Referenzprojekte IME | Aachen

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.

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.

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.

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.

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.