Nachhaltige Kakaoproduktion mittels Pflanzenzellkulturen

Der europäische Green Deal und die Bioökonomie-Strategie betonen beide die Notwendigkeit, die Resilienz der europäischen Bioökonomie zu stärken, die strategische Autonomie biobasierter Lieferketten zu erhöhen und wirtschaftliches Wachstum von der Nutzung knapper Land- und Wasserressourcen sowie vom Verlust der Biodiversität zu entkoppeln.

Pflanzenzellkulturen bieten hierfür einen vielversprechenden Lösungsansatz, indem sie die kontrollierte, klima- und flächenunabhängige sowie pestizidfreie Produktion hochwertiger Naturstoffe in geschlossenen Bioreaktorsystemen ermöglichen. Gleichzeitig reduzieren sie Transportanforderungen und die Abhängigkeit von fragilen globalen Lieferketten. Im Gegensatz zur mikrobiellen Fermentation erschließt die Pflanzenzellkultur das Pflanzenreich – die reichhaltigste Quelle bioaktiver sekundärer Metabolite. Die seit 2020 zunehmenden Investitionen privater Unternehmen in Start-ups im Bereich der Pflanzenzellkultur unterstreichen darüber hinaus das wachsende kommerzielle Potenzial dieser Technologie.

Die Pflanzenzellkultur wurde erstmals vor mehr als einem Jahrhundert beschrieben und basiert auf der Kultivierung von Pflanzenzellen in sterilen Flüssigmedien zur Herstellung von Biomasse oder wertvollen Naturstoffen. Ihre industrielle Machbarkeit wurde bereits überzeugend demonstriert. So decken beispielsweise Taxus-Zellkulturen, die in Bioreaktoren mit einem Volumen von über 75.000 Litern kultiviert werden, einen erheblichen Anteil des weltweiten Bedarfs an Paclitaxel. Diese Beispiele belegen die technische Reife der Technologie und ihre Eignung für die Herstellung hochwertiger Biopharmazeutika. Gleichzeitig eröffnet die Pflanzenzellkultur bedeutende Chancen weit über den Pharmasektor hinaus. Die Nachfrage nach nachhaltig produzierten pflanzlichen Inhaltsstoffen wächst in den Bereichen Kosmetik, Nutrazeutika und Lebensmittelanwendungen rasant. Die Übertragung der Technologie in diese volumenstarken Märkte erfordert jedoch eine deutlich höhere Prozessskalierbarkeit, Robustheit und wirtschaftliche Effizienz als die Herstellung hochwertiger Pharmazeutika.

Folglich wird die breite industrielle Anwendung der Pflanzenzellkultur in diesen Sektoren weniger durch die grundsätzliche Machbarkeit der Technologie begrenzt als vielmehr durch ihre wirtschaftlich tragfähige und reproduzierbare Umsetzung im industriellen Maßstab. Dafür sind vor allem drei eng miteinander verknüpfte Herausforderungen verantwortlich. Erstens beruht die Entwicklung neuer Zelllinien und deren Überführung in skalierbare Herstellungsprozesse weiterhin weitgehend auf empirischen Trial-and-Error-Ansätzen, was zu langen Entwicklungszeiten und hohen Kosten führt. Zweitens wird die industrielle Umsetzung durch den begrenzten Zugang zu zweckgeeigneten Bioreaktoren und Auftragsfertigungsorganisationen mit Expertise in der Pflanzenzellkultur eingeschränkt. Drittens erschwert das Fehlen standardisierter Daten- und Prozessrahmen die Entwicklung robuster Herstellungsprozesse und verkompliziert zugleich die regulatorische Zulassung.

Diese Herausforderungen haben eine gemeinsame Ursache: das Fehlen strukturierter, hochwertiger Datensätze sowie standardisierter Entwicklungs- und Optimierungsworkflows, die ein datengetriebenes und KI-gestütztes Engineering neuer Pflanzenzellkulturen und Herstellungsprozesse ermöglichen.

COCO-AI adressiert diese Herausforderungen durch die Entwicklung einer KI-gestützten Plattform für das datengetriebene Engineering und die Optimierung von Pflanzenzellkulturen. Zu diesem Zweck werden Multi-Omics-, Bildgebungs- und Bioprozessdaten entlang der gesamten Entwicklungspipeline integriert, um die heute noch weitgehend empirischen Arbeitsabläufe in standardisierte, beschleunigte und reproduzierbare Engineering-Prozesse zu überführen. Unter Verwendung von Kakao als Leitprodukt zur Etablierung der Pipeline und weiterer Pflanzenarten zur Validierung der Pipeline werden wir (i) die Entwicklung friabler Kalluslinien durch KI-gestützte Bewertung und gezielte Optimierung der Friabilität beschleunigen, (ii) die Entwicklung von Suspensionszelllinien durch die Vorhersage optimaler Kulturmedien, Wachstumsbedingungen und Elicitierungsstrategien verkürzen und (iii) das daraus resultierende Wissen in Standardarbeitsanweisungen (SOPs) sowie einen übertragbaren KI-Agenten überführen, der auf verschiedene Pflanzenarten anwendbar ist.

Ziel des Projekts ist es, einen skalierbaren und regulatorisch anschlussfähigen Entwicklungsrahmen für Pflanzenzellkulturen zu etablieren, der die Prozessentwicklung beschleunigt, die industrielle Umsetzung erleichtert und den nachhaltigen Einsatz von Pflanzenzellkulturen für Lebensmittel, Nutrazeutika, Kosmetika und weitere biobasierte Anwendungen ermöglicht. Die zentrale Innovation von COCO-AI liegt in der Integration eines KI-Agenten entlang der gesamten Entwicklung und Bioproduktionspipeline für Pflanzenzellen. Dadurch werden empirische Trial-and-Error-Workflows in prädiktive, datengetriebene Engineering-Prozesse transformiert.

Um diese Zielsetzung zu erreichen, vereint COCO-AI neun führende Partner aus Europa, Nordamerika, dem Nahen Osten und Asien, die komplementäre Expertise in Pflanzenzellbiologie, Bioprozesstechnik, künstlicher Intelligenz und industrieller Skalierung einbringen. Gemeinsam integriert das Konsortium fortschrittliche Multi-Omics-Technologien, Hochdurchsatz-Prozessoptimierung und maschinelles Lernen, um langjährige Engpässe der Pflanzenzellkultur zu überwinden – insbesondere langsame Entwicklungszyklen und das Fehlen standardisierter Engineering-Workflows.

Fraunhofer IME koordiniert das Projekt und übernimmt die wissenschaftliche und administrative Gesamtleitung. In enger Zusammenarbeit zwischen den Abteilungen Modellbasierte Produkt- und Bioprozessentwicklung sowie Präzisionsfermentation wird Fraunhofer IME bioreaktorfähige Suspensionszelllinien entwickeln. Dafür werden Hochdurchsatz-Prozessentwicklung, KI-gestütztes experimentelles Design und proprietäre Schlüsseltechnologien kombiniert, um robuste Kultivierungsprozesse zu etablieren, die für die industrielle Skalierung geeignet sind.