Egal ob technische Enzyme oder Medikamente gegen Krebs – proteinbasierte Produkte sind aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. Um diese industriell herzustellen, lassen Biotechnologen bislang lebende Zellen oder Mikrooganismen in zum Teil riesigen Bioreaktoren für sich arbeiten. Mithilfe gentechnischer Methoden werden diese Minifabriken darauf getrimmt, die großen Biomoleküle mitsamt ihrer dreidimensionalen Form zu produzieren, denn ein chemischer Nachbau ist nicht möglich.

„Bis jetzt läuft die Kommunikation hervorragend“, sagte Bier in Berlin. An dem 2011 gestarteten Verbund  sind Forscher aus acht verschiedenen Fraunhofer-Instituten beteiligt. Nach Ansicht von Bier war das Beschnuppern bisher sehr erfolgreich: „Wir haben die erste Phase mit einer steilen Lernkurve schnell hinter uns gebracht." 

Schon heute die Weichen stellen für die Biotechnologie von morgen – das ist das Ziel des Strategieprozesses „Nächste Generation biotechnologischer Verfahren – Biotechnologie 2020+“. 2010 hat das BMBF diese Initiative ins Leben gerufen, um gemeinsam mit den Hochschulen und den außeruniversitären Forschungsorganisationen die notwendigen Schritte auf dem Weg der Biotechnologie der Zukunft einzuleiten.

„Idealerweise enthält so ein synthetischer Reaktionsraum nur die für die Produktsynthese nötigen Komponenten“, sagt die Forscherin. „Wir wollen künstliche Membranreaktoren im Nanomaßstab herstellen, in die Enzyme verkapselt werden“, so Castiglione. Als Baumaterial für die Kapseln setzt die Münchnerin auf sogenannte Triblock-Copolymere. Sie lagern sich in wässrigen Lösungen spontan zu Strukturen zusammen, die natürlichen Biomembranen ähneln.

Kleinstlebewesen mit diesen Eigenschaften spielen etwa bei der Umweltsanierung eine wichtige Rolle. Und auch in der Industrie sieht Köhler in Zukunft Bedarf für den Einsatz solch robuster Bakterien als Produktionsorganismen. „Metalle spielen im zellulären Bereich, wie auch in der konventionellen Chemie, eine wichtige Rolle als Katalysatoren“, so der Biotechniker. Um metalltolerante Mikroben zu finden, greifen die Wissenschaftler auf die sogenannte Mikrofluidsegment-Technik zurück.

"Das Anwendungspotential ist groß", sagt Projektkoordinator Clemens Posten vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT). "Die von der Alge produzierten Kalkblättchen oder Coccolithen lassen sich etwa als Bestandteil von biokompatiblen Hüllen zum Transport von Arzneimitteln im Körper nutzen.

 „Die gezielte Umprogrammierung von Stoff-Flüssen im Stoffwechsel birgt ein beachtliches wirtschaftliches Potenzial“, so Bettenbrock. „Bisherige Prozesse sind mehr oder weniger statisch. Wir wollen die Zelle den Bedingungen möglichst gut anpassen“, erklärt die Mikrobiologin. „Dazu werden wir online, also während der Fermentation, gezielt in die Stoffwechselregulation der Produktionsorganismen eingreifen.

„Die drei an dem Projekt beteiligten Forschungsgruppen stehen vor der großen Herausforderung, stabile und zugleich hochselektive Chemo- und Bio-Katalysatoren zu etablieren, die eine wirtschaftliche Herstellung der Massenchemikalien ermöglichen,“ so Projektkoordinator Dieter Bryniok vom Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart. In einem ersten Schritt sollen dazu in einem Membranreaktor mit Hilfe eines noch zu optimierenden Feststoffkatalysators das Methangas und Kohlendioxid zum Zwischenprodukt Formaldehyd oxidiert werden.

„Wir wollen die Fähigkeit von Essigsäurebakterien und anderen acetogenen Mikroorganismen nutzen, organische Säuren und Alkohole ausschließlich aus Kohlenstoffdioxid aufzubauen“, sagt Dirk Weuster-Botz von der Technischen Universität München. In der Natur werden die dazu erforderlichen Elektronen von Wasserstoff bereitgestellt. Unlängst konnten Wissenschaftler aber zeigen, dass es bestimmte Essigsäurebakterien gibt, die direkt von einer Elektrode abgegebene Elektronen zu Reduktion von CO2 verwenden können.