Biotechnologie Druckbare Biotechnologie als Zukunft von morgen?

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.

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KIT Karlsruher Institut f. Technol. Inst. f. Bio- u. Lebensmitteltechn. Lebensmitteltechnik

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.

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