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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

Zwanzig vielversprechende deutsche Startups aus den Life Sciences hatten jüngst die Gelegenheit, um die Gunst von Investoren zu werben.  Ende November hatte das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) zur Investmentlounge nach Schloss Ziethen ins Berliner Umland geladen. Vor allem Projektteams, die im Rahmen der „Gründungsoffensive GO-Bio“ durch das BMBF gefördert wurden, haben sich hier 30 Wagniskapitalgebern und Business Angeln vorstellen können.

Die Höhe des gesuchten Kapitals variierte von einer Million Euro bis hin zu 20 Millionen Euro – je nach Geschäftsidee ist der Bedarf an frischem Geld unterschiedlich verteilt. Während manch Gründer sich erst noch aus dem akademischen Umfeld in Richtung Wirtschaft vorarbeitet, waren einige der Projekte schon weiter fortgeschritten. Viele der 20 Geschäftsideen wurden in der Vergangenheit durch GO-Bio unterstützt. 

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

Umweltschützer warnen seit Langem vor einem Rückgang der biologischen Vielfalt auf der Erde und mahnen zu einem schonenden Umgang mit den Ressourcen. Diese Warnung unterstreicht auch der diesjährige „Living Planet Report“ der Umweltorganisation WWF. Er zeigt deutlich, welche Tier- und Pflanzenarten oder Gebiete der Erde bedroht sind.

Helmholtz-Forscher an der Spitze des Autorenteams

Zum Schutz der Biodiversität sind daher Innovationen erforderlich, welche die gesamte Wertschöpfungskette erfassen. Das Wissen um den Status Quo ist hierfür unerlässlich. Mit dem Start der weltweiten Bestandsaufnahme zur biologischen Vielfalt und den Dienstleistungen ökologischer Systeme will der Weltbiodiversitätsrat IPBES (Intergovernmental Science Policy Platform on Biodiversity and Ecosystem Services) mit exakten Daten und Fakten die Basis für zukünftiges Handeln schaffen. Auch die Bundesregierung unterstützt die Arbeit des internationalen Wissenschaftlerteams. Zur Spitze der Autorengruppe gehört auch ein deutscher Forscher: Josef Settele vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) wurde zum Co-Vorsitzenden berufen.

Wissenbasierte Daten für politische Entscheidungen

„Die Politik braucht wissenschaftsbasierte Daten und Fakten, um Strategien für die Zukunft  zu entwickeln, die den Menschen vermittelt werden können“, sagte Bundesforschungsministerin Johanna Wanka zum Start der globalen Untersuchung. Auch Bundesumweltministerin Barbara Hendricks betonte die Notwendigkeit einer soliden Faktenlage für gute wissenschaftliche Entscheidungen. „Dieser Bericht wird eine solche Grundlage sein. Ich hoffe, dass ambitionierte politische Entscheidungen zum Schutz der globalen Artenvielfalt folgen werden“.

Ökosystemdienstleistungen im Blick

In den kommenden drei Jahren will das Autorenteam den aktuellen Zustand der globalen Biodiversität untersuchen sowie die Entwicklungen bis zum Jahr 2050 prognostizieren. Im Fokus der Betrachtung stehen dabei die Auswirkungen auf das Wohl des Menschen. Dabei richtet sich der Blick der Forscher nicht nur auf die Ökosystemleistungen von Land, Binnengewässern und Küstenzonen, sondern auch auf die Ozeane, deren Tier- und Pflanzenwelt durch Überfischung und Vermüllung in Gefahr ist. Im Mai 2019 soll der Bericht zur globalen Biodiversität abgeschlossen sein. Es ist für den 2012 gegründeten Weltbiodiversitätsrat der aktuell wichtigste Report.

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Schach ist in seiner Heimat Volkssport. Als gebürtiger Ukrainer fühlt sich Yuri Gleba dem Spiel der Könige verbunden. Sein Motto: „Unternehmer müssen denken können wie Großmeister.“ Und das hat der promovierte Pflanzenphysiologe und Genetiker mit seinen Firmen Nomad Biosciences und Icon Genetics bewiesen. In der Geschäftswelt fühlt sich der 65-jährige Akademiker zuhause: „Wissenschaft, Politik, Wettbewerber – es müssen Aspekte aus sehr unterschiedlichen Bereichen beachtet werden. Genau das mag ich.“ Im Spätsommer sorgte das Hallenser Unternehmen Icon Genetics für Schlagzeilen. Denn die Pflanzentechnologen haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich das Ebola-Medikament ZMapp herstellen lässt - in Tabakpflanzen als Antikörper-Fabriken.

Dass in Gleba ein waschechter Unternehmer schlummerte, war lange Zeit nicht absehbar. Geschweige denn, dass er gar eine zentrale Rolle im Kampf gegen die aktuelle Ebola-Pandemie spielen würde. Der Pflanzenphysiologe arbeitete anfangs in der Sowjetunion. Nach dem Systemwechsel ging er dann für beinahe ein Jahrzehnt in die USA. „Dort, in der Forschungsabteilung einer Firma, habe ich gelernt, dass große Unternehmen nicht die besten Orte für das Gedeihen von Innovationen sind“, lautet Glebas Fazit.

Vom Start-up zum erfolgreichen Biotech-Unternehmen

Folgerichtig beginnt der damals schon fast 50-Jährige eine Unternehmerkarriere und gründet 1999 Icon Genetics in Princeton (USA). Das Start-up entwickelt für Kunden virale oder bakterielle Expressionssysteme zur Herstellung von Proteinen in Pflanzen. Der große Vorteil: Schon nach einem Monat können die gewünschten Proteine aus den Blättern en masse isoliert werden – egal, ob es sich um Low-Cost-Proteine wie industrielle Enzyme und Biomaterialien oder um hochwertige Biopharmazeutika handelt. Noch im ersten Jahr zieht Icon nach Europa um. „Einer der Gründe für den Schritt war, dass wir die USA kulturell als eine Wüste empfanden“, erinnert sich der Opernfan. Aufgrund persönlicher Kontakte entschied sich die dreiköpfige Familie für Deutschland. „Wir hatten pures Glück“, erinnert sich Gleba, „denn die deutsche Regierung legte damals ein riesiges Finanzierungsprogramm auf.“ Da es auch Geld von den Bundesländern gab, wurde die Firma in eine AG in München und eine GmbH in Halle an der Saale geteilt. „Ich denke, dass wir nur aufgrund dieser komfortablen Fördergeldsituation den sich damals gerade abzeichnenden Zusammenbruch der Biotech-Szene überleben konnten.“ Der Erfolg der Firma mündete in der Übernahme durch Bayer 2006. Der Pharmakonzern wollte mit Icons Technologie Krebsvakzine herstellen. Gleba wurde überredet, an Bord zu bleiben: „Aber irgendwann war ich nicht glücklich, dass nur dieses eine Produkt verfolgt wurde. Misslingt es, gerät die Technologie als Ganzes in Verruf.“

Mit Icon-Technologie gegen Ebola

Die Lösung: Gleba arbeitete ab 2008 halbtags bei Bayer, sonst für die von ihm neugegründete Nomad Bioscience – dort jedoch beschränkt auf nicht-pharmazeutische Projekte. 2012 verließ Bayer aufgrund eines Strategiewechsels das Gebiet komplett und Gleba war wieder als Schachstratege gefragt. Sein Zug: Nomad übernimmt Icon. Im Gegensatz zur Anfangszeit Icons verzichtete Gleba bei dem Management-Buyout nun ganz auf Wagniskapital. Die Mutterfirma Nomad gehört derzeit vier Personen, Gleba davon 90 Prozent. „Das spiegelt meine Frustration über Wagniskapital wider. Mit der Finanzierung über Auftragsforschung haben wir nun die volle Kontrolle.“ Hier kommt der Firma zugute, dass ihre Kunden aus so verschiedenen Bereichen wie der Pharma- oder der Agrarindustrie kommen. „Unsere 33 Mitarbeiter wechseln dann immer zwischen den Projekten. Aus betrieblichen Gründen mussten wir noch nie jemanden entlassen“, so Gleba. Stolz kann die Firma auch aus einem anderen Grund sein: Das gegen Ebola-Viren eingesetzte Medikament ZMapp basiert auf den Erfindungen der Hallenser . Gleba ist auch an Verhandlungen mit dem US-Verteidigungsministerium beteiligt. Aber es sind US-Firmen, die Icons Technologie zur Produktion des Wirkstoffcocktails nutzen. Gleba hat daher gemischte Gefühle: „So schön es ist, die Früchte der Arbeit reifen zu sehen. Es ist auch ein wenig frustrierend, dass dies nicht in Deutschland geschieht.“ 

Autor: Martin Laqua

Chess is a popular sport in his homeland. As a native of Ukraine, Yuri Gleba feels a connection with the game of kings. His motto: “Entrepreneurs should be able to think like a Grand Master.” Today, the businessman with a doctorate in plant physiology and genetics has proven this motto with his companies Nomad Biosciences and Icon Genetics. The business world is where the 65-year-old feels at home: “Science, politics, your competitors – you have to consider aspects from highly different areas. That’s exactly my thing.” His Halle-based company Icon Genetics was in the headlines during  summer 2014 because of a method developed by the plant technologists that enables improved production of the ZMapp Ebola serum. The technique involves turning tobacco plants into antibody factories.

It wasn’t always clear that there was a born entrepreneur hiding inside the scientist Gleba, let alone that he would play a central role in the fight against the Ebola pandemic spreading in West Africa in 2014. The plant physiologist began his career in the Soviet Union. After the fall of the Iron Curtain, he spent almost a decade in the United States. “There, in a company research department, I learned that large companies are not the best places for innovation to flourish” is Gleba’s conclusion today.

From start-up to successful biotech company

As a consequence, the almost 50-year-old began a venture career, and in 1999 founded Icon Genetics in Princeton in the US. This start-up developed tailor-made viral or bacterial expression systems for protein production in plants. The major advantage of this approach is that as soon as one month later, the desired proteins can be isolated from the leaves in large quantities, regardless of whether they are low-cost proteins, industrial enzymes and biomaterials, or high-value biopharmaceuticals. In its very first year, Icon moved to Europe. “One of the reasons for the move was that, from a cultural perspective, we saw the US as a desert,” remembers the opera fan. The three-person family opted for Germany, where they already had personal contacts. “We were extremely lucky,” recalls Gleba, “because the German government was just beginning a huge financing program.” Funding was also available from the federal states, and so the company was divided into a public company in Munich and a limited liability company in Halle an der Saale. “I believe that we only survived the looming collapse of the biotech scene because of this comfortable funding situation.” The success of the company resulted in an acquisition in 2006 by the pharmaceutical corporation Bayer, who were looking to use Icon’s technology to create their own cancer vaccines. Gleba was persuaded to stay on board: “But at some point I was unhappy pursuing just a single product. If it failed, the technology as a whole would fall into disrepute.”

Icon technology vs. Ebola

The solution: From 2008, Gleba worked half days at Bayer and the other half at his newly-founded company Nomad Bioscience, which was this time limited to non-pharmaceutical projects. In 2012, Bayer exited the field of cancer vaccines following a change in strategy and the chess enthusiast Gleba was required again as a company strategist. His move: Nomad would acquire Icon. In contrast to the early days at Icon, Gleba dispensed entirely with venture capital in the management buyout. The parent company Nomad was subsequently owned by just four people, with Gleba controlling 90 percent. “This was a reflection of my frustration with venture capital. With the contract research, now we have full control of our financing.” Here, the company can benefit from the diverse nature of their clients, which span pharmaceutical development, agricultural industry and well beyond. “Our 33 employees are always switching between projects. We’ve never had to let anybody go for operational reasons,” says Gleba. There is another reason for a sense of pride at the company: The drug ZMapp, which is used to combat the Ebola virus, is based on inventions that originated in Halle. Gleba is also involved in negotiations with the US Department of Defense. The production of the drug cocktail – using Icon technology – is undertaken by US-based companies. Gleba has mixed feelings about this: “As nice as it is to see the fruits of our work begin to ripen, it’s also a little frustrating that it’s not happening in Germany.”

Author: Martin Laqua

The results: the total European bioeconomy amounted to €2.1tn turnover in 2013, roughly half of which came from the food, feed and beverages sectors. The so-called bio-based industries – chemicals and plastics, pharmaceuticals, paper and paper products, forest-based industries, textile sector, biofuels and bioenergy – contributed with €600bn.

The total employment in the European bioeconomy stood at 18.3 million employees, with primary biomass production (agriculture, forestry & fishery) as the biggest contributor (58%). But not all of Europe is created equally. The analysis shows different situations in different member states. Eastern European Poland, Romania and Bulgaria, for example, are strong in primary production and their commodities’ sectors have a high employment-to-turnover ratio.

Germany, Italy and France ahead of the game

Western and Northern European countries, on the other hand, generate a much higher turnover and thus have lower employment-to-turnover ratios. Germany, Italy and France are the front runners for the bioeconomy. The three states shared the highest turnover and employment in the EU.

Renewable raw-materials are the key

“The Bio-based industry is already an important part of the European economy and a pivotal element in the transition towards a sustainable, circular economy in Europe with renewable raw materials as key enablers,” said Marcel Wubbolts, Chair of BIC. “Europe should continue on this path and create stable policies to further accelerate the European Bioeconomy.” The BIC also noted that, according to an internal survey, the consortium’s own members are currently investing more than €2.1bn in new demo and flagship infrastructure. “The commitment of the industry is there, and the new BBI public-private partnership certainly shows its first impact,” commented Dirk Carrez, Executive Director of BIC. “Now politics have to follow and enable a swift transition from fossil to bio-based resources.”

© biotechnologie.de/um

And to help the company move forward in this endeavour, the Essen-based company has acquired French start-up Alkion Biopharma SAS. The start-up, which is based in Evry, specialises in the creation of biotechnological active ingredients from plant biomass to be used in cosmetics. Alkion Biopharma was founded as a spin-off from the Imperial College in London in 2011. The company has developed methods for cultivating plant biomass under laboratory conditions and obtaining extracts from the biomass with an exceptionally high yield of complex ingredients. The entire process takes place without altering the plant genome.

Reinforcing the power of nature

"We are simply reinforcing the strength of nature. This results in unique, innovative cosmetic actives," said Dr Franck Michoux, founder and CEO of Alkion. He believes the affiliation with Evonik will provide outstanding opportunities for successful marketing of this technology. The purchase price of the deal has not been disclosed. By purchasing Alkion, Evonik expands its portfolio in the Personal Care Business Line in the area of active ingredients. "Thanks to its formulation and application expertise, Evonik enjoys an excellent reputation in the cosmetics industry. We are resolutely continuing along this path with the acquisition of Alkion," said Dr Tammo Boinowitz, head of the Personal Care Business Line at Evonik.

Tailor-made active ingredients from plant biomass

By taking over the French biotech company, Evonik is strengthening its portfolio of speciality active ingredients. “This allows us to offer customers product concepts to set themselves apart from competitors,” said Boinowitz. Evonik is now able to offer its customers highly effective customised plant-based active ingredients that live up to their product claims.

Three years ago, Evonik turned its business towards sustainability. Just recently, the Essen-based company bought Norwegian biotech company Medpalett AS. Medpalett’s most important product is anthocyanin containing berry extract, which the Norwegian company has produced from Scandanvian blueberries and blackcurrants from New Zealand since 2000, and sells under the name Medox as a dietary supplement in Scandinavia. The speciality company also uses sustainable production methods in the field of feed production. Furthermore, Evonik is developing a process for the chemical industry to recover important but oil-based polymer components from the renewable resourse palm kernel oil.

© bioökonomie.de/bk+bb

A team of scientists from the Technical University of Munich (TUM) have discovered an unusual way to protect mortar from moisture. When mortar is being mixed, the scientists add a biofilm – a soft, moist substance produced by bacteria, which makes it highly resistant to water absorption. This enables the concrete to self-heal by closing the cracks autonomously.

Oliver Lieleg, a professor of biomechanics at the Institute of Medical Engineering (IMETUM) mainly works with biopolymer-based hydrogels, or put simply, the slim formed by living organisms. These included bacterial biofilms, such as dental plaque and the slimy black coating that forms on the inside of sewage pipes. “Biofilms are generally considered undesirable and harmful. They are something you want to get rid of,” says Oliver Lieleg. “I was therefore excited to find a beneficial use for them.”

Conversation invokes inspiration

It was during a conversation with a colleague at TUM that Lieleg came up with the idea of using biofilms to alter the properties of construction materials. TUM professor Christian Große investigates self-healing concrete whose cracks close autonomously. One variant of this concrete contains added bacteria. Activated by the ingress of water, the bacteria close the cracks in the concrete with metabolic products containing calcium. Lieleg chose to use mortar instead of concrete for his own project. Instead of mending cracks after damage has occurred, his aim is to prevent moisture from penetrating into mortar in the first place. Invading water can lead to serious problems, for example by inducing the growth of mould or widening existing microcracks through freeze-thaw-cycles. To prevent such water ingress, Lieleg takes the advantage of the fact that some bacterial films are highly water-repellent.

A soil bacterium produces the bio-supplement

The key ingredient in the new material is a biofilm produced by the bacterium Bacillus subtilis. “Bacillus subtilis normally lives in soil and is a very common microorganism,” explains Oliver Lieleg. “For our experiments, we used a simple laboratory strain that grows rapidly, forms plenty of biomass and is completely harmless.” Lieleg’s team bred the bacterial film on standard culture in the lab, and then added the moist film to the mortar powder. 

Results showed that in the generated hybrid mortar, water was significantly less able to wet the surface compared to untreated mortar. To reach this result, the scientists measured the contact angle between water droplets and the surface. The steeper the angle, the more spherical the drops are, the less likely the liquid is soaked into the material. With untreated mortar, this angle is only 30 degrees or less but three times as high for drops on the hybrid mortar. The contact angle of water drops on the synthetic fluoropolymer polytetrafluoroethylene (PTFE), better known by the trade name “Teflon” have a similarly high contact angle.

The lotus effect

Tiny crystalline spikes cover the surface of the hybrid mortar, explaining its water-repellent properties. This is called the lotus effect, which also occurs on the leaves of the lotus plant. The small spikes on the leaves ensure that only a small part of a water droplet is actually in contact with the leaf surface. Consequently, the droplet easily rolls of the leaf when the leaf is tilted. A cross-section of hybrid mortar shows that crystalline spikes are evenly distributed on the mortar surface and can also be found throughout the bulk volume of the mortar.

Zellen sind lebende Fabriken, die aus zahlreichen Reaktionsräumen bestehen. Der Freiburger Chemiker Stefan Schiller will in Zellen künstliche Bläschen als Reaktionsräume schaffen und diese so ausstatten, dass darin künftig nützliche Substanzen hergestellt werden können. Mit solchen „Designer-Organellen“ will er die Basis legen für einen universellen Produktionsorganismus. Ein Vorhaben, für das der 43-Jährige nun den Forschungspreis „Nächste Generation biotechnologischer Verfahren“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) erhält. Mit der Millionenförderung kann Schiller in den kommenden fünf Jahren ein Team mit sechs Mitarbeitern finanzieren. Am Zentrum für Biosystemanalyse (ZBSA) an der Universität Freiburg wird er dazu nun selbst neue „Reaktionsräume“ beziehen und einrichten.

Stefan Schiller ist unter den Bioingenieuren der Innenarchitekt. Seine Baumaterialien sind Biomoleküle, sein Bauobjekt: lebende Zellen. „Wir wollen in der Zelle künstliche Reaktionsräume schaffen und diese passend möblieren“, sagt Schiller. „Dabei lassen wir uns von biologischen Systemen inspirieren. Wir stellen molekulare Bausteine und Komponenten mit neuem Design her, um damit Zellen mit neuen Funktionen auszustatten“, erläutert Schiller. Sein Forschungsgebiet fasst er unter dem Begriff „Bionische Chemie“ oder aber auch: synthetische Biologie. Hierbei versuchen Forscher Zellen mittels molekularbiologischer und biochemischer Tricks zu verändern und sie mit völlig neuen und nützlichen Eigenschaften auszustatten.

Basteln mit Molekülen

Schon als Schüler bastelte der gebürtige Wiesbadener gerne mit Molekülen. Gleich an mehrere Experimentierkästen knüpfte er daheim erste Verbindungen mit der Welt der Chemie. „Mich haben komplexe Moleküle und die Möglichkeiten, diese zu bauen, schon früh fasziniert“, erinnert sich Schiller. In Gießen, Mainz und an der University of Massachusetts in Amherst in den USA studierte er Chemie. Schon hier spezialisierte er sich auf die Synthese von komplexen natürlichen Makromolekülen. 2003 schloss er seine Doktorarbeit am Mainzer Max-Planck-Institut für Polymerforschung ab. Wenig später ging es für Schiller wieder in die USA – diesmal aber an die Westküste – an das renommierte Scripps Institute in La Jolla, die kalifornische Forschungshochburg bei San Diego. Seine vierjährige Postdoc-Zeit absolvierte er bei Peter Schultz, einem Pionier für Protein Engineering, dessen Team an nicht-natürlichen Aminosäuren forscht und auf diese Weise Eiweißmoleküle mit neuen Eigenschaften entwickelt. „Hier habe ich viele molekularbiologische Methoden kennengelernt, aber auch spannende Konzepte wie die am Scripps entwickelte Klick-Chemie“, sagt Schiller. Eine Erkenntnis: „Chemische Synthesen und Biosynthesen schließen sich nicht gegenseitig aus, sie lassen sich zusammenführen.“

Künstliche Räume schaffen

Auf die Idee, eine Zelle mit künstlichen Reaktionsräumen, sogenannten „Designer-Organellen“, auszustatten, kam Schiller in Freiburg. An der Albert-Ludwigs-Universität hat er hier seit 2008 eine eigene Forschergruppe am Freiburg Institute for Advanced Studies (FRIAS) aufgebaut, die an biohybriden Nanomaterialien forscht. Als Bausteine für die künstlichen Bläschen verwendet das Team neuartige Proteinmoleküle. Deren molekularer Bauplan wird in die Labormikrobe E. coli eingeschleust. „Unsere Bakterienzellen produzieren amphiphile Proteinmoleküle, die sich in der Zelle spontan zu Hohlstrukturen zusammenlagern“, erläutert der Forscher. Die Bläschen sind ihren natürlichen Vorbildern, den Vesikeln, recht ähnlich.

These ‘designer organelles’ are hoped to lay the groundwork for a universal production organism. The project has won the 43-year-old the Next Generation of Biotechnological Procedures award from the Federal Ministry of Education and Research (BMBF). The millions-strong endowment will fund Schiller’s six-person team over the coming five years. Today, he is setting up his own real-sized reaction chambers at the Center for Biological Systems Analysis (ZBSA) of the University of Freiburg.

In the world of bioengineering, Stefan Schiller is something of an interior designer. His construction materials are biomolecules; his design objects are living cells. “We want to create new artificial reaction chambers in the cells and furnish these in a number of ways, so to speak,” says Schiller. “Throughout, we draw inspiration from biological systems. We create molecular building blocks and components with new designs in order to give cells new properties.” He refers to his area of research as bionic chemistry, also as synthetic biology. Researchers in this field use molecular biological and biochemical know-how to change cells and give them entirely new and useful features.

Even as a schoolboy, the native of Wiesbaden would be happy tinkering with molecules, if on a slightly larger scale. Various oriented experimentation kits gave the future scientist his first connection to – and love of – chemistry. “I was immediately fascinated by the complex molecules and the idea of building them yourself,” Schiller recalls. The young Schiller eventually went on to study chemistry in Gießen, Mainz and at the University of Massachusetts in Amherst, USA, where even at this early stage he was specialised in the synthesis of complex natural macromolecules. In 2003 he completed his doctoral thesis at the Mainz Max Planck Institute for Polymer Research. Not long later he was back over the Atlantic, this time on the West Coast at the renowned Scripps Institute in La Jolla – the Californian research stronghold of San Diego. His four-year postdoctoral studies were completed under the tutelage of Peter Schultz, a pioneer in the field of protein engineering, whose team conducts research into non-natural amino acids used to create novel protein molecules. “I got to know many molecular biological methods here, but also many exciting concepts such as the ‘click chemistry’ developed at Scripps,” says Schiller today. One important finding that he took away with him: “Chemical synthesis and biosynthesis are not mutually exclusive – they can be consolidated.”

This concept is the central theme of a commentary from the current issue of the scientific journal Nature (2016, Bd. 535, S. 221), presented by experts from the German Bioeconomy Council and the OECD. In the article, the authors summarise the final communiqué of the Global Bioeconomy Summit 2015 in Berlin, at which more than 700 experts from 82 nations met last November. Over the two-day event, the participants set themselves the goal of increasing the involvement of the bioeconomy in sustainable development and the battle against climate change. The Bioeconomy Council of the Federal Government invited delegates from all over the world to attend the first Global Bioeconomy Summit. Four of the five authors from the article in Nature are members of the Germany Bioeconomy Council, a panel of bioeconomy experts that advises the Federal Government on biobased economies: head of the council’s office Beate El-Chichakli, co-chairs Christine Lang and Joachim von Braun, Councillor Daniel Barben and Jim Philp, a policy analyst of the OECD in Paris.

World’s first Global Bioeconomy Summit

The authors were members of the 37 member international advisory committee at the Global Bioeconomy Summit held from 24 to 26 November last year in Berlin. Over the two-day event, the participants had set themselves the common goal of increasing the involvement of the bioeconomy in sustainable development and the battle against climate change: to reduce fossil fuel worldwide and use renewable raw materials sustainably and efficiently for food and everyday life, whilst protecting the ecosystems.

The Bioeconomy Council invited delegates from all over the world to attend the first Global Bioeconomy Summit. At the end of the Summit, the participants agreed on a final communiqué, highlighting five priorities.

Laying foundations for the future

Summing up with regard to the Sustainable Development Summit in New York and the upcoming climate negotiations in Paris, Christine Lang, Co-Chair of the Bioeconomy Council, said, "Sustainability is one of the top issues on the political agenda. 2015 is the year of major international negotiations. The Global Bioeconomy Summit has laid the foundations to integrate the bioeconomy in this process." New policy and research initiatives for the bioeconomy in many countries have been triggered since the Summit was held.

Re-establishing harmony between people and nature

“The vision of the bioeconomy is to reconcile people and nature,” said Joachim von Braun co-chair of the Bioeconomy Council. The central message of the authors in Nature: bio-based industries such as agricultural and forestry, the food industry, biotechnology, the bioenergy sector or green chemistry are particularly important for the achievement of the climate and sustainability goals. “In the future, the bioeconomy should be regarded as a whole, and therefore more comprehensive than in the past, and integrated into global political processes," stresses Christine Lang, co-chair of the Bioeconomy Council. The strategies and developments of the bioeconomy vary across the world. An adaptation to local circumstances and regional specialisation makes good sense and is important.

However, what works in one country can cause problems in another. “Dialogue is needed, coordinated global priorities and common approaches to prevent such adverse impacts,” emphasises Daniel Barben, a member of the Council.

Five priorities of a global political agenda

The authors define five key elements of an international policy agenda to pave the way to a bio-based economy:

1. Strengthen international cooperation between governments and public and private research in the field of bioeconomy.

2. The bioeconomy’s contributions towards the Sustainable Development Goals should be rendered measurable.

3. Not just individual sections but the bioeconomy as a whole should be considered in the global negotiations for COP 21, the Sustainable Development Goals and trade agreements.

4. Education, joint learning and dialogue should be driven forward.

5. Promote flagship projects of the bioeconomy that develop solutions to global problems together.

The Bioeconomy Council of the German Federal Government also introduces these cornerstones to the German bioeconomy in order to network the bioeconomy and enable it to compete globally.

Sie entledigen sich ihrer Feinde, indem sie deren Erbgut zerschneiden: Diesen einfachen Trick von Bakterien nahm sich die gebürtige Französin Emmanuelle Charpentier zum Vorbild – und revolutionierte damit die Molekularbiologie. Mittlerweile erforscht und entwickelt sie ihre außergewöhnlich präzisen Gen-Scheren am Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung in Braunschweig für den Einsatz in der Biotechnologie weiter. An der Medizinischen Hochschule in Hannover hat sie zudem eine der renommierten Humboldt-Professuren inne.

Paris, 1981. Die zwölfjährige Emmanuelle kommt aus der Schule heim, heute stand ihr Lieblingsfach auf dem Stundenplan: Biologie. Zu ihrer Mutter sagt das Mädchen: „Eines Tages werde ich am Pasteur Institut arbeiten!“ Eine selbstbewusste Prognose – doch Jahre später schließt Emmanuelle Charpentier tatsächlich am renommierten Pariser Forschungszentrum ihre Doktorarbeit ab. Was sie als Zwölfjährige aber nicht voraussehen konnte: dass sie 30 Jahre später, als gestandene Biologin, eine kleine Revolution in Gang setzen würde.

Universalwerkzeug für DNA-Schnitte

Charpentier beschäftigt sich zu dieser Zeit mit der Virenabwehr von Bakterien: Sie entledigen sich ihrer Feinde, indem sie deren DNA einfach zerschneiden. Ob ein solcher Schneidemechanismus wohl nachgeahmt werden kann? Die Forscherin weiß, wie viele ihrer Kollegen damit beschäftigt sind, Genabschnitte zu zerteilen, gewünschte Abschnitte zu entfernen, einzufügen oder zu korrigieren. Bisher benötigen sie dafür viele Monate, eine regelrechte Bastelarbeit. Charpentiers Ehrgeiz: Sie will den bakteriellen Schneidemechanismus erst verstehen, dann nach- und in eine Art Universalwerkzeug umbauen. Gentechnische Eingriffe würden so viel schneller als bisher möglich. Es gäbe neue Therapiemöglichkeiten, etwa bei der Behandlung von menschlichen Erbkrankheiten. Das Problem: „Wir hatten zwar entdeckt, wie die Immunabwehr bei Bakterien funktioniert und wie wir sie für eine neue Technologie nutzen können“, erzählt sie rückblickend, „aber mir fehlte der letzte Baustein, damit das System für ganz unterschiedliche Zellen und Anwendungen funktioniert.“ Die Helmholtz-Wissenschaftlerin Emmanuelle Charpentier forscht an molekularen Scheren. Jüngst wurde sie mit der Alexander von Humboldt-Professur ausgezeichnet.

Bedeutende Veröffentlichung in Science

Diesen letzten Baustein entschlüsselt sie im hohen Norden Schwedens. Nach Stationen in den USA und Österreich wechselt sie 2009 an die Universität in Umeå – und damit in genau das richtige Umfeld für ihre Grundlagenforschung: Die finanziellen Bedingungen sind hervorragend, der universitäre Fokus ist stark auf Mikrobiologie gerichtet. Charpentier hat die Freiheit, auch risikoreiche und arbeitsintensive Projekte zu verfolgen – etwa ihre Gen-Schere. Und tatsächlich: 2012 veröffentlicht die Wissenschaftlerin eine komplette Anleitung für den Schneidemechanismus im Fachmagazin Science. Seitdem nutzen Wissenschaftler rund um den Globus das neue System. Die Technologie der ehemaligen Biologie-Einser-Schülerin erobert die Welt. Seit Anfang 2013 ist Charpentier in Braunschweig zu Hause. Am dortigen Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung leitet die 45-Jährige die Abteilung Regulation in der Infektionsbiologie. Dass sie häufig umziehen, sich immer wieder mit einer neuen Sprache, einer anderen Kultur arrangieren muss, gehört für die Französin zum Job dazu. „Das hat mich kreativer gemacht, mir immer wieder neue Impulse gegeben“, sagt sie. Ihren Doktoranden und Postdocs rät sie deshalb dringend zu einem Auslandsaufenthalt. Sie predigt geradezu, dass Chancen ergriffen werden müssen. „Einige Leute sehen das Glück auch dann nicht, wenn es sie in die Nase zwickt. Du musst es provozieren und dann zupacken.“ Nie das Land zu verlassen, die Wissenschaft als Nine-to-five-Job zu betrachten, das funktioniere nicht. „So kann man keine Karriere machen. Man muss realisieren, dass man in einem harten Wettbewerb steht.“

Viel Ballett getanzt

An der Medizinischen Hochschule Hannover hat Charpentier mittlerweile auch eine der 40 hoch dotierten Humboldt-Professuren inne – als dritte Frau neben 37 Männern. Muss man da nicht automatisch für eine Quotenregelung sein? Nein, findet Charpentier: „Diese Art von positiver Diskriminierung würde Frauen eher schaden. Ich fürchte, dass ihre Forschung als zweitklassig angesehen würde.“ Dennoch beobachtet sie, dass Frauen besser sein müssen als männliche Kollegen auf gleichen Positionen. Mit ihren dunkelbraunen kurzen Locken und ihrem offenen Lächeln wirkt die zierliche Frau weitaus jünger als Mitte 40. Früher hat sie viel getanzt, Ballett. Ihren täglichen Arbeitsweg legt sie mit dem Fahrrad zurück, zwölf Kilometer sind es insgesamt. „Ich muss meine Energie loswerden“, sagt sie. „Davon habe ich nämlich eine ganze Menge.“ Ab und zu kommt es vor, dass sie sich auf einem Rockkonzert austobt. „Da kann es mir passieren, dass ich mich in einem Pulk von tausend Kids wiederfinde. Damit habe ich überhaupt kein Problem“, sagt sie lachend. Viel Zeit fürs Tanzengehen bleibt Charpentier allerdings nicht: Neben ihrer Forschung hat sie jüngst eine Firma mitbegründet. CRISPR Therapeutics will auf Basis der neuen Technologie Therapien für lebensbedrohliche genetische Erkrankungen entwickeln. „Ich möchte mein Baby noch eine Weile begleiten“, sagt Emmanuelle Charpentier. „Es geht momentan alles so schnell, dass ich kaum Zeit habe, das richtig zu realisieren.“

Autorin: Maimona Id

Der Text ist ursprünglich im Forschungsmagazin "Helmholtz Perspektiven" (Heft Juli/August 2014) erschienen. Auf der Website der Helmholtz-Gemeinschaft findet sich auch ein Podcast-Beitrag mit Emmanuelle Charpentier: hier klicken.