Ich freue mich ganz besonders, dass ich jetzt Frau Professorin Dr.
Katrin Castiglione nach vorne bitten darf.
Sie leitet an unserer FAU den Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik.
Wir haben sie von der TU München vor einigen Jahren berufen und sie ist im letzten Jahr
in eine sehr prominente Rolle gestiegen, denn sie hat unser Jubiläumsbierrezept entwickelt
und das Jubiläumsbier verantwortlich mit gebraut.
Das helle Köpfchen Bioverfahrenstechnik, ein hoch faszinierendes Forschungsgebiet
und ich freue mich auf ihren Vortrag, den sie überschrieben haben mit moderne Bioverfahrenstechnik,
mit molekularen Werkzeugen für innovative Prozesse.
Frau Castiglione.
Ganz herzlichen Dank für die freundliche Einführung.
Sehr geehrter Herr Ministerpräsident Söder, sehr geehrte Festgemeinde, ich möchte Ihnen
zeigen, wie moderne Bioverfahrenstechnik zur Biologisierung unserer Wirtschaft beitragen
kann.
Der Übergang von einer erdölbasierten Industrie hin zu einer ressourcenschonenden, nachhaltigen
Wirtschaftsweise ist eine der zentralen Herausforderungen unserer Zeit.
Die industrielle Biotechnologie nimmt hierbei eine Schlüsselposition ein.
Darunter verstehen wir die Nutzung von Enzymen, Zellen oder auch Mikroorganismen für die
Produktion von Stoffen, beispielsweise von Chemikalien, Pharmazeutika oder auch Energieträgern.
Wir sprechen in diesem Zusammenhang auch von der sogenannten Bioökonomie.
Und die Bioökonomie wurde erst vor kurzem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung
herausgehoben, da das kommende Wissenschaftsjahr diesem Thema gewidmet wird.
Wissenschaftsjahre dienen der Wissenschaftskommunikation.
Ein wichtiges Thema soll den Bürgerinnen und Bürgern näher gebracht werden und es
sollen auch Vorurteile abgebaut werden.
Und ein Vorurteil gegenüber biobasierten Prozessen ist, dass sie doch immer teurer
sind als ihre herkömmlichen Pendants.
Ein wirklicher nachhaltiger Prozess ist jedoch nicht nur ökologisch sinnvoll, er macht auch
ökonomisch Sinn.
Nur wenn unsere Industrieunternehmen Geld mit einem Prozess verdienen, werden diese
Prozesse auch angewendet werden.
Wir dürfen aber auch die dritte Dimension der Nachhaltigkeit hier nicht außer Acht
lassen und das ist die soziale Dimension.
Beispielsweise unter welchen Arbeitsbedingungen die Beschäftigten in einem Prozess arbeiten.
Ich möchte Ihnen nun zunächst an einem etablierten Bioprozess zeigen, wie wir es schaffen können,
in all diesen drei Dimensionen der Nachhaltigkeit vorteilhaft zu sein.
Und dafür schauen wir uns die Herstellung semisynthetischer Penicilline an.
Das Molekül hier links oben ist das Penicillin G, das auf die Arbeiten von Alexander Fleming
zurückgeht.
Um jetzt aus diesem Molekül andere Antibiotika aufbauen zu können, wie beispielsweise Ampicillin
und Amoxicillin, müssen wir dieses Molekül in eine Rumpfstruktur spalten.
Um zu verstehen, warum dieser Prozess ökologisch bedenklich ist, muss man wirklich kein Chemiker
sein.
Es reicht ein Blick auf die Gefahrsymbole der involvierten Stoffe.
Die reichen von ätzend über giftig, gesundheitsschädlich bis hin zu umweltgefährdend.
Daher ist auch die soziale Dimension dieses Prozesses bedenklich, denn die Beschäftigten
müssen mit diesen gefährlichen Stoffen umgehen.
Aber auch ökonomisch gesehen ist dieser Prozess alles andere als ideal.
Wir haben hier vier Schritte, die wir benötigen zu unserem Zielprodukt und müssen immer die
Zwischenprodukte teuer und aufwendig isolieren.
Und wir sind extrem energieintensiv.
Sehen Sie sich die Temperaturen der mittleren zwei Schritte an.
Wir müssen Reaktionsvolumina von mehreren tausend Litern auf Temperaturen von minus
40 bzw. minus 50 Grad kühlen, damit dieser Prozess ideal ablaufen kann.
Wäre es also nicht schön, wenn wir in nur einem Schritt ohne diese Nachteile von A nach
B gelangen könnten.
Und genau das schafft unser Bioprozess.
Wir nutzen ein einzelnes Enzym, das nur Wasser als Reaktionspartner benötigt, unter milden
Gedingungen bei einer Temperatur von 30 Grad.
Und dieser Bioprozess ist so vorteilhaft und effizient, dass er die chemische Alternative
weltweit komplett verdrängt hat.
Wenn wir von einer Biologisierung unserer Wirtschaft sprechen, müssen wir es schaffen,
eine große Vielzahl an verschiedenen Produkten biotechnologisch herstellen zu können.
Und dabei stoßen wir aktuell auf verschiedene Herausforderungen.
Zunächst benötigen wir bessere Biokatalysator.
Und hier möchte ich Ihnen ein Projekt vorstellen, wo das zum Tragen kommt.
Wir möchten hier an der FAU einen Abfallstoff in einen Wirkstoff verwandeln.
Genauer gesagt wollen wir das Limonin aus Orangenschalen nutzen, die in großen Mengen
bei der Saftproduktion als Abfall entstehen.
Und daraus wollen wir in mehreren Schritten ein Anti-Malaria Medikament aufbauen.
In meiner Gruppe haben wir ein zentrales Enzym identifiziert, das wir da benötigen.
Und zwar eine sogenannte En-Reduktase.
Die katalysiert den zentralen Schritt.
Wenn wir daraus einen Industrieprozess aufbauen wollen, müssen wir uns jedoch an gewisse
Rahmenbedingungen halten.
Wir wollen hohe Produktkonzentrationen erreichen, wir dürfen keine teuren Hilfsmoleküle verwenden.
Und wenn wir das anwenden, haben wir feststellen müssen, dass unser Enzym unter den technischen
Bedingungen leider relativ langsam reagiert.
Daher haben wir uns diesem Thema innerhalb des Projektverbundes Biotech zur ressourcenschonenden
Biotechnologie hier in Bayern gewidmet.
Und wir haben eine neue Methode entwickelt, um dieses Enzym zu verbessern.
Und diese Methode kann man auch als molekulares Lego bezeichnen.
Was wir getan haben ist, wir haben in unserem Ursprungsmolekül identifiziert, welche Bereiche
für das unerwünschte Verhalten verantwortlich sind.
Und dann haben wir die entsprechenden Bereiche aus zwei Schwenderenzymen genommen, die zwar
keine interessante Reaktion katalysieren, aber unter technischen Bedingungen robust sind.
Und dadurch, dass wir diese Bereiche kombiniert haben, konnten wir ein Hybridenzym erschaffen,
das eine neunfach schnellere Reaktion gezeigt hat unter den technischen Bedingungen.
Das heißt, wir können in unserem Bioprozess nur ein Neuntel unseres Biokatalysators einsetzen,
um das gleiche Ergebnis zu erzielen, und da der Biokatalysator einer der Kostenfaktoren
in einem Bioprozess ist, können wir diesen Prozess so ökonomisch stark nach vorne bringen.
Und dieses molekulare Lego wollen wir jetzt in Zukunft auch auf andere Enzyme übertragen,
beispielsweise auf solche, die Mikroplastik abbauen können, um diese effizienter zu machen.
Ich habe Ihnen jetzt Prozesse gezeigt, die im Wesentlichen ein Enzym involvieren.
Wir interessieren uns aber auch dafür, sehr komplexe Moleküle in mehreren Schritten aufzubauen,
also für den Bereich der sogenannten Multi-Enzym-Synthese.
Hier möchten wir einen einfachen, modifizierten Zucker in eine komplexe Sialinsäure umwandeln,
die wir für pharmazeutische Anwendungen brauchen.
Auch hier brauchen Sie keine Angst vor der Chemie zu haben, denn um das Konzept zu verstehen,
müssen Sie die Chemie nicht verstehen.
Was Sie mitnehmen sollen, ist, es gibt eine grüne Reaktion, eine rote Reaktion und die
wird verbunden durch eine graue Reaktion.
Wenn wir nun diesen Prozess durchführen wollen, haben wir zwei Möglichkeiten.
Wir können einerseits eine getrennte Enzymreaktion durchführen und dazwischen immer unser Produkt
isolieren.
Das haben wir schon gelernt, das ist aufwendig und teuer, das wollen wir vermeiden.
Auf der anderen Seite sind wir hier in diesem Prozess begrenzt, das heißt die maximale
theoretische Ausbeute in diesem Verfahren liegt nur bei 25%.
Das liegt daran, dass die grüne Reaktion ein ungünstiges sogenanntes thermodynamisches
Gleichgewicht hat.
Das heißt nur 25% unseres Substrates wird in das Produkt überführt und in dem Fall
können wir auch nur 25% in die weiteren Reaktionen übertragen.
Führen wir diese Reaktion aber in einem Reaktionsansatz durch, haben wir eine maximale theoretische
Ausbeute von 100%.
Woran liegt das?
Sie können sich das thermodynamische Gleichgewicht vorstellen wie zwei Jugendmannschaften beim
Tau ziehen.
Je nach Kräfteverhältnis pendelt sich dieses Gleichgewicht, also das Seil irgendwo ein.
Binden Sie jetzt einen Traktor an ein Ende des Seils, ist es relativ egal, wer sonst
noch daran zieht.
Und die rote Reaktion, die ist unser Traktor.
Das heißt, wenn die im Ansatz ist, schaffen wir 100% Produktbildung.
Also das ist das, was wir möchten.
Klingt gut auf dem Reisblatt, ist schlecht in der Realität.
Wenn wir das durchführen, kommen wir zu einer relativ enttäuschenden Ausbeute von 0%.
Woran liegt das?
Das liegt daran, dass Thermodynamik nicht alles ist.
Die grüne und die rote Reaktion vertragen sich nicht.
Die stören sich so stark gegenseitig, dass sie nicht in einem Ansatz ablaufen können.
Jetzt brauchen wir eine Lösung.
Wenn man eine gute Lösung sucht, lohnt es sich immer, einen Blick in die Natur zu werfen.
Und auch dieses Problem hat die Natur schon für uns gelöst.
Und zwar über das Konzept der Kompatimentierung.
Das ist schematisch eine Darstellung einer höheren Zelle, wie sie auch in unserem Körper
vorkommt.
Und wir sehen, dass sich in unserer Zelle viele verschiedene kleine Kompatimente, also
Reaktionsräume befinden.
Und jedes Kompatiment kontrolliert sehr genau, welche Stoffe ein- und austreten können.
Und dadurch laufen in unserem Körper Reaktionen nebeneinander ab, die ansonsten nicht kompatibel
wären.
Und das wollen wir jetzt technisch nachbauen, indem wir Polymervisikel verwenden, die graue
und die rote Reaktion auf der Oberfläche immobilisieren und die grüne Reaktion, die wir von der roten
Reaktion trennen müssen, im Inneren einschließen.
Schlüssel zu diesem System sind diese Kanäle hier.
Das sind natürliche Kanalproteine, die wir auch wieder aus der Natur klauen.
Und die sind äußerst selektiv.
Und die sind dafür da, zu kontrollieren, dass nur die grünen Moleküle in das Kompatiment
kommen, die roten aber draußen bleiben müssen.
Also echte selektive Türsteher.
Und über dieses Konzept konnten wir zeigen, dass eine Synthese, die erst nicht möglich
war, auf einmal möglich wird.
Und meine Gruppe war die erste, die diesen Nachweis erbringen konnte.
Und das möchten wir jetzt auch auf andere Systeme übertragen.
Abschließend möchte ich noch mit zwei Punkten.
Für wirkliche neue Biokatalysen brauchen wir komplexe Systeme.
Komplexe Systeme heißt auch, wir brauchen neue Konzepte, um diese Systeme unter Kontrolle
zu halten.
Und ein häufiger Kritikpunkt gegenüber Bioprozessen ist die lange Produkteinführungszeit,
die sogenannte Time-to-Market.
Hier müssen wir viel schneller und besser werden.
Und um diese Ziele zu erreichen, verheiraten wir die Schlüsseltechnologie Biotechnologie
mit anderen Schlüsseltechnologien.
Und über die haben wir heute schon viel gehört.
Das ist Digitalisierung und künstliche Intelligenz.
Digitalisierung kann uns helfen, unsere Medien zu optimieren, unser Zulaufprofil zu optimieren,
unseren Prozess zu analysieren.
Die größte Musik spielt sich aber hier im Bereich rechts unten ab.
In der Modellierung und der Simulation.
Wenn wir ein gutes Modell haben, dann brauchen wir die Experimente nicht alle im Labor machen.
Und ein Bioreaktorexperiment kann bis zu zwei Wochen dauern.
Das heißt, was wir am Computer vorhersagen können, müssen wir nicht alles im Labor machen.
Und hier können wir unsere Entwicklungszeiten drastisch verkürzen.
Verbinden wir nun unser Modell mit einer künstlichen Intelligenz wie einem artificiellen neuronalen
Netzwerk, können wir ganz neue Konzepte entwickeln, um Bioprozesse zu kontrollieren.
Und das möchte ich Ihnen zeigen.
Wir sehen hier einen idealisierten Bioprozess, der im Idealfall der grün gestrichelten Linie
folgt.
Wir sehen nun anhand der roten Linie, dass dieser Prozess, weil er sehr komplex ist,
schon früh aus dem vordefinierten Korridor ausgebrochen ist.
Und die künstliche Intelligenz sitzt in der Lage, das zu erkennen und diesen Prozess
in den richtigen Korridor zurückzuführen.
Das sehen wir an der blauen Linie.
Und das sind Methoden, die uns in Zukunft es ermöglichen wird, Bioprozesse zu entwickeln,
die nach dem heutigen Stand der Technik gar nicht für uns kontrollierbar wären.
Ich hoffe, ich konnte Ihnen zeigen, welches großes Potential die Biotechnologie für
unsere Zukunft hat, aber auch wie groß unsere Herausforderungen sind.
Aber durch Innovation und wirkliche Interdisziplinarität können wir das schaffen.
Und ich möchte enden mit meiner tiefsten Überzeugung, die Zukunft der industriellen
Stoffproduktion muss und wird bio-basiert sein.
Also freuen wir uns darauf.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.
Vielen Dank.