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Biotechnologie

Druckbare Biotechnologie als Zukunft von morgen?

| Autor / Redakteur: Iris Perner-Nochta*, Jürgen Hubbuch*, Elisabeth Zelle** und Wolfgang Wiechert** / Dr. Ilka Ottleben

Ein Forscherteam macht sich auf den Weg

Am Forschungsvorhaben MIE sind Arbeitsgruppen des Karlsruher Instituts für Technologie, des Forschungszentrums Jülich und des Helmholtz-Zentrums Geesthacht (Teltow) beteiligt. Über den Förderzeitraum von fünf Jahren arbeiten die drei Helmholtz-Zentren gemeinsam an der Entwicklung zukunftsfähiger biotechnologisch-technischer Hybridsysteme für die Biotechnologie. Der Name des Forschungsvorhabens „Molecular Interaction Engineering“ ist Programm, denn viele herausragende Fähigkeiten biologischer Systeme beruhen auf den spezifischen Wechselwirkungen von molekularen Komponenten. Dies können Prozesse an Oberflächen und anderen Grenzflächen oder auch innerhalb eines Kontinuums beispielsweise in einer Flüssigkeit sein. Wie im Zeitalter der Nanotechnologie immer sichtbarer wird, beeinflussen die molekularen Wechselwirkungen erheblich die makroskopischen Eigenschaften. Es ist also notwendig, alle Größenordnungen von der molekularen über die mikroskopische bis hin zur makroskopischen im Blick zu behalten und diese bei einer Technologieentwicklung zu berücksichtigen.

Ganz in diesem Sinne wird im Strukturvorhaben MIE erforscht, wie sich molekulare Interaktionsmechanismen auswirken, wie sie sich nutzen und auf zukünftige Technologien übertragen lassen. Es wird angestrebt biotechnologisch-technische Hybridsysteme zu entwickeln, die auf dem Prinzip der Natur basieren und diese systematisch zu nutzen. Auf diesem Wege sollen neue Basistechnologien für die Biotechnologie entwickelt werden. Dafür ist das Projekt in vier Themenschwerpunkte unterteilt. Die Forschungsarbeiten reichen vom Aufbau neuer molekularer Komponenten, der selektiven Erforschung bestimmter Wechselwirkungsmechanismen und der gezielten Gestaltung molekularer Interaktionen bis hin zu deren Einbindung in Mehrkomponentensysteme unter technischen Umgebungsbedingungen. Damit soll gezeigt werden, dass sich langfristig maßgeschneiderte vielfältig einsetzbare Biomoleküle und Biohybridsysteme für verschiedenste industrielle Anwendungen entwickeln lassen. Dazu arbeiten Wissenschaftler aus biologischen Grundlagendisziplinen, den Ingenieurwissenschaften, der Chemie, der Physik und der Biotechnologie eng zusammen.

Sensoren innerhalb und außerhalb von Zellen

Im Themenschwerpunkt „Neuartige Enzyme“ erforschen Biologen und Bioingenieure gemeinsam u.a. die Entwicklung nicht natürlich vorkommender Enzyme, die für spezielle katalytische Reaktionen genutzt werden sollen. Darüber hinaus untersuchen sie, wie diese biochemischen Verbindungen auf unterschiedliche Umgebungsbedingungen reagieren und wie sie für verschiedene Anwendungen aufgereinigt und stabilisiert werden können. Die Wissenschaftler im Schwerpunkt „Biologische Sensoren“ realisieren auf molekularer Ebene Sensoren innerhalb und auch außerhalb von Zellen. Diese erlauben es, dass bestimmte Prozesse regulatorischer Art, wie das Ablesen bestimmter Gensequenzen oder die Produktion eines Proteins, nachgewiesen oder aber auch ausgelöst werden kann.

Materialwissenschaftler untersuchen neuartige Substanzen wie multifunktionale, polymerbasierte Biomaterialien. Die Wissenschaftler können die Eigenschaften dieser Polymere gezielt designen und synthetisieren. Darüber hinaus entwickeln sie Formgedächtnispolymere, die ihre Form auf einen geeigneten äußeren Reiz, wie beispielsweise die Temperatur, hin ändern können. In gleich mehreren Arbeitsgruppen des Projektes MIE beschäftigen sich Chemiker und Ingenieurwissenschaftler mit dem gezielten Aufbringen von „biologischen Molekülen auf Oberflächen“. Dabei besteht eine Herausforderung darin, die Funktionalität dieser Moleküle zu erhalten. Diesen diversen experimentellen Arbeiten stehen im Projekt mehrere Gruppen zur Seite, die die Vorgänge in Modellen abbilden und simulieren. Mittels „Modellierung und Simulation“ wird somit u.a. eine modellbasierte Versuchsplanung und Datenauswertung ermöglicht. Damit sind in dem Forschungsvorhaben Molecular Interaction Engineering oft scheinbar sehr weit auseinanderliegende Forschungsgebiete vereint. Erst ihre Zusammenführung kann jedoch die Vision der Druckbaren Biotechnologie verwirklichen.

Die Autoren danken dem BMBF für die Förderung des standortübergreifenden Forschungsvorhabens „Molecular Interaction Engineering: From Nature’s Toolbox to Hybrid Technical Systems“ der Helmholtz-Gemeinschaft (HGF).

* Dr.-Ing. I. Perner-Nochta, Prof. J. Hubbuch: Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 76131 Karlsruhe

* *Dr. E. Zelle, Prof. W. Wiechert: Forschungszentrum Jülich, 52428 Jülich

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