Das bunte Treiben der Biotechnologie

Bild mit bunten Molekülen und Strukturen

in-manas auf den Spuren von Innovationen rund um den Megatrend
„Innovative Technologien, Materialien & Fertigung“

Über rote, grüne und weiße biotechnologische Anwendungsfelder


Die Biotechnologie ist ein wachsender Bereich, in dem unter anderem Enzyme, Zellen und Organismen untersucht und gezielt genutzt werden, um spezifische Verfahren für neue Produkte oder technologische Anwendungen zu entwickeln. Dabei sind biotechnologische Verfahren an sich nichts Neues. Man denke nur an lebende Mikroorganismen wie Hefepilze, die schon seit über 5.000 Jahren bei der Herstellung von Bier, Wein und Brot verwendet werden. Doch seither hat sich viel getan. Heute ist die Biotechnologie eine viel genutzte Querschnittstechnologie, die in vielen Wirtschaftszweigen zum Einsatz kommt, beispielsweise in der Lebensmittelbranche, der Landwirtschaft, der Medizin und der Industrie. [1]


Wir haben uns für Sie in unserem Innovationskompass umgeschaut, um Ihnen eine möglichst bunte Mischung roter, grüner und weißer biotechnologischer Anwendungsbeispiele zusammenzustellen. In Fachkreisen gibt es diesbezüglich nämlich eine solche Farbkodierung. So wird etwa der medizinischen Biotechnologie die Farbe Rot zugewiesen. Sie beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer therapeutischer und diagnostischer Verfahren. Kommen biotechnologische Verfahren in der Landwirtschaft zum Einsatz, wird von grüner Bio- oder Agrobiotechnologie gesprochen. Und dann gibt es noch die weiße Biotechnologie, die für eine Vielzahl industrieller Produkte steht. [1]

Dazu gäbe es zwar noch viel Wissenschaftliches zu sagen, doch wir lassen stattdessen lieber ein paar bunte Beispiele zu Wort kommen. Bereit dafür? 


Mithilfe von Muskelkater und veränderten Botenstoffsignalwegen bis zu zwei Tonnen Laborfleisch wachsen lassen

Seit Jahren wird daran geforscht, künstliches Fleisch als nachhaltigere und tierfreundlichere Alternative zur Viehwirtschaft im Labor herzustellen. Allerdings sind die Herstellungskosten pro Kilogramm bislang enorm. Nun ist es Forschern vom Austrian Centre of Industrial Biotechnology (acib), vom Institut für Molekulare Biotechnologie (IMBT) und von der Technischen Universität (TU) Graz erstmals gelungen, kleine schonend gewonnene Proben von „echtem“ Fleisch in einer Nährlösung so zu vermehren, dass aus wenigen Millimetern Gewebe optimalerweise bis zu zwei Tonnen Fleisch gewonnen werden können, ohne dass Tiere dafür leiden müssen. Das Team konzentrierte sich zum einen auf einen biologischen Mechanismus namens Hippo-Pathway, der mittels Signalweg eine ungehemmte Zellteilung in einem begrenzten Körper „im Zaum hält“, und fand geeignete Wirkstoffe, um diesen Signalweg zu blockieren. Zum anderen gaukelten die Wissenschaftler dem Gewebe mithilfe von hormonähnlichen Botenstoffen – sogenannten Myokinen, die von der Muskulatur bei Bewegung ausgestoßen werden – einen Muskelkater vor, wodurch im Ergebnis das Muskelfaservolumen zunahm. Und weil Fleisch größtenteils aus Muskelfasern besteht, ist dieser Mechanismus von großem Interesse für die biotechnische Fleischproduktion. Für das neue Laborfleisch, das in ein paar Jahren in den Supermarktregalen erhältlich sein soll, wird als Ergebnis der Forschungsarbeiten eine Kombination aus Hippo-Pathway-Hemmstoffen und Myokinen zum Einsatz kommen. [2]


Farbiger Weizen in der Pflanzenzucht: gesundheitsförderndes Getreide mit natürlichen Antioxidantien 

Roter, violetter und blauer Weizen ist bislang eine reine Laborentwicklung. Nun findet das farbenfrohe Korn den Weg aufs Feld und in die Saatzucht: Die von Studierenden der Agrarwissenschaften an der Universität Göttingen entwickelten Kreuzungen aus äthiopischen Weizen und Wildgräsern mit einheimischen Weizensorten werden vom Saatgutzüchter Josef Breun erstmals für die gezielte Pflanzenzucht von Sorten, die gut auf europäischen Böden gedeihen, eingesetzt. Dabei spielt die Farbe eigentlich eine Nebenrolle – der tiefere Sinn ist ein anderer: Die Färbung wird ähnlich wie bei Roter Bete, Heidelbeeren oder Brombeeren durch sogenannte Anthozyane (natürliche Pflanzenfarbstoffe) verursacht. Diese sind gleichzeitig natürliche Antioxidantien, gelten als gesundheitsfördernd und sogar krebshemmend. In wissenschaftlichen Analysen wurde das Farbprofil qualitativ und quantitativ bestimmt, um so die Pflanzen mit dem größten Potenzial auszuwählen. Diese werden dann auf dem Feld gezielt weiter gezüchtet. Im weiteren Verlauf der Forschung kann neben der Saatgutvielfalt zudem auf verbesserte Resistenzen und eine höhere Qualität abgezielt werden. Dann ist es nur eine Frage der Zeit, bis der farbige, gesunde Weizen den Weg auf den Markt für gesundheitsbewusste Ernährung findet und vom Nischenprodukt zum Verkaufsschlager wird. [3]


Mitwachsende Herzklappen aus dem 3D-Drucker

Künstliche Herzklappen sind eine wichtige Errungenschaft der Medizin. Mittlerweile gibt es sie auch aus dem 3D-Drucker. Forscher der Technischen Universität München (TUM) haben nun Gerüste für additiv gefertigte Herzklappen entwickelt, die es ermöglichen, individuelle mechanische Eigenschaften der Klappe genau anzupassen. Mithilfe der Gerüste können körpereigene Zellen auch wieder neues Gewebe bilden. Die Herausforderung war, die heterogene Struktur der menschlichen Herzklappen und die verschiedenen biomechanischen Eigenschaften nachzubilden. Dies gelang nun mit einer neuen Fertigungsplattform und einem „Melt Electrowriting“ genannten Verfahren. Wie das funktioniert? Mit elektrischer Hochspannung, einer dünnen Polymerfaser und einer eigens entwickelten Software, mit der die individuellen „Muster“ nachgebildet werden. Das beim Druck verwendete Polycaprolacton (PCL) ist mit den menschlichen Zellen kompatibel. Die Struktur ist dicht genug, um den Blutfluss sicherzustellen, gleichzeitig aber auch porös, damit sich Zellen ansiedeln können. Bildet sich neues Gewebe, kann sich die PCL-Struktur abbauen. Gerade für Kinder könnte diese Innovation von großem Nutzen sein: Die Herzklappenimplantate wachsen nämlich mit und stellen somit eine nachhaltige Therapie dar. Weitere operative Eingriffe, wie sie bei herkömmlichen, nicht mitwachsenden Implantaten der Fall sind, wären obsolet. Präklinische Studien sind nun der nächste Schritt in Richtung Klinikeinsatz. [4]


Polymere und Kunststoffalternativen lassen sich mithilfe von Zuckermolekülen und UV-Strahlung besser kompostieren

Viele Alternativen zu Kunststoffen, die als biologisch abbaubar bezeichnet werden, können nur unter industriellen Kompostierbedingungen mit hohen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit abgebaut werden. So sind Plastikalternativen, etwa biobasierte Polyester, die aus Milchsäure produziert werden, in der Natur – also im Boden oder im Meerwasser – nur begrenzt abbaubar. Das liegt daran, dass die langen Polymerketten nur schwer von Wasser und Enzymen zerlegt werden können. Nun haben Wissenschaftler der Universität Bath (Großbritannien) einen Weg gefunden, den Abbau von Polymilchsäure mithilfe von UV-Licht und zusätzlich eingearbeiteten Zuckermolekülen zu optimieren, wodurch der Kunststoff geschwächt wird und in der Folge leichter in kleinere Polymerketten zerlegt werden kann. Im Experiment wurden unterschiedliche Mengen von Zuckermolekülen eingearbeitet. Dabei zeigte sich, dass bereits drei Prozent Zuckerpolymer-Einheiten unter Einwirkung von UV-Strahlen zu einem 40-prozentigen Abbau innerhalb von sechs Stunden führten. Die Technologie ist mit bestehenden Kunststoffherstellungsverfahren kompatibel, was Anlass zur Hoffnung gibt, dass die Kunststoffindustrie diese Methode übernimmt, um die Abbaubarkeit von Plastikabfällen am Ende des Lebenszyklus zu verbessern. Auch im häuslichen Komposthaufen kann dieses Verfahren durch die Kraft der Sonne zu einem schnelleren Zersetzungsprozess beitragen. [5]

In diesem Sinn hoffen wir, dass wir für Sie eine vielseitige und spannende Auswahl getroffen haben. Vielleicht war ja auch etwas Inspirierendes für Ihre Innovationsarbeit dabei?

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II

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