Üblicherweise bedienen sich Biotechnologen lebender Zellen als Proteinfabriken. Das können Bakterien oder Pilze sein, aber auch Tier- oder Pflanzenzellen. „Dieser Ansatz gerät jedoch schnell an seine technischen und wirtschaftlichen Grenzen“, sagt Kubick. Denn Mikroorganismen oder Zellen werden unter beträchtlichem Stoff- und Energieaufwand in Bioreaktoren kultiviert, da sie neben dem eigentlich gewünschten Protein zusätzlich permanent eine Vielzahl lebensnotwendiger, zelleigener Proteine herstellen. Darüber hinaus wirken viele pharmakologisch interessante und für die Forschung dringend benötigte Proteine in höheren Konzentrationen toxisch auf die Zellen. Dadurch können wichtige Proteinklassen gar nicht oder nur in geringsten Mengen hergestellt werden.

Reaktionsgefäß ersetzt die Zelle

Der „Clou“ bei der zellfreien Bioproduktion: Kubick und sein Team verwenden lediglich diejenigen Bestandteile der Zellmaschinerie, die für die Proteinsynthese nötig sind und vereinen sie außerhalb der lebenden Zellen in einem Reaktionsgefäß. Dort tun sie das Gleiche, was sie innerhalb einer lebenden Zelle tun würden, nur günstiger und schneller. „In 60 bis 90 Minuten können wir in verschiedenen zellfreien Systemen Dutzende Gramm pro Liter Protein erzeugen“, betont Kubick. „Zusätzlich lassen sich durch den Einbau modifizierter Aminosäuren hochwertige Biomoleküle mit völlig neuen Eigenschaften herstellen.“ Typische Produkte sind Impfstoffe oder Antikörper. Aber auch Enzyme und hochmolekulare Membranproteinkomplexe sind zunehmend gefragt, sei es in der Lebensmitteltechnologie, der Pharma-, Agrar-, Kosmetik- oder Waschmittelindustrie.

Bis 2009 tüftelte Kubick für die RiNA GmbH in Berlin an neuen Labor-Kits für die zellfreie Proteinherstellung. „Es lief gut. Doch durch den wachsenden Markterfolg trat die Forschung immer mehr in den Hintergrund“, erzählt der Biotechnologe. In dieser Phase erreichte ihn eine überraschende E-Mail aus dem Fraunhofer-Institut in Potsdam-Golm. Dort suchte man einen Experten für zellfreie Proteinsynthesen. Auf die Jobbeschreibung passte sein Profil exakt. Beim anschließenden Besuch des Fraunhofer-Instituts war er von den dort vorhandenen Möglichkeiten begeistert – zügig wechselte er nach Potsdam. In den folgenden fünf Jahren leitete Stefan Kubick eine Nachwuchsforschungsgruppe zum Thema „Zellfreie Proteinsynthese“. Da Fachleute in diesem Gebiet rar sind, bildete er kurzerhand den wissenschaftlichen Nachwuchs in Praktika und Vorlesungen selbst aus. Darüber hinaus engagiert sich Kubick sehr stark in der Hochschullehre. Er ist Dozent an der Universität Potsdam, an der Freien Universität und der Technischen Universität Berlin sowie an der Beuth Hochschule für Technik.

Biomoleküle vom Band

Im Jahr 2010 kam für Kubick ein ambitioniertes Leitprojekt der Fraunhofer-Gesellschaft dazu, für das er als Forschungsfeldleiter wirkte: „Biomoleküle vom Band“. Hierbei handelte es sich um die Entwicklung biotechnologischer Produktionsmethoden der Zukunft. Die Fraunhofer-Gesellschaft investierte 6 Millionen Euro aus eigenen Mitteln in dieses Vorhaben und das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) steuerte im Rahmen des Strategieprozesses „Nächste Generation biotechnologischer Verfahren – Biotechnologie 2020+“ weitere 15 Millionen Euro für das dreijährige Vorzeigeprojekt bei. Insgesamt arbeiteten mehr als 80 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in diesem Großprojekt zusammen.

Knackpunkt Energiezufuhr

Im Mittelpunkt stand hier unter anderem die Entwicklung neuartiger Bioreaktoren und darauf abgestimmter Zelllysate. So wird der Molekül-Mix genannt, den die Forscher aus aufgebrochenen Zellen gewinnen und für die zellfreie Bioproduktion nutzen. Weitere Projekte, die im Rahmen dieses Vorhabens durchgeführt wurden, hatten zum Ziel, Membranproteine in aktiver Form zellfrei zu synthetisieren und gleichzeitig in Kompartimente einzubetten. Eine Schwierigkeit, so zeigte sich schnell, liegt in der kostengünstigen Energieversorgung der zellfreien Systeme. „Die Zugabe von Energiekomponenten macht bis zu 50 Prozent der Kosten bei einer zellfreien Biosynthese aus“, rechnet Kubick vor. Doch auch hier haben die Fraunhofer-Forscher interessante Energieregenerationsansätze entwickelt, um die Kosten zu senken.

Membranproteine für die Pharmaindustrie

Seit 2014 ist Stefan Kubick in Potsdam-Golm nun Leiter einer eigenen Abteilung „Zellfreie Bioproduktion“ am Institutsteil Bioanalytik und Bioprozesse (IZI-BB) des Fraunhofer-Instituts für Zelltherapie und Immunologie (IZI). Sein derzeit wohl spannendstes Projekt: Die zellfreie Synthese und Funktionsanalyse krankheitsrelevanter humaner Membranproteine. „Da viele Erkrankungen, wie etwa bestimmte Herzrhythmusstörungen oder Mukoviszidose mit defekten Ionenkanälen zu tun haben, sind solche Membranproteine ein Schlüssel für die Suche nach neuen Wirkstoffen“, sagt Kubick. Sein Team kann mittlerweile aktive Kanalproteine in weniger als einer Stunde bedarfsgerecht herstellen und dies erfolgt in verlässlicher Menge und Qualität, was wiederum standardisierte Funktionstests ermöglicht. Mehrere Biotechnologie- und Pharmaunternehmen kooperieren bereits auf diesem Gebiet mit den Fraunhofer-Forschern in Potsdam. In Reden anlässlich des Starts der BMBF-Initiative „Biotechnologie 2020+“ wurde vor einigen Jahren der Schriftsteller Antoine de Saint-Exupéry zitiert: „Wenn Du ein Schiff bauen willst, dann rufe nicht die Menschen zusammen, um Holz zu sammeln, Aufgaben zu verteilen und die Arbeit einzuteilen, sondern lehre sie die Sehnsucht nach dem großen, weiten Meer“. Das Zitat fand Segelfreund Kubick natürlich besonders treffend. Mit seinen zellfreien Bioproduktionssystemen hat er jedenfalls einen vielversprechenden Kurs in Richtung Biotechnologie der Zukunft eingeschlagen.

Autor: Philipp Graf