Biotechnologie

Druckbare Biotechnologie als Zukunft von morgen?

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

Mittels DMD erzeugtes Ligandenmuster von Biotin auf Glas.
Mittels DMD erzeugtes Ligandenmuster von Biotin auf Glas. (Bild: Mit freundlicher Genehmigung von Bastian Rapp)

Zukünftige biotechnologische Systeme werden aller Wahrscheinlichkeit nach ganz anders aussehen als heute. Die Druckbare Biotechnologie ist eine Vision, die im Helmholtz Verbund „Molecular Interaction Engineering“ (MIE) verfolgt wird.

Der Begriff „Druckbare Biotechnologie“ beschreibt Verfahren, bei denen biologisch aktive Moleküle oder ganze Zellen auf Oberflächen oder in dünnen Schichten immobilisiert und zu Schaltkreisen mit neuartiger technischer Funktion vernetzt werden. Neben den im Sinne einer Oberflächenbeschichtung druckbaren Anwendungen, fallen darunter auch Verfahren, die auf molekularer Ebene funktionalisierte Oberflächen oder dünne Filme erzeugen. Auch mikrofluidische Systeme, die mit dem Drucken ähnlichen Verfahren hergestellt werden, gehören zur Druckbaren Biotechnologie. In jedem Fall handelt es sich um neuartige und visionäre Technologien, die zum großen Teil erst noch entwickelt und etabliert werden müssen.

Proteine mit verschiedener Funktion werden dabei eine zentrale Rolle spielen, da die vielfältigen Funktionen von Proteinen eine breite technologische Nutzung ermöglichen. Diese reichen von medizinisch-therapeutischen Anwendungen über Steuerungsprozesse mittels Signal- und Regulatorproteinen bis hin zum Einsatz technischer Enzyme. Um bestimmte aktive Bereiche eines Proteins zugänglich zu halten, ist eine gerichtete Fixierung auf Oberflächen erforderlich. Dies lässt sich u.a. durch Verfahren erreichen, bei denen Proteine auf Oberflächen mit definierter Orientierung immobilisiert werden können.

Ein erstes Beispiel ist das lithografische DMD- (Digital Mirror Device) Verfahren. Die Besonderheit des Verfahrens besteht darin, dass erstens die Proteine mit einer definierten räumlichen Orientierung fixiert werden, zweitens eine hohe Ortsauflösung erreicht wird und drittens eine definierte Oberflächendichte erzeugt werden kann. Auf diese Weise wird es z.B. möglich, Enzyme gezielt auf einer Oberfläche zu immobilisieren und dabei ihre Funktionalität zu erhalten. Es ist absehbar, dass sich mit dieser Methode in Zukunft gezielt zweidimensionale Strukturen mit einer Vielzahl von Proteinen drucken lassen.

Brückenschlag zwischen Natur- und Ingenieurwissenschaften

Die Druckbare Biotechnologie ist das Herzstück des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Forschungsvorhabens „Molecular Interaction Engineering“ (MIE). Hier kommen Wissenschaftler verschiedener (bio-) technologischer Disziplinen zusammen, um gemeinsam die Grundlagen für völlig neue und flexible Produktionssysteme der Zukunft zu legen. Der im MIE-Projekt realisierte Brückenschlag zwischen Natur- und Ingenieurwissenschaften wird neuartige Konzepte hervorbringen und damit die Druckbare Biotechnologie zu einer Zukunftstechnologie für zellfreie biotechnologische Anwendungen weiterentwickeln.

Im Projekt werden zugleich mehrere Ansätze zur Entwicklung der Druckbaren Biotechnologie erforscht, um neue Wege zu technischen Hybridanwendungen auf biotechnologischer Basis zu erschließen. Beispielsweise rückt die Vision von gedruckten Enzymkaskaden zur Synthese von Feinchemikalien im chemischen Labor in greifbare Nähe. Die Kombination von Oberflächen mit gezielt aufgebrachten Enzymen und mikrofluidischen Systemen wird es erlauben, zukünftig beliebige artifizielle Reaktionskaskaden aufzubauen.

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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