Referenzprojekte IME | Aachen

Durch das Projekt soll eine zum Patent angemeldete Technologie weiterentwickelt werden, die eine effiziente und schnelle Genom-Editierung bzw. genetische Veränderung von Pflanzen mittels Laser-induzierter Schockwellen ermöglicht. Die Übertragung des Transformationsverfahrens auf wichtige Kulturpflanzen soll die Grundlage für eine universelle Anwendung in der Pflanzenzüchtung schaffen.

Wasserbürtige Krankheitserreger stellen in Trinkwasseranlagen, der Lebensmittelproduktion, der Landwirtschaft sowie im Gesundheits- und Hygienebereich ein erhebliches Risiko für Mensch, Umwelt und Wirtschaft dar. Bestehende Nachweisverfahren sind häufig zeitaufwendig, laborgebunden und können lebende von bereits abgetöteten Keimen nur unzureichend unterscheiden. Dadurch fehlen wichtige Informationen für ein schnelles und zielgerichtetes Kontaminationsmanagement. Das Projekt Mi-LAMP aqua entwickelt deshalb ein mobiles und hochsensitives Schnelltestsystem zum Vor-Ort-Nachweis wasserbürtiger Pathogene. Durch die Kombination magnetischer Anreicherungstechnologien mit moderner RNA-basierter Amplifikationsanalytik sollen selbst geringe Konzentrationen von Bakterien, Viren oder Protozoen schnell erfasst werden. Gleichzeitig ermöglicht das Verfahren erstmals eine zuverlässige Lebend-/Tot-Differenzierung direkt vor Ort und schafft damit neue Möglichkeiten für ein effizientes Hygienemonitoring und eine sichere Wasserüberwachung.

Die europäische Bioökonomie ist durch das begrenzte und nicht nachhaltige Angebot terrestrischer Naturstoffe eingeschränkt. Die starke Abhängigkeit von importierten Rohstoffen führt zu anfälligen Lieferketten und belastet globale Ökosysteme. Pflanzliche Zellkulturen bieten eine flächenunabhängige und kontrollierbare Alternative zur Herstellung hochwertiger Sekundärmetaboliten, ihre industrielle Nutzung wird jedoch bislang durch langwierige Entwicklungszyklen, fehlende standardisierte Arbeitsabläufe und hohe Entwicklungskosten begrenzt. COCO-AI adressiert diese Herausforderungen durch die Entwicklung einer KI-gestützten Plattform für pflanzliche Zellkulturen, die den gesamten Entwicklungsprozess – von der Kallus- und Suspensionszelllinienentwicklung über die Optimierung von Kulturmedien und Elicitierungsstrategien bis hin zur Prozessskalierung – datenbasiert unterstützt. Hierzu werden Multi-Omics-, Bildgebungs- und Prozessdaten in einem KI-Agenten integriert, der optimale Kulturbedingungen vorhersagt, standardisierte Arbeitsabläufe etabliert und die Entwicklung neuer Produktionsprozesse deutlich beschleunigt. Am Beispiel von Kakao wird die Plattform bis in den industriellen Maßstab validiert und als übertragbare Technologie für die nachhaltige Herstellung hochwertiger pflanzlicher Naturstoffe an weiteren Pflanzenzelllinien demonstriert. Die wesentliche Innovation des Projekts liegt in der Integration eines KI-Agenten, der den gesamten Entwicklungs- und Bioproduktionsprozess datenbasiert begleitet und dadurch den Übergang von empirischer Prozessentwicklung hin zu einer KI-gestützten, prädiktiven Entwicklung pflanzlicher Produktionssysteme ermöglicht.

Im Zuge der stetig wachsenden Weltbevölkerung steigt der globale Bedarf an Nahrungsmitteln. Nach Schätzungen der Vereinten Nationen, muss sich die Produktion von Lebensmitteln bis 2050 verdoppeln, um diesen Bedarf abzudecken. Hinzu kommt, dass durch Faktoren wie die zunehmende Urbanisierung und der fortschreitende Klimawandel, eine Verknappung an fruchtbarem Ackerland eintritt. All dies führt schließlich zum eigentlichen Problem: Es besteht eine Kluft zwischen der landwirtschaftlichen Produktivität und dem weltweiten Bedarf an Nahrungsmitteln und Nutzpflanzen. Um diese Kluft zu schließen, werden im EU-Projekt »PhotoBoost« Strategien zur Erhöhung der photosynthetischen Leistung und Produktivität am Beispiel der Nahrungsmittelpflanzen Kartoffeln und Reis entwickelt.

Für die Ernährung in Subsahara-Afrika ist die Kuhbohne (Vigna unguiculata), auch bekannt als Augenbohne, eine zentrale Quelle pflanzlicher Proteine. Obwohl diese Kulturpflanze eine vergleichsweise hohe Trockenheitstoleranz aufweist und auch auf Böden mit geringer Fruchtbarkeit wachsen kann, ist ihre Produktivität noch zu gering, um eine ausreichende Ernährung und wirtschaftliche Nachhaltigkeit zu gewährleisten. Das übergeordnete Ziel von »SCOPE« ist die Entwicklung eines innovativen Ansatzes zur Steigerung der Photosyntheseleistung der Kuhbohne.

Die weltweite Ausbreitung von Bakterien, die gegen viele oder sogar fast alle bekannten Antibiotika resistent sind, stellt eine zunehmende Bedrohung für die menschliche und tierische Gesundheit dar. Gleichzeitig kommen kaum noch neue klassische Antibiotika auf den Markt. Daher werden dringend alternative Ansätze benötigt, um bakterielle Infektionen wirksam zu bekämpfen. Ein besonders vielversprechender Ansatz sind sogenannte Endolysine. Dabei handelt es sich um natürliche antibakterielle Enzyme, die ursprünglich von Bakteriophagen gebildet werden, also von Viren, die Bakterien infizieren. Endolysine können die schützende Zellwand von Bakterien gezielt zerstören und wirken dadurch sehr schnell und effektiv. Trotz dieses großen Potenzials werden Endolysine bislang kaum medizinisch genutzt. Gründe dafür sind ihre oft sehr spezifische Wirkung auf einzelne Bakterienstämme sowie ungelöste Fragen zur sicheren, nachhaltigen und kostengünstigen Herstellung großer Mengen dieser Wirkstoffe

Funktionelle Proteine sind wichtige Bausteine in vielen industriellen Prozessen und Produkten. Sie tragen zur Wertschöpfung in der Bioökonomie bei und ermöglichen nachhaltige, ressourcenschonende Lösungen. Ihre Anwendungen reichen von der Lebensmittelproduktion (z. B. Käseherstellung, Fermentation oder Saftklärung) über Pflanzenschutz und Medizin bis hin zu neuen Technologien wie Sensoren oder künstlicher Photosynthese. Früher nutzte man vor allem natürlich vorkommende Proteine. Heute ermöglichen Fortschritte in der Strukturbiologie, im Verständnis von Struktur-Funktions-Zusammenhängen und im Protein-Engineering – oft unterstützt durch KI – die gezielte Entwicklung neuer Proteine. Dadurch entstehen viele neue Kandidaten, die mit geeigneten Screening-Methoden getestet werden müssen. Unabhängig davon, wie sie entworfen wurden, müssen diese Proteine im Labor hergestellt und auf ihre Funktion geprüft werden, bevor sie weiterentwickelt und im größeren Maßstab produziert werden können.

Im Angesicht der Energiewende stellen Solarkraftstoffe eine nachhaltige Lösung für eine umweltschonenden Energieversorgung dar – ob in der Mobilität, Privathaushalten oder in Industriebranchen mit hohem CO2-Ausstoß. Ein vielversprechender Ansatz zur Herstellung von Solarkraftstoff ist die künstliche Photosynthese; jedoch sind die derzeitigen Systeme ineffizient und aufgrund der hohen Kosten für den Einsatz in der Industrie ungeeignet. Das EU-Projekt SUNGATE will diesen Einschränkungen entgegenwirken und kombiniert dazu die Grundlagen der künstlichen Photosynthese mit der Photoelektrokatalyse sowie der Flowmikroreaktortechnik und Biotechnologie. Das übergeordnete Ziel von SUNGATE ist es, eine Technologie bereitzustellen, die eine kosteneffiziente globale Energieversorgung gewährleisten kann und bis zum Jahr 2050 zur Klimaneutralität beiträgt.

Die künstliche Photosynthese (KP) ist eine Technologie, die nachhaltig reichlich vorhandenen Ressourcen wie Sonnenlicht, Wasser und CO2 in Form von Brennstoffen wie Wasserstoff, Methanol oder Bausteine für die chemische Industrie umwandeln kann. In ihrer Grundkonzeption ahmt die KP die Prozesse der natürlichen Photosynthese (NP) nach, indem auf der Basis synthetischer, z. B. abiotischer und/oder biologischer Komponenten, die Sonnenenergie zur Spaltung bzw. Oxidation von Wasser und zur Reduktion von CO2 nutzt und sie in Energieträger umwandelt. Durch die Nutzung von CO2 als Rohstoff kann die KP einen wichtigen Beitrag zur künftigen Abkehr von fossilen Brennstoffen und zur Verringerung von Treibhausgasemissionen leisten und potenziell zur Bekämpfung des Klimawandels beitragen. Im Vergleich zu anderen erneuerbaren Energiequellen wie Sonne- und Windenergie, die intermittierend Energie produzieren, kann die KP überschüssige Energie in chemische Energie umwandeln und somit zu einer stabilen Energieversorgung, auch wenn Licht oder Wind nicht verfügbar sind beitragen. Ihre Entwicklung ist daher ein zentraler Bestandteil zukünftiger Energiestrategien und innovativer Ansätze im Ressourcermanagement.

Biotechnologische Fermentationsprozesse gewinnen zunehmend an Bedeutung, da sie neue Möglichkeiten zur Herstellung hochwertiger Lebensmittelzutaten eröffnen und das bestehende Ernährungssystem sinnvoll ergänzen können. Besonders bei neuartigen Lebensmitteln (Novel Food), die auf Mikroorganismen, Pilzen oder Pflanzenzellkulturen basieren, bieten bioreaktorbasierte Verfahren eine präzise kontrollierbare und ressourceneffiziente Produktionsalternative. Gleichzeitig sind diese Prozesse aufgrund vieler gleichzeitig wirkender Parameter und variabler Substrate anspruchsvoll zu steuern. MiKI entwickelt datenbasierte Methoden der Metabolitanalytik und Künstlichen Intelligenz, um biotechnologische Fermentationsprozesse besser zu verstehen und deren Steuerung zuverlässiger und effizienter zu gestalten.