Projekte im Porträt

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Pickering-Emulsionen
Die Partikel in sogenannten Pickering-Emulsionen stabilisieren Gemische aus wasserliebenden und wasserabstoßenden Lösungen.

Pickering-Emulsionen für die Biotechnologie

Kleine Partikel können Mischungen von wasserliebenden und wasserabstoßenden Lösungen, sogenannte Emulsionen, stabilisieren. Diesen Effekt hat der britische Chemiker Percival Pickering 1907 beschrieben. Die Pickering-Stabilisierung wird bereits seit Jahren in der Chemie als Extraktionsverfahren eingesetzt. Geht es nach Anja Drews und Marion Ansorge-Schumacher, haben durch Pickering stabilisierte Emulsionen bald eine Zukunft in der Biotechnologie. Im Forschertandem mit dem Titel "BioPICK" wollen die Forscherinnen passende Systeme und Membranreaktoren für Pickering-Emulsionen entwickeln und so deutlich mehr Reaktionen für biotechnologische Prozesse verfügbar machen.

Ein porenbildendes Protein
Modell der Proteinstruktur des porenbildenden Proteins. Gezeigt sind die Fass- und die Korken-Domäne sowie Wassermoleküle.

Molekülfilter aus chiralen Membranen

Die Synthese von seltenen Aminosäuren ist technisch herausfordernd und kostspielig. Der Grund: Bei den chemischen Synthesen entsteht häufig ein racemisches Gemisch, also ein Mix aus sogenannten L- und D-Aminosäuren. In Größe und der Zahl der Atome unterscheiden sich diese Geschwistermoleküle zwar nicht, dafür aber in ihrer räumlichen Anordnung, die für ihre Funktion entscheidend sind. In einem Forschertandem arbeiten Proteiningenieur Ulrich Schwaneberg von Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen und der Polymerexperte Alexander Böker vom Deutschen Wollforschungsinstitut (DWI) an speziellen Membranen, die solche racemische Gemische trennen können.

Eine Durchstichflasche
In kleinen Durchstichflaschen können die komplexen Naturstoffe für eine spätere Analyse aufbewahrt werden.

Biosynthesewege planen und konstruieren

Gerade komplexe Wirkstoffmoleküle lassen sich häufig einfacher durch Mikroben herstellen als mit aufwendigen chemischen Synthesen. Mit biotechnischen Methoden lassen sich Mikroben wie nach dem Baukastenprinzip maßschneidern, um bestimmte Naturstoffe zu synthetisieren. Dieses Ziel verfolgen Silke Wenzel und Rolf Müller von der Universität des Saarlandes und Hubert Bernauer von der Firma ATG:biosynthetics GmbH in Merzhausen bei Freiburg. Die Pharmbiotec GmbH ebenfalls aus Saarbrücken stellt dazu die notwendigen analytischen Werkzeuge zur Verfügung. Im Verbundprojekt „SynBioDesign- Synthetische Biologie zum Design von Produktionssystemem für komplexe Naturstoffe“ soll mithilfe des Metabolic Engineering die Produktion komplexer Moleküle optimiert werden. Damit könnten sich künftig in den Mikroben auch Moleküle in neuen Strukturvarianten herstellen lassen, die sich bisher nicht gewinnen ließen.

Metallische Schäume
Muster von biofunktionalisierbaren metallischen Schäumen mit unterschiedlicher Porengröße

ZMWBioKat: Metallische Schäume in Biosensoren

Anett Werner vom Institut für Lebensmittel- und Bioverfahrenstechnik der Technischen Universität Dresden ist sich sicher, dass Metalle bei eine Vielzahl biotechnologischer Anwendungen bessere Träger für Enzyme, Farbstoffe oder ganze Zellen sind als Glas oder Keramik: „Metalle überzeugen durch ihre hohe mechanische Stabilität und ihre hohe Toleranz gegenüber Druckschwankungen. Außerdem können sie für jede Anwendung jeweils passgenau hergestellt werden.“ Ob es zu einem Siegeszug kommt, hängt auch ein bisschen von ihrem Verbundprojekt „ZMWBioKat“ ab.

Peptid-Chip-Drucker
Frank Breitling (li.) und Alexander Nesterov-Müller (re.) nutzen Peptid-Chip-Drucker um hochdichte Peptidarrays zu erzeugen.

Peptid-Chips mit eingebautem Schalter

Ein Team um Alexander Nesterov-Müller vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) will in dem Verbundprojekt „Entwicklung eines Peptidschalters“ eine Methode entwickeln, mit dem sich Protein-bindende Moleküle verlässlich, schnell und bezahlbar für viele unterschiedliche Bindungspartner finden lässt. Bei der Suche nach dem richtigen Molekül für eine spezifische Anwendung kommen sogenannte hochdichte Peptidarrays zum Einsatz. Auf einem vorbehandelten Glasträger werden mit einem Laserdrucker die wenige Mikrometer große Peptidspots aufgetragen. „Wir haben einen Prototypen entwickelt, der in einem xerographischen Verfahren rund 800 Spots pro Quadratzentimeter druckt“, berichtet Nesterov-Müller.

Leuchtende Ampulle

PHAROS: Auf dem Weg zur künstlichen Pflanze

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.“

Ein Biotechnologielabor
Biotechnologische Produktion ist schwer zu überwachen.

Mikrokapseln für die Prozess-Überwachung

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.

Leuchtendes Chromosom
Cell2Fab hat sich die Aufgabe gesetzt, künstliche Chromosomen als Steuereinheit von Hefezellen zu entwickeln.

Cell2Fab: Zellfabriken mit künstlichen Chromosomen

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.

Im Projekt OptoSys wollen Wissenschaftler die Feinsteuerung biotechnologische Produktionsprozesse mit Hilfe von Licht vorantreiben

OptoSys: Bioprozesse mit Licht steuern

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.

CO2-Wolken Himmel
Zellfrei CO2 in einen Wertstoff umwandeln: dieses Ziel haben sich Magdeburger und Biberacher Forscher gesetzt.

Enzyme für die Kohlendioxid-Verwertung

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.

Eine Treppe aus Legobausteinen

Komparti: Enzymatische Produktionsschritte enger koppeln

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.

Essigsäurebakterien
Essigsäurebakterien wie diese hier sollen in Zukunft, mit Hilfe von CO2 und Strom, wichtige Chemikalien bereitstellen.

Mikroben unter Strom für die Stoffproduktion

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.

Feuerball
In Methangas steckt nicht nur viel Energie.

ECOX: Chemo- und Biokatalyse vereinen

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.

Bernsteinsäuremolekül
Der Produktionsprozess von Bernsteinsäure soll als Modell dienen, um künstliche Gen-Schalter zu testen.

Bioproduktion flexibler gestalten

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.

Kieselalge
Kieselalgen stellen Kalkblättchen her, die für die Bauindustrie als Zusatzstoffe sehr interessant sind.

ZeBiCa2: Kalkpartikel aus Kieselalgen kontrolliert formen

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.

Nanopartikel+Bakterien= neue Materiealien und neue Medikamente
Das Zusammenbringen von Bakterien und Nanopartikeln soll bislang unentdeckte Fähigkeiten von Mikroorganismen offenbaren.

Bactocat: Mikroben mit Metallpartikel-Toleranz gesucht

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.

  Membrankapseln mit Enzymen
Membrankapseln mit Enzymen im Inneren, mit deren Hilfe sich zellfrei Feinchemikalien herstellen lassen.

Synthetische Reaktionsräume für Enzyme einrichten

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.

Antikörper, Medikamente, Chromobodies
Alpakas gehören zu den Kameliden, die besonders kleine Antikörper besitzen.

GO-Bio: Mit leuchtenden Mini-Antikörpern auf den Markt

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.

Rinderzucht Sonnenbrille für Kühe
Die dunklen Augenringe des Fleckfiehs bieten einen natürlichen Schutz vor UV-Stralen und Augenkrebs.

Rinderzucht: Die Sonnenbrille für Kühe

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.

Hörsaal des Robert-Koch-Forums
35 Projekte mit Zukunftspotenzial für neue biotechnologische Verfahren wurden im Hörsaal des Robert-Koch-Forums präsentiert.

35 Forschungsprojekte zur Biotechnologie der Zukunft gestartet

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.