation auf der Spur. Ihr Forschungsobjekt: Pilze. Denn die unauffälligen Waldbewohner haben effektive Mechanismen entwickelt, um aus einem toten Stück Holz noch das Beste herauszuholen. Das Institut für Lebensmittelchemie und Lebensmittelbiotechnologie (LCB) der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) und das Bach-Institut für Biochemie an der Akademie der Wissenschaften Moskau wollen in den kommenden zwei Jahren mehr als 250 Pilzarten auf ihre Verwendbarkeit für die Biospritgewinnung überprüfen. Die Kooperation wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit 100.000 Euro gefördert.

„Ziel unserer Kooperation ist es, aus Pilzen neue Enzyme für den Aufschluss von Lignocellulosen zu identifizieren", präzisiert LCB-Institutsleiter Holger Zorn. Lignocellulose ist der Stoff, der die Zellwand holziger Pflanzen bildet und ihnen Struktur gibt - oder einfach gesagt, das Gerüst in Holz und Stroh. Mit Hilfe von Enzymen lässt sich die Lignocellulose in Cellulose, Hemicellulose und Lignin aufspalten. Während das Bindemittel Lignin zu Klebe- und Kunststoffen weiter verarbeitet werden kann, entstehen aus den Kohlenhydraten Hemicellulose und Cellulosen fermentierbare Zucker – am Ende steht Cellulose-Ethanol, der Grundstoff für Biosprit.

Fünf bis acht Jahre dauert es bisher, Bioverfahrensprozesse zu entwickeln – eine lange Zeit verglichen mit anderen industriellen Produktionsverfahren. Dabei sind Bioprozesse nachhaltig und ressourcenschonend, und auf dem Vormarsch: Experten vermuten, dass in 20 Jahren sogar ein Drittel der weltweiten Produktion aus biotechnologischen Prozessen stammen wird. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) will diese Entwicklung vorantreiben. Im Rahmenkonzept “Forschung an der Produktion von morgen” unterstützt das BMBF mit rund 2,2 Millionen Euro ein Verbundprojekt namens "Autobio". In dem Konsortium haben sich fünf mittelständische Unternehmen und Forscher der TU Berlin zusammengeschlossen, um weitere Teilschritte in der Bioprozess-Entwicklung zu automatisieren.

Biotechnologische Verfahrensprozesse bilden die Basis für die Herstellung vieler Pharmazeutika, industrieller Biokatalysatoren aber auch von Grund- und Spezialchemikalien. Die entsprechenden Katalysatoren werden kostengünstig auf der Grundlage nachwachsender Rohstoffe generiert und arbeiten unter milden Reaktionsbedingungen. Das Problem: bei einer Entwicklungszeit von fünf bis acht Jahren sind die Investitionskosten ausgesprochen hoch.

Roboter übernehmen Zellkulturversorgung

Um diese Entwicklungszeiten zu verkürzen und die Kosten zu senken, haben sich fünf mittelständische Unternehmen und zwei akademische Partner im Verbundprojekt AutoBio zusammengefunden. Autobio hat ein Gesamtvolumen von 3,7 Millionen Euro, von denen das  Bundesforschungsministerium noch bis 2015 insgesamt rund 2,2 Millionen Euro beisteuert. Das gemeinsame Ziel der Partner ist es, durch interdisziplinäre Ansätze zwischen der Biotechnologie, der Informatik sowie der Verfahrens- und der Elektrotechnik die Entwicklung der Bioprozesse teilweise zu automatisieren und damit auch ihre Effizienz zu steigern. Im Verbundprojekt sollen bisher manuelle Arbeitsschritte auf Roboterplattformen übertragen werden, um die Prozesse so mittels der modellbasierten Versuchsplanung zu optimieren. Dafür wird das oftmals in industriellen Prozessen im großen Maßstab angewandte repetitive Zulaufverfahren (Fed-batch) in den Milliliter-Maßstab übertragen. So sollen bereits in einer frühen Entwicklungsphase neben naturwissenschaftlichen erstmals auch ingenieurtechnische Fragestellungen der Prozesskontrolle und des Up-Scalings berücksichtigt werden.

Kooperation mit Biotech-Spezialisten

Diese systematische Herangehensweise soll es im Projektverlauf ermöglichen, schon während der Produktentwicklung eine Datenbasis für eine spätere effiziente Prozesskontrolle- und Regelung zu ermöglichen. Die abgeleiteten Modelle sollen im Verlauf des Projekts parallel im kleinen Maßstab in industriellen Prozess-Simulatoren ein Hochdurchsatzverfahren durchlaufen. Koordiniert wird der Verbund von Peter Neubauer, Bioverfahrenstechniker der TU Berlin. Die TU-Forscher programmieren unter anderem die Module für die automatisierte Bioprozessentwicklung auf Hochdurchsatzrobotern und kooperieren mit verschiedenen Projektpartnern bei der Datenbankintegration und der Methodenetablierung. Als Partner im Verbund entwickelt die Bioverfahrenstechniker auch ihr Hochdurchsatzlabor an der TU Berlin weiter.

Neben den Bioverfahrens- sowie den Mess- und Regeltechnikern der TU Berlin sind die Infoteam Software AG sowie die Presens Precision Sensing GmbH an dem Autobio-Verbund beteiligt. Mit der Brain AG aus Zwingenberg, der Biosilta Europe GmbH und der Berliner Organobalance GmbH sind zudem drei ausgewiesene Biotech-Spezialisten an Bord. Der Projektbeitrag der BioSilta Europe besteht darin, ein Mini-Fermentersystem und andere Kultivierungsmedien für Bakterien und Hefen zu entwickeln. Ein Ziel ist es, Fertigkultivierungsmedien in Tablettenform anbieten zu können. Die auf industrielle Biotechnologie spezialisierte Brain AG will die Technologieentwicklungen aus Autobio nutzen, um das Durchmustern ihrer riesigen Metgenom- und Enzymbibliotheken zu automatisieren. Die Berliner Organobalance GmbH beteiligt sich an Autobio durch die Entwicklung von Enzymassays, die sich für Analysen im Hochdurchsatz eignen. Das auf die Identifikation von bioaktiven Kulturen spezialisierte Unternehmen will außerdem Protokolle für die Prozessentwicklung im Miniaturmaßstab entwickeln.

Weitere Partner willkommen

Brain wie auch Organobalance  wollen das Potenzial der neuen Verfahren anschließend an ihren eigenen Produkten demonstrieren. Das Projekt wird von einem Gremiun assoziierter Industriepartner begleitet. „Interessierte industrielle Partner, die sich entweder als Technologieanbieter oder als zukünftige Anwender der automatisierten Prozesse in das AutoBio-Programm einbringen wollen, sind eingeladen dem Industriekonsortium beizutreten“, betonen die Verbundpartner von AutoBio in einer Pressemitteilung.

Innovative Bioprozesse der Zukunft sind auch das zentrale Thema der BMBF-Förderinitiative "Nächste Generation biotechnologischer Verfahren - Biotechnologie 2020+". Im Rahmen eines  Strategieprozesses geht es darum, Konzepte für eine stärker auf Modulen aufgebaute biotechnologische Produktion für die Industrie zu erarbeiten sowie eine stärkere Verschmelzung biologischer und ingenieurstechnischer Komponenten voranzutreiben, etwa durch Mikroreaktionsmodule neuartige Synthese-Roboter. Dies könnte der Industrie neue Wege eröffnen, um Produkte herzustellen, die es heute noch nicht gibt.

Bioreaktoren auf Oberflächen ausdrucken, synthetische Zellen konstruieren oder mithilfe von Mikrokanälen Synthesewege für neue Wirkstoffe zusammenstöpseln. Das sind Visionen für die Biotechnologie der Zukunft, denen sich die großen deutschen Forschungsorganisationen verschrieben haben. Unter dem Dach der BMBF-Initiative „Biotechnologie2020+“ wurden hier millionenschwere Verbundprojekte gestartet.

Visionen der Biotechnologie der Zukunft ausloten und damit die Grundlage für den Aufbau einer biobasierten Wirtschaft schaffen – mit diesem Ziel hatte das BMBF  im Jahr 2010 den Strategieprozess „Nächste Generation biotechnologischer Verfahren“ gestartet. Dafür stehen in den kommenden Jahren 200 Millionen Euro zur Verfügung. Das Besondere an „Biotechnologie2020+“: Es handelt sich um eine gemeinsame Initiative des Bundesforschungsministeriums, der vier großen außeruniversitären Forschungsorganisationen und der Hochschulen. Der vierte Jahreskongress am 27. Juni in Berlin markierte nun das vorläufige Ende der ersten Phase des Dialogprozesses, in dem Fachexperten wie Forschungstrendscouts über innovative Produktionsverfahren nachgedacht haben.

Regina Belz ist dem Phänomen der Hormesis bei Pflanzen auf der Spur. Damit widmet sich die Agrarwissenschaftlerin einem seit Langem in der Landwirtschaft bekannten, aber wenig beachteten Effekt: Geringe Mengen giftiger Substanzen wie Unkrautvernichtungsmittel können durchaus das Pflanzenwachstum steigern. Dass dieses von der Forschung vernachlässigte Phänomen endlich ins Rampenlicht rückt, ist auch ein Verdienst der Hohenheimer Forscherin.  Mit ihrer Arbeit will Belz erreichen, dass der sogenannte Hormesis-Effekt in der Landwirtschaft Beachtung findet und gezielt genutzt werden kann. Doch bis dahin ist es noch ein weiter Weg. Bei ihrer Suche nach der perfekten Dosierung von giftigen Substanzen, die zum einen das Kulturpflanzenwachstum fördern, gleichzeitig aber Unkräuter vernichten wird Regina Belz seit Jahren von der Deutsche Forschungsgemeinschaft unterstützt.

Unkrautvernichtungsmittel – ja oder nein? Darüber wird oft gestritten. Schon das Wort dürfte bei manch einem Unbehagen auslösen. Für Agrarwissenschaftlerin Regina Belz sind Herbizide wie Glyphosat Geheimwaffe und Werkzeug zugleich, um Getreide und andere Kulturpflanzen sprießen zu lassen. Denn die Forscherin ist überzeugt: die Dosis macht das Gift, wie es einst schon Paracelsus formulierte.  Dieser in der Wissenschaft als „Hormesis“ bezeichnete Effekt ist in Medizin und Landwirtschaft seit Langem bekannt, aber noch weitestgehend unerforscht. Schon der deutsche Arzt und Wissenschaftler Paracelsus hatte den Hormesis-Effekt beschrieben. Er stellte fest, dass geringe Mengen einer giftigen Substanz durchaus positiv wirken können.

Faszinierender Zufallsfund

Seit ihrer Doktorarbeit ist die gebürtige Schwäbin von dem Thema fasziniert. Damals untersuchte Regina Belz, ob Ausscheidungen bei Weizen oder Roggen auch das Wachstum von Unkräutern unterdrücken und so gegebenenfalls Unkrautvernichtungsmittel eingespart werden können. Beiläufig stieß sie dabei auf den Hormesis-Effekt. „Dass eine Pflanze Stoffe ausscheidet, sodass ihre Artgenossen besser wachsen können, hat mich fasziniert und nicht mehr losgelassen“, sagt Belz.

In einem Vorort bei Stuttgart aufgewachsen hatte sie ursprünglich mit Landwirtschaft nicht viel im Sinn. „Landwirtschaft lief bei mir nur auf dem Balkon ab oder im Garten meiner Oma.“ Heute kommt die Mutter von zwei Kindern bei ihren Ausflügen in die Natur kaum an einem Unkraut vorbei, ohne die Zwei- und Achtjährigen auf die einzelnen Pflanzen aufmerksam zu machen. „Ich will dass meine Kinder Pflanzen erkennen. Denn Unkräuter sind auch was Gutes. Man kann sie wie den Löwenzahn nutzen und einige auch essen.

Notlösung begeistert

“Aus Mangel an Studiengelegenheiten im Fachbereich Umweltschutz studierte Belz Agrarwissenschaften an der Uni Hohenheim.  Damals war es für die junge Schwäbin nur  „eine Notlösung, die nahe an der Natur war“.  Doch mit der Zeit wurde die Notlösung zu einer Offenbarung, die Regina Belz bis heute motiviert und in Hohenheim hält. Denn nach Studium und Promotion forscht und lehrt die Agrarwissenschaftlerin nun selbst an der Hohenheimer Universität und gilt als Expertin auf dem Gebiet der Herbologie und Allelopathie. „Wenn ich so zurückblicke, habe ich es mit meiner Forschung relativ weit gebracht und das macht mich auch ein bisschen stolz.“ Selbst ihr Doktorvater, der Herbologe Karl Hurle, war anfangs skeptisch, als Regina Belz mit ihrer Arbeit zum Hormesis-Effekt begann. „Ich habe ihn dann aber durch meine Forschung überzeugt. Bis heute ist er für mich eine große Stütze“.

Trübungsmittel werden in Getränken schon seit langem eingesetzt – etwa in Orangenlimonade oder Bitter Lemon. Das Problem: Die bislang verwendeten Stoffe zur Trübung von Getränken haben oft einen bitteren Eigengeschmack und können nach einer Weile ihre Trübung verlieren. In einem Forschungsprojekt entwickelt ein Team um den Biotechnologen Jürgen Rabenhorst vom Fachbereich Life Science Technologies der Hochschule Ostwestfalen-Lippe (OWL)ein neues natürliches, breit einsetzbares und stabiles Trübungssystem auf Citrusbasis. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Projekt mit rund 320.000 Euro im Rahmen der Förderinitiative „Forschung an Fachhochschulen mit Unternehmen (FHprofUnt)“.

Ausgangsmaterial des neuen Trübungssystems ist Citrus-Albedo, die innere weiße Gewebeschicht in Zitrusfrüchten wie Orangen oder Zitronen, welche als Abfallstoff in der Industrie bislang meist keine weitere Verwendung findet. „Dieses Citrus-Albedo soll enzymatisch hydrolysiert, also mithilfe von Enzymen gespalten werden, um so die für eine Trübung geeigneten Bestandteile extrahieren zu können“, erklärt Rabenhorst die ersten Schritte. Durch die BMBF-Förderung könne hierfür ein neues Großgerät finanziert werden, mit dessen Hilfe innerhalb kurzer Zeit die Stabilität der Trübung geprüft werden kann.

Länger und stabiler trüb

Auf dieser Grundlage soll im Rahmen des Projektes ein Produkt entwickelt werden, das im Idealfall stabile Trübungen mit einer sogenannten „Standzeit“ von mindestens einem Jahr im Getränk erzeugt. Darüber hinaus sollte es farb-, geruchs- und geschmacksneutral und sowohl in flüssiger als auch fester Form anwendbar sein. Auch eine Deklaration als natürlicher Extrakt aus Citrusfrüchten und die Vermeidung gentechnisch veränderter Organismen ist angestrebt.

Bisher meist synthetische Zusätze

Der Bedarf der Getränkeindustrie nach einem solchen Produkt sei groß, erklärt Rabenhorst. „Bisherige Trübungsmittel sind entweder synthetisch hergestellt oder haben meist einen Eigengeschmack, was den Einsatz in Lebensmitteln stark einschränkt. Darüber hinaus sind bislang eingesetzte natürliche Trübungsmittel nur unzureichend stabil und führen deshalb oft entweder zu einer Enttrübung oder zu einer sogenannten Ringbildung, bei der sich die zugesetzten Aromen wie ein Ring am Rand der Flasche absetzen.“ Die anwendungstechnischen Tests zur Sensorik und zur Trübungsstabilität der neuen Entwicklung werden innerhalb der Projektlaufzeit von drei Jahren in den Laboren für Bio- und für Getränketechnologie an der Hochschule OWL durchgeführt, die chemische Analyse erfolgt durch die Projektpartner aus der Wirtschaft. „Mit der Symrise AG, der Erbslöh Geisenheim AG und den Herbstreith & Fox KG Pektinfabriken konnten wir drei kompetente Partner für dieses Projekt gewinnen, die sich ideal ergänzen. Durch die kombinierte Expertise der Hochschule OWL und der Projektpartner lassen sich hier neue Lösungsansätze finden, die den Anforderungen der Getränkeindustrie gerecht werden“, so Rabenhorst. Neben der analytischen Unterstützung stellen die drei Unternehmen außerdem Rohstoffe, Enzyme und weitere Mittel zur Verfügung. Nach der erfolgreichen Entwicklung und Kontrolle des Trübungssystems soll das Produkt durch die Firma Symrise direkt am Markt eingesetzt werden.

Täglich haben wir mit ihnen zu tun: Tensiden, den waschaktiven Substanzen in Kosmetika und Reinigungsmitteln. In der Badewanne sollen sie ordentlich schäumen, im Geschirrspüler jedoch nicht, im Duschbad sollen sie sich angenehm anfühlen und als Kindershampoo nicht in den Augen brennen. Zudem sollen sie möglichst umweltschonend sein. Noch bis Sommer 2012 wird ein Verbund bestehend aus Universitäten, Forschungsinstituten und Unternehmen im Rahmen des Verbundprojektes „Polymere Tenside (PolyTe)“ an nachhaltigen Herstellungsverfahren auf Basis nachwachsender Rohstoffe forschen. Der Verbund gehört zum Biotechnologie-Cluster CLIB2021, den das Bundesforschungsministerium seit 2007 fördert. Das Bundeslandwirtschaftsministerium fördert das Tenside-Projekt zudem mit 2,4 Millionen Euro. Die BASF als einer der Projektpartner steuert 720.000 Euro bei.

Weiße Biotechnologie – unter diesem Stichwort lassen sich alle industriell und wirtschaftlich genutzten biotechnologischen Verfahren zusammenfassen. Die Einsatzgebiete sind vielfältig und reichen von Kunststoffen über Pharmazeutika bis hin zur Papierindustrie. Ziel ist es dabei sehr oft, energie- und ressourcenschonende Verfahren auf Basis nachwachsender Rohstoffe zu entwickeln. In dem Projekt „Polymere Tenside“ (PolyTe) werden seit Herbst 2008 Möglichkeiten erforscht, geeignete Tenside für Haushalt und Kosmetika aus nachwachsenden Rohstoffen wie Palmkern- und Kokosölen, Proteinen und Sacchariden zu gewinnen.

Tensiden ist gemeinsam, dass sie sich sowohl aus wasser- als auch aus fettlöslichen Bestandteilen zusammensetzen. Damit eignen sie sich sehr gut für Reinigungsmittel, weil Verschmutzungen sich an die hydrophoben Teile des Moleküls binden, während die hydrophilen Bestandteile  dafür sorgen, dass die Tenside im Wasser gelöst bleiben und mitsamt der Verschmutzung weggespült werden können.

Christina Kohlmann, Projektleiterin bei der BASF in Düsseldorf, erläutert die Komplexität der Forschung an Tensiden: „Die Länge der Molekülketten, die wir in die Tenside einbringen, und auch der hydrophile Teil beeinflussen die Eigenschaften dieser neu gewonnenen Stoffe. Die Endprodukte wiederum sind immer Mischungen aus verschiedenen Komponenten und abhängig vom Einsatzgebiet und den gewünschten Eigenschaften.“ Schließlich müssen Textilreiniger andere Verschmutzungen beseitigen als die Parkettbodenpflege oder die Waschemulsion für empfindliche Haut. Zudem spielt die Wasserqualität beim Endverbraucher eine Rolle bei der Wirksamkeit der Produkte. Doch nicht allein das zählt – Auge und Nase der Verbraucher kaufen mit ein, und darum müssen auch Farbe, Geruch, Aussehen und Konsistenz des Endprodukts stimmen.

Die Gerste (Hordeum vulgare) gilt weltweit als viertwichtigste Getreideart. Insbesondere bedeutend ist sie als Viehfutter und für die Bierherstellung. In der Braunation Deutschland ist Gerste nach dem Weizen sogar die Nummer zwei der angebauten Kulturarten. Wegen seiner Größe und Komplexität ist das Erbgut noch nicht komplett entziffert. Doch Pflanzenforscher kommen diesem Ziel Schritt für Schritt näher: Ein internationales Konsortium unter Führung von Wissenschaftlern aus Gatersleben hat bereits eine gründliche Inventur des Gerstengenoms vorgenommen und einen umfassenden Genkatalog erstellt. Über den Aufbau dieser „physikalischen Karte“ berichteten die Forscher um Nils Stein vom Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) im Fachjournal Nature (2012, Bd. 491, S.711). Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat den Aufbau dieser für Pflanzenzüchter wichtigen Ressource im Projekt GABI-BARLEX von 2007 bis 2011 mit 6,8 Millionen Euro unterstützt.

Beteiligt an dem BMBF-Projekt im Rahmen der Fördermaßnahme „GABI-FUTURE: Lebensbasis Pflanze – von der Genomanalyse zur Produktinnovation“ waren neben den Gerstenforschern aus Gatersleben auch Genomanalyse-Spezialisten vom Institut für Bioinformatik und Systembiologie am Helmholtz-Zentrum in München und vom Jenaer Fritz-Lipmann-Institut. 

Stück für Stück zum Genom-Puzzle

Ähnlich wie der Mensch besitzt die Gerste nur einen doppelten Chromosomensatz, was genetische Experimente erleichtert. Doch mit 5 Milliarden Basenpaaren (5,1 Gbp) ist das Gerstengenom fast doppelt so groß wie das des Menschen. Da es außerdem noch sehr viele sich wiederholende DNA-Abschnitte zwischen den Genen enthält, ist es schwierig das Genom vollständig zu entziffern. Die Wissenschaftler um Pflanzenforscher Nils Stein sind daher in den vergangenen Jahren ganz systematisch vorgegangen, um eine optimale Ausgangsbasis für die Genom-Sequenzierung zu schaffen: Sie haben eine sogenannte physikalische Karte ausgearbeitet.

Zunächst wurde das riesige Gerstengenom in rund 700.000 kleine DNA-Pakete aufgestückelt und die entstandenen Abschnitte in sogenannten Bacterial Artifical Chromosomes (BAC) „archiviert“. Hochmoderne Sequenzierautomaten halfen ihnen dabei, diese Informationen nach und nach anzuordnen. In aufwendiger molekularer Puzzlearbeit haben die Forscher so die Abfolge der BACs ermittelt.

Gen-Landkarte des Gerstenerbguts

„Auf Basis der physikalischen Karte und der stellenweise ausgelesenen Sequenzinformationen kennen wir nun nicht nur die Gensequenzen der Gerste, sondern wissen auch, welches Gen sich wo im Genom befindet“, erläutert Nils Stein. „Bei etwa 80 Prozent des Gerstengenoms handelt es sich um repetitive DNA, nur etwa 2 Prozent der Sequenz machen funktionelle Gene aus“, fasst er zusammen. „In der nun vorliegenden physikalischen Karte haben wir die Gene in ihrem genomischen Kontext dargestellt. Was uns noch fehlt, ist die Information zwischen den Genen.“ Das BMBF-Förderprojekt GABI-BARLEX repräsentiert den deutschen Beitrag des „International Barley Sequencing Consortium (IBSC)“. Zu diesem Konsortium haben sich im Jahr 2006 Forscher aus aller Welt unter deutscher Federführung zusammengeschlossen, um gemeinsam das große und komplexe Genom zu knacken. Beteiligt am IBSC sind außerdem Wissenschaftler aus den USA, Australien, Japan, China sowie weitere europäische Partner des „Barley Genome Net“. „Mithilfe der BMBF-Förderung hat das IPK in Gatersleben seine internationale Sichtbarkeit als Gersten-Forschungsinstitut weiter ausbauen können“, resümiert Nils Stein. Das IPK habe sich inzwischen zu einem über Deutschland hinaus gefragten Projektpartner entwickelt.

Wichtige Ressource für die Pflanzenzüchtung

Die in Nature veröffentlichte und frei zugängliche physikalische Karte verzeichnet die Reihenfolge und die Struktur der insgesamt mehr als 26.000 Gene im Gerstengenom. Pflanzenzüchtern liefert die Genkarte schon jetzt ein wichtiges Werkzeug an die Hand, etwa für die gezielte Erforschung und Charakterisierung interessanter Gene. Die Pflanzenforscher erhoffen sich langfristig wichtige Erkenntnisse, um beispielsweise agronomische Eigenschaften des Getreides wie Ertrag oder Resistenzen gegen Schädlinge zu verbessern. Die Gerste-Genkarte bildet auch die Grundlage zur Erfassung der natürlichen genetischen Vielfalt in den über 20.000 Samenmustern alter Gerstevarietäten, Landrassen und Wildgersten der bundesdeutschen Kulturpflanzengenbank des IPK. Der Katalog ist eine äußerst wichtige Ressource, um das Gerstengenom vollständig sequenzieren zu können. „Alle weiteren momentanen Forschungsprojekte zur Gerste bei uns im Haus profitieren von den Genominformationen “, sagt Stein. So zum Beispiel auch die laufenden Arbeiten des im Rahmen der aktuellen BMBF-Fördermaßnahme PLANT 2030 geförderten Projektes TRITEX. Hier werden weitere Weichen für die vollständige Sequenzierung des Gersten-Genoms gestellt.

Autor: Philipp Graf

Muttermilch gilt als perfekte Nahrung für Säuglinge – sie enthält neben Nährstoffen auch einen reichhaltigen Mix an natürlichen Gesundmachern. Dazu zählen humane Milchzucker. Sie fördern die Entwicklung der Darmflora und schützen die Neugeborenen vor Infektionen mit Krankheitserregern. Damit auch nicht gestillte Kinder gesund ernährt werden können, sind Hersteller von Babynahrung schon lange an solchen funktionellen Zusätzen für ihre Produkte interessiert. Bioingenieure von der Jennewein Biotechnologie GmbH haben nun ein Verfahren entwickelt, mit dem sich die Zuckermoleküle im Industriemaßstab herstellen lassen. Zu Zellfabriken umgewandelte Mikroben produzieren hierbei Fucosyllactose. Das BMBF hat das Familienunternehmen in der Fördermaßnahme BioChancePlus mit rund 1,1 Millionen Euro unterstützt. Viele namhafte Hersteller von Babynahrung gehören mittlerweile zu den Kunden.  

Muttermilch enthält für Neugeborene einen stärkenden Mix an Zuckermolekülen: Neben Lactose, die als Energiequelle dient, schwimmen in einem Liter Muttermilch bis zu zwölf Gramm humane Milch-Oligosaccharide (HMO). Bei diesen Oligosacchariden handelt es sich um mehr als einhundert verschiedene komplexe Mehrfachzucker. Unter ihnen befindet sich auch die sogenannte Fucosyllactose, die mit etwa 30 Prozent deren Hauptanteil ausmacht.

Milchzuckermoleküle wirken wie Täuschkörper

Untersuchungen bei Kindern deuten darauf hin, dass humane Milchzucker eine präbiotische Wirkung entfalten und dabei helfen, die junge Darmflora zu entwickeln. Zudem senkt ein hoher Fucosyllactose-Gehalt in der Muttermilch bei Neugeborenen das Risiko von Durchfallerkrankungen sowie viralen und bakteriellen Infekten. Ein Grund: Die in der Milch schwimmenden Zucker ähneln jenen Zuckerantennen, die auf den Hüllen von Körperzellen existieren. Wenn Viren oder Bakterien in den Verdauungstrakt gelangen, docken sie an diese Zuckerantennen an, um die Zellen zu attackieren. „Die Fucosyllactose-Zucker aus der Muttermilch wirken dabei wie molekulare Attrappen“, sagt Stefan Jennewein, Geschäftsführer der Jennewein Biotechnologie GmbH. Krankheitserreger steuern deshalb besonders häufig die Fucosyllactosen aus der Milch an und werden „abgefangen“. Sobald sich ein Erreger an die Fucosyllactose gebunden hat, wird er aus dem Körper gespült, ohne seine infektiöse Wirkung entfalten zu können.

Begehrter Zusatz für Baby-Milchnahrung

Schon seit langem suchen Hersteller von Babynahrung nach Wegen, die humanen Milchzucker industriell herzustellen und gezielt in Lebensmitteln anzureichern. Von diesen Zusätzen können vor allem Säuglinge profitieren, die nicht gestillt werden können. Doch wegen ihrer komplexen Molekülstruktur war man bisher nicht in der Lage, die humanen Milchzucker künstlich zu produzieren. So musste bis heute auf den Einsatz von  Fucosyllactose in Säuglingsnahrungs- und Kindernahrungsprodukten verzichtet werden. Die Jennewein Biotechnologie GmbH hat mit seinem Team in den vergangen Jahren erfolgreich ein biotechnisches Herstellungsverfahren entwickelt. Dazu haben die Forscher Bakterien gentechnisch so umgerüstet, dass sie fortan als Zucker-Zellfabriken arbeiten können. Gefüttert werden die Mikroorganismen in großen Produktionstanks mit Kohlenhydraten, die aus nachwachsenden Rohstoffen stammen. „Die Fucosyllactose geben die Mikroben in die Nährlösung ab“, erläutert Jennewein.

So wirksam wie das natürliche Vorbild

Um den Produktionsprozess zu optimieren, wurde das Unternehmen von 2008 bis 2012 vom BMBF im Rahmen der Initiative „BioChancePlus“ mit rund 1,1 Millionen Euro unterstützt. In einem neuen Projekt der BMBF-Fördermaßnahme „KMU-innovativ“ werden die Forscher wiederum noch bis 2015 mit rund einer Million Euro gefördert. Hier geht es darum, neue Glycosyltransferasen zu identifizieren, mit denen weitere humane Milchzucker durch mikrobielle Fermentation hergestellt werden können. „Wir wollen auf diese Weise einen Großteil der heute bekannten  humanen Milchzucker herstellen“, sagt Jennewein. Der biotechnologische Prozess sei nicht nur nachhaltig, sondern gewährleiste auch die notwendige Produktsicherheit. „Schließlich müssen unsere Zusatzstoffe für Babynahrung höchsten Qualitätsanforderungen genügen“, sagt Jennewein.

Manche Fleckvieh-Bullen sind augenscheinlich kerngesund. Doch eine winzige Veränderung im Erbgut lässt ihre Chance auf Nachwuchs gegen Null sinken: Auf Chromosom 19 haben Forscher aus Bayern einen Gendefekt gefunden, der sich auf die Qualität der Spermien auswirkt – und die Bullen damit unfruchtbar macht. Zum Nachweis der Mutation setzten die Forscher der Technischen Universität München auf modernste Sequenziertechniken. Mithilfe eines Gen-Checks kann fortan festgestellt werden, welche Rinder als Zuchttiere infrage kommen. Die Forscher berichten in PLOS Genetics (2014, Online-Veröffentlichung). Das BMBF hat die Arbeiten im Rahmen des Forschungsclusters „Synbreed“ von 2009 bis 2014 gefördert.

Das Fleckvieh stammt ursprünglich aus dem Alpenraum. Heute ist diese robuste Rinderrasse auf allen Kontinenten zuhause. Geschätzt sind es weltweit etwa 40 Millionen Tiere. In Deutschland leben etwa 1 Million Milchkühe der Fleckvieh-Rasse. „Ihre Genome lassen sich auf einige wenige Vorfahren, sogenannte Schlüsselahnen, zurückführen“, erläutert Ruedi Fries, Leiter des Lehrstuhls für Tierzucht an der Technischen Universität München (TUM). „Über die künstliche Besamung können männliche Zuchttiere mehr als hunderttausend Nachkommen hervorbringen.“

Mit mikroelektronischen Netzhaut-Implantaten Blinden ein Stück Sehfähigkeit zurückgeben, das versucht die Retina Implant AG in württembergischen Reutlingen. Die Chips sollen Menschen mit degenerativen Netzhauterkrankungen wieder einen Lichtblick verschaffen. Im Rahmen der Fördermaßnahme "KMU-innovativ" hat das BMBF die Erforschung und Erprobung des Netzhaut-Implantats unterstützt.

Allein in Deutschland leben etwa 130.000 blinde Menschen. Jedes Jahr erblinden 17.000 Menschen neu. Etwa ein Viertel davon ist an degenerativen Netzhauterkrankungen erblindet, bei denen die Sehzellen auf der Netzhaut absterben. Je nach Erkrankung sterben unterschiedliche Zellen ab: So engt sich bei Retinitis pigmentosa das Sehfeld von außen ein, bis praktisch nichts mehr übrig ist, während bei altersbedingter Makula-Degeneration die Sehschärfe zuerst in der Mitte des Sehfeldes abnimmt. Am Ende steht jedoch in beiden Fällen die klinische Blindheit. Es gibt bis heute keine Behandlungsmethoden, um das Absterben der Sehzellen zu verhindern. Mit der Diagnose einer solchen Erkrankung schwinden also alle Hoffnungen auf Besserung. Stattdessen wird zur Gewissheit, was nun kommen wird: Alltägliche Dinge wie Fernsehen, Lesen, das Nutzen von Computern, viele Hobbies oder der selbständige Gang in die Stadt werden erst sehr erschwert und dann oft unmöglich. Damit kommen nicht selten Arbeitsunfähigkeit, Frühpensionierung und ein Verlust der Selbstständigkeit mit Angewiesenheit auf Hilfe von Verwandten, Bekannten oder Pflegekräften. Die normale Teilhabe am Familienleben, am Arbeitsleben und am sozialen Leben wird stark eingeschränkt. Menschen, die erst im fortgeschrittenen Alter erblinden, fällt die Anpassung trotz aller zur Verfügung stehenden Hilfsmittel oft besonders schwer: Nur wenige lernen noch die Blindenschrift Braille und auch die Orientierung im Straßenverkehr mit Langstock muss man lange trainieren. Für die Betroffenen und auch für ihre Angehörigen ist die Diagnose daher ein schwerer Schlag.

Ein Stück Sehfähigkeit zurückgeben

Doch nun gibt es einen Lichtblick. Die Firma Retina Implant hat eine Möglichkeit entwickelt, um diesen Personen zu helfen und sogar bereits erblindeten Personen Sehfähigkeit zurück zu geben. Erste Versuche haben bereits gezeigt, dass es funktioniert: Nach Jahren der Blindheit konnten die Versuchspersonen Gegenstände erkennen, sich mit Hilfe der Augen alleine in der Außenwelt orientieren oder die Mimik einer nahestehenden Person das erste Mal bewundern. Die Seheindrücke sind dabei zwar nicht zu vergleichen mit denen eines normal sehenden Menschen - sie sind schwarz-weiß, eher grob gerastert und zudem nehmen sie nur eine kleine viereckige Fläche des normalen Gesichtsfeldes ein - aber für jemanden, der jahrelang gar nichts Brauchbares gesehen hat, sind sie dennoch überwältigend. Die Orientierung in fremden Räumen wird möglich. Man kann einen Gegenstand wiederfinden, den jemand anderes umgestellt hat. Und man sieht vielleicht zum aller ersten Mal, wenn auch noch so grob gerastert, wie die eigene Freundin einem zulächelt.
Möglich wird dies durch ein kleines Medizinprodukt, einen Netzhaut-Chip, der im Auge die Funktion der Sehzellen übernehmen kann. Die Methode ist daher grade für solche Blinde geeignet, die an einer degenerativen Netzhauterkrankung leiden, denn bei ihnen sind Sehnerven und die für das Sehen notwendigen Hirnregionen intakt. Das ist bei blind geborenen Menschen nicht der Fall, aber für den Netzhaut-Chip notwendig, denn er wandelt das in das Augen fallende Licht in elektrische Impulse um, die er in die Sehnerven speist - genau wie die Sehzellen selbst es täten. Diese Impulse werden dann ganz normal über die Nerven ins Gehirn geleitet, wo aus den Impulsen Seheindrücke entstehen.

Die Forschung am Netzhautchip

Es war eine Menge Forschungsarbeit notwendig, um zunächst einmal überhaupt festzustellen, was genau ein solches Produkt können muss. War es überhaupt möglich, einen solchen Fremdkörper an der richtigen Stelle dauerhaft zu implantieren? Welche Materialien ließen sich verwenden? Wie stark mussten die Impulse sein, die der Chip generiert, damit sie im Gehirn ankommen? 1995 gründete sich ein Forschungsverbund von Kliniken und Universitäten, vom BMBF unterstützt, um diese und weitere Fragen zu beantworten. Beteiligt waren neben vielen anderen die Universitäts-Augenkliniken Tübingen und Regensburg, das Naturwissenschaftliche und Medizinische Institut an der Universität Tübingen (NMI), das Institut für Mikroelektronik Stuttgart (IMS) sowie das Institut für Physikalische Elektronik der Universität Stuttgart. Über 10 Millionen Euro flossen über acht Jahre in die Förderung. Erst als deutlich wurde, dass tatsächlich eine Chance bestand, den ehrgeizigen Traum zu verwirklichen und blinde Menschen wieder sehen zu lassen wie in einem Science-Fiction Film, wurde die Retina Implant AG im Jahre 2003 aus dem Verbund heraus gegründet. Diese kleine Firma konnte sich dann ganz der schwierigen Aufgabe widmen, all die gesammelten Forschungsergebnisse in die Entwicklung eines funktionierenden und marktfähigen Implantats umzusetzen.

Frisches Körnerbrot oder leckere Nudelgerichte gehören für viele Menschen wie selbstverständlich bei Mahlzeiten dazu. Bei 250 Millionen Menschen weltweit verursacht solche Kost jedoch gravierende Gesundheitsprobleme. Der Grund: sie leiden unter Zöliakie – einer Unverträglichkeit des in vielen Getreidearten vorkommenden Klebereiweißes Gluten. Eine Therapie für die durch Gluten ausgelöste Darmentzündung gibt es nicht. Betroffene müssen daher strikt auf eine glutenfreie Ernährung achten. Doch die derzeit verfügbaren Tests zum Nachweis der toxischen Getreidebestandteile in Lebensmitteln sind sehr zeitaufwändig und weisen nur einen Teil des Glutens spezifisch nach. Der Forschungsverbund GLUTEVIS hat es sich daher zum Ziel gesetzt, ein optisches Messgerät zu entwickeln, das auch geringste Spuren von Klebereiweiß in Lebensmitteln zügig aufspüren kann. Das Vorhaben wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) bis ins Jahr 2016 mit 2,5 Millionen Euro gefördert.

Zwischen 150.000 und 400.000 Menschen leiden in Deutschland an Zöliakie. Dabei handelt es sich um eine Unverträglichkeit von verschiedenen Getreidespeicherproteinen, die als Gluten bezeichnet werden und beispielsweise in Weizen, Roggen und Gerste vorkommen. Bei Betroffenen reagiert der Körper mit einer Abwehrreaktion auf das aufgenommene Gluten. Die Folge ist eine Entzündung der Dünndarmschleimhaut, was wiederum die Nährstoffaufnahme beeinträchtigt. Symptome für eine Glutenunverträglichkeit sind unter anderem Durchfall, Bauchschmerzen, Gewichtsverlust oder Müdigkeit. Eine glutenfreie Ernährung ist daher für Menschen, die an Zöliakie erkrankt sind, das A und O.  Die Lebensmittelindustrie hat auch bereits eine Reihe von Produkten auf den Markt gebracht, die als „glutenfrei“ gekennzeichnet sind. Doch das Verfahren, um Gluten vollständig aus Getreideprodukten herauszulösen, ist schwierig und technisch sehr aufwändig. Zudem sind die bisher verfügbaren immunchemischen Analysemethoden nicht in der Lage, sämtliche Glutenkomponenten nachzuweisen und liefern daher nicht immer korrekte Ergebnisse.

In der Bioproduktion werden Mikroben oder Säugerzellen als lebende Mini-Fabriken eingesetzt. Die Produktionsstätten der Biotechnologie sind Bioreaktoren – große Hightech-Behälter aus Stahl oder Kunststoff, in denen die Organismen unter optimalen Bedingungen kultiviert werden. Ob jedoch das Produkt – sei es ein Enzym, Wirkstoff oder Biotreibstoff, in der gewünschten Qualität entstanden ist – wird in der Regel erst am Ende des Prozesses festgestellt. Diesen Check deutlich nach vorne zu verlagern und den Organismen direkt bei der Produktion zuzuschauen – das ist das Ziel der neuen strategischen Allianz „Wissensbasierte Prozessintelligenz“. Koordiniert vom Labor- und Prozesstechnologieanbieter Sartorius werden bundesweit 20 Partner aus akademischer Forschung und Industrie zusammenarbeiten. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert die Allianz mit rund 9 Millionen Euro.

Obwohl in der biotechnologischen Produktion bereits heute modernste Verfahrenstechnik zum Einsatz kommt – was im Bioreaktor gerade passiert, bleibt Biotechnologen bislang meist verborgen. „Häufig werden derzeit Bioprozesse in der Industrie fast blind geführt“, sagt Reinhard Baumfalk von Sartorius. Erst nachträglich werde getestet, ob die Organismen das gewünschte Produkt zuverlässig hergestellt haben. Das sei aufwendig und teuer zugleich, manchmal müssten sogar ganze Chargen verworfen werden. Herstellungsprozesse ließen sich auf diese Weise nicht kontinuierlich verbessern.

Eine neue Generation von biologisch aktiven Inhaltsstoffen für gesunde Nahrungsmittel und Kosmetikprodukte – darauf hat es die strategische Allianz „Natural Life Excellence Network 2020“ (NatLifE 2020) abgesehen. In dem von der Zwingenberger Brain AG geleiteten Netzwerk haben sich 22 Partner aus Wirtschaft und Hochschulen zusammengetan, um Forschung, Entwicklung und Produktion von natürlichen Inhaltsstoffen voranzutreiben. Das BMBF steuert zu der rund 30 Millionen Euro schweren Allianz die Hälfte des Betrags im Rahmen der „Innovationsinitiative industrielle Biotechnologie“ bei. Besonders beim Aufspüren der Substanzen aus riesigen Naturstoff-Sammlungen ist zellbiologisches Know-how gefragt.

Hustensaft oder auch Tee – in diesen zweifellos gesundheitsförderlichen Getränken stecken zahlreiche Bitterstoffe. Geschmacklich sorgen diese oft für Abstriche. Damit sie trotzdem genießbar sind, wird der bittere Geschmack meist mit viel Zucker oder Süßstoffen überlagert – was die Gesundheitsbilanz wiederum schmälert. Auf eine neue Generation von Geschmackswandlern aus der Natur hat es die Allianz NatLifE 2020 abgesehen. Die Partner in NatLifE 2020 fahnden nach Naturstoffen, die den bitteren Geschmack auf raffinierte Art und Weise überdecken und dazu noch gesund sind.