Präzisionsfermentation: Maßgeschneiderte Bioproduktion

Mikroorganismen sind die Helden der Fermentation: Sie wirken im Sauerteig, in der Joghurtmaschine oder in den Stahltanks der Biotechnologie-Industrie. Hier setzen die Zellen Stoffumwandlungsprozesse in Gang und stellen durch Gärung oder andere Stoffwechselprozesse interessante Produkte her. Schon vor Jahrtausenden machten Menschen mit Mikroorganismen Lebensmittel haltbar, bekömmlich und nährstoffreicher. Bier, Wein, Brot oder Käse wären ohne sie nicht denkbar.

Dass dabei Mikroorganismen am Werk sind, wurde erst sehr viel später entdeckt. Vor wenigen Jahrzehnten hat die industrielle Biotechnologie begonnen, diese natürlichen Prozesse systematisch zu optimieren, um begehrte Produkte effizienter herzustellen. Heutzutage lassen sich Bakterien, Hefen, Schimmelpilze und andere Zellen immer präziser umfunktionieren und für die industrielle Produktion von bestimmten Substanzen nutzen.

Lange hat die Biotechnologie Zellen und Mikroorganismen vor allem dazu genutzt, Produkte herzustellen, die diese natürlicherweise als Teil ihres Stoffwechsels bilden. Vorrangiges Ziel der Forschung war es dann, den Anteil dieser Verbindungen weiter zu erhöhen, günstigere Substrate als Rohstoffe zu etablieren oder die Prozessbedingungen und Aufreinigungsschritte so zu optimieren, dass die Ausbeute größer wurde.

Seit den 1980er Jahren haben gentechnische Methoden Einzug gehalten, mit deren Hilfe der Stoffwechsel der Produktionsorganismen so umgestaltet wird, dass sie gewünschte Produkte in großen Mengen herstellen und die Bildung unerwünschter Nebenprodukte verhindert wird. Seither hat sich die Werkzeugpalette der industriellen Biotechnologie stark erweitert: Dank fortschrittlicher molekularer Werkzeuge und informationstechnologischer Verfahren ist die industrielle Biotechnologie heute dabei, ein neues Niveau an Möglichkeiten zu erschließen.

Um ein gewünschtes biologisches Molekül aus einem definierten Rohstoff herzustellen, designen die Forschenden Mikroorganismen, tierische und pflanzliche Zellen mithilfe von Synthetischer Biologie, Genom-Editierung sowie Künstlicher Intelligenz und Big Data gezielt so, dass diese mit hoher Effizienz komplexe biologische Produkte herstellen. Mikroorganismen oder andere Zellen werden so zu Zellfabriken umfunktioniert und mit der passenden genetischen Programmierung ausgestattet. Auch die Bioprozessbedingungen, Aufreinigungsschritte und weitere verfahrenstechnische Aufgaben müssen maßgeschneidert werden, um schließlich ein optimales Ergebnis zu ermöglichen.

Dafür ist in den vergangenen Jahren ein neuer Begriff entstanden: Präzisionsfermentation. Weil es sich um eine sukzessive Weiterentwicklung der industriellen Biotechnologie handelt, ist der Begriff Präzisionsfermentation bislang weder einheitlich definiert noch überall etabliert. Sprachlich steht der englische Begriff Precision Fermentation in einer Reihe mit etablierten Schlagwörtern wie Precision Medicine, Precision Engineering und Precision Biology. Der gemeinsame Nenner aller Definitionen der Präzisionsfermentation ist jedoch durchweg, dass Mikroorganismen oder Zellen so programmiert und kultiviert werden, dass sie fast jedes komplexe organische Molekül produzieren können. Es ist somit ein ganzheitlicher Ansatz, der modernste Methoden aus Biologie und Informationstechnik verbindet.

Die Innovationen haben in den unterschiedlichen Disziplinen bahnbrechende Möglichkeiten für die Biotechnologie eröffnet. Allerdings sind sie anfangs oft mit hohen Kosten verbunden. Bislang konzentriert sich die Präzisionsfermentation daher auf Produkte mit hohem Wert, beispielsweise pharmazeutische Verbindungen oder Mehrwertprodukte im Lebensmittelsektor.

Doch je mehr sich die einzelnen Methoden etablieren, desto stärker sinken die Kosten. So rücken auch Plattformchemikalien, Werkstoffe sowie Energieträger in den Fokus von Forschung und Entwicklung. Nicht zuletzt treibt die Abkehr der Industrie von petrochemischen Verfahren zum Schutz des Klimas die Präzisionsfermentation voran. Als Rohstoff zur Versorgung von Zellen oder Mikroorganismen setzen die Verfahren daher bevorzugt auf biogene Rest- und Abfallströme, um nicht mit Biomasse für Lebens- und Futtermittel zu konkurrieren.

Allerdings ist die Nutzung von Biomasse als Ressource unter anderem auf effiziente Prozesse angewiesen, um nachhaltig zu sein. Die Präzisionsfermentation hat nicht nur ökologische und mittelfristig ökonomische Vorteile. Sie ermöglicht es auch, die zu produzierenden Moleküle mit neuen Funktionen oder spezifischerer Wirkweise auszustatten.

Für viele ist es industrielle Biotechnologie der neuesten Generation, für manche ist es bloß ein Trendbegriff für bekannte Technologien wie Metabolic Engineering oder Herangehensweisen wie die Synthetische Biologie. Der Begriff Präzisionsfermentation ist bisher nicht klar definiert. Deshalb hat sich bioökonomie.de bei Akteuren der deutschen Biotechnologie-Szene umgehört und sie gefragt, was der Begriff Präzisionsfermentation für sie bedeutet:

Dr. Marc Struhalla (Geschäftsführer des Leipziger Enzymherstellers c-LECta): „Wir mögen den Begriff, weil er den Bezug zum Produktionsprozess herstellt. Aus unserer Sicht gibt es viele technologische Neuerungen, die sich aber oft nicht in skalierbare, effiziente Produktionsverfahren übersetzen lassen. Darauf kommt es aber nun mal letztlich an. In der industriellen Biotechnologie geht es um Produktionsprozess-Innovationen. Deswegen hat aus unserer Sicht der Begriff ‚precision fermentation‘ seine Daseinsberechtigung.“

Prof. Christoph Wittmann (Institut für Systembiotechnologe, Universität des Saarlandes): „Für mich integriert Präzisionsfermentation maßgeschneiderte Zellfabriken mit maßgeschneiderten Bioprozessen – sowohl molekulare als auch technische Elemente unter Kombination der Disziplinen Genomik, Systembiologie, Synthetische Biologie, Metabolic Engineering, moderne Bioprozesstechnik und Digitalisierung. Es ist ein ganzheitlicher Ansatz, der zudem eine ressourcenschonende, selektive Produktherstellung impliziert.“

Sam Tadman (Material Innovation Analyst, Start-up Cambrium, Berlin): „Unter dem Begriff Präzisionsfermentation fassen einige Leute die Verwendung moderner biotechnologischer Werkzeuge zusammen, um Mikroorganismen auf rationelle Weise umzukonstruieren, damit diese durch genetische Veränderungen ein spezifisches Molekül herstellen. Wir selbst verwenden den Begriff nicht, da sich ja der Fermentationsprozess selbst nicht verändert. Stattdessen sprechen wir lieber über die jeweiligen Technologien, die in jedem Schritt zum Einsatz kommen.“

Christian Poppe (Director Global Public Affairs & Sustainability, Start-up Formo): „Der Begriff verdeutlicht, dass es sich um eine technologische Evolution von Fermentation handelt, die wir seit Jahrhunderten in der Lebensmittelerzeugung kennen. Damit vereint er Innovation und Tradition in einem Begriff. Präzisionsfermentation steht für innovative, nachhaltige Lebensmittelerzeugung in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen des globalen Ernährungssystems, unter anderem im Bereich der Milchprodukte. Es steht für die Möglichkeit, neue Potentiale der Biotechnologie zu heben, um eine wachsende Weltbevölkerung zu ernähren und dabei einen effektiven Beitrag im Kampf gegen die globale Erwärmung zu leisten.“

Die industrielle Biotechnologie der neuesten Generation nutzt Verfahren der Bioanalytik, der Molekularbiologie, der Systembiologie und der Bioprozesstechnik. Diese Verfahren und Prozesse werden zunehmend digitalisiert und vernetzt.

Bioanalytik

Unter Genom-Analyse versteht man alle Verfahren, die dazu dienen, das Erbgut eines Organismus zu entziffern und zu analysieren. Darunter fallen sowohl die Bestimmung der Abfolge der Nukleotid-Bausteine der DNA – die Sequenz-Analyse – als auch die Untersuchung, was diese Abfolge biochemisch für den Organismus bewirkt. Zu dieser funktionellen Genom-Analyse gehören die Transkriptomik und die Proteomik, die analysieren, wie die Aktivität des Gens reguliert ist und welche Proteine unter welchen Bedingungen produziert werden.

Unter Omics-Technologien werden maschinengestützte Hochdurchsatz-Verfahren zusammengefasst, mit denen Biomoleküle wie DNA, RNA, Proteine oder Polysaccharide in ihrer Gesamtheit analysiert werden können. Die Omics-Technologien werden immer weiter verbessert und liefern heute orts- und zeitaufgelöste Informationen in riesiger Zahl, die durch selbstlernende, bioinformatische Verfahren ausgewertet werden.

Ein wichtiger Trend ist die Miniaturisierung und Automatisierung der Systeme. Dabei bergen insbesondere sogenannte Mikrosysteme großes Potenzial. Eine Anwendung, die derzeit die Biowissenschaften revolutioniert, ist die Einzelzell-Analyse mithilfe von Mikrofluidik-Chips. Sequenzier-Techniken der neuesten Generation erlauben es, selbst geringe Mengen an Erbsubstanz oder Proteine aus der einzelnen Zelle zu erfassen. So lässt sich messen, welche Gene zu einem bestimmten Zeitpunkt in einer Zelle aktiv sind. Damit können Forschende das molekulare Profil einer Zelle ermitteln.

In Einzelzell-Bioreaktoren können Bakterienzellen systematisch bezüglich ihres Wachstums und ausgewählter Stoffwechselprozesse untersucht werden. Miniaturisierte Screening-Systeme kommen zunehmend auch für die Stammentwicklung in der industriellen Biotechnologie zum Einsatz.

Molekularbiologische Werkzeuge

Klassische Gentechnik: Mithilfe gentechnischer Methoden wird Erbmaterial in das Genom von Lebewesen eingeschleust. Das kann ein artfremder DNA-Abschnitt aus anderen Lebewesen sein. Oder er stammt von derselben Art. Nach dem Gentransfer wird das Erbmaterial an zufälliger Stelle in das Genom eingebaut und abgelesen. Mithilfe gentechnischer Methoden lässt sich der veränderte molekulare Bauplan eines gewünschten Moleküls – etwa eines Enzyms – in andere Bakterien einschleusen. Auf diese Weise werden die Bakterien darauf programmiert, fortan das erwünschte Enzym in hoher Ausbeute und Reinheit herzustellen.

Die Genom-Editierung – das Genome Editing – arbeitet wesentlich zielgerichteter als die klassische Genetik. Dank programmierbarer Genscheren lassen sich DNA-Abschnitte aus dem Erbgut lebender Zellen präzise ausschneiden und darin einfügen. So lassen sich Gene ab- und anschalten, einfügen oder entfernen. Die derzeit bekannteste Genschere ist CRISPR-Cas.

Metabolic Engineering: Werden komplette Stoffwechselwege in einem Mikroorganismus gezielt verändert oder neu konstruiert, sprechen Fachleute vom Metabolic Engineering. Früher ging es vor allem darum, die Produktionsmenge des Zielprodukts zu erhöhen. Dazu haben Forschungsteams beispielsweise Nebenprodukte oder Folgeprodukte ausgeschaltet oder dem Organismus beigebracht, günstigere Rohstoffe als Substrat zu verwerten. Insbesondere im Kontext der Präzisionsfermentation verfolgen Forscherinnen und Forscher aber immer häufiger das Ziel, ganze Biosynthesewege neu in einem Organismus zu etablieren, die sie entweder von Grund auf entwerfen oder aus anderen Organismen transferieren. So wird das Antikrebs-Medikament Taxol bislang von Eiben produziert, Nadelbäume, die mit ihrem langsamen Wachstum auch nur geringe Produktionsraten haben. Ziel ist es daher, diesen Biosyntheseweg in den etablierten Produktionsorganismus Bäckerhefe zu übertragen.

Systemorientierte Ansätze

Synthetische Biologie: Ziel dieser interdisziplinären Herangehensweise ist es, biologische Systeme modulartig zu entwerfen und zu konstruieren. Auf diese Weise sollen biologische Bauteile, Zellen oder Organismen mit Eigenschaften und Fähigkeiten ausgerüstet werden, die in der Natur so nicht vorkommen. Das bietet große Chancen, um in simplifizierten Zellen bestimmte Prozesse zu erforschen. Es ermöglicht aber auch, Zellfabriken zu erschaffen, in denen es von Anfang an keine unerwünschten Nebeneffekte auf dem Biosyntheseweg gibt und in denen alles auf die Herstellung des Zielprodukts hin optimiert ist.

Die Systembiologie ist ähnlich ganzheitlich aufgestellt wie die Synthetische Biologie – nur dass das Ziel dieses interdisziplinären Forschungsansatzes darin besteht, dynamische Lebensprozesse und komplexe biochemische Netzwerke in ihrer Gesamtheit zu analysieren und mithilfe computergestützter mathematischer Modelle zu beschreiben.

Bislang ist es so beispielsweise gelungen, Signalnetzwerke oder metabolische Netzwerke in Mikroorganismen besser zu verstehen und die Mikroorganismen für industrielle Produktionsprozesse zu optimieren. Etwa durch die Vorhersage optimaler Stoffflüsse oder hoher Produktausbeuten.

Bioprozesstechnik

Die Bioprozesstechnik ist der verfahrenstechnische Teil der Präzisionsfermentation. Sie kommt an drei Stellen zum Einsatz: Beim Design des eigentlichen Prozesses und des Bioreaktors, bei der Prozesskontrolle und -steuerung sowie bei der Aufreinigung. Herausforderungen beim Prozessdesign gibt es viele: Zellen müssen mit Nährstoffen und häufig auch Sauerstoff versorgt werden, ohne dass Rührer die Zellen beschädigen. Wachsende Biofilme können Teile der Anlage stören. Kontinuierlich geführte Prozesse sind ökonomisch attraktiv, technisch jedoch schwierig und mit mehr Aufwand verbunden, um Zellen zurückzuhalten oder das Produkt aufzureinigen. Nur optimale Prozess-Parameter ermöglichen jedoch optimale Produktausbeuten – und diese sind das Ziel der Präzisionsfermentation. Das ist in der Biotechnologie kein grundsätzlich neues Ziel, doch Fortschritte in der Sensorik und der Echtzeit-Prozesskontrolle ermöglichen weitere Effizienzgewinne.

Neben der Modellierung der kleinsten Einheit im Bioprozess – der Zelle – wird auch die Modellierung der umgebenden Prozesse und deren Optimierung immer wichtiger. So ist eine Beschreibung der Bedingungen im Bioreaktor hinsichtlich Sauerstoffsättigung oder Substratverfügbarkeit möglich. Auch für die anschließenden Reinigungsschritte wurden mittlerweile Modelle etabliert, durch die mit deutlich weniger Experimenten die besten Bedingungen für eine Produktreinigung ermittelt werden können. Prozess-Modellierungstools haben das Potenzial, die Entwicklungskosten deutlich zu reduzieren, die Prozesskette günstiger und die Auslastung flexibler zu gestalten.

Digitalisierung

Die Digitalisierung leistet vor allem drei Beiträge: Künstliche Intelligenz (KI), Sensorik und Prozesskontrolle in Echtzeit. Methoden der KI, insbesondere deren Stärke der Mustererkennung, erlauben es, Zusammenhänge zwischen Genom oder Proteom und Merkmalen eines Organismus zu identifizieren, die sonst unsichtbar blieben. Außerdem ermöglicht KI eine gezielte Optimierung der Struktur von Enzymen, die dadurch besonders effizient ihre Aufgabe erfüllen und das Zielprodukt in hoher Konzentration bilden können.

Die Sensorik kommt zum einen zum Tragen, wenn es darum geht, automatisiert große Mengen experimenteller Ergebnisse auszuwerten, beispielsweise bei der Suche nach jenen Zellen eines Experiments, die ein Produkt in höchster Konzentration herstellen. Fachleute sprechen bei diesem Verfahren vom Hochdurchsatz-Screening. Zum anderen ermöglicht erst eine ausgefeilte Sensorik eine präzise Echtzeitüberwachung von Bioprozessen und, Prozessparameter konstant am Optimum zu fahren. Auch das ist nicht spezifisch für die Präzisionsfermentation, trägt aber zu deren Erfolgen bei.

Die Präzisionsfermentation lässt sich für Produkte vieler Branchen einsetzen. Im Folgenden illustrieren einige Beispiele dieses Potenzial mit Herstellern aus Deutschland.

Astaxanthin: Farbstoff aus der Zellfabrik

Astaxanthin dient in der Fischzucht als Futtermittelzusatz, wo es die Immunabwehr der Tiere stärkt und beispielsweise Zuchtlachs seine rötliche Färbung verleiht. Die Kosmetikbranche nutzt Astaxanthin wegen dessen antioxidativen Wirkung: Es schützt die Haut besser vor UV-Strahlung als Vitamin E. Zuvor war lange Zeit die Grünalge Haematococcus pluvialis die einzige biobasierte Alternativquelle zur erdölbasierten Synthese von Astaxanthin. Das industriell als Zellfabrik etablierte Corynebacterium glutamicum produziert natürlicherweise Astaxanthin, einen Farbstoff aus der Gruppe der Carotinoide. Das Start-up Biocomer ist dabei, die Fermentation von Astaxanthin durch C. glutamicum zu optimieren und zur Marktreife zu entwickeln. Es hat für diesen Ansatz bereits mehrere Preise erhalten.

Isobuten

Das französische Unternehmen Global Bioenergies betreibt in Leuna eine Demonstrationsanlage zur Herstellung von Bio-Isobuten aus Weizenstroh. 100 Tonnen pro Jahr können dort mithilfe von Bakterien produziert werden. Dazu hat das Unternehmen mit Methoden der Synthetischen Biologie das Bakterium Escherichia coli so verändert, dass es die nötigen Enzyme besitzt, um Isobuten zu erzeugen – denn von Natur aus existieren entsprechende Stoffwechselwege in keinem bekannten Bakterienstamm. Bislang wurde der Kohlenwasserstoff Isobuten ausschließlich aus Erdöl gewonnen. Die jährliche Weltproduktion hat einen Wert von rund 25 Mrd. US-Dollar.

Veganer Käseersatz

Pflanzliche Käsealternativen gibt es einige. Das junge Unternehmen Formo mit Sitz in Berlin produziert jedoch eine Variante aus echtem Milcheiweiß (Casein) und Molke-Eiweiß. Beides stammt nicht aus tierischen Quellen, sondern wird durch Hefen fermentiert. In die Hefezellen hat das Unternehmen auf biotechnologischem Weg dazu die Synthesewege dieser Proteine integriert. Zusammen mit pflanzlichen Fetten und Kohlenhydraten entsteht daraus veganer Käseersatz. Cholesterin und Allergene wird dieser dem Unternehmen zufolge nicht enthalten. Die ersten tierfreien Käseprodukte sollen 2023 auf den Markt kommen und 2025 mit konventionellen Produkten preislich gleichziehen. Die erste Sorte könnte ein Mozzarella werden, später sollen weitere Käsesorten und andere Milchprodukte folgen.

Spinnenseideprotein

Spinnenseide ist ein faszinierendes Naturprodukt, weil es beispielsweise eine antibakterielle Wirkung und eine extrem hohe Stabilität vereint. Die natürliche Gewinnung ist jedoch aus naheliegenden Gründen limitiert beziehungsweise teuer. Die künstliche Herstellung von Spinnenseide hat deshalb eine breite Palette von Anwendungen ermöglicht. Pionier ist dabei das Martinsrieder Unternehmen AMSilk, einst ein Spin-off der TU München. AMSilk produziert das Spinnenseide-Protein im Bakterium Escherichia coli, hat diesen Bioprozess hochskaliert und hat zudem einen speziellen Prozess entwickelt, um aus der Proteinlösung Fasern zu spinnen. Die Spinnenseide-Proteine finden sich inzwischen in Hautpflegeprodukten und Nagellack, in Verbundwerkstoffen für Flugzeugflügel, als Beschichtung für medizinische Implantate oder in Textilanwendungen in Sportschuhen und Autotürgriffen.

Veganes Kollagen

Kollagen ist in kosmetischen Produkten enthalten. Es schützt und befeuchtet die Haut und macht sie elastischer. Bisher wird Kollagen aus Tierknochen und -häuten gewonnen. Das Berliner Start-up Cambrium stellt per Fermentation ein natur-identisches Kollagen her – für die Kosmetikindustrie. Dabei zielt man darauf ab, die Funktionalität des Kollagens im Vergleich zu seinem natürlichen Pendant noch zu verbessern. Dazu stützt sich Cambrium auf eine Technologieplattform, die Protein Engineering, Maschinelles Lernen und Laborautomation kombiniert. Perspektivisch soll diese Plattform auch genutzt und angepasst werden, um spezielle Proteine auch für andere Branchen zu produzieren.

Weitere Beispiele aus den USA

Häme sind eine Stoffgruppe, die wichtigen Anteil am typischen Geschmack von Fleisch hat. Sie sind Bestandteil des Hämoglobins von Tieren, das Blut rot färbt und dessen pflanzliche Entsprechung wiederum Leghämoglobin ist. Das US-Unternehmen Impossible Foods produziert diesen Farbstoff in gentechnisch veränderten Hefezellen als Zutat für pflanzenbasierte Burger-Patties.

Das US-Unternehmen Nature’s Fynd erzeugt in Pilzen der Art Fusarium flavolapis Protein für Fleischersatz- und Milchersatzprodukte. Das auf den Namen Fy getaufte Protein enthält alle neun essenziellen Aminosäuren.

The EVERY Company (früher: Clara Foods) hat Hefen gentechnisch so verändert, dass die Zellen Hühnereiweiß bilden. Das tierfreie Eiweiß kann Hühnereiweiß überall dort in der Lebensmittelherstellung ersetzen, wo dieses bislang schon eingesetzt wird. Viele Unternehmen setzen auf solche “Drop-in”-Lösungen.

Das US-Unternehmen Jellatech erzeugt im Bioreaktor Kollagen und Gelatine. Dazu verwendet es Hautzellen von Tieren, die dann in einem biotechnologischen Prozess vermehrt werden. Das von den Zellen gebildete Kollagen wird extrahiert und aufgereinigt.