Referenzprojekte IME | Aachen

Die Biotechnologie ist Bestandteil des Strategischen Forschungsfelds Bioökonomie der Fraunhofer-Gesellschaft: Die Produktion neuartiger Substanzen mit Hilfe lebendiger Organismen soll Kranke heilen, knapp werdende Rohstoffe ersetzen und unser Leben einfacher und komfortabler machen. Im Verlauf der letzten 30 Jahre konnte durch Digitalisierung die Profitabilität und Qualität erhöht und die Zeit bis zur Markteinführung in der chemischen Industrie gesenkt werden. Dieses Potential wird aktuell in den meisten Bioprozessen und zugehörigen Firmen bestenfalls ansatzweise erkannt oder gehoben.

Das NanoMeat-Projekt bietet eine kostengünstigere und ethisch vertretbare Lösung durch den Einsatz von Gerüsten mit Trägern für die Zelladhäsion und die Abgabe rekombinanter Wachstumsfaktoren, was die Vorteile einer kontrollierten Freisetzung, einer höheren Wirksamkeit und geringerer Kosten mit sich bringt. Das NanoMeat-Projekt zielt darauf ab, pflanzliche virusähnliche Nanopartikel (VNPs/VLPs) als Träger für Wachstumsfaktoren und Zelladhäsionspeptide zu nutzen, die in 3D-Hydrogele oder Gerüste eingebettet sind, um kultiviertes Fleisch kostengünstig herzustellen.

In Deutschland sterben jährlich rund 85.000 Menschen an den Folgen einer Sepsis, womit die Zahl der Sepsis-bedingten Todesfälle höher ist als die kombinierte Zahl von Schlaganfall und Herzinfarkt. Ursache sind vor allem bakterielle Infektionen, aber auch invasive Pilzinfektionen tragen erheblich bei. Diese Erreger werden oft zu spät erkannt, wodurch Sepsis zu den am häufigsten übersehenen Todesursachen auf Intensivstationen zählt. Das vom Fraunhofer IME koordinierte Projekt »Mikro-MeDi-LAMP« erforscht ein neues Detektionskonzept, welches perspektivisch als innovatives, patientennahes POCT-System eingesetzt werden könnte und innerhalb einer Stunde eine schnelle, kulturunabhängige Diagnose pathogener Mikroorganismen und deren antimikrobieller Resistenzen bei Blutstrominfektionen ermöglicht

Wälder in Deutschland wie auch weltweit stehen unter erheblichem Druck, und die bisherigen Aufforstungsmaßnahmen können die entstandenen Schäden nicht ausreichend kompensieren. Im Projekt OrbiRoboTree werden daher neue Methoden zur Indoor-Kultivierung von Baumsetzlingen untersucht, um diese bestmöglich auf das spätere Auspflanzen im Freiland vorzubereiten. KI-gestützte Robotik ermöglicht eine flexible Handhabung der Pflanzen, eine automatische Bestückung der Anlage sowie eine effiziente Skalierung der Produktion.

Die Lebensmittelproduktion von morgen stellt uns vor große Herausforderungen. Aufgrund des Klimawandels sowie Überfischung ist besonders die Bereitstellung von frischem Meeresfisch betroffen. Obwohl »Offshore« Aquakulturen die Verfügbarkeit von Meeresfisch gewährleisten, führen sie zu erheblicher Störung von benachbarten marinen Ökosystemen. Mit rezirkulierenden Aquakultursystemen (RAS) können Fische aus dem Meer an Land gezüchtet werden. Anders als bei herkömmlichen Aquakulturen können durch geschlossene Kreislaufsysteme Nebeneffekte in natürlichen Ökosystemen reduziert und eine Migration von nicht heimischen Fischarten verhindert werden. Darüber hinaus werden Lieferketten verkürzt. Um die nachhaltige und sichere Versorgung mit frischem Salzwasserfisch voranzutreiben soll die Wirtschaftlichkeit von »Onshore« Salzwasser-Aquakultursystemen verbessert werden. Im Forschungsprojekt »FishPlant« wird dies adressiert, indem die Pflanzenexperten des Fraunhofer IME und der Aachener Fischproduzent Aixponic GmbH ihre Expertisen bündeln, um die Produktion von Meeresfischen und hochwertigem maritimem Gemüse zusammenzubringen.

Ziel des Projekts »GENIE« ist es, ein kosteneffizientes und lizenzfreies Verfahren zur Genom-Editierung zu entwickeln, das für verschiedene Nutzpflanzenarten anwendbar ist. Im Zentrum steht dabei die Kombination einer am Fraunhofer IME entwickelten laser-basierten Transfektionsmethode mit der kürzlich beschriebenen, OpenCRISPR-1-Nuklease. Diese wurde mithilfe künstlicher Intelligenz generiert und ist ohne Lizenzgebühren auch kommerziell nutzbar – ein entscheidender Vorteil für KMU.

Phenylketonurie (PKU) gehört in Deutschland zu den am häufigsten auftretenden angeborenen Stoffwechselerkrankungen. Die Krankheit führt dazu, dass Betroffene die Aminosäure Phenylalanin, auf Grund eines fehlenden oder vermindert aktiven Enzyms, nicht oder nur sehr eingeschränkt abbauen können. So reichert sich Phenylalanin in hohen Konzentration m Körper an. Dies wirkt sich jedoch neurotoxisch aus und kann zu irreversiblen Hirnschädigungen führen. Die für den Menschen essentielle Aminosäure Phenylalanin ist in nahezu allen tierischen und eiweißhaltigen pflanzlichen Lebensmitteln enthalten. Betroffene müssen sich daher lebenslang an eine eiweißarme Diät, gekennzeichnet durchnatürliche Lebensmittel mit geringem Eiweißgehalt wie Obst und Gemüse, halten. Zusätzlich verwenden sie Ersatzprodukte in Form von Phenylalanin-freien Aminosäuremischungen, die ihnen die notwendigen essentiellen Aminosäuren zuführen, die sie nicht selbst herstellen und auch nicht über die Ernährung in ausreichendem Maße aufnehmen können.

Bereits seit der Steinzeit verwendeten Menschen Pflanzen für Kosmetik. Das ist heute noch so, Körperpflegeprodukte und Kosmetik bestehen aus etwa 25-30 Prozent natürlichen und 70-75 Prozent synthetischen Inhaltsstoffen. Die Branche ist bemüht, Inhaltsstoffe, die bislang auf petrochemische Vorstufen zurückgehen, künftig aus biologischen Ressourcen zu gewinnen. Das verspricht mehr Nachhaltigkeit und neue Eigenschaften der Produkte. Gleichzeitig beobachten wir den verstärkten Wunsch der Verbraucherinnen und Verbraucher nach mehr natürlichen Inhaltsstoffen. Die Verwendung von pflanzlichen Inhaltsstoffen in der Kosmetik ist seit einiger Zeit wieder in den Fokus von Forschung und Entwicklung gerückt. Allerdings ist die Nutzung von ganzen Pflanzen oder Früchten mit einer Reihe von Herausforderungen verknüpft. Je nach Jahreszeit und Umweltbedingungen können Erntemengen und Qualität schwanken. Oder das Pflanzenmaterial ist sogar mit Schadstoffen wie Schwermetallen oder Pestiziden belastet.