References

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.

Malaria betrifft immer noch mehr als zwei Millionen Menschen und ist für mehr als 600.000 Todesfälle pro Jahr, vor allem in Entwicklungsländern, verantwortlich. Der komplexe, mehrere Stadien umfassende Lebenszyklus des Parasiten Plasmodium falciparum macht die Entwicklung eines Impfstoff kompliziert, bietet aber auch ein breites Spektrum an potentiellen Impfstoffkandidaten. Im Rahmen dieses Projekts arbeiteten wir an der Entwicklung neuartiger Multistadien-, Multikomponenten- Impfstoff Cocktails gegen Malaria, die in Pflanzen produziert wurden. Dabei konnten wir eine potente Antigen-Kombination identifizieren, die vielversprechendes Hemmpotenzial gegen alle Stadien von Plasmodium falciparum zeigt. Zur Beurteilung dieses neuen Malaria-Impfstoffkandidaten in ersten klinischen Versuchen, wurden die Kandidaten einer beschleunigten GMP-Prozessentwicklung zugeführt, damit sie in der vollautomatischen und prozessgesteuerten Vertical Farming-Einheit produziert werden konnten.

Derzeit ist die chemische Synthese komplexer feiner Chemikalien, insbesondere solcher mit chiralen Zentren, herausfordernd und zeitaufwendig. Seitens der chemischen Industrie besteht ein hoher Bedarf , kosteneffiziente und umweltfreundliche Produktionsmethoden zu entwickeln, um mit dem globalen Markt, konkurrieren zu können, um die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen und europäischen Industrie zu stärken.

Im Rahmen des Projekts CDP sollen die am Fraunhofer IME vorhandene Expertise und Infrastruktur genutzt werden, um Varianten des SARS-Cov2 Spike-Proteins transient in Pflanzen herzustellen, um derzeitige Engpässe von Corona-Antigenen für immunologische Schnelltests zu überbrücken. Die in Pflanzen rekombinant hergestellten SARS-Cov2 Oberflächenantigene sollen eine gleichwertige Alternative zu konventionell in tierischen oder menschlichen Zellkulturen hergestellten Proteinen darstellen und als Assayreagenzien in Corona-Schnelltests eingesetzt werden.

Die pflanzenzellbasierte PCP-Technologie ermöglicht im Gegensatz zu Säugerzellen die schnelle und flexible Herstellung komplexer Biopharmazeutika, scheitert jedoch bislang an den verfahrenstechnischen und regulatorischen Transferhürden. Mithilfe eines Ko-Kreation-Ansatzes soll als offener Experimentierraum ein PCP-Demonstrator entwickelt werden, in dem Firmen die GMP-konforme Produktion ihrer Kandidaten erproben und die PCP-Technologie für die individuelle Anwendung qualifizieren können.

Als Alternative zu synthetischen und mineralischen Pestiziden gewinnen biologische Pflanzenschutzmittel (Biologicals) zunehmend an Bedeutung, da sie sehr spezifisch wirken und schnell durch Bodenbakterien abgebaut werden. Damit können biologische Pflanzenschutzmittel einen wichtigen Beitrag zur Minimierung von Ernteausfällen und damit zu den UN-Nachhaltigkeitszielen (UN SDGs) 12 „Nachaltige/r Konsum und Produktion“ und 13 „Maßnahmen zum Klimaschutz“ genauso wie zur „Farm to Fork“ Strategie der EU leisten. Allein die Identifizierung, Produktion und Testung neuer Biologicals ist zurzeit extrem aufwendig, da sich die Ursprungsorganismen oft nicht oder nur sehr schwer kultivieren lassen. Mit der patentierten Plant Cell Pack (PCP)-Plattform der Fraunhofer IME sollen neue Biologicals innerhalb von 1 Monat direkt in Pflanzenzellen produziert und auf ihre Wirksamkeit untersucht werden können.

Der Einsatz rekombinanter Proteinen für therapeutische, diagnostische, technische, landwirtschaftliche und kosmetische Anwendungen nimmt ständig zu. Zahlreiche vielversprechende Proteinkandidaten, die in lebenden Zellen schwer zu produzieren (oder sogar toxisch) sind, gehen jedoch beim Screening und bei Bewertungsverfahren verloren, bevor geeignete industrielle Produktionsprozesse etabliert werden können. Daher erwägen viele Industrieunternehmen den Einsatz von zellfreien Expressionssystemen, um Proteinkandidaten zu identifizieren, die mit den derzeitigen prokaryotischen und eukaryotischen zellbasierten Expressionsplattformen nicht hergestellt werden können. Obwohl sich solche zellfreien in vitro Transkriptions- und Translationssysteme gut für ein schnelles und reproduzierbares Hochdurchsatz-Screening eignen und Mikrogrammmengen an Protein für erste analytische Tests bereitstellen können, ist die Produktion von Milligramm- oder sogar Grammmengen mit zellfreien Expressionssystemen derzeit nahezu unmöglich. Das geplante ThinkBig Projekt wird diese Lücke im Entwicklungsprozess durch Etablierung von Verfahren, die es ermöglichen die zellfreie Expression vom aktuellen mL-Bereich auf 1-10 L hoch zu skalieren, schließen.

Das Ziel im DiBi-Projekt ist es unter Nutzung industrieller Laborautomatisierungssysteme ein miniaturisiertes Hochdurchsatz-Kultivierungssystem für Pflanzenzellen zu entwickeln, dass die Produktionsbedingungen von Bioreaktoren abbildet und die parallele Testung von Bedingungen innerhalb von einer Woche ermöglicht. Im Vorhaben soll das in den Vorarbeiten entwickelte einfache unstrukturierte White-Box zu einem unstrukturierten Grey-Box-Modell für den pflanzlichen Stoffwechsel weiterentwickelt werden. Softwaremodule mit interaktiver graphischer Schnittstelle für die mehrkriterielle Prozessoptimierung mittels iterativer Modellbildung, Versuchsplanung, und Modellanpassung sollen aufgebaut und anhand eines Praxistest für ein komplexes Protein produzierenden Zelllinie durchgeführt werden.

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.

Der Milchsektor ist ein bedeutender und zugleich hochtechnisierter Wirtschaftszweig, welcher durch einen hohen Konkurrenzdruck und harten Preiskampf gekennzeichnet ist. Hochleistungskühe werden im Falle von bakteriellen Infektionen des Euters sowie vor dem Kalben prophylaktisch mit Antibiotika behandelt und für diese Zeit aus der Produktion genommen. Die novellierte Rohmilchgüteverordnung schreibt eine engmaschigere Testung sowie geringere Rückstandshöchstgrenzen für Antibiotika vor. Derzeit verfügbare Schnelltestverfahren können jedoch keine sichere Identifizierung und zugleich Quantifizierung einzelner Antibiotika gewährleisten. Eine sichere Bestimmung der Höhe einer Kontamination kann derzeit nur durch geschultes Personal in gut ausgestatteten Laboren und zu damit einhergehenden, hohen Kosten erfolgen.