Eiweiße nach Wunsch für die Industrie zusammenbauen – das ist das Ziel des Fraunhofer-Verbundprojekts »Biomoleküle von Band«, das Mitte März 2011 als erste konkrete Maßnahme im Strategieprozess Biotechnologie 2020+ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) gestartet ist.
Egal ob technische Enzyme oder Medikamente gegen Krebs – proteinbasierte Produkte sind aus unserem Leben nicht mehr wegzudenken. Um diese industriell herzustellen, lassen Biotechnologen bislang lebende Zellen oder Mikrooganismen in Bioreaktoren für sich arbeiten. Mithilfe gentechnischer Methoden werden diese Minifabriken darauf getrimmt, die großen Biomoleküle in ihrer dreidimensionalen Form zu produzieren, denn ein chemischer Nachbau ist nicht möglich. Die Vorgehensweise hat allerdings auch Nachteile: Toxische Proteine töten die Zellen ab und für die Pharmaindustrie interessante Membranproteine lassen sich nur sehr schwer herstellen. Zudem sind aufwendige Aufreinigungsverfahren erforderlich, mit denen sich aus der Suppe an Proteinen, Zelltrümmern und vielen weiteren Substanzen die eigentlichen Zielproteine herausfischen lassen.
Eine Vision für die Biotechnologie der Zukunft ist es, Proteine im industriellen Maßstab ohne lebende Zellen und Mikroorganismen herzustellen – mit zellfreien Produktionsmethoden. Einen solchen Weg wollen Biologen, Physiker, Maschinenbauer und Elektroniker aus acht Fraunhofer-Instituten aus den Life Sciences, der Produktion und Mikroelektronik nun im Verbund »Biomoleküle vom Band« unter wissenschaftlicher Leitung des Fraunhofer-Instituts für Biomedizinische Technik IBMT in Potsdam beschreiten. Dafür stellt die Fraunhofer-Gesellschaft 6 Millionen Euro im Rahmen ihrer Systemforschung zur Verfügung. Diese Investitionen werden vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) – als erste konkrete Maßnahme im Strategieprozess Biotechnologie 2020+ – mit 15 Millionen Euro für die nächsten drei Jahre ergänzt. Auch das Fraunhofer IGB ist an diesem Verbundprojekt mit einer zentralen Aufgabenstellung beteiligt.
Die Proteinproduktion soll hierzu modulartig in Kompartimente aufgeteilt werden: die eigentliche Proteinsynthese, die anschließende Weiterverarbeitung und die Energiebereitstellung, der größte Knackpunkt. In biologischen Systemen wird Energie über die chemische Spaltung von Adenosintriphosphat (ATP) bereitgestellt. Aus diesem Grund wollen die Fraunhofer-Forscher ein System entwickeln, das wie in einer Kreislaufwirtschaft das nötige ATP selbst bereitstellt. Dafür jedoch liegt jedoch noch viel Arbeit vor den Wissenschaftlern. Denn für ein funktionierendes Kraftwerk ist ein biologischer Helfer nötig: das Enzym ATP-Synthase. Dabei handelt es sich um ein Protein, welches in der inneren Membran von Mitochondrien sitzt oder in einer anderen Form in der Plasmamembran von Bakterien zu finden ist. Derartige Membranproteine in technische Systeme zu integrieren, ist eine große Herausforderung.
Die Nutzung der ATP-Synthetase zu ermöglichen, ist Aufgabe des Fraunhofer IGB. Dies umfasst deren Isolierung, die Bereitstellung von Membranelementen für eine Reaktorstruktur und die Modellierung des Systems. Hierzu arbeiten die Abteilungen Molekulare Biotechnologie, Grenzflächentechnologie und Materialwissenschaft und Zellsysteme zusammen.
Schon heute trägt die Biotechnologie dazu bei, Produktionsverfahren in der chemischen Industrie, Lebensmittel- oder Kosmetikindustrie ressourcenschonender, effizienter und umweltfreundlicher zu gestalten. Wissenschaftler und Ingenieure möchten in Zukunft fachübergreifender und systematischer von der Natur lernen und diese Erkenntnisse für technische Anwendungen nutzen. Die Fraunhofer-Gesellschaft sowie die Helmholtz-Gemeinschaft, Leibniz-Gemeinschaft und Max-Planck-Gesellschaft vernetzen ihre Aktivitäten und haben ihr Vorhaben in dem Memorandum of Understanding »Biotechnologie 2020+ – synthetische Biologie und zellfreie Biotechnologie« formuliert. Ziel ist es, biobasierte Grundstoffe für den täglichen Bedarf herzustellen und neuartige funktionale Materialien für viele Einsatzbereiche zu entwickeln. Diese neuen Werkstoffe und Verfahren sollen dann rasch für die industrielle Fertigung umgesetzt werden. Dabei gilt die zellfreie Biotechnologie als eine der aussichtsreichsten Technologien, die die bisher erdölbasierte Chemie durch ressourcensparendere Prozesse ersetzen kann.
Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB