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Aufbruch!

Die Biotechnologie gilt als eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Sie ist ein Motor für die internationale Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Wirtschaft und leistet einen wichtigen Beitrag zur Bioökonomie. Unsere Autorin Katja Lüers hat den Biotechnologen Prof. Wolfgang Wiechert am Forschungszentrum besucht und mit ihm über aktuelle Entwicklungen und Perspektiven der sogenannten weißen Biotechnologie gesprochen. Diese ist für Prozesse in der Industrie relevant.

Schon die alten Römer liebten Wein, Brot und Käse – seit Jahrtausenden setzt der Mensch Mikroorganismen wie Bakterien oder Hefepilze ein, um Nahrungsmittel herzustellen oder zu veredeln. Was anfänglich aufgrund von Zufallsentdeckungen geschah, beschäftigt heute einen ganzen Wissenschaftszweig, dessen Anwendungsgebiete weit über die Lebensmittelproduktion hinausgehen: die Biotechnologie. Sie steckt in Antibiotika, Tierfutter, Hautcremes oder in Waschmitteln: So beschleunigen beispielsweise Enzyme in Waschmitteln chemische Reaktionen und können bei geringen Temperaturen Eiweiße und hartnäckigen Schmutz entfernen. Der Gewinner: die Umwelt, denn das Waschpulver enthält weniger umweltschädliche Stoffe.

Der Griff in die Werkzeugkiste der Natur hilft der Industrie, ressourcenschonender und umweltfreundlicher zu arbeiten – ein Schlüssel auf dem Weg zu einer biobasierten Wirtschaft und damit zur Bioökonomie: nachwachsende Rohstoffe statt Erdöl. Diese industrielle Biotechnologie wird auch „Weiße Biotechnologie“ genannt und grenzt sich inhaltlich von der „Roten Biotechnologie“ (medizinisch-pharmazeutische Biotechnologie) und der „Grünen Biotechnologie“ (landwirtschaftlich-pflanzliche Biotechnologie) ab.

Hohe Investitionen und lange Entwicklungszeiten

Die Suche nach einem geeigneten Mikroorganismus oder einem passenden Enzym für eine industrielle Produktion erinnert an die berühmte Suche nach der Nadel im Heuhaufen. Sind die Forscher endlich fündig geworden, optimieren sie zunächst im Reagenzglas den Organismus oder das Enzym und das Verfahren. Anschließend folgt das „Up-Scaling“: Der Prozess muss auch im industriellen Maßstab funktionieren, denn der gewünschte Stoff, beispielsweise eine Aminosäure, soll nicht nur grammweise, sondern in Tonnen hergestellt werden. Zu guter Letzt muss das Produkt noch aus der Nährstoffbrühe isoliert und gereinigt werden, Experten sprechen vom „Downstream Processing“.

„Das funktioniert heute alles schon deutlich schneller als noch vor 20 Jahren, ist aber – vor allem im Vergleich zur chemischen Industrie – noch immer zu langsam“, sagt Prof. Wolfgang Wiechert, der am IBG-1 die Systembiotechnologie leitet. Hat ein Biotechnologe beispielsweise ein Bakterium entdeckt, das eine Aminosäure als potenzielles Nahrungsergänzungsmittel produziert, kann er weder etwas darüber sagen, ob überhaupt ein konkurrenzfähiger Produktionsprozess entsteht, noch wie viele Jahre er dafür brauchen wird. „Diese schwer kalkulierbaren Entwicklungszeiten und die damit verbundenen wirtschaftlichen Unsicherheiten sind die Hauptgründe dafür, dass Investoren noch immer einen Bogen um die Biotechnologie machen“, erklärt der Professor für „Computational Systems Biotechnology“ an der RWTH Aachen.

Damit die Biotechnologie aber auf Wachstumskurs bleibt und ihre Spitzenposition am internationalen Markt ausbauen kann, muss sie ihre Konkurrenzfähigkeit steigern. An diesem Punkt setzt Wiecherts Positionspapier „Neue Schubkraft für die Biotechnologie“ an, das er mit weiteren Wissenschaftlern geschrieben und auf der Jahrestagung 2018 der DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie vorgestellt hat.

Im Kern geht es den Autoren darum, wie es der Forschung und Entwicklung gelingen wird, die Entwicklung biotechnologischer Produktionsprozesse und Produkte insgesamt zu beschleunigen: „Wir reden nicht darüber, einzelne Technologien zu verbessern, sondern über einen radikalen Wandel, der Arbeitsabläufe, Prozesse und Geschäftsmodelle grundlegend verändern wird“, so Wiechert. Am Ende könnte ein Entwicklungslabor stehen, das einer automatisierten Fertigungsstraße ähnelt. Dadurch sollen sich Entwicklungszeiten verkürzen und vor allem planbarer werden – der Schlüssel, um neue Märkte zu erschließen und Geschäftsmodelle zu entwickeln.

Leuchtende Substanzen unterschiedlicher Farben in GlästernBlick in ein biotechnisches Labor am Institut für Bio- und Geowissenschaften, Biotechnologie (IBG-1).
Copyright: Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau

Die Revolution beginnt in den Laboren

Ob in den USA oder in Europa – in jenen Laboren, die dafür ausgestattet sind, tut sich bereits einiges. „Wir beobachten weltweit eine starke Tendenz zur Miniaturisierung und Automatisierung“, sagt Wiechert. Laborroboter haben ebenso Einzug gehalten wie Hochdurchsatztechnologien, also Verfahren, mit deren Hilfe bestimmte Informationen einfacher, schneller und in höherem Umfang erfasst und analysiert werden können: „Diese Automatisierungstechnologien sind bereits alle vorhanden, die kann man kaufen“, erklärt Wiechert.

Die eigentliche Triebfeder für einen Wandel in der Biotechnologie ist die Miniaturisierung. Ein Beispiel aus Jülich: Wiechert und sein Team kultivieren im Labormaßstab Mikroorganismen in bestimmten Behältern, sogenannten Bioreaktoren. Ziel ist es, die Einzeller so zu optimieren, dass sie später in der Industrie im großen Maßstab eingesetzt werden können. Das Entscheidende ist, dass man diese Kultivierung unter Bedingungen machen muss, die für den späteren Produktionsbioreaktor in der Industrie typisch sind, also gute Sauerstoff- und Nährstoffversorgung.

Doch das kostete bisher viel Platz: „Gerade mal acht solcher Gefäße passen auf einen Tisch“, erzählt Wiechert. Inzwischen gibt es eine platz- und zeitsparende Alternative: Die Mikrotiterplatten mit ihren 50 Bioreaktoren oder mehr passen jeweils auf ein DINA5 Blatt. Sie werden automatisiert befüllt und beprobt. „Da muss niemand mehr pipettieren“, so Wiechert.

Darüber hinaus entwickelt das interdisziplinäre Team sogenannte mikrofluidische Einzelzellbioreaktoren: Auf einem Chip, der die Größe eines Ein-Cent-Stückes hat, können die Forscher mehrere 100 Wachstumsexperimente gleichzeitig durchführen. „Der Chip ist – im Gegensatz zur Mikrotiterplatte – aber noch nicht serienreif“, so der Institutsleiter.

Robotikanlage zum automatisierten PipettierenRobotikanlage zum automatisierten Pipettieren
Copyright: Forschungszentrum Jülich / Ralf-Uwe Limbach

Auswertung als Flaschenhals

Das Experimentieren auf kleinstem Raum löst aber noch keine Revolution aus. Entscheidend ist das Zusammenspiel aus Miniaturisierung, Automatisierung und Digitalisierung: „Wenn wir Experimente mikroskopisch verkleinern, ist es wegen der Vielzahl der Experimente für den Menschen unmöglich, sie noch von Hand aufzusetzen. Deshalb steuern wir die Prozesse elektronisch, automatisieren und standardisieren sie“, erklärt Wiechert. Die Masse an qualitativ hochwertigen Daten müsse wiederum schnell ausgewertet werden und erfordert nahezu zwingend die Digitalisierung. „Die automatisierte Datenanalyse ist deshalb der notwendige nächste Schritt – da müssen wir aufholen“, so Wiechert. Der Flaschenhals ist also nicht mehr das Experiment, sondern die Auswertung.

Verändertes Berufsbild

MikrotiterplattenMikrotiterplatten werden automatisiert gefüllt
Copyright: Forschungszentrum Jülich / Ralf-Uwe Limbach

Folglich verändert sich die Arbeit des Biotechnologen an den Rechner: Der Wissenschaftler wird zum finalen Informationsgutachter und Prozessentscheider. Er entwirft künftig das Experiment, schreibt das „Rezept“ und füttert mit den Informationen den Computer, der die Automatisierungsanlage im Labor beaufsichtigt. Nach Versuchsende liefert der Rechner dem Forscher die ausgewerteten Daten. Die einzigen Menschen, die das Labor noch betreten dürfen, sind die Techniker, die die Roboter warten.

Was nach einem Labor der Zukunft klingt, ist in einigen US-amerikanischen Biotechnologie-Unternehmen wie Amyris oder Zymergen schon Alltag. Auch deutsche Firmen wie GeneArt oder Boehringer Ingelheim setzen zunehmend auf die Vereinfachung von Arbeitsabläufen in der Kultur, Expansion sowie im Monitoring von Zellen.

Die Herausforderung für die Branche: „Es wird kaum möglich sein, die heute noch vorhandenen klassischen Arbeitsabläufe und Methoden in den Laboren nach und nach durch automatisierte Prozesse zu ersetzen“, erklärt Wiechert. Stattdessen müsse man die automatisierte Vorgehensweise von Grund auf etablieren – die Puzzleteile seien in einzelnen Arbeitsgruppen und Instituten schon vorhanden. „Aber erst, wenn die Technologien zusammenwirken, ist ein Umbruch möglich“, ist Wiechert überzeugt.

Jülich stärkt Wachstumsmotor Biotechnologie

Die Biotechnologen am Forschungszentrum Jülich haben sich auf den Weg gemacht, um den Wachstumsmotor Biotechnologie weiter zu stärken: „Wir sind bei der Automatisierung und Digitalisierung deutschlandweit Vorreiter, bei der automatisierten Prozessentwicklung sogar international ganz vorne dabei“, sagt Wiechert. So sind am IBG-1 zwei erfolgreiche Projekte platziert: Da ist zum einen das Microbial Bioprocess Lab, kurz: MiBioLab – gefördert von der Helmholtz-Gemeinschaft. „Damit machen wir der Industrie unsere Methoden schmackhaft, Schnupperkurse sozusagen, ohne dass ein Unternehmen sofort in eine automatisierte Anlage investieren muss. Wir haben inzwischen Global Player wie Sandoz oder Christian Hansen dabei – solche Multiplikatoren brauchen wir, um die automatisierte Entwicklung wirtschaftlicher Produktionsprozesse für die Herstellung von Chemikalien, Pharmazeutika, Futter- oder Lebensmittelzusätzen voranzutreiben“, sagt der Experte.

Zum anderen gibt es seit Anfang 2018 das vom BMBF geförderte Projekt DigInBio – Digitalisierung in der industriellen Biotechnologie. Dort werden Digitalisierungsmethoden entwickelt, die einzelne Arbeitsschritte zu einem durchgängigen digitalisierten Prozess verbinden, also weg von Insellösungen hin zu einem einzigen Arbeitsablauf.

Wie sich ein solch umwälzender Wandel in der Biotechnologie auf die Arbeitswelt langfristig auswirken wird, kann auch Wiechert nicht vollständig absehen. „Klar ist aber, wenn wir nichts unternehmen und weiterhin in veraltete Techniken und Methoden investieren, übernehmen andere Länder die Spitzenposition!“

Katja Lüers