Referenzprojekte IME | Aachen

In der von Dr. Johannes Buyel geleiteten Nachwuchsgruppe »FAST-PEP« soll die Expertise des Fraunhofer IME im Bereich des Plant Molecular Farming erweitert werden und zentrale Hürden in der Bioprozessentwicklung im Produktionssystem Pflanze/Pflanzenzelle überwudnen werden. Ziel des ATTRACT-Projekts ist die Etablierung einer Hochdurchsatz-Expressions- und Reinigungsplattform für pharmazeutisch, agrarwirtschaftlich und kosmetisch relevante Proteine, z.B. dringend benötigte Impfstoffe und Antikörper für die Krebstherapie, aus Pflanzen sowie weiteren biologischen Quellen. Das System birgt großes Marktpotential, da es die zentralen Probleme der Bioprozessentwicklung lösen kann.

Das übergeordnete Ziel des Graduiertenkollegs (GRK) mit dem Titel "Tumor-Targeted Drug Delivery" (Akronym 2(TD)) ist es, die aktuellen Herausforderungen auf dem Gebiet der Entwicklung des Krebs-DDS anzugehen und therapeutische und theranosetische Szenarien zu erforschen, die zu verbesserten Patientenresultaten führen und eine klare Perspektive für die klinische Übersetzung haben. Während sich die Mehrzahl der Forschungskonsortien im Bereich Drug-Delivery in Deutschland und Europa primär auf neue Materialien für die Nanomedizin konzentriert, wird sich 2(TD) auf medizinische Bedürfnisse und klinische Anwendungen konzentrieren und darauf abzielen, Fallstricke bei der Übersetzung von tumorgerichteten Drug-Delivery-Konzepten systematisch zu identifizieren und zu überwinden. Zu diesem Zweck wird das 2(TD)-Konsortium Wissen generieren und die Zusammenarbeit an den Schnittstellen der Schlüsselbereiche Tumorbiologie, chemische Verfahrenstechnik und klinische Medizin fördern.

Die auf Pflanzenzellen basierende, am Fraunhofer IME entwickelte Plant Cell Pack (PCP)-Technologie stellt eine Alternative zur Entwicklung solcher Proteine im Kleinstmaßstab dar, jedoch besteht bislang keine technische Möglichkeit, diese kosteneffizient im mittleren Produktionsmaßstab in PCPs herzustellen. Ziel des Projektes ist es, die für das Screening von komplexen Proteinvarianten in Kleinstmengen (μg-Bereich) im Hochdurchsatz entwickelte PCP-Technologie zur Etablierung schneller und flexibler Herstellungsprozesse im g-Bereich zu skalieren. Im Projekt sollen zwei technische Ansätze (Zentrifugation und Filtration) und entsprechende Prozessführungsstrategien (Ko-Kultivierung und Inkubationsbedingungen) mithilfe eines Modellproteins technisch erprobt und anschließend die Produktausbeuten von drei wirtschaftlich relevanten Proteinen (Wachstumsfaktor, Stoffwechselregulator und Immunotoxin) verglichen werden. Das geeignetste Verfahren wird als Demonstrator in den Pilotmaßstab skaliert, wobei insbesondere darauf geachtet wird, dass die Technologie unmittelbar in ein industrielles Umfeld integriert werden kann. Zielgruppen für die skalierte PCP-Technologie sind primär KMUs, die sich auf die Herstellung von rekombinanten Proteinen im mittleren Maßstab spezialisiert haben und die in die Lage versetzt werden sollen, nicht nur einfache, sondern auch komplexe Proteine schnell, flexibel und kosteneffizient herzustellen und sich so neue Geschäftsmodelle zu erschließen.

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.