Referenzprojekte IME | Aachen

Der Fibroblasten Wachstumsfaktor 21 (FGF21) ist ein metabolisch wirkendes Peptidhormon, das Adipositas assoziierte metabolische Störungen in verschiedenen Tiermodellen reduzieren kann. Erste klinische Studien mit FGF21 Analoga (Applikation durch Injektion) bestätigten die Reduktion von Körpergewicht, Blutlipiden und Insulin beim Menschen und deuten auf die Leber als wichtiges Zielorgan hin, insbesondere bei Patienten mit Fettleber. Die Leber ist auch der Hauptproduzent von FGF21, aber direkte hepatische Effekte und Mechanismen sind bisher unzureichend aufgeklärt. Im Projekt soll untersucht werden, ob ein orales Applikationssystem positive metabolische Effekte durch eine gezielte Wirkung auf die Leber hat und Nebenwirkungen vermieden 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.

Der Einsatz von chemischen Düngemitteln, insbesondere Stickstoff und Phosphor, trägt erheblich zur Klimaerwärmung und Umweltverschmutzung bei. Im Projekt sollte die Wurzelarchitektur von Mais durch die Modulation von Strigolactonen optimiert werden. Diese natürlichen Pflanzenhormone spielen eine Schlüsselrolle bei der Nährstoffaufnahme und der Förderung symbiotischer Beziehungen mit Mykorrhiza-Pilzen, die die Aufnahme von Phosphat und Nitrat verbessern. Durch die Erforschung der Strategie soll es möglich sein neue Züchtungstechnologien zur Entwicklung von Maissorten mit verbesserter Resilienz und Produktivität beizutragen.

Krankheiten wie Krebs, Diabetes oder bestimmte Herz-Kreislauf-Erkrankungen werden durch eine Kombination von genetischen, umwelt- und verhaltensbedingten Faktoren verursacht. In der Regel spielen körpereigene Proteine eine wichtige Rolle bei der Entstehung und der klinischen Ausprägung dieser Krankheiten und sind daher potenzielle Ziele für die medikamentöse Behandlung. Viele herkömmliche Wirkstoffe fungieren als Inhibitoren, die an die Zielproteine binden und katalytische Aktivitäten oder molekulare Interaktionen behindern. Eine relativ neue Strategie ist der Abbau von Zielproteinen durch das zelleigene Ubiquitin-Proteasom-System.

Plant Molecular Farming ist die Produktion hochwertiger Verbindungen aus Pflanzen mithilfe der Biotechnologie. Mehrere solcher Pflanzenbiotechnologien befinden sich in der Entwicklung, und bereits einige wenige Produkte sind kommerziell erhältlich (wie das Biologikum Elelyso (Protalix Biotherapeutics) und der Sekundärmetabolit Paclitaxel (Phyton Biotech). Die Pflanzenbiotechnologie für Biologika wurde erst in den letzten 20 Jahren entwickelt. Daher sind die Plattformen zur Pflanzenherstellung noch nicht ausgereift im Vergleich zu den mikrobiellen und Säugetierzellexpressionsystemen, die heute routinemäßig in der Pharmaindustrie eingesetzt werden und auf deren Grundlage die aktuellen Richtlinien zur Guten Herstellungspraxis entwickelt wurden.

Das International Center for Networked, Adaptive Production (ICNAP) geht auf eine Initiative des Landes Nordrhein-Westfalen und der Fraunhofer-Gesellschaft mit intensiver Unterstützung aus der Industrie zurück, die als Fraunhofer-Leistungszentrum »Vernetzte, adaptive Produktion« Ende 2016 in Aachen gestartet wurde. Aufgabe des Leistungszentrums ist es, eine offene Forschungsplattform und Testumgebung für die Industrie zu entwerfen, in der neue Konzepte einer digitalisierten Produktion und deren Transfer in die Industrie erforscht und praxisnah erprobt werden können. Das ICNAP ist aus dieser Initiative hervorgegangen und verstetigt die gute Zusammenarbeit in den Industrieprojekten. So können nun auch weitere Unternehmen als Partner innerhalb der Community von den Arbeiten des Leistungszentrums profitieren.

In Bioreaktoren kultivierte Pflanzenzellkulturen (PZKs) zur Herstellung von wertvollen pflanzlichen Inhaltstoffen stellen eine nachhaltige und ressourcenschonende Alternative zum Anbau von ganzen Pflanzen dar. Dabei ist der Kultivierungsfaktor Licht eine wichtige Einflussgröße, um Bioprozesse hinsichtlich der Produktausbeute und -qualität zu optimieren und wirtschaftlich attraktiver zu machen, ohne auf gentechnische Modifikationen der PZKs zurückgreifen zu müssen – zumindest, wenn keine rekombinanten Proteine (Pharmazeutika, Biologics) hergestellt werde sollen. Während eine Ermittlung individueller Lichtbedingungen (sogenannter Lichtrezepte) zur Steigerung der Produktausbeuten in PZKs durch patentierte Eigenentwicklungen des Fraunhofer IME bereits realisiert werden kann, ist die Übertragung optimierter Lichtbedingungen in industrielle Maßstäbe nicht möglich, da existierende Bioreaktorsysteme mit integrierter Beleuchtungseinheit (Photobioreaktoren) nicht für die Umsetzung individueller Lichtrezepte ausgelegt sind.

In den vergangenen Jahrzehnten hat nicht nur der Verbrauch von Zucker kontinuierlich zugenommen, sondern auch die Zahl der chronischen Erkrankungen, die auf den übermäßigen Konsum von Zucker zurückzuführen sind, ist weltweit stark angestiegen. Krankheiten wie Karies, Bluthochdruck, Herz-Kreislauf-Erkrankungen (Schlaganfall und Herzinfarkt), Diabetes Typ 2, Übergewicht und Fettleibigkeit bei Kindern und Erwachsenen werden durch den langfristigen Verzehr von Zucker verursacht bzw. begünstigt. Um den steigenden gesundheitlichen Problemen durch Ernährung entgegenzuwirken, hat das Bundesministerium für Landwirtschaft und Ernährung (BMEL) das Ziel, den Zuckergehalt in Fertigprodukten und Getränken zu reduzieren, um die direkten und indirekten Kosten für die Volkswirtschaft und die Gesellschaft insgesamt zu senken. Süßschmeckende Proteine, die erstmals aus tropischen und afrikanischen Pflanzen isoliert wurden, können als Vorlage dienen, um gesündere Alternativen zu Zucker zu entwickeln und ernährungsbedingten Krankheiten entgegenzuwirken.

Die Verunreinigung von Abwässern aus Privathaushalten und der Industrie mit Schwermetallen und gelösten Spurenstoffen, wie z.B. Zusatzstoffe und Arzneimitteln, nimmt in Europa stetig zu. Da diese gelösten Stoffe nur schwer oder gar nicht biologisch abbaubar sind und sich in der Umwelt, Pflanzen und Tieren mit unbekannter Wirkung anreichern, steigen die Umweltauflauflagen für die Abwasserbehandlung und Wasserwiederverwendung in der EU. Allerdings sedimentieren diese Spurenstoffe nicht und passieren auf Grund ihrer Größe im Nano- und Mikrometerbereich konventionelle Filtersysteme. Außerdem werden sie wegen ihrer geringer Bioverfügbarkeit in Kläranlagen kaum biologisch abgebaut, sodass es immer schwieriger wird, die Umweltauflagen in der EU einzuhalten. Das „Aachen Network for Waste Water Reuse, AIX-Net-WWR” ebnet den Weg in eine nachhaltige, dezentrale und wirtschaftliche Wasserver- und -entsorgung in der nahen Zukunft. Aus Abwasser wird so mittels innovativer Technologien Wasser geeigneter Qualität für die Wiederverwendung in Quartieren, in der Landwirtschaft oder Industrie gewonnen. Im Abwasser enthaltene Wärme und Wertstoffe werden wiederverwendet. Durch regionale Schwerpunktbildung trägt das Bündnis signifikant zum lokalen Strukturwandel bei, während es einen erheblichen Beitrag zu den global drängenden Problemen der Wasser- und Ressourcenknappheit sowie des Klimawandels liefert.

Etwa die Hälfte der Weltbevölkerung ist mit dem Bakterium Helicobacter pylori infiziert. Der Magenkeim kann chronische Entzündungen der Magenschleimhaut verursachen und ist der häufigste Auslöser für Magenkrebs. Zunehmende Resistenzen gegen Antibiotika erschweren eine wirksame Behandlung. Daher besteht ein dringender Bedarf nach neuartigen Therapieansätzen. In dem Vorhaben HeliTec wurde eine neue antibiotikafreie Behandlungsmethode erforscht, die es perspektivisch erlauben soll, das Bakterium direkt in der Magenschleimhaut abzutöten. Dazu sollten genetisch modifizierte und dadurch harmlose Helicobacter-Bakterien als Wirkstofftransportsystem erzeugt werden. Diese fungieren als Trojaner und setzen in unmittelbarer Nähe der krankmachenden Helicobacter Keime abtötende Substanzen frei. Die Freisetzung der antimikrobiellen Substanzen soll dabei durch ausgesendete Kommunikationsstoffe der pathogenen Bakterien ausgelöst werden. Im Projekt wurden drei Strategien verfolgt: (1) die Freisetzung von abtötenden Proteinen oder Peptiden durch die Trojaner, (2) die Beladung der Trojaner mit Phagen, also Viren die Bakterien angreifen und die pathogenen Helicobacter-Keime spezifisch abtöten und (3) ein kombinierter Ansatz, bei dem diese Phagen in die trojanischen Bakterien eingebaut sind und nur in Gegenwart pathogener Helicobacter freigesetzt werden. Die gezielte Freisetzung direkt am Wirkort soll eine effiziente Behandlung ermöglichen. Das Forschungsvorhaben trägt somit im Sinne der Bekanntmachung zur Überwindung von Nachteilen der heute üblichen Verabreichungsformen von Wirkstoffen bei.