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07.09.2020

Initiative Biotechnologie 2020+

Der nächsten Generation biotechnologischer Verfahren den Weg bereiten: Vor zehn Jahren hat das BMBF zusammen mit den großen Forschungsorganisationen und den Hochschulen die Initiative „Biotechnologie 2020+“ gestartet. Seitdem ist viel passiert: In zahlreichen Kongressen, Fachgesprächen sowie mehr als einhundert Förderprojekten haben Akteure in Deutschland technologisch die Weichen für die industrielle Biotechnologie der Zukunft gestellt. Ein kompakter Rückblick.

Biotechnologie 2020+
Quelle: 
Benjamin Stolzenberg für BMBF

Die Initiative „Nächste Generation biotechnologischer Verfahren – Biotechnologie 2020+“ hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Jahre 2010 gemeinsam mit den großen Forschungsorganisationen und den Hochschulen gestartet. Damit war es gelungen, eine große Vielfalt an relevanten Forschungsakteuren aus Wissenschaft und Wirtschaft zusammenzubringen. Aus einem Strategieprozess ging eine Roadmap hervor, die wiederum Grundlage für neue Fördermaßnahmen zur Zukunft der Biotechnologie waren. Insgesamt hat das BMBF rund 121 Mio. Euro in 118 Forschungsprojekte im Rahmen von Biotechnologie 2020+ investiert.

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Der Strategieprozess: Die Roadmap als Ziel

Biotechnologische Produktionsverfahren halten zunehmend Einzug in verschiedene Industriebranchen. Doch die Nutzung von Mikroorganismen oder einzelner Biomoleküle wie Enzymen als Grundlagen für die industrielle Produktion stößt vielfach an Grenzen. Beispielsweise können Mikroorganismen bestimmte industriell relevante Stoffe natürlicherweise nicht herstellen. Auch verlieren die meisten natürlichen Enzyme ihre Funktion in organischen Lösungsmitteln, welche aber in chemischen Prozessen oft eingesetzt werden. Zudem behindern kostenintensive Reinigungsschritte für die Produkte die Wirtschaftlichkeit biotechnologischer Produktionsverfahren.

Um das volle Potenzial biotechnischer Produktionsverfahren zu erschließen, ist daher die Entwicklung neuartiger Verfahren erforderlich. Gerade das in Deutschland traditionell vorhandene Know-how in den Ingenieurswissenschaften und den molekularen Biowissenschaften galt als vielversprechende Ausgangslage für eine neue Förderinitiative, die beide Lager enger zusammenbringen sollte.

Bei Forschungsakteuren und Fördergebern war die Erkenntnis gereift: Das volle Potenzial biotechnologischer Verfahren für die industrielle Produktion wird nur dann zu erschließen sein, wenn zwei Dinge erreicht werden: Zum einen müssen bereits bekannte Verfahren schneller als bisher ihren Weg in die Praxis finden, zum anderen gilt es, auch neuartige Verfahren zu entwickeln. Dafür ist eine interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Biologen, Ingenieuren, Chemikern und Materialwissenschaftlern erforderlich.

Um die Basis für einen solchen interdisziplinären Dialog zu legen, hat das BMBF im Jahr 2010 den längerfristig angelegten Strategieprozess „Nächste Generation biotechnologischer Verfahren – Biotechnologie 2020+“ gestartet. Gemeinsam mit den großen Forschungsorganisationen Fraunhofer-Gesellschaft, Helmholtz-Gemeinschaft, Max-Planck-Gesellschaft und Leibniz-Gemeinschaft sowie den Hochschulen hat das BMBF in einem strukturierten Diskussionsprozess die relevanten Akteure zusammengebracht. Für Biologen und Ingenieure, aber auch Chemiker, Biophysiker und Informatiker entstand so eine Plattform für eine verstärkte interdisziplinäre Kooperation.

Von entscheidender Bedeutung war der Wille der Forschungsorganisationen und Hochschulen, mit großem Engagement mitzuwirken. Bereits Anfang des Jahres 2010 hatten sich die Fraunhofer-Gesellschaft, die Max-Planck-Gesellschaft, die Helmholtz-Gemeinschaft sowie die Leibniz-Gemeinschaft auf ein gemeinsames Memorandum of Understanding verständigt.

Den offiziellen Auftakt zum Strategieprozess bildete ein Kongress mit rund 200 Teilnehmern am 10. Juli 2010 im Berliner Radialsystem, den der heutige Kanzleramtschef Helge Braun, damaliger Parlamentarischer Staatssekretär im BMBF, eröffnete. Auf den jährlich wiederkehrenden Kongressen und in Fachgesprächen mit Experten wurden in der Phase bis 2013 technische Meilensteine erarbeitet und der Forschungs- und Entwicklungsbedarf für deren Realisierung abgeleitet. Diese Ergebnisse wurden zu einer Roadmap der wichtigsten Basistechnologien für die Biotechnologie der Zukunft verdichtet.

Auf Grundlage dieser Roadmap wurde 2011 eine konkrete BMBF-Fördermaßnahme zu den „Basistechnologien für eine nächste Generation biotechnologischer Verfahren“ aufgelegt. Hierin werden grundlegende Forschungsprojekte unterstützt, die zu Sprunginnovationen führen könnten. Es geht also um Verfahren, die weit über Etabliertes hinausgehen und die langfristig gesehen ein breites Anwendungspotenzial versprechen.

 

Dokumentation: Bilanz des Strategieprozesses

Diese Doku-Broschüre aus dem Jahr 2013 fasst den Strategieprozess „Biotechnologie 2020+“ zusammen und stellt die Großprojekte sowie zahlreiche Projekte aus der Fördermaßnahme „Basistechnologien“ in Steckbriefen vor.

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Basistechnologien für die Biotechnologie der Zukunft

Ziel der 2011 gestarteten Fördermaßnahme „Basistechnologien für die nächste Generation biotechnologischer Verfahren“ war nicht die schrittweise Weiterentwicklung bekannter biotechnologischer Produktionsverfahren, sondern die Entwicklung der Grundlagen für neuartige, heute noch nicht im Produktionsmaßstab realisierbarer Verfahren. Dafür sollten explorative, originelle und risikoreiche Forschungsansätze verfolgt werden. Im Fokus standen potenzielle Sprunginnovationen in der Biotechnologie, die sich vier Themengebieten zuordnen ließen: universelle Reaktionskompartimente, funktionelle Komponenten, Prozessenergie sowie molekulare Mess-, Steuer-, und Regeltechnik.

Wenn im März 2021 die letzten der insgesamt 113 Teilprojekte auslaufen, werden insgesamt rund 110 Mio. Euro an Fördermitteln geflossen sein. Eine Besonderheit waren die vier verschiedenen Formate der Projektförderung: Insgesamt gab es neun Einzelprojekte mit einer Laufzeit von zwei Jahren. Zudem wurden 18 Forschertandems unterstützt, in denen zwei Einzelforscher aus sehr unterschiedlichen Wissenschaftsdisziplinen zusammenarbeiteten. Des Weiteren gab es 17 Kooperationsprojekte mit einer Laufzeit von bis zu drei Jahren. Über einen Zeitraum von sechs Jahren wurden drei Nachwuchsgruppen gefördert.

Die Vielfalt der verfolgten Ansätze war und ist groß. Mehrere Projekte loteten zum Beispiel das Zukunftspotenzial der Elektrobiotechnologie aus. Hier wird der Stoffwechsel von Mikroorganismen mithilfe von Elektrizität/Strom angetrieben. Unter anderem können Mikroorganismen damit aus dem Klimagas Kohlendioxid organische Verbindungen wie Chemikalien oder Treibstoffe herstellen. Bioelektrochemische Verfahren gelten nicht nur als umweltfreundlicher, sondern helfen womöglich auch, die Produktion kosteneffizienter zu gestalten. Bei anderen geförderten Forschungsprojekten stand ebenfalls Kohlendioxid als C1-Rohstoffquelle im Fokus. Sie zielten darauf ab, Prozesse der Photosynthese im Labor nachzustellen und auf diesem Weg Lichtenergie und CO2 in energiereiche chemische Verbindungen umzuwandeln. Andere Forschungsgruppen haben dazu geforscht, Biokatalysatoren mit Chemokatalysatoren zu kombinieren und so diese Katalysewelten enger als bisher möglich miteinander zu verzahnen.

 

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Die Großprojekte der Forschungsorganisationen

Die vier großen Forschungsorganisationen Fraunhofer-Gesellschaft, Helmholtz-Gemeinschaft, Max-Planck-Gesellschaft und Leibniz-Gemeinschaft beteiligten sich im Rahmen von „Biotechnologie 2020+“ jeweils mit eigenen Forschungsnetzwerken an der Entwicklung der nächsten Generation biotechnologischer Verfahren. Für diese Großprojekte steuerten die Forschungsorganisationen jeweils eigene Budgets bei. Das BMBF hat sich an den Projekten mit insgesamt 41 Mio. Euro beteiligt.

Die vier Vorhaben im Überblick:

Helmholtz-Forschungsnetzwerk Molecular Interaction Engineering (MIE)

Hier arbeiteten Wissenschaftler aus dem Forschungszentrum Jülich, dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und dem Helmholtz-Zentrum Geesthacht an der Kombination von modernen Werkzeugen der Biotechnologie und der Oberflächentechnologie. So sollten Hybridsysteme entstehen, die als „druckbare Biotechnologie“ in dünnen Schichten auf technischen Oberflächen oder in Form von mikrofluidischen Einheiten realisiert werden. Das industrielle Vorbild: gedruckte Schaltkreise in der Elektronik. Der interdisziplinäre Verbund brachte Methoden der Biotechnologie, der Strukturbiologie, der Materialwissenschaften, der Prozesstechnik und der Computersimulation zusammen. Laufzeit 2013–2018

www.forschung-mie.de

Leibniz-Research Cluster (LRC) – Bio/Synthetische multifunktionale Mikro-Produktionseinheiten – Neuartige Wege zur Wirkstoffentwicklung

Dieses Forschungsnetzwerk vereint fünf Leibniz-Institute in Jena, Dortmund, Dresden, Halle und Saarbrücken. Der interdisziplinäre Verbund aus Naturstoff-, Materialforschern und Bioanalytikern will mithilfe sogenannter Mikroproduktionseinheiten neue bioaktive Wirkstoffe für Medizin, Lebensmittel oder Agrarindustrie entwickeln. Für den Nachbau von Synthesebausteinen von Naturstoffen kommen Verfahren wie Synthetische Biologie, Mikrofluidik und Nanotechnologie sowie zellfreie Biosynthesen zum Einsatz. An jedem Leibniz-Institut wurde dazu eine Nachwuchsgruppe aufgebaut. Laufzeit 2015–2020.

https://www.leibniz-research-cluster.de

 

Fraunhofer-Gesellschaft: Biomoleküle vom Band

Die zellfreie Bioproduktion industrietauglich machen – das stand von 2011 bis 2014 im Fokus des Fraunhofer-Verbundprojekts „Biomoleküle vom Band“. Mitarbeiter aus acht Fraunhofer-Instituten entwickelten hierzu Modellsysteme für zellfreie Bioproduktionsanlagen. Zunächst wurden neuartige Zellernte- und Aufschlussverfahren aus Zellen entwickelt. Die entstandenen Lysate lassen sich mit Aminosäuren und Genmaterial befüllen, um so die Synthese bestimmter Proteine zellfrei in Gang zu setzen. Es wurden außerdem Modellreaktoren entwickelt, die auf mikrofluidischen Systemen oder selektiv durchlässigen Membranwänden basierten. So können kontinuierlich Synthesebausteine oder Energie zugeführt werden. Laufzeit 2011–2014.

www.zellfreie-bioproduktion.fraunhofer.de

MaxSynBio – Max-Planck-Forschungsnetzwerk zur Synthetischen Biologie

Biotechnologie ist bisher auf Lebewesen angewiesen, die selbst im Falle von Mikroorganismen sehr komplex und nur schwer steuerbar sind. Eine auf ein Minimum lebensnotwendiger Bestandteile reduzierte Zelle als Plattform für die Herstellung eines gewünschten Produkts könnte dieses Dilemma eines Tages lösen. Doch worin besteht die molekulare Minimalausstattung einer lebensfähigen Zelle? Die Max-Planck-Gesellschaft hat ein disziplinübergreifendes Forschungsnetzwerk ins Leben gerufen, an dem insgesamt neun Max-Planck-Institute und eine Hochschule beteiligt sind – das Forschungsnetzwerk „MaxSynBio“.

Ziel von MaxSynBio ist die Erarbeitung der wissenschaftlichen Grundlagen zur Bottom-up-Synthese von künstlichen zellulären Systemen aus biologischen Funktionsmodulen, die in der langfristigen Perspektive für biotechnologische Anwendungen maßgeschneidert erzeugt werden könnten. Schrittweise sollen zunächst minimale Einheiten wie Proteindomänen, Proteine oder andere biomimetische Makromoleküle und Proteinnetzwerke bis hin zu synthetischen zellulären Systemen aufgebaut werden. Das Forschungsprogramm schließt eine ethische Begleitforschung mit ein, da die Synthetische Biologie zwangsläufig viele Fragen zu künstlichen Lebensformen und deren Verwendung in technologischen Prozessen aufwirft. Laufzeit 2014–2020

https://www.maxsynbio.mpg.de

 

 

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Forschungspreis

Seit 2012 hatte das BMBF im Rahmen von Biotechnologie 2020+ im Zweijahresturnus einen Forschungspreis vergeben. Er richtete sich an Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, deren herausragende Forschungsresultate an Hochschulen, Forschungseinrichtungen oder auch in Unternehmen erzielt wurden und die für die Entwicklung einer nächsten Generation biotechnologischer Verfahren hochrelevant sind. Der Forschungspreis sollte wissenschaftliche Durchbrüche sichtbar machen. Den Preisträgern wurde oder wird für fünf Jahre eine Forschungsgruppe finanziert, mit der sie weiter an neuen biotechnologischen Produktionsverfahren arbeiten können.

Jahr

Preisträger

Thema (Titel vereinfacht)

2012

Dr. Falk Harnisch

Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung UFZ

Mikrobielle Bioelektrotechnologie zur Produktion von Grund- und Feinchemikalien

 

2012

Prof. Dr. Udo Kragl

Universität Rostock

 

Einsatz von Enzymen in ionischen Flüssigkeiten

2014

Dr. Stefan Schiller

Albert-Ludwigs-Universität Freiburg

 

Designer-Organellen als künstliche Reaktionsräume in Zellen

2016

Prof. Dr. Ulrich Schwaneberg

RWTH Aachen

Mit synthetischen Biofilmen Produktionsorganismen in organischen Lösungsmitteln nutzbar zu machen

 

2016

Dr. Kirstin Gutekunst

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Cyanobakterien in effiziente Wasserstoff-Fabriken verwandeln

 

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Produktideen

Das Thema Translation – also die Umsetzung neuartiger Ideen in biotechnologische Produkte, Verfahren und Dienstleistungen – wurde im Rahmen der Initiative Biotechnologie 2020+ von Beginn an mitgedacht. In Fachgesprächen der Strategieprozessphase nahmen Experten mögliche Anwendungsszenarien zu elf visionären Produktideen für Medizin, Umwelt, Industrie und Energie in den Blick und ermittelten an diesen Beispielen besondere Herausforderungen und den Forschungsbedarf für die Entwicklung einer nächsten Generation biotechnologischer Verfahren.

Um die technische Umsetzung solcher Produktvisionen voranzubringen, wurde im Jahr 2013 der Ideenwettbewerb „Neue Produkte für die Bioökonomie“ ins Leben gerufen. Das Ziel ist es, Menschen mit originellen Produktideen für eine biobasierte Wirtschaft eine unkomplizierte Anlaufstation mit einfacher Startförderung zu bieten. Ein Konzept, das funktioniert: In den ersten sieben Runden des Ideenwettbewerbs wurden (Stand Oktober 2020) 178 Bioökonomie-Ideen mit insgesamt rund 51 Mio. Euro durch das BMBF gefördert.

Der Ideenwettbewerb ist mittlerweile ein eigenständiges Förderformat geworden – jedes Jahr können von 1. Oktober bis zum 15. Februar Ideenskizzen eingereicht werden. Mehr zum Ideenwettbewerb gibt es auf der Website des Projektträgers Jülich und in der BMBF-Broschüre „Innovation leichtgemacht“.

 

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Perspektiven

Trotz Auslaufen der Fördermaßnahme Biotechnologie 2020+ will das BMBF die Entwicklung zukunftsweisender Technologien für die Bioindustrie weiter vorantreiben und hat dazu im Januar 2020 eine neue Förderinitiative gestartet. Sie heißt „Zukunftstechnologien für die industrielle Bioökonomie“ und setzt den Rahmen für eine Serie von Fördermaßnahmen, die sich unterschiedlichen thematischen Schwerpunkten widmen wird. Gefragt sind kreative Ideen und interdisziplinäre Forschungskonsortien, die Biotechnologie mit anderen Spitzentechnologien wie Nanotechnologie, künstliche Intelligenz, Robotik oder den Ingenieurswissenschaften verknüpfen. Das Ziel sind kostengünstige, effektive und nachhaltige Bioprozesse.

Die erste Ausschreibung konzentrierte sich auf die Entwicklung innovativer biohybrider Technologien. Neue Produkte und Verfahren sollen aus der Verbindung biologischer Komponenten wie Nukleinsäuren, Proteine, Peptide oder ganzen Zellen mit technischen Komponenten wie Polymeren, Oberflächen oder anderen Materialien entstehen. Weitere Ausschreibungen werden folgen.

Autor: Philipp Graf

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