Allianzen

Strategische Partnerschaften zwischen Akademia und Industrie

In Rahmen von UfIB – Umsetzungsfördernde Initiative Bioökonomie – werden Projekte mit strategischen Forschungszielen gefördert, die in Zusammenarbeit mit Industriepartnern eine Allianz bilden und einen oder mehrere der nachfolgenden Themenbereiche bearbeiten.

GEFÖRDERTE FORSCHUNGSTHEMEN UND KOOPERATIONSPARTNER

Funktionsoptimierte Biotenside

Die Innovationsallianz hat sich zum übergeordneten Ziel gemacht, erstmals in Deutschland eine strategische Allianz zwischen renommierten Firmen und Forschungseinrichtungen einzugehen, um Biotenside mit biotechnologischen Methoden aus heimischen nachwachsenden Roh- und Reststoffen gemeinsam wirtschaftlich herzustellen und deren Anwendungspotentiale systematisch zu untersuchen. Es werden die Herstellung und Aufreinigung der Biotenside so optimiert, dass diese in den Anwendungsbereichen Wasch- und Reinigungsmittel, Kosmetik, Bioremediation, Pflanzenschutz und Lebensmittel alternativ zu chemischen synthetisierten Tensiden eingesetzt werden können.

Allianzkoordinator: Stefan Müller (stefan.mueller@dalli-group.com)

Modulation der Reaktivität von Proteinen und Thermodynamik durch Druck (protPSI)

Die strategische Allianz protPSI hat sich zum Ziel gesetzt, die kritischen Stabilitätsgrenzen von Proteinen und ihre Reaktivität unter (hohem) Druck zu erforschen und die gewonnenen Erkenntnisse zur gezielten Optimierung von industriellen Verfahren, vorwiegend in der chemischen Industrie, zu nutzen. Durch gezielte Anpassungen des Druckes beim Herstellungsprozess sollen zukünftig bei der Feinchemikalienproduktion nachhaltig die Produktausbeute und -qualität bei gleichzeitiger Reduzierung der Produktionskosten verbessert werden. Langfristiges Ziel ist, branchenübergreifend klassisch-chemische Produktionsverfahren, bei denen Druck eine Rolle spielt, durch geeignete biotechnologische Verfahren abzulösen (Biologisierung der chemischen Produktion) und dadurch zum Ziel der Bundesregierung, die Grundlagen für die Vision einer nachhaltigen bio-basierten Wirtschaft bis zum Jahr 2030 zu legen, beizutragen.
Der strategischen Allianz haben sich 16 Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft angeschlossen. Das Vorhaben wird durch das mittelständische Unternehmen PreSens Precision Sensing GmbH koordiniert.

Allianzkoordinator: Dr. Gregor Liebsch (Gregor.Liebsch@presens.de)

Stellv. Allianzkoordinator: Prof. Andreas Liese (liese@tuhh.de)

  • Neue Technologien zur Entwicklung von Prozessführungsstrategien für enzymatische Prozesse und hohem Druck

    Druck als prozessrelevante Größe bei der enzymatischen Katalyse und der enzymatischen Hydrolyse/Proteolyse bedingt neue Lösungskonzepte für die Prozessführung. Unterschiedliche und ggf. zeitlich veränderliche Drücke resultieren nicht nur in veränderten Löslichkeiten, Enzymstabilitäten oder Reaktionsgleichgewichten, sondern auch in einer veränderten Prozessdynamik. So können komplexe Prozessführungsstrategien (z.B. Druckwechselstrategien) oder der gezielte Einsatz von Druck als Prozessparameter (Stellgröße) für eine Prozessoptimierung sinnvoll sein. Variierende Druckverhältnisse aufgrund von Maßstäben oder Prozessführungsstrategien erfordern allerdings auch entsprechend angepasste Regelungs- und Automatisierungskonzepte.

    Im geplanten Promotionsprojekt sollen neuartige, modellgestützte Tools für Prozessentwicklung und -steuerung für enzymatische biotechnische Prozesse unter hohem Druck entwickelt und validiert werden. Hierfür bieten sich z.B. modellgestütztes Design-of-Experiment oder modellgestützte Strategien zur Prozessentwicklung und –führung wie die „Open-Loop-Feedback-Optimal“ (OLFO)-Strategie an. Eine konsequente Weiterentwicklung dieser Strategien ist deren Einbindung in ein Prozessleitsystem.

  • Bioprozesse unter Druck in neuen Anwendungsfeldern

    In der strategischen Allianz protPSI liegt der Schwerpunkt auf der Feinchemie als Anwendungsfeld. In diesem Projekt soll branchenübergreifend auch in anderen Bereichen der industriellen Bioprozesstechnologie, wie z.B. im Bereich der Lebensmittelindustrie, die Anwendbarkeit aufgezeigt werden. Im Rahmen der Allianz protPSI sollen unter erhöhten Drücken u.a. gasförmige Substrate effizient in Reaktoren eingetragen und biokatalytisch umgesetzt werden. Hierbei gilt es, sich neu in der Entwicklung befindende Technologien aus der Allianz proPSI einzusetzen und deren Anwendbarkeit zu validieren, um eine Steigerung der Prozess-Effizienzen zu erzielen. Zu diesem Zweck sollen neben der Prozessführung auch die neuen Screening- und Charakterisierungsmethoden von Biokatalysatoren unter Hochdruck Berücksichtigung finden.

Natural Life Excellence Network 2020 (NatLifE 2020)

In der strategischen Allianz NatLifE 2020 sind aktuell 22 Partner aus Industrie, KMU und akademischer Forschung vereint. Mithilfe der Biotechnologie und dem Verständnis biologischer Systeme wird in der Allianz eine neue Generation nachhaltig produzierter und biologisch aktiver Wirkstoffe für die Lebensmittel- und Kosmetikindustrie entwickelt. Damit soll ein deutlich erkennbarer Beitrag zur Verbesserung von Ernährung, Gesundheit und menschlichem Wohlbefinden geleistet werden. Die Allianz ist auf insgesamt neun Jahre mit drei jeweils dreijährigen Förderperioden angelegt und umfasst ein Gesamtvolumen von 30 Mio. €. Die Allianz wird seit dem 01.02.2013 im Rahmen der Ausschreibung "Innovationsinitiative industrielle Biotechnologie" des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) kofinanziert. Koordinator der Allianz ist die BRAIN AG in Zwingenberg.

Weitere Informationen: BRAIN AG

Allianzkoordinator: Dr. Dirk Sombroek (dis@brain-biotech.de)

  • Translationale Modelle für B. licheniformis zur Vorhersage von Produktionsausbeuten

    Die Verwendung einer Expressionsplattform zur Produktion von Enzymen und Proteinen für technische Anwendungen und den Lebens- und Futtermittelmarkt wird häufig dadurch eingeschränkt, dass Gene aus nichtnahe zum Expressionswirt verwandten Organismen nur unzureichend exprimiert werden können. Dies gilt insbesondere für Bacilli, die im Unterprogramm 4 der Innovationsallianz NatLifE 2020 durch die BRAIN AG als Expressionsplattform entwickelt werden sollen. Eine mögliche Ursache für die mangelhafte Expression wirtsfremder Gene könnte bereits auf der Ebene der mRNA liegen. Das Transkript hat möglicherweise nicht die nötige Genstruktur, um im Expressionswirt effizient translatiert zu werden und die nötige Faltungskinetik des Proteins zu gewährleisten. Die Adaptation der Codon-Struktur an den Wirtsorganismus, wie sie derzeit durch alle Gensynthese-Anbieter offeriert und durchgeführt wird, ist sehr häufig nicht zielführend. Dies könnte darin begründet sein, dass selten im Wirtsorganismus verwendete Codons in dem synthetischen Gen eliminiert werden, obwohl sie für die Translationskinetik und damit auch für die Faltungskinetik des zugehörigen Proteins relevant sein könnten. Darüber hinaus werden keine positionsspezifischen Effekte berücksichtigt, sondern alle Änderungen auf die gesamte Nukleotidsequenz bezogen. Es ergibt sich also die Notwendigkeit, die wirtsspezifischen Signale zur Modulation der Translationsgeschwindigkeit für den hier untersuchten Stamm B. licheniformis zu identifizieren und in translationale Modelle zu integrieren. Solche Modelle könnten bei gegebener Vorhersagekraft zu einer Optimierung der Genstruktur und damit wesentlich zur Steigerung der Ausbeute von Fremdproteinen beitragen.  

  • Die Zellwand-Passage als limitierender Faktor der sekretorischen Produktion proteinogener Wertstoffe

    Die sekretorische Produktion von Enzymen und Proteinen ermöglicht deutlich kostengünstigere Prozesse zur Gewinnung proteinogener Wertstoffe als z.B. eine Strategie mit cytoplasmatischer Lokalisation der Zielproteine. Da Bacilli diesem Anspruch häufig durch eine hohe sekretorische Leistung entgegenkommen, entwickelt die BRAIN AG innerhalb der Innovationsallianz NatLifE 2020 eine Bacillus licheniformisbasierte Expressionsplattform. Allerdings werden Fremdproteine aus nicht-nahe verwandten Organismen oft mit deutlich niedrigeren Ausbeuten produziert als homologe Proteine aus Organismen, die nahe verwandt zu B. licheniformis sind. Eine Ursache für dieses Phänomen könnte in der gegenüber dem nativen Wirt veränderten „Umgebung“ während der Proteinfaltung sein. Die Sekretion über den sogenannten „Sec“-Translokase-Weg erfordert eine weitestgehend ungefaltete Konformation für den Transport über die Zellmembran. Die Faltung des sekretierten Zielproteins erfolgt daher in der Zellwand, welche das Protein anschließend passieren muss, um in das die Zelle umgebende Medium zu gelangen. Die Interaktion mit Proteinen und Komponenten der Zellwand, die Einfluss auf die Faltung des Proteins nehmen, könnten in dem heterologen Wirt suboptimal sein, so dass die Ausbeute reduziert wird. Der Prozess der Passage der Zellwand soll in diesem Projekt adressiert und unterstützt werden, um die Effizienz der Expressionsplattform zu steigern und diese breiter anwendbar zu machen.

  • Sekretionsprozesse als limitierender Faktor bei der Produktion proteinogener Wertstoffe

    Für die Produktion von Enzymen und Proteinen ist die Sekretion eines Zielproteins in den Kulturüberstand aufgrund der deutlich geringeren Kosten für die sich anschließende Aufarbeitung  die Methode der Wahl. Im Zuge der Arbeiten der BRAIN AG zur Entwicklung einer Bacillus licheniformisbasierten Expressionsplattform innerhalb der strategischen Allianz NatLifE 2020 stellte sich heraus, dass für Proteine, die bereits sehr gut dargestellt werden können, der Prozess der Sekretion zum Flaschenhals der Produktion werden kann. Eine nachweislich bessere Proteinsynthese führt dann nicht zwangsläufig zu einer höheren extrazellulären Proteinausbeute. Diese Fragestellung wurde in diesen Arbeiten bereits durch die Coexpression von Translokase-Komponenten adressiert, indem mehr Poren für den Transport des Proteins über die Zellmembran gebildet werden sollten. Neuere Literatur lässt die Zusammenhänge zwischen einer erhöhten Menge an Translokase-Komponenten und einer erhöhten Sekretion mittlerweile deutlich komplexer erscheinen. Diese noch unüberschaubare Komplexität könnte auch die Ursache für die mangelnde Reproduzierbarkeit der Ergebnisse zur Überexpression von Translokase-Komponenten darstellen. Um dieser Herausforderung adäquat begegnen zu können, müssen also weitere Faktoren, die Einfluss auf die Menge an Poren in der Zellmembran haben, evaluiert werden. Solche neuen  Erkenntnisse könnten für die Überwindung des skizzierten Innovationshemmnisses entscheidend sein.

  • Funktion & Regulation eines Ionenkanals bei gesunder und gestörter Differenzierung von Hautzellen

    Die NatLifE 2020 befasst sich mit der Erforschung und Entwicklung von neuartigen, biologisch aktiven Wirkstoffen, die in dermatokosmetischen Anwendungen zu einer Verbesserung von Gesundheit und Wohlbefinden beitragen sollen. Eine zentrale Rolle spielt dabei eine intakte menschliche Epidermis, deren Barrierefunktion jedoch konstant durch schädliche Umwelteinflüsse belastet wird. Insbesondere der andauernde Wechsel von trockener und feuchter Umgebung, als auch der transepidermale Wasserverlust induzieren in den epidermalen Hautzellen, den Keratinozyten, einen anhaltenden osmotischen Stress, der wiederum den für die Barrierefunktion wichtigen Reifungsprozess der Keratinozyten beeinflussen kann. Darüber hinaus kann dies bei dauerhaft geschädigter Haut, wie sie z.B. bei älteren Menschen oder bei Menschen, die unter entzündlicher Haut  leiden, auftritt, zu einer weiteren Verschlechterung der Hautgesundheit führen.

    Die zugrundeliegenden molekularen und zellulären Mechanismen, die die osmotische Stressantwort mit der Differenzierung von epidermalen Keratinozyten koppeln, sind weitgehend noch nicht verstanden, obwohl sie von großem Nutzen für die Entwicklung von neuen kosmetischen Anwendungen zum Schutz der Barrierefunktion sind. Die BRAIN AG hat erste Hinweise auf einen Ionenkanal als neuen Schlüsselspieler, der im Rahmen der Promotionsarbeit charakterisiert und als neues molekulares Target evaluiert werden soll. Dies umfasst vergleichende immunhistochemische Analysen in Hautbiopsien von gesunder und geschädigter Haut, die Analyse der Regulation des Ionenkanals und der beteiligten Signalwege während der Differenzierung mittels molekular- und zellbiologischer Methoden, als auch CRISPR-Cas9/siRNA-induzierte knock-out/down Studien sowohl in Zellkultur als auch in rekonstituierten humanen Epidermismodellen.

  • Entwicklung neuer Zellmodelle aus Drüsengewebe

    Die Verfügbarkeit aussagekräftiger In-vitro-Testsysteme stellt eine wichtige Grundlage bei der Beurteilung von Wirksamkeit und Sicherheit moderner Produkte in der Pharma-, Kosmetik-, und Nahrungsmittelindustrie dar. Obwohl Drüsen wichtige physiologische Funktionen (z.B. Schwitzen, Speichelfluss) ausüben und Teil der natürlichen Barriere verschiedener Organe (z.B. Haut) sind, stehen unzureichende In-vitro-Testsysteme für Drüsengewebe zur Verfügung.

    Im Rahmen der NatLifE 2020 arbeitet die BRAIN AG mit Allianzpartnern an der Entwicklung neuer zellbasierter Testsysteme aus Schweißdrüsen. Ziel des Projektes ist die Entwicklung von robusten Verfahren zur Isolation und Vermehrung funktionaler Drüsenzellen. Die dabei entwickelten Technologien sollen nun im Rahmen einer Doktorarbeit auf weitere Drüsen (Speicheldrüsen, Talgdrüsen) übertragen und zur Etablierung neuer zellbasierter Testsysteme genutzt werden. Neben der Charakterisierung der Zellmodelle hinsichtlich ihrer funktionalen Eigenschaften, soll untersucht werden inwieweit die neuartigen Drüsenzellen in komplexere Modellsysteme (z.B. Organoide) integriert werden können.

  • Kosten- und Krankheitslastenbetrachtung ausgewählter ernährungsmitbedingter Erkrankungen (Fokus: Übergewicht/Adipositas) in Deutschland sowie ausgewählten EU- und OECD-Ländern (nutriCOST-obese)

    Das Ziel dieser Doktorarbeit ist es, den Zusammenhang zwischen Übergewicht oder Adipositas und Gesundheitskosten zu untersuchen und dabei die Rolle und Auswirkung von Ernährungsgewohnheiten und -indikatoren (u.a. Biomarker) aufzuzeigen. Mit Daten aus Kohortenstudien von Erwachsenen und Kindern, die Ernährungsmustern und –indikatoren sowie Gesundheitsleistungen und den Arbeitsausfall erfasst haben, sollen zu verschiedenen Lebenszeitpunkten im Querschnitt Zusammenhänge zwischen Ernährung, Gewicht und Gesundheitskosten quantifiziert und deren Aussagefähigkeit über den Ernährungseinfluss untersucht werden. Ferner soll bei Kindern bis zu einem Alter von 15 Jahren Ernährungsmuster, Entwicklungstrajekte des Body Mass Indexes und der Gesundheitskosten untersucht werden. Schließlich soll die empirische Aussagefähigkeit von Ansätzen einer Lebenslauf-orientierten Betrachtung der Kostenwirkungen von Ernährung im Zusammenhang mit Adipositas untersucht werden (wie Markov-Modellierung, Zeitreihenübersetzung von Querschnittsdaten, langfristiger Kohortenanalysen).

    Das Promotionsprojekt soll in enger Zusammenarbeit mit dem Promotionsprojekt "nutriCOST-cardio" erfolgen.

  • Regulatoren der Genexpression in Bacillus pumilus

    Die Verfügbarkeit sicherer, einfach handhabbarer und hochproduktiver mikrobiologischer Plattformen ist eine Grundsäule der Weißen Biotechnologie. Das Verständnis der komplexen genetischen Steuerung der Expression von für die Zellphysiologie, Reproduktion und Produktbildung relevanten Enzymen ist Voraussetzung für deren rationale Optimierung. Klassische Expressionsplattformen aus verschiedenen Bacillus Spezies haben zum Teil Jahrzehnte der Stammoptimierung durchlaufen. Insofern ist der Aufbau einer kompetitiven Expressionsplattform Bacillus pumilus für die Produktion von Lebensmittelenzymen de novo ausgehend von einem Wildtyp Stamm innerhalb von NatLifE 2020 ein sehr ambitioniertes und komplexes Vorhaben. Diesem Umstand wird in einer vielversprechenden Erweiterung des konsortial durchgeführten Forschungsprogrammes innerhalb einer Promotion unter Nutzung modernster „Omics“-Technologien Rechnung getragen.

    Durch vergleichende Genomik lässt sich zeigen, dass sich hochproduktive Bacillus pumilus Stämme in vielerlei Hinsicht nicht von weniger produktiven Stämmen sowohl der Spezies B. pumilus als auch anderer Bacilli unterscheiden. Es besteht vielmehr die Vermutung, dass Protein- als auch die RNA-Regulatoren welche den B. pumilus Metabolismus steuern, entscheidend zur unterschiedlichen Produktivität der Stämme beitragen. Ziel der Promotionsarbeit wird es sein, unter Nutzung vergleichender Transkriptomik diese Regulatoren  und ihre Interaktionspartner / Bindungsstellen zu identifizieren, um anschließend mit diesen Erkenntnissen die Produktivität von B. pumilus Produktionsstämmen weiter zu steigern.

    AB Enzymes GmbH

  • Biokatalytische Herstellung von ausgewählten Naturstoffen

    Im Rahmen der strategischen Allianz "NatLifE 2020" entwickelt AnalytiCon zusammen mit den Partnern natürliche Wirkstoffe für Anwendungen in Nahrungsmitteln und Kosmetika. Im Nahrungsmittel- und zunehmend auch im Kosmetiksektor wird es für eine erfolgreiche Vermarktung immer wichtiger, dass die Wirkstoffe über natürliche, also nicht chemisch-synthetische, Wege produziert werden, so dass das Produkt das Label „natural“ bekommen kann. AnalytiCon ist daher an der Entwicklung von enzymatischen Produktionsverfahren interessiert, da sie sowohl in der Wahrnehmung des Verbrauchers als auch in Registrierungs- und Zulassungsverfahren als natürliche Produktionsmethoden gelten. Für die Dissertation hat AnalytiCon drei niedermolekulare Naturstoffe als Zielverbindungen ausgewählt. Die direkte Isolierung der ausgewählten Zielverbindungen aus Organismen ist nicht wirtschaftlich. Es gibt jedoch mehrere als Vorstufen prinzipiell geeignete Naturstoffe, die in guter Ausbeute aus zugänglichen Organismen (zwei aus Pflanzen, eine aus einem fermentierten Pilz) erhältlich sind. Über mehrstufige Reaktionssequenzen aus aufeinanderfolgenden enzymatischen Hydrolyse- und Oxidationsreaktionen sollen die Zielverbindungen generiert und ein enzymatischer Produktionsprozess bis in den Gramm-Maßstab optimiert werden.  

  • Kosten- und Krankheitslastenbetrachtung ausgewählter ernährungsmitbedingter Erkrankungen (Fokus: Herz-Kreislauf-Erkrankungen) in Deutschland sowie ausgewählten EU- und OECD-Ländern (nutriCOST-cardio)

    Vor dem Hintergrund steigender nicht-übertragbarer, chronischer Erkrankungen (Fokus: Herz-Kreislauf-Erkrankungen) soll in dem geplanten Promotionsprojekt ein Krankheitslasten- und Krankheitskostenmodell aufgebaut werden, welches den Anteil ernährungsbedingter Risikofaktoren an den Gesamtlasten auf Nährstoffebene quantifiziert. Auf Basis bestehender Vorarbeiten und eines systematischen Reviews sollen belastbare altersgruppen- und geschlechtsspezifische risikoadjustierte Effektgrößen (OR, RR, PAR, YLD, YLL, DALYs, Todesfälle) kalkuliert und auf Länderebene mittels eines Lebenszyklusansatzes ausgewertet und Einsparpotentiale aufgezeigt werden. In Sensitivitäts- und Unsicherheitsanalysen soll die Robustheit des Modells demonstriert werden.

    Das Promotionsprojekt soll in enger Zusammenarbeit mit dem Promotionsprojekt "nutriCOST-obese" erfolgen.

Good Bacteria and Bioactives in Industry (GOBI)

Die strategische Allianz GOBI hat das Ziel, aktuelle Forschungsmethoden im Bereich der Mikroorganismen und ihrer Gemeinschaften industriell verfügbar zu machen und synergistisch zu nutzen.
Forschungserkenntnisse im Bereich Microbiota, Mikrobiom, Metabolom und Genom ermöglichen ein besseres Verständnis der Wechselwirkung von Mikroorganismen mit ihrem Wirt. Dies ist die Basis für die industrielle Entwicklung neuartiger bioaktiver Produkte für Verbraucher und für Industriekunden. Zu den Herausforderungen bei GOBI gehören die Entwicklung von Selektionssystemen und die Entwicklung komplexer Modelle zur Charakterisierung funktioneller Mikroorganismen.
Die drei Partnerunternehmen treiben innerhalb der Allianz Projekte in den Bereichen Tierernährung (Evonik Nutrition & Care) und Gesundheit (Organobalance und Bionorica) voran.
Ein gemeinsames Nachhaltigkeitsziel ist es dabei, biobasierte marktfähige Alternativen zu herkömmlichen Antibiotika zu finden. 

Weiterführende Informationen: biooekonomie.de

Allianzkoordinatorin: Prof. Christine Lang (cil@novozymes.com)

  • Entwicklung neuartiger Indikatoren für die transparente und messbare sozioökonomische Bewertung der Nachhaltigkeit industrieller Innovationen

    Die „soziale Nachhaltigkeit“ ist eine der drei Nachhaltigkeitssäulen (1. Wirtschaft & Finanzen, 2. Ökologie, 3. Soziales), die zum Ziel eine stabil und wirksam nachhaltige Gesellschaft hat. Sie soll die menschliche Würde genauso wie das Arbeits- und Menschenrecht über unsere Generation hinaus gewährleisten. Innerhalb von Unternehmen betreffen die Aspekte sozialer Nachhaltigkeit beispielsweise die Auswirkungen sozialen Handelns im Umgang mit Mitarbeitern, den Beziehungen zu Interessensgruppen, den Zugang zu Ressourcen oder der allgemeinen Verantwortung des Unternehmens gegenüber der Gesellschaft. Daneben spielt aber auch die sozioökonomische Betrachtung des Einflusses, welche Produkte durch ihre Nutzung bis hin zur Entsorgung haben, eine immer stärkere Rolle.

    Die geplante Doktorarbeit soll im Kontext der Allianz GOBI und in Zusammenarbeit mit dem Teilprojekt GOBI FEED (Allianzpartner Evonik Nutrition & Care GmbH) stattfinden. Ziel ist es, eine praxistaugliche und von den Projektpartnern anwendbare Indikatorik zur Bemessung sozioökonomischer Nachhaltigkeitsaspekte von Produkten am Beispiel Probiotika in der Tier- und Humananwendung zu entwickeln. Dabei sollen die sozialen Indikatoren so gewählt werden, dass sie die gesamte Wertschöpfungskette des Produktes bzw. der verschiedenen Technologien abbilden sowie deren soziale Auswirkungen in der Anwendung beschreiben.

  • Etablierung und Anwendung von in vitro Methoden zur Untersuchung immunomodulatorischer Wirkungen von Futterzusatzstoffen beim Huhn

    Das Teilprojekt GOBI-FEED adressiert Ziele aus den Bereichen der ökologischen, der ökonomischen und der sozialen Nachhaltigkeit. So lassen sich durch den Einsatz innovativer Futterzusatzstoffe die Ausnutzung pflanzlicher Futterquellen optimieren und dadurch die benötigten Ackerflächen und Emissionen aus der Tierhaltung reduzieren, die Wirtschaftlichkeit der Produktion tierischer Lebensmittel optimieren sowie die Versorgung der Weltbevölkerung mit wertvollen Lebensmitteln bei verringerter Konkurrenz zwischen Nahrungs- und Futtermittelquellen verbessern. Durch eine verbesserte Tiergesundheit werden außerdem sowohl ethische als auch Aspekte der menschlichen Gesundheit durch einen verringerten Einsatz von Antibiotika und anderer Arzneimitteln in der Tiermast positiv beeinflusst. Um zukünftig Kandidaten für funktionelle Futterzusatzstoffe unter definierten Bedingungen testen zu können, entwickelt der Allianzpartner Evonik Nutrition & Care GmbH ein Simulationsmodell für den Hühnerdarm. In diesem Modell, sollen unter anderem tiergesundheitsrelevante Effekte von Futterzusätzen untersucht werden.

    Im Rahmen der hier ausgeschriebenen Doktorarbeit soll ein Modul in das Darmmodell integriert werden, dass eine Abschätzung immunomodulatorischer Wirkungen von Futterzusätzen ermöglicht. Dazu sollen Peripheral Blood Mononuclear Cells (PMBC) aus dem Blut von Hühnern mit den zu testenden Substanzen in einem primären Zellkultursystem inkubiert und die immunologischen Reaktionen der Immunzellpopulationen mittels immunologischer und molekularer Methoden, darunter Durchflusszytometrie, proteinbiochemische Techniken sowie Genexpressionsanalysen, ausgelesen werden.

  • Untersuchung des Zusammenhangs zwischen depressiven Merkmalen und anti-inflammatorischen Eigenschaften von Lactobacillen in Mausmodellen

    Ziel des laufenden GOBI Health GI Projektes ist es, Laktobacillen zu identifizieren, die bei chronisch-entzündlichen Zuständen (wie dem metabolischen Syndrom) vorbeugend eingesetzt werden können. Das Thema der hier vorgeschlagenen Arbeit zielt auf die Untersuchung derartiger Probiotika in Mausmodellen der Depression. Daraus können sich zusätzliche, neue Erkenntnise zum Mode of Action für die identifizierten probiotischen Stämme ergeben und ein zusätzlicher Einblick in den Zusammenhang zwischen Entzündung und Depression gewonnen werden.  

Funktionalisierung von Polymeren (FuPol)

Im Fokus der Allianz steht die Weiterentwicklung von neuen biotechnologischen Anwendungen bis in den industriellen Maßstab in der Waschmittel- und Textilindustrie sowie in der Papier- und Zellstoffindustrie. Hierzu werden Funktionalisierungen an synthetischen Polymeren den Herstellungsprozess bzw. die Veredelung von Textilien ermöglichen sowie eine Verbesserung der Faserpflege während des Waschgangs gewährleisten. Weiterhin soll Lignin als erneuerbares Biopolymer mit Hilfe von Enzymen so modifiziert werden, dass es als Papierfestigungs- und Nassfestmittel genutzt werden kann, wobei gleichzeitig die Abwasserkläranlagen in Zellstofffabriken entlastet werden.

Allianzkoordinator: Thorsten Eggert (t.eggert@evoxx.com)

Wissensbasierte Prozessintelligenz (WiPro)

Die strategische Allianz „Wissensbasierte Prozessintelligenz“ hat sich zum Ziel gesetzt, einen essentiellen Beitrag zu stabileren Prozessen in der Bioproduktion zu leisten. Aus einem profunden Prozessverständnis heraus sollen innovative Messprinzipien mit modernen Methoden der Datenauswertung und Modellierung kombiniert werden, die effizient in die industrielle Produktion eingebunden werden können. Hierdurch soll eine höhere Automatisierung und eine nachhaltige Produktion in der biotechnologischen Industrie erzielt werden. So werden biotechnologische Prozesse sicherer und besser kontrollierbar. Über die vorgestellten Ansätze können kostenintensive fehlerhafte Produktionschargen frühzeitig erkannt und vermieden werden. Darauf aufbauend soll die Biologisierung von chemischen Prozessen ermöglicht werden. Die gewonnenen Erkenntnisse können in vielen Bereichen der biotechnologischen Herstellung von Nahrungs- und Genussmitteln sowie pharmazeutischen Produkten zum Einsatz kommen.

Allianzkoordinator: Dr. Reinhard Baumfalk (reinhard.baumfalk@sartorius.com)

  • Kommunikationsstrategie zur transparenten und umfassenden Darstellung der Produktionsstrategien in der Öffentlichkeit

    Über die Allianz WiPro wird eine multimodale Sensor- und Software-Plattform aufgebaut, die eine zuverlässige und sichere Kontrolle und Steuerung von biotechnologischen Produktionsprozessen im Sinne der Konzepte der Industrie 4.0 ermöglicht. Die Kennzeichen der Industrieproduktion im IoT (Internet of Things)-Zeitalter sind eine starke Individualisierung der Produkte unter den Bedingungen einer hoch flexibilisierten Produktion, die weitestgehende Integration von Kunden und Partnern in Geschäfts- und Wertschöpfungsprozesse und die Verkopplung von Produktion und hochwertigen Dienstleistungen. Um diesen Wandel erfolgreich gestalten zu können muss die Digitalisierung von der Bevölkerung und den Anwendern akzeptiert werden und die Sicherheit der Daten gewährleistet sein.

    Im Rahmen dieser Dissertation sollen Vorbehalte gegenüber eine digitalen Produktion in der Bevölkerung, den produzierenden Arbeitnehmern und den Unternehmen identifiziert und Kommunikationsstrategien zum Abbau der Vorbehalte entwickelt werden. Außerdem sollen Aspekte der Cyber-Sicherheit durch die digitale Kommunikation untersucht werden.

  • Analyse geeigneter Industrie 4.0 Konzepte zur Übertragung auf die biotechnologische Produktion für eine zukunftsweisende Smart Factory

    Mit diesen Arbeiten werden moderne Sensortechnologien bis hin zu Sensornetzwerken zur Verfügung gestellt. Sie vereinigen die zukunftsweisenden Konzepte von Industrie 4.0 und führen zu einem Zuwachs an Information im modernen Produktionsumfeld.
    Im Rahmen der Allianz WiPro wird eine Vielzahl an neuartigen Sensoren entwickelt, die den hochvernetzten  Konzepten der Industrie 4.0 folgen. Die Sensoren alleine müssen in ein geeignetes Umfeld integriert werden, um die vollständige Leistungsfähigkeit des Konzepts ausnutzen zu können und eine automatisierte biotechnische Produktion zu ermöglichen. Im Rahmen dieser Promotion sollen erfolgreiche Industrie 4.0 Konzepte anderer Produktionsketten untersucht und auf biotechnische Prozesse übertragen werden.
    Die Allianz WiPro stellt in diesem Zusammenhang ein ideales Umfeld zur Vernetzung von Sensoren und Prozessinformationen dar, da die nötige IT-Infrastruktur zur Datenerfassung und -weiterverarbeitung bis hin zur Regelung aufgebaut wird.

  • Anwendung des PAT/QbD-Konzepts auf einen pharmazeutischen Bioprozess

    BigData und DataMining stellen am industriellen Bioprozess die Möglichkeiten von der Datenflut zum Erkenntnisgewinn zu gelangen dar und tragen so zur wissensbasierten Bioprozessregelung. Eine wissensbasierte Bioprozesssteuerung schließt die Anwendung eines PAT/QbD-Konzepts ein, anhand eines pharmazeutischen Bioprozesses beispielhaft erarbeitet werden. QbD und PAT sind zukunftsweisende Konzepte für die Zulassung moderner Pharmaprodukte und vereinen verschiedene Methoden, wie die Risikoanalyse, Design of Experiments, Prozessüberwachung mittels Sensoren, multivariate Methoden und Entwicklung geeigneter Regelungskonzepte. Anhand einer vollständigen Prozesskette vom Rohstoff bis zum Wirkstoff sollen diese Konzepte untersucht und gemeinsam ein ganzheitliches Bild eines Bioprozesses darstellen.  

  • Entwicklung und Bewertung generalistischer Softsensor-Konzepte für nicht direkt erfassbare Prozessgrößen

    Im Rahmen der Allianz WiPro wird eine Vielzahl an neuartigen Sensoren bspw. für die Leitparameter Biomasse-, Glucose- und Ethanolkonzentration entwickelt. Trotz allem stellt häufig die direkte Messung von Leitparametern eine scheinbar unüberwindbare Hürde im Bereich Biotechnologie dar, weshalb der Weg über intelligente Vorhersagemodelle gewählt wird. Dabei werden unter Zuhilfenahme von in Messdaten versteckten Redundanzen, über Korrelationen mit anderen Messdaten oder bekannten Zusammenhängen im Prozess Verläufe von entsprechenden Leitparametern approximiert. Die Möglichkeit der Integration solchen Wissens in das Monitoring eines Prozesses kann durch Softsensor-Konzepte realisiert werden. Dieser Zweig der rechnergestützten Intelligenz (Computational Intelligence, CI) umfasst in Abhängigkeit von der vorliegenden Prozessinformation Tools wie bspw. Neuronale Netze, Chemometrie und Expertensysteme.

    Im Rahmen dieser Promotion sollen generalistische Softsensoren für Bioprozesse entwickelt werden. Bislang werden Softsensoren für die Vorhersage von Leitparametern wie Biomasse , Substrat- und Produktkonzentration immer prozessspezifisch entwickelt. Es sollen Ansätze beforscht werden, die es ermöglichen, über eine Auto-Kalibrierfunktion aus vorliegender Prozessinformation Softsensoren unabhängig vom verwendeten Produktionsorganismus und -maßstab aufzubauen. Die Generalisierbarkeit und Skalierbarkeit der entwickelten Konzepte wird an mehreren Prozessen im industriellen und akademischen Umfeld überprüft.

    Die Allianz WiPro stellt in diesem Zusammenhang ein ideales Umfeld zur Entwicklung und Testung der Softsensoren dar, da zum einen die nötige IT-Infrastruktur zur Datenerfassung und -weiterleitung sowie zur Regelung aufgebaut worden sein wird und zum anderen über die innerhalb der Allianz entwickelten Sensoren als Referenz zur Bewertung der Softsensoren dienen.

  • Systemintegration einer standardisierten IT-Infrastruktur über den Produkt-Lebenszyklus

    Der Produkt Lebenszyklus eines pharmazeutischen Produktes besteht aus drei Phasen: Der Entwicklung, der klinischen Phase und der kommerziellen Produktion. In jeder dieser Phase entstehen wichtige Daten, die für die anderen Phasen relevant sein können. Diese Daten umfassen u.a. Produktdaten, Qualitätsdaten (CPP Critical Process Parameter, CQA Critical Quality Attribute) und Prozessparameter. Sie werden z.B. in Rezepten, Materiallisten, IT- und Automationssystemen verarbeitet.

    Die Integration und kontinuierliche Haltung aller Daten über alle Lebenszyklus-Phasen in einer durchgängigen Plattform ist bisher noch nicht etabliert. Häufig werden Daten manuell oder teilautomatisch aus einer Phase in die nächste Phase übertragen.

    Ziel ist es eine standardisierte Plattform - zur GMP konformen Sammlung, Pflege und Verteilung der Daten zu entwickeln.

ZeroCarbon Footprint (ZeroCarbFP)

Die strategische Allianz ZeroCarbFP verfolgt seit dem 01.07.2013 mit insgesamt vier Teilprogrammen und derzeit 10 Partnern das Ziel einer stofflichen Nutzung kohlenstoffreicher Abfallströme zur Produktion funktionaler Biomasse und zur Herstellung bzw.  Rückgewinnung von Wertstoffen unter Einsatz biotechnologischer Verfahren.  ZeroCarbFP trägt somit aktiv zur Umsetzung des Konzeptes einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft bei, einem zentralen Aspekt der Bioökonomie. Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten innerhalb der strategischen Allianz zielen auf die Vermeidung der weiteren Mobilisierung fossiler Energie- und Kohlenstoffträger, auf die Reduktion der Umweltbelastung bei der Rohstoffgewinnung sowie auf die Schonung landwirtschaftlicher Anbauflächen für die Nahrungsmittelproduktion. Neben der Erarbeitung der notwendigen wissenschaftlichen Grundlagen stehen Arbeiten zur technischen Umsetzung dieser Erkenntnisse im Vordergrund. Begleitet werden die jeweiligen Arbeiten durch spezifische Nachhaltigkeitsanalysen. Die Allianz ist auf insgesamt neun Jahre mit drei jeweils dreijährigen Förderperioden angelegt und wird in der aktuellen zweiten Phase durch die BRAIN AG koordiniert.

Allianzkoordinator: Dr. Guido Meurer (gm@brain-biotech.de)

  • Elektroden-gestützte Wertstoffproduktion

    Im Rahmen der strategischen Allianz ZeroCarb werden alternative Wege zur stofflichen Nutzung von CO2 unter Einsatz biotechnologischer Verfahren untersucht. Die Nutzung von CO2 erfordert zunächst dessen Aktivierung durch Zufuhr von Reduktionskraft. Hierfür ist die direkte Nutzung von elektrischem Strom in Form der mikrobiellen Elektrosynthese von besonderer Bedeutung. Im Rahmen einer von der BRAIN AG unterstützten Promotionsarbeit sollen Module zur Etablierung synthetischer Elektronentransportketten erarbeitetet werden. Diese Module sollen prinzipiell dazu geeignet sein, in heterologen Wirtsorganismen einen effektiven Elektronentransport ausgehend von einer Kathode zu etablieren und so eine Elektroden-gestützte Wertstoffproduktion zu ermöglichen.  

  • Einsatz unkonventioneller Hefen und Pilze zur Wertstoffproduktion aus Abfallströmen

    Die im Rahmen der strategischen Aallianz ZeroCarb von der BRAIN AG unterstützte Promotionsarbeit konzentriert sich auf die Nutzung zweier in der Industrie häufig vorkommender Abfallströme: zum einen Glycerin, welches während der Biodieselproduktion entsteht und zum anderen freigesetztes CO2 z.B. aus Stromkraftwerken. Ziel der zu besetzenden Promotionsarbeit ist die Nutzung dieser Abfallströme als Kohlenstoffquelle zur Synthese von Wertstoffen durch bislang wenig untersuchte, unkonventionelle Hefen und Pilze.  Diese Arbeit soll somit dazu beitragen, neuartige Produktionssysteme aus der Biodiversität zu beschreiben und biotechnologisch zugänglich zu machen.  

  • Engineering und Optimierung von Mikroorganismen für das Recycling metallischer Ressourcen

    Die Richtlinie 2008/98/EG formuliert das Ziel, bis 2020 EU-weit Abfälle als Ressource zu bewirtschaften. Der Hauptanteil vieler, insbesondere industrieller Abfall- und Seitenströme wird jedoch bis heute deponiert oder in Salzstöcke eingebaut, da geeignete nachhaltige und effiziente Methoden zur Aufbereitung fehlen. So gehen wertvolle mineralische wie metallische Ressourcen verloren. Im geplanten Promotionsprojekt soll eine biologische Methode zur Edelmetallgewinnung erarbeitet werden. Insbesondere sollen Mikroorganismen bezüglich ihrer Metallresistenz und metabolischen Aktivität für Recyclinganwendungen optimiert werden.  

  • Phototrophe Biofilme zur Wertstoffsynthese

    Innerhalb der strategischen Allianz ZeroCarbFP werden nachhaltige Wege zur stofflichen Nutzung kohlenstoffreicher Abfallströme, unter ihnen CO2 , unter Einsatz biotechnologischer Verfahren untersucht. Die Nutzung von CO2 erfordert zunächst dessen Aktivierung durch Zufuhr von Reduktionskraft. Die Bereitstellung dieser Kraft in Form von Lichtenergie vermeidet Wandlungsverluste und ist somit prinzipiell ein energetisch hocheffizienter Weg zur Synthese von Wertstoffen basierend auf CO2 als alleiniger Kohlenstoffquelle. Ein technischer Nachteil phototropher Produktionskonzepte ist der derzeit hohe Flächeneinsatz. Hier können innovative Biofilmkonzepte ansetzen. Biofilme sind natürliche, sich an Oberflächen adhärierende Zellsysteme, welche sich u.a. durch hohe Zelldichten auszeichnen, die im Vergleich zu suspendierten Kultivierungssystemen bis zu 10x mehr Biomasse pro Volumen enthalten können. Da hohe Produkttiter in der Regel hohe Zelldichten erfordern, scheinen Biofilm-basierte Prozesskonzepte unter wirtschaftlichen Aspekten besonders geeignet.

    Das Ziel der seitens der Südzucker AG unterstützten Promotionsarbeit liegt in der Etablierung und quantitativen Charakterisierung von wertstoffproduzierenden, phototrophen Biofilmen durch Mikroalgen. Hierbei sollen sowohl zellphysiologische als auch ingenieurswissenschaftliche Aspekte berücksichtigt werden. Die daraus resultierenden Erkenntnisse werden als Ausgangspunkt zur Stamm- und Prozessoptimierung hinsichtlich potentieller Anwendungen zur Herstellung von Wertstoffen aus CO2 herangezogen und evaluiert.

Technofunktionelle Proteine (TeFuProt)

Die strategische Allianz TeFuProt (Techno-Funktionelle Proteine) will einen nachhaltigen Beitrag zur Nutzung nachwachsender Rohstoffe und zur Ablösung von herkömmlich auf fossilen Rohstoffen beruhenden Materialien in der Industrie leisten.
Aus industriellen Reststoffen und bisher ungenutzten Produktionsresten der Ölsaatenverarbeitung werden mit neuen Technologien Proteinextrakte gewonnen und modifiziert. Durch die Anwendung der Modifikate wird nicht nur auf den Einsatz von traditionellen Komponenten verzichtet. In den in der Allianz vertretenen industriellen Anwendungen (Lacke und Farben, Wasch- und Reinigungsmittel, Bindemittel, Schmierstoffe) führt die Verwendung der proteinbasierten neuen Materialien vielmehr zu verbesserten Eigenschaften und auch zu neuartigen innovativen Produkten. Neben der Optimierung der neuen Gewinnungs- und Aufreinigungstechnologien gehört vor allem die applikationsbezogene Funktionalisierung der Proteinmodifikate zu den Herausforderungen der Allianz. Die entwickelnden Allianzpartner haben großes Interesse daran, die Prozesse und Produkte, die in der Allianz entstehen, hinsichtlich ihrer ökologischen, ökonomischen und sozialen Nachhaltigkeit zu bewerten und haben dafür mit der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf einen erfahrenen und kompetenten Partner gewonnen.

Weitere Informationen: tefuprot.de

Allianzkoordinator: Dr. Axel Höhling (a.hoehling@animox.de)

  • Qualitätsmanagement bei der Funktionalisierung technischer Proteine aus landwirtschaftlichen Nebenprodukten durch Quality Function Deployment

    Das „Quality Function Deployment“ (QFD)-Verfahren soll auf die Funktionalisierung technischer Proteine aus nachwachsenden Rohstoffen, insbesondere Entölungsrückstände der Rapsölgewinnung, angewendet werden. Dazu sollen die Proteinextraktions- und -modifikationsverfahren der Forschungspartner IVV und ANiMOX sollen systematisch kategorisiert und den sich im Projektverlauf entwickelnden Anforderungen der Anwender gegenübergestellt werden. Zusätzlich soll ein Benchmark vergleichbarer (nicht pflanzlicher) Proteinmodifikate durchgeführt und die Ergebnisse in einem „House of Quality“ den erzielten Forschungsergebnissen gegenübergestellt werden. Sowohl die Anwender als auch die Forschungspartner IVV und ANiMOX sollen anschließend interaktiv die bestmöglichen Optionen bewerten, wobei vom akademischen Partner indikative Kosten der untersuchten Verfahren ergänzt werden. Das Ergebnis des QFD-Verfahrens soll eine optimierte Verbindung zwischen den technologischen Möglichkeiten, den erwarteten Produkteigenschaften und der damit verbundenen Kostenverteilung bei der Herstellung und Modifikation pflanzenbasierter technischer Proteine darstellen.

    Folgende Fragen sollen im Rahmen des Vorhabens beantwortet werden:

    • Welche Modifikationsverfahren bei der Funktionalisierung technischer Proteine sind am besten geeignet, die Anwendungsergebnisse bei den Praxispartnern zu verbessern?
    • Wie können die Kosten-Wirkungsrelationen zwischen den Modifikationsverfahren technischer Proteine und den Produkteigenschaften optimiert werden?
  • Verbesserte Proteinfunktionalität durch Störstoffabtrennung und Proteinfraktionierung

    Für die Bereitstellung anwendungsoptimierter Proteine sind die Identifizierung und Auswahl geeigneter Isolationsprozesse von entscheidender Bedeutung. Daneben hat auch das zu erreichende Molekulargewicht der isolierten Proteine Auswirkungen auf die grundlegende Proteinfunktionalität, z.B. das Lösungsverhalten. Die anschließende Funktionalitätserhöhung durch gezielte chemisch-physikalische Proteinmodifikation wird durch Störstoffe, die häufig als Fasern aber auch als andere Sekundärmetaboliten vorliegen, extrem beeinflusst. Sie beeinträchtigen die Löslichkeit, Viskosität, Gelbildeeigenschaften und andere wesentliche Funktionalitäten z. T. sehr stark. Von weniger störstoffbelasteten Proteinfraktionen wird erwartet, dass sich die nachfolgend zu gewinnenden Proteinisolate besser funktionalisieren lassen.

    Gegenstand des Promotionsthemas ist daher die Entwicklung von Methoden und Verfahren zur Vorfraktionierung der Rapsschrote/Rapspresskuchen. Durch geeignete trockentechnische Vorbehandlungen soll das Ausgangsmaterial zu einem Vorprodukt mit hohem Protein- und geringem Störstoffgehalt aufbereitet werden. Aufgeklärt werden soll auch der Zusammenhang zwischen den verschiedenen trockentechnischen Verfahren zur Abtrennung von Störstoffen und den dadurch in den anschließenden Isolationsprozessen erreichbaren Funktionalitäten der Proteine. Ein weiterer Schwerpunkt der Promotion soll darin bestehen, die isolierten Proteine möglichst effizient in unterschiedliche Größenfraktionen aufzutrennen, um den Zusammenhang zwischen Molekulargewichtsverteilung und Proteinlöslichkeit in unterschiedlichen Medien zu untersuchen.

  • Nutzung fester Reststoffe der Proteinextraktion als Torfersatz in gärtnerischen Kultursubstraten und Blumenerden

    Während Rapsproteine in verschiedenen höherwertigen Anwendungen (u. a. Binder, Füllstoffe und Lackadditive) eingesetzt werden, muss für die im Extraktionsprozess parallel dazu anfallenden zellulose- und faserstoffreichen festen Extraktionssedimente eine wirtschaftlich genutzte nachhaltige Verwertungsmöglichkeit noch gefunden werden. Gleichwohl verfügt der Extraktionsrückstand über Eigenschaften, die ihn neben den bisher (in Phase I von TeFuProt) gefundenen, vor allem technischen, Anwendungsoptionen für ein weiteres Anwendungsgebiet in Landwirtschaft und Gartenbau prädestinieren – den Bodenverbesserer Torf. Der Reststoff verfügt angesichts seiner hohen Porosität, der guten Luft- und Wasserspeicherkapazität, der relativ geringen Dichte und seines hohen Faserstoffgehaltes über ein großes Potential zur nachhaltigen Verwertung als Torfersatzstoff.

    In der Promotionsarbeit soll untersucht werden, welche Voraussetzungen geschaffen werden müssen, damit  der feste Extraktionsrückstand zu möglichst hohen Anteilen als Ersatz für die endliche Ressource Torf in gärtnerischen Kultursubstraten und Blumenerden nachhaltig und mit hoher Wertschöpfung eingesetzt werden kann. Mit der Bearbeitung des Promotionsthemas sollen neue Erkenntnisse gewonnen werden für die Verbreiterung der Nutzung des festen Extraktionsrückstandes, der bei der Proteingewinnung entsteht.