Projekte im Porträt

Für Burkhard König von der Universität Regensburg und Volker Sieber von der TU München ist Licht die ultimative erneuerbare Ressource: Überall auf der Welt ist es kostenlos als saubere Energieform verfügbar. Um Licht jedoch biochemisch verwertbar zu machen, sind sogenannte Photokatalysatoren notwendig. Weltweit wird dafür vor allem an Metallkomplexen geforscht. Ein großes Problem dieser Verbindungen ist ihre kurze Lebensdauer, ein weiteres der Bedarf an Schwermetallen wie Iridium und Ruthenium. Das bayerische Forschertandem will eine neue Generation von Photokatalysatoren entwickeln. „Wir wollen die Photokatalyse erstmals über Stunden hinweg aufrechterhalten. Außerdem suchen wir nach ‚grünen’ Alternativen, um auf die giftigen, seltenen und somit teuren Schwermetalle verzichten zu können.“

Bislang ist die Steuerung von biotechnologischen Prozessen weitgehend Erfahrungssache. Denn es fehlen Methoden, um bereits während der Produktion von Wertstoffen zu messen, ob der Prozess in die richtige Richtung läuft. Das ist wichtig, weil Produktkontaminationen ganze Produktchargen unbrauchbar machen und für große wirtschaftlich Schäden sorgen können. Das Kooperationsprojekt „Prozessüberwachung in vitro und in vivo mit Polyelektrolyt-Mikrokapseln“ soll dies nun ändern. In der Machbarkeitsstudie entwickeln der Biochemiker Sebastian Springer, der Biophysiker Mathias Winterhalter und der Biotechnologe Gerd Klöck eine universell einsetzbare Messmethode, mit der sich für den wichtige Stoffwechselprodukte und Moleküle in Kulturmedien und Zellen in Echtzeit erfassen lassen.

Bisherige biotechnische Verfahren nutzen einzelne Enzyme oder Produktionsorganismen mit speziell maßgeschneidertem Stoffwechsel, um ein bestimmtes Produkt herzustellen. Die Möglichkeit, ganze Chromosomen aus DNA zu synthetisieren, soll nun genutzt werden, um ein ringförmiges künstliches Chromosom in Hefezellen als Steuerungsmodul zu entwickeln. Im Rahmen des Projektes „Synthetische Biosysteme – von der Zelle zur Fabrikation (Cell2Fab)“ baut Katrin Messerschmidt an der Universität Potsdam eine Nachwuchsgruppe auf, um ein entsprechendes künstliches Chromosom etablieren.

Eine Echtzeit-Überwachung und -Steuerung biologischer Vorgänge in Bioprozessen ist bis heute noch nicht verwirklicht. Im Rahmen des Verbundprojektes „OptoSys – neue Optosensoren und Photoregulatoren zur Licht-vermittelten Steuerung und Analyse molekularer Systeme“ wollen Wissenschaftler der Universität Düsseldorf, der RWTH Aachen und des Forschungszentrums Jülich eine völlig neuartige, lichtbasierte Messung und Steuerung biotechnologischer Prozesse etablieren.

Angesichts des globalen Anstiegs des Klimagases Kohlendioxid sind Technologien gefragt, die das Spurengas aus der Atmosphäre entfernen. Ansätze, CO2 als Rohstoff zu nutzen, konzentrieren sich derzeit vor allem auf chemische Umwandlungen oder auf Mikroalgen, die das Gas für ihr Wachstum nutzen. Das für zunächst fünf Jahre geförderte Tandemprojekt „Analyse und Design bakterieller Enzymkaskaden zur stofflichen Verwertung von CO2“ will dagegen ungewöhnliche Enzyme aus Bakterien nutzbar machen, um Kohlendioxid in einem zellfreien Prozess in Wertstoffe umzuwandeln.

Biotechnologische Produktionsprozesse laufen heute meist als Ein-Schritt-Reaktionen in einem einzigen Bioreaktor ab. Für chemische Umsetzungen mit mehreren Reaktionsschritten ist dies oft von Nachteil. Denn die Enzyme, die die einzelnen chemischen Reaktionen beschleunigen, funktionieren oft bei ganz unterschiedlichen Bedingungen optimal. Außerdem können unerwünschte Nebenreaktionen auftreten, die die Prozesse unwirtschaftlich machen. In dem explorativen Projekt „Komparti – Kompartimentierung als Basistechnologie für neue multienzymatische Produktionsverfahren“ untersuchen Forscher um An-Ping Zeng von der TU Hamburg-Harburg in den nächsten zwei Jahren, wie sich heutigen Einschränkungen der Biosynthese durch die räumliche Annäherung oder Trennung von Enzymen auf einem Materialgerüst überwinden lässt.

Wirtschaftliche Verfahren, die das Klimagas Kohlendioxid reduzieren helfen, sind derzeit noch Mangelware. Einen Weg, das CO2 zur Wertstoffproduktion oder sogar zur Speicherung von elektrischem Strom in energiereichen chemischen Produkten zu nutzen, beschreiten Forscher jetzt im Rahmen des explorativen Projektes „Bioelektrosynthese zur Stoffproduktion aus Kohlenstoffdioxid“ im Rahmen der Fördermaßnahme Basistechnologien.

Chemische und biologische Synthesen erfordern oft ganz unterschiedliche Temperaturen und Reaktionsbedingungen. Das über drei Jahre geförderte Kooperationsprojekt „ECOX – Enzymatisch-chemokatalytische Oxidationskaskaden in der Gasphase“ zielt darauf ab, chemische und biologische Prozesse erstmals zu koppeln, um aus Methangas energie- und ressourcenschonend Ameisensäure, Methanol und Methylformiat herzustellen – wichtige Grundchemikalien für die Chemieindustrie.

Biotechnologische Produktionsprozesse sind bislang oft wenig flexibel: Häufig werden Mikroben gentechnisch so optimiert, dass sie nur unter ganz bestimmten Bedingungen eine maximale Produktausbeute liefern. Mangelnde Flexibilität ist dann problematisch, wenn die Zellen unter anderen Bedingungen produzieren als wachsen, wenn giftige Produkte entstehen oder wenn das Produkt den Prozess hemmt. Im Rahmen des Tandemprojektes „Dynamische Prozessoptimierung in der Biotechnologie“ entwickeln Katja Bettenbrock vom Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer Systeme in Magdeburg und Andreas Kremling von der Technischen Universität München mit Hilfe von Computersimulationen gentechnisch veränderte Coli-Bakterien, deren Stoffwechsel sich während der Produktion umschalten lässt.

Verbundmaterialien aus komplex aufgebauten Biomineralen und organischen Molekülen versprechen vielfältige Anwendungen in Medizin, Lebensmittelbranche und Industrie. Bislang werden weitgehend "ungeformte" Partikel durch Ausfällen oder Vermahlen von Mineralien oder aus Lagerstätten von Kieselalgen gewonnen. In dem Kooperationsprojekt ZeBiCa2 geht es erstmals darum, biotechnologische Produktionsverfahren zu entwickeln, um die Mineralisierung hochkomplexer dreidimensionaler Kalkstrukturen durch die Meeresalge Emiliania huxleyi biotechnologisch zu steuern und industriell zu nutzen.

Viele Mikroorganismen sind Überlebenskünstler. Manche verfügen über ganz erstaunliche Fähigkeiten, die ihnen helfen, selbst mit den widrigsten Umwelteinflüssen klarzukommen. Das macht sie auch zu potenziellen Lieferanten neuer Wirk- und Werkstoffe. Michael Köhler, Leiter des Fachgebiets Mikroreaktionstechnik an der Technischen Universität Ilmenau, sucht im Verbund-Projekt „Bactocat“ Zellen mit besonders hartnäckigen Eigenschaften: Die Forscher haben es auf Metallnanopartikel- und Schwermetall-tolerante Mikroorganismen abgesehen.

Zellen sind wie Fabriken in verschiedene Reaktionsräume unterteilt, in denen bestimmte Schritte eines Produktionsprozesses ablaufen. Ließen sich solche Reaktionsräume im Labor herstellen, wäre das ein erster Schritt auf dem Weg zur künstlichen Minimalzelle, die nur mit dem absolut nötigsten Inventar ausgestattet ist. Die Biotechnologin Kathrin Castiglione will solche Reaktionsräume im Labor herstellen, um damit in Zukunft Feinchemikalien zellfrei im großen Maßstab zu produzieren. Dazu baut sie am Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik der Technischen Universität München eine für die nächsten vier Jahre finanzierte Nachwuchsgruppe im Rahmen der Fördermaßnahme „Basistechnologien“ auf.

Zellstrukturen mit Mini-Antikörper aus Lamas zum Leuchten bringen - das war das Konzept, mit dem sich Ulrich Rothbauer 2007 beim GO-Bio-Wettbewerb des BMBF bewarb. Mittlerweile ist die Firma Chromotek erfolgreich auf dem globalen Markt unterwegs.

Das Fleckvieh-Rind hat eigentlich einen rein weißen Kopf. Tiere mit braunem Fell um die Augen sind jedoch besser vor UV-Strahlen und Krebs geschützt. Genetiker im Forschungscluster Synbreed haben das Vererbungsmuster der dunklen Augenringe entschlüsselt.

Das Fundament legen für die Entwicklung biotechnologischer Produktionsverfahren der Zukunft: Das will die Fördermaßnahme "Basistechnolgien für eine nächste Generation biotechnologischer Verfahren" erreichen, die das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) 2011 gestartet hat. In den kommenden Jahren werden 35 interdisziplinäre Projekte mit insgesamt 42 Millionen Euro gefördert. In den ehrwürdigen Gemäuern des Robert-Koch-Forums trafen sich am 12. Dezember in Berlin die Projektleiter , um ihre Vorhaben einander vorzustellen. Sie reichen thematisch von der Bioelektrochemie über die Synthetische Biologie bis hin zur lichtgetriebenen Stoffproduktion.

Fünf bis acht Jahre dauert es bisher, Bioverfahrensprozesse zu entwickeln. Unternehmen und akademische Forscher wollen im Verbundprojekt "AutoBio" Teilschritte in der Entwicklung stärker automatisieren - und damit Zeit und Kosten sparen.

Ein Forscherverbund im Biotechnologie-Cluster CLIB2021 versucht, mit Hilfe von Mikroben und Enzymen aus pflanzlichen Fetten und Ölen sogenannte Tenside zu gewinnen. Diese waschaktiven Inhaltsstoffe sind in der Kosmetikindustrie gefragt.

Mit mikroelektronischen Netzhaut-Implantaten Blinden ein Stück Sehfähigkeit zurückgeben, das versucht die Retina Implant AG im württembergischen Reutlingen.

Rotwein, Käse, Tomaten - wer allergisch auf Histamine reagiert, macht um solche Köstlichkeiten im Zweifelsfall besser einen Bogen. Am NMI Tübingen wird jetzt an einem Schnelltest gearbeitet, den man einfach ins Weinglas tunken kann.

Eine besondere Klasse pflanzlicher Enzyme für den großindustriellen Einsatz verfügbar machen - dieses Ziel verfolgt ein Verbund aus Forschungseinrichtungen und Unternehmen aus grüner und weißer Biotechnologie.

Um die Sonnenblume effizienter als Ölpflanze nutzbar zu machen, erforschen Wissenschaftler der Universität Hohenheim neue züchterische Möglichkeiten, wie sich die prächtigen Gewächse besser vor Krankheiten schützen lassen.

Corynebacterium glutamicum wird seit vielen Jahren in der industriellen Biotechnologie genutzt. Die Wissenschaftler des FlexFit-Projekts wollen mithilfe molekularer Tricks noch mehr aus dem Bakterium herausholen.

Eiweiße nach Wunsch für industrielle Anwendungen zusammenzubauen, das ist das Ziel des Verbundprojekts „Biomoleküle vom Band“, das die Fraunhofer-Gesellschaft im vergangenen Jahr gestartet hat.  Es ist gleichzeitig die erste konkrete Fördermaßnahme im Strategieprozess. Nun trafen sich die Forscher des Konsortiums „Zellfreie Bioproduktion“ in Berlin, um eine erste Zwischenbilanz zu ziehen. Am 15. und 16. März wurde im Fraunhofer Forum diskutiert, wie gut die Zusammenarbeit zwischen Ingenieuren und Lebenswissenschaftlern angelaufen ist. Frank Fabian Bier vom Fraunhofer-Institut für biomedizinische Technik in Potsdam (IBMT) äußerte sich sehr zufrieden mit dem bisherigen Verlauf. So sei es trotz der kurzen Zeit schon gelungen, die ersten wissenschaftlichen Erfolge zu erzielen. Zum Beispiel bei der Versorgung der zellfreien Systeme mit Energie.

Gerste besser vor Krankheitserregern wappnen - das ist das Ziel des Forscherverbunds mit dem Namen TRANS-BULB. Im Julius Kühn-Institut (JKI) in Groß Lüsewitz fahnden Forscher im Erbgut der Gerstenwildart Hordeum bulbosum nach bisher unbekannten Resistenzgenen. Mit ihrer Hilfe sollen dereinst widerstandsfähigere Pflanzen gezüchtet werden. 

Forscher des Clusters Biokatalyse 2021 trimmen Bakterien für die biotechnologische Produktion. Dafür verordnen sie den Mikroorganismen eine genetische Schlankheitskur.

Die schlewsig-holsteinische Firma "E-nema Gesellschaft für Biotechnologie und biologischen Pflanzenschutz" hat einen Weg gefunden, das natürliche Konservierungsmittel Zimtsäure biotechnisch herzustellen. Die wichtige Substanz wird vor allem in der Kosmetikindustrie eingesetzt.

Wissenschaftler des Julius Kühn-Instituts entwickeln im Projekt RYE-SELECT neue Züchtungsmethoden für den Roggen, um gezielter zu Sorten mit überlegenen Eigenschaften zu kommen.

Eine kleine Speichelprobe genügt. Ein mit Hilfe des Bundesforschungsministeriums entwickelter Schnelltest bestimmt innerhalb weniger Minuten nicht nur, ob und welche Drogen konsumiert wurden, sondern ermittelt auch, welche Menge der verbotenen Substanzen noch im Körper vorhanden ist.

Biogas in Erdgas-Qualität: An der Universität Hohenheim simulieren die Forscher die Bedingungen in der Tiefsee, um Biogas reiner und erheblich günstiger zu produzieren.

Um aus nachwachsenden Rohstoffen einmal alle möglichen Grundchemikalien herzustellen, braucht es Bioraffinerien mit viel Biotech-Know-how. Wie die grünen Fabriken der Zukunft funktionieren könnten, erforscht das Verbundprojekt Bioraffinierie2021.

Wurst aus dem Eiweiß der Süßlupinen - nach "Made With Luve" (früher bekannt als Lupinesse), dem Speiseeis aus rein pflanzlichen Inhaltsstoffen, wollen Fraunhofer-Forscher nun auch Leberwurst und Lyoner ohne tierischen Fettanteil in die Frischetheken der Supermärkte bringen.

Autoreifen und Kondome aus dem Saft der Pusteblume. Im Löwenzahn steckt so viel Kautschuk, dass er ins Visier der Wissenschaft und Industrie geraten ist. Forscher aus Münster wollen ihn nun für die Gummiproduktion optimieren.

Die gesundheitsfördernden Wirkungen von Pflanzenstoffen sind lange bekannt. So sind in Aroniabeeren zum Beispiel viele Flavonoide enthalten. Ein deutscher Forscherverbund will diese Inhaltsstoffe daher zum Bestandteil funktioneller Lebensmittel machen.

Bei vielen Kunststoffen können schon kleine Risse erheblichen Schaden anrichten. Angelehnt an Vorbilder aus der Natur haben deutsche Forscher nun selbstheilende Materialien entwickelt.

Die industrielle Produktion von Proteinen geschieht in der Regel im Inneren von Zellen oder Mikroorganismen. Jedoch ist das manchmal sehr schwierig: Toxische Proteine töten die Zellen ab, oder für die Pharmaindustrie interessante Membranproteine lassen sich so nur sehr schwer herstellen. Ein Verbund aus Wissenschaftlern um Frank-Fabian Bier und Stefan Kubick vom Fraunhofer Institut für biomedizinische Technik in Potsdam (IBMT) arbeitet an einem Verfahren, wie sie unabhängig von Zellen oder Mikroorganismen Proteine produzieren können – und zwar im industriellen Maßstab. Dafür stellt die Fraunhofer-Gesellschaft 6 Millionen Euro im Rahmen ihrer Systemforschung zur Verfügung. Diese Investitionen werden vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) – als erste konkrete Maßnahme im Strategieprozess – mit 15 Millionen Euro für die nächsten drei Jahre ergänzt. Insgesamt acht Fraunhofer-Institute sind am Verbund beteiligt.

Orangen lassen sich nicht nur zu Saft verarbeiten. Ihre Schalen liefern den Ausgangsstoff, um ein natürliches Konservierungsmittel für Kosmetika herzustellen. Ein solches Verfahren wollen Forscher nun in die industrielle Anwendung bringen.

Biokraftstoffe der zweiten Generation setzen auf Cellulose zur Gewinnung von Bioethanol. Die Umwandlung geschieht durch spezielle Enzyme, die unter anderem in auf Holz lebenden Pilzen zu finden sind. Eine deutsch-russische Forschungskooperation nimmt dafür mehr als 250 Sorten unter die Lupe.

Mit Chitosan, einem aus Krabbenschalen gewonnenem Naturprodukt, wollen Münsteraner Forscher gemeinsam mit indischen Kollegen neue Pflanzenschutzmittel herstellen, die sowohl für Industrieländer als auch für Kleinbauern in der dritten Welt nützlich sind.