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Dr. Arren Bar-Even, Forschungsgruppenleiter „Systemischer und synthetischer Stoffwechsel“ am Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie, Golm

Dr. Bar-Even, ein Schwerpunkt Ihres Forschungsteams ist der „Umbau“ des zentralen Stoffwechsels von Mikroorganismen. Was fasziniert Sie am meisten am gezielten „Design“ von Stoffwechselwegen?

Dr. Arren Bar-Even [Quelle Sevens Maltry]

Ich glaube, was mich wirklich fasziniert, ist der Stoffwechsel selbst, noch bevor wir über synthetische Biologie sprechen. Der Stoffwechsel ist im Grunde der Kern des Lebens. Die Menschen neigen dazu, immer die genetische Information, die DNA und so weiter, als das Grundphänomen des Lebens zu betrachten, aber ich bin anderer Meinung. Stoffwechsel ist Leben. Der Stoffwechsel ist die konzertierte Umwandlung von Molekülen in andere Moleküle; er reagiert auf Reize und erhält gleichzeitig die Homöostase aufrecht. Das ist Leben.

„Stoffwechsel ist Leben“

Das Faszinierende am Stoffwechsel, das mich besonders anspricht, ist die Tatsache, dass es sich um einen sehr organisierten, fast mathematischen Prozess handelt – dahingehend, dass er nach ganz bestimmten Regeln abläuft. Es ist leicht, den Stoffwechsel im Rahmen dieser Regeln zu betrachten. Wir versuchen ständig, neue Regeln aufzudecken und von ihnen zu lernen, um neue Stoffwechselwege zu entwerfen. Das ist es, was mich fasziniert. Im Grunde genommen braucht man zwei Komponenten: ein grundlegendes wissenschaftliches Verständnis der Designprinzipien des Stoffwechsels und eine eher angewandte, technische Komponente, die versucht, diese Erkenntnisse und Designprinzipien nutzbar zu machen. Das Design von Stoffwechselwegen, das „Pathway Engineering“, ist kein Ausprobieren, sondern das Durchdenken, Entwerfen und Analysieren potenzieller Routen nach bestimmten chemischen und mathematischen Regeln. Im Gegensatz zu vielen anderen biologischen Ansätzen geht es hier wirklich darum, Leben zu konstruieren.

In Ihrer jüngsten Veröffentlichung in Nature Chemical Biology beschreiben Sie einen neuen Weg, der es Bakterien ermöglicht, auf C1–Verbindungen wie Formiat und Methanol zu wachsen. Wie tragen diese Erkenntnisse zur nachhaltigen Produktion von Chemikalien bei?

Zunächst muss man sich klarmachen, dass fast alle Dinge um uns herum aus Kohlenstoff bestehen und dass dieser Kohlenstoff hauptsächlich aus fossilen Quellen stammt. Im Grunde genommen basiert also alles auf Öl . Ich spreche nicht nur von Kraftstoffen, sondern auch von Kunststoffen, Textilien, Pigmenten und Lösungsmitteln. Natürlich ist die Produktion von Dingen aus fossilem Kohlenstoff nicht nachhaltig. Letztendlich endet dieser Kohlenstoff als CO2 – das wollen wir nicht. Die Idee hinter unserer Veröffentlichung ist es deshalb, CO2 zur Herstellung all dieser Dinge um uns herum zu verwenden. In unserem Szenario schaffen wir eine zirkuläre Kohlenstoffwirtschaft, in der alle Dinge bei CO2 beginnen und in CO2 enden, aber ohne dass netto zusätzliches CO2 freigesetzt wird. Dies bringt uns zu der Hauptfrage: Wie kann man am besten mit CO2 beginnen und bei Chemikalien enden?

„Die Nutzung der Landwirtschaft zur Produktion von Chemikalien ist wahrscheinlich nicht die beste Lösung“

Zuckerrübenfeld [Quelle DarkWorkX / Pixabay]

Man kann viele verschiedene Ansätze verfolgen. Es gibt zum Beispiel rein biologische Ansätze, die sich auf die Landwirtschaft oder die Photosynthese stützen, um Kohlenstoff zu fixieren. Der Kohlenstoff wird in Zucker umgewandelt und an Bakterien verfüttert, die den Zucker in Chemikalien umwandeln. Dies ist einer der gängigsten Wege. Das Hauptproblem bei diesem Ansatz besteht darin, dass die Verwendung von landwirtschaftlichen Ressourcen zur Herstellung von Chemikalien in direkter Konkurrenz zum menschlichen Konsum steht. Folglich bedroht er die Ernährungssicherheit und erfordert die Ausweitung der Landwirtschaft, was auf Kosten des natürlichen Lebensraums geht und die biologische Vielfalt direkt bedroht. Deshalb ist die Nutzung der Landwirtschaft zur Herstellung von Chemikalien auf lange Sicht wahrscheinlich nicht die beste Lösung. Was diesen Ansatz noch komplizierter macht, ist, dass er ziemlich ineffizient ist. Im Grunde ist die Effizien von Pflanzen oder anderen fotosynthetischen Organismen, die Sonnenlicht in chemische Energie umwandeln, sehr gering.
Auf der anderen Seite kann man versuchen, CO2 durch rein chemische Katalyse in Chemikalien umzuwandeln und dabei wesentlich höhere energetische Wirkungsgrade zu erzielen. Das Problem dabei ist, dass die chemische Katalyse in der Regel große Anlagen erfordert und unter extremen Bedingungen wie hohem Druck und sehr hohen Temperaturen arbeitet. Außerdem ist man sehr eingeschränkt, wenn es darum geht, ganz spezifische Verbindungen herzustellen. Häufig erhält man stattdessen eine Mischung aus vielen, vielen verschiedenen Molekülen.

„Wir kombinieren abiotische und biotische Katalyse“

Der Ansatz, den wir verfolgen, ist, abiotische Katalyse und biotische Katalyse so zu kombinieren, dass wir die Vorteile beider Ansätze nutzen können, ohne unter ihren Nachteilen zu leiden. Die Idee: Wir aktivieren CO2, in dem wir abiotisch einfache C1-Verbindungen herstellen. Diese C1-Verbindungen verfüttern wir an Mikroorganismen, die sie in komplexe Moleküle umwandeln. Beide Schritte können auf sehr effizient und spezifisch durchgeführt werden. Unsere Produktionskette geht also von CO2 aus, verläuft über die katalytische Herstellung von C1-Verbindungen und von dort zu den Mikroorganismen.

E. coli [Gerd Altmann / Pixabay]

Ameisensäure und Methanol, über die wir auch in der Veröffentlichung berichten, sind Schlüsselmoleküle, weil sie sehr effizient aus CO2 hergestellt werden können. Außerdem sind sie flüssig und löslich, sie können also bei Bedarf gelagert und transportiert werden, und sie können von lebenden Zellen leicht aufgenommen werden. In unserer Veröffentlichung haben wir E.coli-Bakterien so verändert, dass sie auf Formiat und Methanol wachsen können. Dieser Stamm kann nun so weiter manipuliert werden, dass er jede Chemikalie produziert, die Sie gerne hätten. Das könnte Kraftstoff sein, Kunststoffmonomere, irgendein chemischer Grundstoff und so weiter. In unserem Konzept bilden neue Bakterienstämme den Schlüssel für die Umsetzung einer Kohlenstoff-Kreislaufwirtschaft.

Das klingt vielversprechend und bringt mich zur nächsten Frage: Von welchem Stoffwechselweg träumen Sie? Und was ist nötig, damit dieser Stoffwechselweg zukünftig genutzt werden kann, um bio-basierte Chemikalien in großem Maßstab herzustellen?

Wenn es um den Stoffwechselweg meiner Träume geht, bin ich befangen: Ich glaube, es ist der, den wir in Nature Chemical Biology vorgestellt haben. An diesem Weg – der reduktiven Glycin-Route – arbeite ich schon sehr lange, und ich sehe ihn sehr optimistisch. Es gibt einige Gründe, warum ich gerade diese Route besonders mag. Erstens ist sie sehr effizient. Man kann sie nutzen, um Formiat oder Methanol mit wenig Aufwand für die Zelle herzustellen. Das heißt, man bekommt viel Biomasse und hohe Produktausbeuten, und das ist der Schlüssel für eine wirtschaftlich wettbewerbsfähigen und nachhaltigen Prozess.

„Diese Route scheint ein „plug-and-play“-Mechanismus zu sein“

Was aber noch wichtiger ist: Diese Route scheint ein „plug-and-play“-Mechanismus zur Verarbeitung von C1-Verbindungen zu sein, man kann sie also in verschiedenen Wirten einsetzen. Sie ist nicht spezifisch für einen Organismus. Neben dem Einsatz in E.coli, über den wir in Nature Chemical Biology berichten, haben wir sie auch in andere Mikrooganismen eingebracht. So könnte möglicherweise jedes Labor die Route im Organismus seiner Wahl einsetzen und ihn so befähigen, auf Methanol und Formiat zu wachsen und Wertstoffe zu produzieren.

„Es gibt noch viel zu tun”

Um die Frage zu beantworten, was getan werden muss, um synthetische Wege in der Industrie zu implementieren – es gibt noch viel zu tun. Derzeit können wir diese Technologie noch nicht im großen Maßstab einsetzen, weil viele Schritte noch optimiert werden müssen. Betrachtet man die rein biologischen Prozesse, muss die Fähigkeit der mikrobiellen Stämme, auf Formiat und Methanol zu wachsen, weiter verbessert werden. Langfristige Entwicklung, Anpassung und Optimierung sind erforderlich, damit die vielversprechendsten Stämme das volle Potenzial des Pfades ausschöpfen können. Wenn wir außerdem etwas ganz Bestimmtes aus Formiat oder Methanol herstellen wollen, müssen wir den Stamm weiter entwickeln und die metabolische Umwandlung von Formiat oder Methanol in das Produkt optimieren. Und wenn man andere Mikroorganismen zur Herstellung neuer Verbindungen verwenden will, muss man zunächst den reduktiven Glycinweg im neuen Wirt etablieren, was zusätzliche Arbeit erfordert.

„Vom CO2 zum Formiat“

Photo by ThisIsEngineering on Pexels.com

Darüber hinaus gibt es im abiotischen Teil noch viel zu tun. Wie schon dargestellt, ist unsere Technologie auf eine abiotische Aktivierung von CO2 angewiesen, um die Umwandlung in C1-Verbindungen zu ermöglichen. Viele Labore und Unternehmen auf der ganzen Welt forschen umfassend an diesen Verfahren, und viele Fortschritte haben dazu beigetragen, dass die Umwandlung wirtschaftliche rentabel wird. Der Prozess der Umwandlung von CO2 in Methanol ist relativ weit entwickelt und bereits kommerziell verfügbar. Was wir jedoch noch interessanter finden, ist die Umwandlung von CO2 in Formiat. Dieser Prozess befindet sich noch immer auf einem relativ niedrigen Technology Readyness Level. Es besteht noch eine Menge Optimierungsbedarf, um sowohl die Effizienz hoch als auch die Kosten des Elektrolyseurs so niedrig wie möglich zu halten. Deshalb arbeiten wir auch mit Chemikern und Chemieunternehmen zusammen, die sich auf CO2-Umwandlungstechnologien konzentrieren.
Wir sprechen also optimistisch von einem Zeitraum von mehreren Jahren, bis wir in der Lage sein werden, eine komplette Produktionskette vom CO2 bis zum Produkt im kommerziellen Maßstab umzusetzen.

Sie sind Teil eines nationalen Projekts namens ForceYield zu synthetischen Stoffwechselwegen, das vor kurzem angelaufen ist. Was ist der Mehrwert solcher Projekte mit vielen Partnern?

Ich kenne viele Leute, die sich alleine um eine Finanzierung bewerben, und ich kenne viele Leute wie mich, die sich in der Regel im Rahmen eines Konsortiums um eine Fördergelder bewerben. Ich glaube, der Hauptunterschied besteht darin, dass man sich für Grundlagenforschung tatächlich alleine um Fördermittel bewerben kann. Wenn man jedoch ein eher angewandtes Forschungsthema, einen methodischen Ansatz oder ein neues Produkt anstrebt, ist es fast unmöglich, ein solches Projekt allein durchzuführen. Man muss zusammenarbeiten; man muss ein Konsortium haben, das Fähigkeiten umfasst, die über das eigene Know-How hinausgehen.

„Man braucht Experten für verschiedene Aspekte“

Um von einer Idee zu einem Produkt zu kommen, bedarf es eines stark interdisziplinären Hintergrunds und sehr unterschiedlicher Fähigkeiten, um verschiedene Herausforderungen entlang der Entwicklung der Produktionskette anzugehen. Dies gilt auch für das ForceYield-Projekt. Wir haben Leute mit ganz unterschiedlischer Expertise an Bord und jeder von ihnen muss seinen Teil dazu beitragen, damit wir am Ende einen tragfähigen Prozess haben. Innerhalb des ForceYield-Teams haben wir Experten für Metabolic Engineering, die den inneren Aufbau der Zellen verändern können. Wir haben andere, die sich besonders gut mit Stammoptimierung und der langfristigen Evolution von Zellen auskennen, und wieder andere, die Experten in der Entwicklung und Optimierung von Bioprozessen sind. Eine enge Zusammenarbeit dieser Disziplinen ist für den Gesamtprozess unerlässlich. Darüber hinaus ist die Beteiligung von Industrieunternehmen, sowohl im Beirat als auch im Projekt selbst, entscheidend, um einen Ansporn und die richtigen Informationen zu erhalten, damit wir das Projekt auf einen wirtschaftlich tragfähigen Weg steuern können.

Dr. Bar-Even, vielen Dank für dieses Gespräch!

Neben dem ForceYield-Projekt arbeitet die DECHEMA e.V. auch im nationalen Projekt TRANSFORMATE mit Dr. Arren Bar-Even zusammen. Nachfolgend finden Sie eine kurze Beschreibung beider Projekte. Wenn Sie mehr über das ForceYield- und das TRANSFORMATE-Projekt erfahren möchten, dann schauen Sie doch mal unter www.dechema.de/forceyield und
https://dechema.de/Forschungsförderung/Projekte/TRANSFORMATE.html.

Das Ziel des ForceYield-Projekts ist die Entwicklung eines innovativen bakteriellen Plattformorganismus, der in der Lage ist, landwirtschaftliche Abfälle in wertvolle Chemikalien auf biologischer Basis umzuwandeln. Mit Hilfe eines neuartigen synthetischen Stoffwechselweges wird der Organismus in der Lage sein, außergewöhnlich hohe Produkterträge zu erzielen.

TRANSFORMATE
Das Ziel des TRANSFORMATE-Projekts ist die Umwandlung von CO2-haltigen Abgasströmen aus Industrieparks in wertvolle biologisch abbaubare Biokunststoffe. Dazu wird ein Verfahren entwickelt, das CO2 in einem ersten Schritt durch elektrochemische Umwandlung zu Ameisensäure reduziert und dann im Bioreaktor mit hoher Selektivität in Spezialchemikalien (PHB und Croto®) umwandelt.

Obst haltbar machen, Atemluft reinigen, reaktive Gase stabiliseren: So unterschiedlich diese Fragestellungen sind, metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) sind die Antwort. Aus der unglaublichen Vielfalt an möglichen Strukturen und Zusammensetzungen von MOFs ergeben sich entsprechend viele Einsatzmöglichkeiten.

Die entscheidende Rolle bei den Anwendungen außerhalb der Katalyse spielt dabei die Fähigkeit der MOFs, insbesondere Gase selektiv zu adsorbieren und freizusetzen. Diese Eigenschaft kann sowohl zur Speicherung von Gasen wie Wasserstoff oder Methan dienen, zur Adsorption von CO2 aus Abgasströmen, aber auch zur gezielten Freisetzung von Gasen.

Durchbruch im Jahr 2016

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Letzteres war der Schlüssel zur laut Presseberichten ersten kommerziellen Anwendung von MOFs bei der Lebensmittellagerung: 2016 verkündeten der MOF-Hersteller MOF Technologies Ltd. und das Obstlogistik-Unternehmen Decco Worldwide Post-Harvest Holdings, man habe gemeinsam eine Technologie entwickelt, um Obst länger zu lagern. Kern des Verfahrens sind MOFs, die in der Verpackung 1-Methylcyclopropen freisetzen; es verhindert den Nachreifungsprozess bei Obst.

Auch in der Öl- und Gasindustrie kommen MOFs bereits zum Einsatz. Die Firma framergy hat sich darauf spezialisiert und bietet maßgeschneiderte MOFs für die Gasreinigung. Noch wichtiger könnte aber ein spezifisches Anwendungsfeld werden: framergy entwickelt Lösungen, um Fackelgase aufzufangen, und könnte damit einen signifikanten Beitrag für Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit bei der Öl- und Gasgewinnung leisten. Demonstrationsanlagen sind bereits in Betrieb.

Der Wert der Zuverlässigkeit

Wo der Preis gegenüber der Zuverlässigkeit nachrangig ist, können MOFs ihre Stärken voll ausspielen. Das gilt für den Einsatz in Atemschutzmasken, wo sie Lücken im Adsorptionsspektrum schließen könnten, die Aktivkohle und andere konventionelle Materialien bisher hinterlassen. Unter anderem forscht die Bundeswehr an entsprechenden Technologien.

Es gilt aber auch in der Halbleiterindustrie. NuMat Technologies, ein junges US-Unternehmen, hat sich dafür mit Versum Materials zusammengeschlossen, einem Anbieter von Ausgangsstoffen und Gasen für die Halbleiterindustrie. Die von NuMat entwickelten MOFs sollen in Gasbehältern dafür sorgen, dass Gase wie Arsin, Phosphin und Bortrifluorid mit höchster Reinheit auch bei Unterdruck gelagert und transportiert werden können. Das stabilisiert einerseits die reaktiven Gase und reduziert gleichzeitig die Risiken bei Lecks.

By JuliusEvola – Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=64506541

Das Schweizer Startup novoMOF AG untersucht ebenfalls zahlreiche mögliche Einsatzgebiete für ihre MOFs. Dazu gehört auch die Gewinnung von Edelgasen. Anstelle der sehr energieaufwändigen Luftfraktionierung sieht novoMOF die Möglichkeit, hochselektive MOFs zu nutzen, um insbesondere die seltenen Edelgase Krypton und Xenon zu gewinnen, und wirbt um Partner für die Pilotierung.

Wenn die Einsatzmöglichkeiten so zahlreich sind, warum sehen wir dann derzeit doch noch relativ wenige Anwendungen im Markt? Das liegt zum einen an den Kosten, zum anderen aber auch an Fragen wie der Stabilität der Verbindungen. Dazu mehr im nächsten Beitrag in der kommenden Woche.

https://dechema.de/MOF2020.html

Technische und digitale Innovationen für das Gesundheitssystem

Wenn es um unsere Gesundheit geht, stehen wir gerne im Mittelpunkt. Doch in der Realität sieht es oft anders aus. Die Praxen sind überfüllt, pro Patient haben Ärzte nur wenige Minuten Zeit. Im Gesundheitssystem der Zukunft sollen Digitalisierung und technische Innovationen die Medizin personalisieren und die Behandlung so deutlich verbessern. Dr. Klaus-Michael Weltring, Referent des Perspektiv-Vortrags der diesjährigen NanoVision, erklärt, welche Veränderungen uns in den nächsten Jahren erwarten.

Dr. Klaus-Michael Weltring

DECHEMA: Sie werden den Perspektiv-Vortrag der NanoVision 2020 halten mit dem Titel „Technology Driven Vision of Future Healthcare“. Wie sieht das Gesundheitssystem der Zukunft aus?

Die Medizin wird sich in Zukunft immer stärker in Richtung Prävention und Personalisierung entwickeln, weil wir durch die Verknüpfung von genetischen und physiologischen Daten mit klinischen Symptomen die Ursachen und Verläufe von Krankheiten immer besser verstehen. Dadurch erhalten wir neue spezifische Biomarker und Therapietargets, die eine immer präzisere und frühere Diagnose und Therapie erlauben. Gleichzeitig wird es möglich sein, durch Messung spezifischer Biomarker mit Hilfe von Sensoren im oder am Körper gefährdete oder chronisch kranke Patienten kontinuierlich medizinisch zu betreuen, unabhängig davon, ob sie in einer Stadt oder auf dem Land wohnen.

„Eine entscheidende Voraussetzung für die Digitalisierung ist die Entwicklung der entsprechenden „smarten“ Geräte.“

Welche Rolle wird die Digitalisierung dabei spielen? Welche Technologien werden eingesetzt?

Digitalisierung spielt die zentrale Rolle, weil sie nicht nur hilft, z. B. durch Sensoren Daten zu generieren, sondern vor allem dazu nötig ist, die Daten eines Menschen aus verschiedenen Quellen wie Genom, Mikrobiom, Metabolismus, Medikation, Operationen, soziales und klimatisches Umfeld, etc. zu verknüpfen und mittels Künstlicher Intelligenz zwecks personalisierter Therapie zu interpretieren. Hinzu kommt, dass Prozesse im Krankenhaus digital überwacht und gesteuert werden, um die Patientenversorgung, Mitarbeiterbelastung und Kosten zu optimieren. Eine entscheidende Voraussetzung für die Digitalisierung ist allerdings die Entwicklung der entsprechenden „smarten“ Geräte durch die verstärkte Kombination verschiedener Technologien wie Nano- und Biotechnologie, Photonik und Elektronik sowie neue (Bio-)Materialien, die Daten generieren, transferieren und verarbeiten können. Dieses wird bei der Diskussion über Digitalisierung häufig übersehen.

Wie nah ist diese Zukunft? Welche Innovationen kommen bereits zum Einsatz?

Image by mcmurryjulie from Pixabay

Die Zukunft hat bereits begonnen: Das Genom eines Menschen lässt sich für weniger als 1.000 Euro sequenzieren und erlaubt so Voraussagen über mögliche Krankheitsgefahren, Smart Watches ermöglichen die Überwachung von Körperfunktionen bis hin zum EKG, Augmented Reality unterstützt Chirurgen bei komplizierten Operationen, Implantate kommen zunehmend aus dem 3D-Drucker und Roboter halten Einzug in die Pflege von chronisch kranken Patienten.

Wie werden diese Innovationen und Veränderungen das Gesundheitssystem verbessern?

Die technischen und digitalen Innovationen werden zu einem „Continuum of Integrated Care“ führen, in dem Gesundheitsdaten von der Geburt bis zum Tod eines Menschen in einem „Digitalen Zwilling“ gesammelt und verfügbar gemacht werden. Die dadurch mögliche optimale personalisierte und frühzeitige Behandlung eines Menschen erfordert eine sektorübergreifende Vernetzung von Patienten, Ärzten, Kliniken und Pflegediensten, die ihr Angebot basierend auf den Daten effizient aufeinander abstimmen können. Das wird zu späte, doppelte oder unnötige Behandlungen reduzieren und damit Kosten und Ressourcen sparen. Gleichzeitig werden aber auch Patienten motiviert, selber in höherem Maße für ihre Gesundheit Sorge zu tragen, weil sie viel stärker ihre eigenen Gesundheitsdaten analysieren und verfolgen können. Die inzwischen weit verbreiteten Fitnesstracker sind ein erstes Beispiel für diese Entwicklung. Alle Akteure des Gesundheitssystems werden ihre Rolle und ihren Beitrag neu definieren und finden müssen.

„Die neuen Technologien werden ganz sicher zum „gläsernen Patienten“ führen. Die Frage ist, wer in das Glas hineinschauen darf.“

Wo Licht ist, ist meist auch Schatten. Wie können sensible Gesundheitsdaten geschützt werden? Droht im Zuge der Digitalisierung der „gläserne Patient“?

Die neuen Technologien und die Digitalisierung werden wie oben beschrieben ganz sicher zu einem „gläsernen Patienten“ führen, der ja eine wichtige Basis für die angestrebte personalisierte Präzisionsmedizin ist. Die Frage ist, wer in das Glas hineinschauen darf und wer das entscheidet. Neben der Entwicklung technischer Sicherungssysteme ist es dringend erforderlich, Patienten, Gesundheitsakteure und die Politik auf die neuen technischen Möglichkeiten und die Geschwindigkeit, mit der sie Einzug in das Gesundheitssystem halten, durch intensive Aufklärung vorzubereiten. Mit der Beschreibung unseres „Continuum of Integrated Care“ Konzepts versuchen wir zu einer solchen Sensibilisierung beizutragen.

Welche Rolle spielt die EU auf dem Weg zur „Future Healthcare“?

Das Thema Gesundheit ist im neuen Forschungsrahmenprogramm der EU eines von sechs thematischen Clustern im Bereich globale Herausforderungen und industrielle Wettbewerbsfähigkeit Europas. Daneben hat die EU-Kommission eine Initiative gestartet, in der sich sechs Industriebranchen von Pharma über Medtech und Biotech bis zu Impfstoff- und Bildgebungsindustrien zu einem Public Private Partnership „Health Innovation“ zusammengeschlossen haben, um industriesektorübergreifend Innovationen voranzutreiben. Parallel dazu hat die Europäische Technologieplattform Nanomedicine (ETPN) im Rahmen des EU-Projekts NOBEL begonnen, in Zusammenarbeit mit europäischen Technologieplattformen und Netzwerken aus den Bereichen Photonik, Elektronik, Robotik, Neue Materialien, Textilien und Big Data eine Meta-Roadmap auszuarbeiten, in der technologieübergreifend innovative Lösungen für die Herausforderungen bei der Realisierung der personalisierten Präzisionsmedizin entwickelt werden. Das gerade überarbeitete Positionspapier der Deutschen Plattform NanoBioMedizin, das auf der NanoVision vorgestellt wird, steuert die für deutsche Forscher und Unternehmen wichtigen Themen bei.

Das Programm der NanoVision 2020 und weitere Informationen zur Veranstaltungen finden Sie hier.

Dr. Klaus-Michael Weltring hat in Münster Biologie studiert und dort auch promoviert und habilitiert. Seit 2001 ist er Geschäftsführer der Gesellschaft für Bioanalytik Münster e. V., dem lokalen Netzwerk aus Wissenschaftlern, Unternehmen, den beiden Hochschulen und regionalen Förderern. Von 2007-2019 war er Mitglied des Executive Boards der Europäischen Technologieplattform Nanomedicine und seit März 2015 ist er Sprecher der Deutschen Plattform NanoBioMedizin.

Faszinierende Grundlagenforschung, neue Funktionsmaterialien und dynamische Strukturen, die ganz neue Verfahren zugänglich machen: Die „MOF-Szene“ ist enorm vielfältig – und trotzdem kann eine Tagung alle Stakeholder integrieren. Warum das so ist und wo zur Zeit die Forschungsschwerpunkte bei metallorganischen Frameworks und anderen porösen Materialien liegen, hat uns Prof. Dr. Stefan Kaskel erzählt:

Die MOF findet 2020 bereits zum 7. Mal statt. Was zeichnet diese Konferenz aus Ihrer Sicht besonders aus?

Prof. Dr. Stefan Kaskel ist Professor für Anorganische Chemie an der TU Dresden und Abteilungsleiter Chemische Oberflächen- und Reaktionstechnik am Fraunhofer Institut für Werkstoff-und Strahltechnik (IWS) in Personalunion. Er ist Chairman der MOF 2020.

Die ersten MOFs wurden Ende der 90er Jahre „gefunden“ und im Milligramm-Maßstab synthetisiert. Seitdem hat sich unglaublich viel getan; heute haben wir eine große Community, die gleichzeitig sehr breit und interdisziplinär aufgestellt ist.

Die erste MOF-Tagung fand 2008 in Augsburg statt. Damals ging es vor allem um das gegenseitige Kennenlernen und um die „klassischen“ Themen wie MOF-Synthese und Adsorptionsanwendungen, z.B. für die Speicherung von Wasserstoff oder Erdgas.

Heute hat sich das Feld sehr stark gewandelt und differenziert. Im Bereich der Anwendung wird vor allem an optischen und elektronischen Funktionsmaterialien geforscht. Dabei geht es nicht nur um die Funktionalität selbst, sondern auch die Integration in Devices oder Bauteile. Dafür müssen MOFs als Schichten oder Nanopartikel hergestellt oder in Membranen integriert werden.

Welche Rolle spielt die Grundlagenforschung?

Die neuen Erkenntnisse der Grundlagenforschung sind faszinierend: Dort werden die Mechanismen bei der Bildung der Materialien untersucht. Durch Verfahren wie die Transmissions-Elektronenspektroskopie  ist eine noch genauere Charakterisierung möglich geworden. Eigenschaften und Feinstruktur von MOFs hängen eng miteinander zusammen. Dynamische MOFs zeigen ein reversibles Öffnen und Schließen der Porenstruktur, ein einzigartiges Verhalten im Vergleich zu klassischen starren Adsorbentien; das lässt sich mit in situ- oder Operando-Methoden beobachten. Das Verständnis der physikalischen Grundlagen und der Festkörperchemie ist gerade auch bei jüngeren Forschern ein großes Thema.

Das Themengebiet, das die MOF adressiert, ist extrem breit. Was ist die gemeinsame Schnittmenge, und wie würden Sie das Verhältnis zwischen sehr spezialisierten Sessions und Konferenzteilen, die sich mehr oder weniger an alle Teilnehmer richten, beschreiben?

Da alle Aspekte miteinander zusammenhängen, ist die Community noch nicht „zerfallen“. Es gibt einige Sessions und Plenarvorträge, die für alle interessant sind, die sich irgendwie mit MOFs befassen. Andere Themen wie die Funktionsmaterialien sind dann spezieller. Insgesamt ist die Community erfreulich interdisziplinär.

Was können speziell erfahrene Wissenschaftler, Nachwuchswissenschaftler und Industrievertreter von der MOF 2020 erwarten?

Von Tony Boehle – Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=27335434

Für jüngere Wissenschaftler bieten wir zwei Workshops an: Die MOF 2020 Expert View Series ist ein Tutorial zum Einsatz von MOFs von den Grundlagen bis zur Anwendung und richtet sich besonders an Doktoranden oder Wissenschaftler mit anderen Forschungsschwerpunkten. Beim Young Investigators Forum können Doktoranden und PostDocs ihre eigene Forschung präsentieren.

Industrievertreter haben bei einem eigenen Workshop die Gelegenheit, sich über Synthese, Verarbeitung und Anwendungen von MOFs und porösen Polymeren in der Praxis zu informieren.

Womit beschäftigen Sie sich in Ihrer eigenen Forschung derzeit am intensivsten?

Wir beschäftigen uns mit dynamischen MOFs, die ihre Struktur responsiv ändern, wenn bestimmte Moleküle selektiv aufgenommen werden. Um diese Responsivität besser zu verstehen, kombinieren wir in-silico-Simulationen, Synthese und Analytik. Das ist extrem spannend für Trennprozesse, weil sich die Selektivität enorm erhöht.

Von der Grundlagenforschung bis zur Anwendung, vom Doktoranden bis zum Industrieexperten – die 7th International Conference on Metal-Organic Frameworks and Open Framework Compounds vom 20.-23. September 2020 in Dresden hat für jeden etwas zu bieten. Mehr unter https://dechema.de/en/MOF2020.html

Eine Veranstaltung wie jede andere? Das ist die NanoVision ganz sicher nicht. Dafür sorgt allein das Format. Denn das Organisationskomitee von NanoMat holt sich in jedem Jahr einen anderen Partner ins Boot, mit und bei dem die Veranstaltung organisiert wird – neue Themen, Perspektiven und Kontakte inklusive. In diesem Jahr ist die DECHEMA mit ihrer Deutschen Plattform NanoBioMedizin Co-Organisator. Wir haben mit Nathalie Matter-König, der langjährigen Organisatorin der NanoVision, über die Veranstaltung gesprochen.

DECHEMA: Was ist das Besondere am internationalen Science-Industry-Symposium „NanoVision“?

Nathalie Matter-König: Die NanoVision ist eine Veranstaltung mit Tradition, die es seit 20 Jahren gibt und die sich mit NanoMat und den Partnern immer weiterentwickelt hat bis zum heutigen Format. Hier treffen sich Teilnehmer/innen aus der Industrie und verschiedenen wissenschaftlichen Institutionen, um zu gegebenen Themen einen regen Austausch zu haben, auch mit der Idee, neue Zusammenarbeiten zu knüpfen. Bei der NanoVision gibt es einen besonderen „Esprit“. Er beruht darauf, dass immer langjährige NanoMat-Partner/innen dabei sind, sowie Personen, die zum ersten Mal kommen, alle aber ein „Zugehörigkeitsgefühl“ haben.

Warum wird ein besonderer Fokus darauf gesetzt, die Veranstaltung mit wechselnden Partnern und an immer neuen Orten stattfinden zu lassen?

Zu Beginn war es so, dass die NanoVision hauptsächlich in Karlsruhe stattgefunden hat, am Sitz des NanoMat-Clusters. Unsere Partner haben uns angeboten, die NanoVision mit zu tragen, indem wir sie bei ihnen durchführen. Zum einen gibt es dem Co-Organisations-Partner eine hohe Sichtbarkeit, zum anderen orientieren sich auch die Themen der NanoVision an der Expertise und dem aktuellen Forschungsschwerpunkt des Partners. Das heißt, dass der Partner dank der NanoVision in seinem Hause in konzentrierter Form Gäste mit den gleichen Interessen und einer komplementären Expertise hat. Meist folgt auch eine Instituts- oder Laborbesichtigung am Veranstaltungsort für interessierte Teilnehmer/innen, so dass man detaillierte Einblicke in die Forschung der ausrichtenden Organisation erhalten kann.

https://www.nanomat.de/NanoVision2020.php

Wodurch zeichnet sich die NanoVision 2020 aus?

Ein Highlight der NanoVision 2020 ist, dass die BASF SE, ein langjähriger NanoMat-Partner, dieses Jahr drei Posterpreise vergeben wird. Die wissenschaftlichen Projekte, die hier vorgestellt werden, erhalten dadurch die Chance auf eine hohe Sichtbarkeit. Die NanoVision 2020 gibt dieses Jahr Einblicke in interessante Aspekte der Wechselwirkungen an den Schnittstellen zwischen Biologie und Technologie, wie z. B. neuro-elektronische Schnittstellen, Interaktion der Biomaterialien mit Stammzellen… Die NanoVision 2020 schließen wir mit einem Perspektiv-Vortrag zu der technologiegetriebenen Vision des zukünftigen Gesundheitswesens ab – ein Thema, das uns alle im Alltag früher oder später beschäftigen wird.

Die Veranstaltung steht unter dem Motto „Sense of Materials“. Was kann man sich darunter vorstellen? Was erwartet die Teilnehmer inhaltlich?

Die NanoVision 2020 – Sense of Materials gliedert sich in die drei Themen Bioelektronik, Funktionale Oberflächen und Smart Nanomedizin. Jedes dieser Themen bedarf der Entwicklung neuer Materialien und Grenzflächen. Weiterhin befinden sich die einzelnen Themen an einer Schnittstelle zwischen verschiedenen Expertisen, was für die Teilnehmer besonders attraktiv ist. Diese Themen betreffen direkt die Gesellschaft, werden in unserem Alltag erläutert und die NanoVision gibt den Teilnehmer/innen einen Blick in das „Hier und Jetzt“, aber auch in die zukünftigen Potentiale.

Warum sollte man die diesjährige NanoVision auf keinen Fall verpassen? Für wen ist die Veranstaltung interessant?

Die NanoVision sollte man nie verpassen, die Veranstaltung ist immer eine Bereicherung. Die NanoVision 2020 ist nicht nur für Start-ups, Wissenschaftler/innen und Studierende interessant, sondern auch für Bürger/innen, die sich für diese Themen interessieren. Journalisten/innen nehmen auch oft teil. Natürlich, wie es der Name sagt, ist es eine internationale Veranstaltung, das heißt, dass die Vorträge in englischer Sprache stattfinden. Dieses Jahr ist die Balance zwischen Referenten/innen aus der Industrie und den wissenschaftlichen Institutionen besonders ausgeglichen. Auch hier kann man verschiedene Blickwinkel erfahren. Die NanoVision bietet in kurzer Zeit ein breites Spektrum an Informationen und Einblicken an und das Format ist ganz bewusst so ausgewählt, dass es viele Möglichkeiten für Einzelgespräche gibt.

Das Programm der NanoVision 2020 und weitere Informationen zur Veranstaltung finden Sie hier.

Dr. rer. nat. Nathalie Matter-König studierte Zell- und Molekularbiologie an der Universität Louis Pasteur in Straßburg mit anschließender Promotion über die Regulation der Aktivität des Zellkern-spezifischen inositol 1,4,5-trisphosphate Rezeptors. Danach bekleidete sie seit 1996 verschiedene Positionen am Karlsruher Institut für Technologie, KIT. Sie war dort Postdoktorandin und wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Toxikologie und Genetik, Programmbevollmächtigte des Helmholtz-Programms BioInterfaces und Persönliche Referentin des Bereichsleiters des KIT-Bereichs V: Physik und Mathematik. Seit 2015 ist sie Wissenschaftsmanagerin beim NanoMat-Cluster und Geschäftsführerin des KIT-Zentrums Materialien.

IoT, Prozessflexibilität oder Predictive Control sind nur einige der aktuellen Schlagworte, die die Diskussion in der Chemie-, Lebensmittel- und Pharmaindustrie beherrschen. Sie alle beruhen auf einem gemeinsamen Kern: Ohne Prozessanalytik geht es nicht.

Kein Wunder also, dass einerseits enorme Fortschritte gemacht werden, andererseits aber auch der Bedarf an weiterer Forschung immens ist. Auf der Europact 2020 werden führende Experten zusammenkommen, um die neuesten Trends zu diskutieren – und es gibt viel zu besprechen.

Die Prozessanalytik ist ein vielfältiges und multidisziplinäres Thema. Angefangen von der zugrundeliegenden analytischen Methodik bis hin zur Entwicklung von Sensoren, die eine kontinuierliche Inline-Analytik in Echtzeit ermöglichen, der Integration von Daten aus verschiedenen Quellen und den Rückkopplungsschleifen für die Online-Regelung müssen Chemiker, Ingenieure und Datenwissenschaftler zusammenarbeiten, um die Vision einer integrierten PAT zu verwirklichen.

Integration von Analysemethoden in laufende Prozesse

Die gebräuchlichsten Analysemethoden, auf denen PAT basiert, sind – neben der Messung grundlegender Parameter wie Temperatur, Druck oder pH-Wert – spektroskopische Technologien wie UV/Vis, IR oder NMR. Der Einsatz dieser hochentwickelten Methoden ist durch die rasante Entwicklung der Miniaturisierung und die Verfügbarkeit von sicheren und zuverlässigen drahtlosen Kommunikationstechnologien möglich geworden. Fortschritte in der Lasertechnologie und im Detektordesign haben den Einsatzbereich zusätzlich erweitert. Kompakte Geräte haben nicht nur die Laborbänke erobert, sondern können sogar in einer Produktionsumgebung eingesetzt werden, wo der Platz begrenzt ist, starke Magnetfelder Probleme bereiten würden und eine regelmäßige Gasversorgung aufgrund logistischer Beschränkungen nicht realisierbar ist.

Europact 2017

Die Integration eines Sensors in einen laufenden Prozess bringt zusätzliche Herausforderungen mit sich – angefangen bei der nicht ganz einfachen Frage, wie man den Sensor ins Innere bekommt, ohne die Prozessbedingungen zu beeinträchtigen. Um die Laufzeit zu maximieren und die Notwendigkeit von Eingriffen zu minimieren, sollten die Sensoren nicht manuell kalibriert werden müssen; dies erfordert die Entwicklung von „intelligenten Sensoren“. Sie können automatisch nachkalibrieren; in Kombination mit Software und „Fuzzy“-Logik, die kleinere Abweichungen ausgleicht, wird die Laufzeit deutlich erhöht.

Daten sinnvoll nutzen

Daten zu sammeln ist eine Sache, sie zu nutzen bisweilen eine ganz andere. In den letzten Jahren wurden mathematische Modelle und Algorithmen entwickelt, die neue Erkenntnisse ermöglichen. Sie helfen auch dabei, kritische Lücken zu schließen; diese können entstehen, wenn Design of Experiment-Methoden verwendet werden und dabei kritische Parameter übersehen werden oder eine größere Varianz aufweisen als erwartet. So kann PAT in jeder Phase der Wertschöpfungskette und des Produktlebenszyklus ein wertvolles Instrument sein, das die Prozessentwicklung beschleunigt und kritische Qualitätslücken in einem sehr frühen Stadium beseitigt.  Modellbasierte Vorhersagen ermöglichen die Optimierung eines Prozesses auf Parameter, die nicht direkt für die Messung zugänglich sind.

PAT als Enabler für neue Prozesse

Bioprozesse werden sowohl in der Pharma- als auch in der chemischen Industrie immer wichtiger. Im Vergleich zu „klassischen“ chemischen Synthesen sind sie wesentlich komplexer, mit geringen Produktkonzentrationen, vielen komplexen Nebenprodukten und Inhomogenitäten im Reaktor. Die Zusammensetzung und Qualität der Rohstoffe kann ebenfalls variieren. Die Messung und Steuerung von Bioprozessen ist daher sowohl eine Herausforderung als auch ein Bereich, in dem enorme Fortschritte erzielt werden können (und zur Erreichung der Wettbewerbsfähigkeit erforderlich sind).  Ein wichtiger Trend der letzten Jahre war die Entwicklung kontinuierlicher Bioprozesse. Sie sind ohne die Möglichkeiten, die Qualität in Echtzeit zu kontrollieren und die Prozessparameter zeitnah anzupassen, kaum vorstellbar. Der Übergang von der Batch- zur kontinuierlichen Verarbeitung erfordert zu jedem Zeitpunkt ein deutlich verbessertes Prozessverständnis, ebenso wie die Überwachung von Nährstoffen und Verunreinigungen. Christoph Herwig, Leiter der Bioverfahrenstechnik an der TU Wien und Vorsitzender des Komitees der Europact 2020, sieht eine entscheidende Rolle für die PAT in diesem Bereich:  „Die PAT ist der Schlüssel zu robusten kontinuierlichen Bioprozessen und fortschrittlicher Therapien.“

PAT ist keine isolierte Technologie

Während die Integration von Feldinstrumenten bereits weit fortgeschritten ist und sich auf OPC UA DI als Kommunikationstechnologie und PADIM als Informationsmodell stützt, muss die Prozessanalytik dringend aufholen. Dies gilt insbesondere für die Integration mit offenen Architekturen. „PAT liefert eine Menge spezifischer Daten – sowohl Messdaten als auch Diagnosedaten -, die von IIoT-Technologien zur Optimierung der Instandhaltung und der Prozesse genutzt werden könnten“, sagt Werner Worringen, PAT-Experte bei Yokogawa. Die Voraussetzung für IIot ist die nahtlose Integration von PAT in das Gesamtdatenmodell eines Produktionsprozesses. Da PAT-Daten in der Regel sehr komplex sind und von verschiedenen Standorten in einem Werk stammen, scheinen Cloud-Lösungen die beste Antwort zu sein. Aber Bedenken hinsichtlich der Datensicherheit, gemeinsamer Standards und Schnittstellen werden derzeit noch diskutiert.

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Mitte Januar haben Bundeslandwirtschaftsministerin Julia Klöckner und Bundesforschungsministerin Anja Karliczek die neue Nationale Bioökonomiestrategie vorgestellt. Der gemeinsame Auftritt sollte ein Zeichen setzen: Laut Pressemitteilung bündelt die Bundesregierung ihre bisherigen Aktivitäten zur Bioökonomie mit der neuen Strategie.

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Implizit heißt das: Auch, wenn BMEL und BMBF federführend sein werden, sollen die übrigen Ministerien wie das Bundeswirtschaftsministerium und das Bundesumweltministerium nach Möglichkeit mit eingebunden werden.

Was auf der Webseite und im Video recht plakativ mit Algen und Bambusfahrrad illustriert wird, liest sich in der 48seitigen Kabinettsversion deutlich differenzierter. Dezidiert wird darauf hingewiesen, dass Bioökonomie nicht nur den Ersatz fossiler durch nachwachsende Rohstoffe bedeutet, sondern auch ganz neue Produkte und Verfahren zugänglich macht.

Wirtschaft und Nachhaltigkeit als Schlüsselbegriffe

Auffallend oft fallen die Begriffe „Wirtschaft“ und „Nachhaltigkeit“. Kernziel der Nationalen Bioökonomiestrategie sei eine „nachhaltige, kreislauforientierte und innovationsstarke Wirtschaft“. So reicht der Anspruch des neuen Papiers über eine reine Forschungsstrategie hinaus; neben Schwerpunkten für die Wissenschaft rückt auch die Umsetzung deutlich stärker in den Fokus. Sie soll in einem Dreiklang aus „Forschungsförderung“, „Rahmenbedingungen“ und „übergreifenden Instrumenten“ abgebildet werden.

Die Forschungsförderung konzentriert sich auf sechs Bausteine:

  • Biologisches Wissen als Schlüssel zur Bioökonomie
  • Konvergierende Technologien und disziplinübergreifende Zusammenarbeit
  • Grenzen und Potenziale
  • Transfer in die Anwendung
  • Bioökonomie und Gesellschaft
  • Globale Forschungskooperationen.

Interdisziplinäre Zusammenarbeit & ganzheitliche Prozessbetrachtung

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Eine besondere Bedeutung kommt dabei in dem Papier dem Zusammenspiel verschiedener Wissenschaften zu – vom systemischen Ansatz bei der Entwicklung biologischen Wissens, der Biowissenschaften und konvergierende Bereiche zusammenführen soll, über die Verknüpfung des biologischen Wissens mit Nanotechnologie, Informationstechnologien, Kognitions-, Material- und Ingenieurwissenschaften bis hin zur Schlüsselfunktion der Digitalisierung. Erst durch letztere wird es möglich, das Wissen intelligent zu vernetzen und die Innovationskraft integrierter Systeme zu nutzen. Dieser umfassende Ansatz führt konsequenterweise dazu, dass biobasierte Prozesse ganzheitlich betrachtet werden sollen – vom Rohstoff bis zum Recycling.

Technologieoffenheit in der Forschung

Der neuen Strategie zufolge soll die Forschungsförderung in definierte modulare Bausteine gegliedert werden, die verschiedene Aspekte der Bioökonomie abdecken. Damit soll eine hohe Flexibilität gewährleistet werden, um aktuelle Entwicklungen aufzugreifen. Einige Stichworte, die in diesem Kontext besonders hervorgehoben werden, sind ein Ausbau der Systembiologie als Schlüssel zur Bioökonomie, der Einsatz neuartiger bioinformatischer Instrumente und die Entwicklung neuartiger Produktionsorganismen durch eine methoden- und technologieoffene Forschung, die in geschlossenen Systemen moderne molekularbiologische Ansätze einbezieht. Auch die Identifikation neuer Plattformorganismen steht explizit im Fokus.

Wirtschaftliche Verwertung als Ziel

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Daneben findet sich unter dem strategischen Ziel „Deutschland zum führenden Innovationsstandort der Bioökonomie ausbauen“ eine ganze Reihe an möglichen Aktivitäten zum Technologietransfer, von der beschleunigten Markteinführung biobasierter Produkte bis zur Förderung von Modellregionen. Schlüssel dafür ist die Vernetzung verschiedener Akteure und die Schaffung neuer Schnittstellen. Auch die Rolle von Demonstrations- und Reallaboren wird gewürdigt und es wird angekündigt, dass Zugang zu Pilotanlagen geschaffen werden soll, um Innovationen zu testen. 

Gesellschaft teilhaben lassen

Einen wesentlichen Punkt bilden die Einbindung der Gesellschaft und der Dialog. Das passt zu dem erklärten Ziel der Forschungsministerin, die Wissenschaftskommunikation zu stärken und zu einem festen Bestandteil jeder Projektförderung zu machen. Dabei gehe es nicht um noch mehr Hochglanzbroschüren, sondern um Teilhabe, erläuterte sie bei der Eröffnung des Wissenschaftsjahrs Bioökonomie. Ob diese Teilhabe in jedem grundlagenorientierten Forschungsprojekt wirklich umsetzbar ist und ob die aktiven Forscher das auch leisten können, mag fraglich sein. Für die Akzeptanz und letztlich den Erfolg der Bioökonomie-Strategie im Sinne ihrer Umsetzung ist es sicher unabdingbar, zu erklären, was man vorhat, warum das sinnvoll erscheint und welche Konsequenzen sich ergeben können.

Zur Webseite des Bundesministeriums für Bildung und Forschung mit Informationen zur Bioökonomiestrategie und der Kabinettsversion zum Download