Biotechnologische Verfahren werden zunehmend für die Synthese von Wert- und Wirkstoffen aus erneuerbaren Ressourcen eingesetzt. Hierbei werden mithilfe einzelner Enzyme oder ganzer Mikroorganismen verschiedenste biobasierte Verbindungen hergestellt. In solchen Verfahren können eine Vielzahl von Mikroorganismen – beispielweise Pilze oder Bakterien – verwendet werden, die sich aufgrund der unterschiedlichen Lebensräume deutlich in ihrer Lebensweise unterscheiden. Während sogenannte chemotrophe Mikroorganismen ihre Energie zum Beispiel durch die Oxidation von chemischen Verbindungen gewinnen, verwenden phototrophe Organismen das Sonnenlicht als Energiequelle für ihre Stoffwechselprozesse. So fangen Mikroalgen und phototrophe Bakterien Licht mit geeigneten Farbstoffen wie etwa dem Chlorophyll ein und wandeln es in chemische Energie um. Durch diese besondere Fähigkeit eröffnen phototrophe Mikroorganismen neue Möglichkeiten bei der Entwicklung nachhaltiger und umweltfreundlicher Produktionsprozesse.

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Ressourceneffizient, emissionsarm, nachhaltig, wettbewerbsfähig und trotzdem flexibel, die Herausforderungen denen sich die Bioökonomie stellen muss sind beachtlich. Schon vor elf Jahren wurden am Forschungszentrum Jülich und den Universitäten Bonn, Düsseldorf und Aachen die Weichen gestellt für die Transformation zu einer nachhaltigen Bioökonomie. Im September 2010 wurde das Bioeconomy Science Center (BioSC) gegründet. Mittlerweile hat sich das BioSC zu einem Kompetenzzentrum entwickelt, in dem zahlreiche Innovationsansätze erarbeitet worden sind.

Bei all diesen Entwicklungen spielen Computermodelle eine immer größere Rolle, um die Wettbewerbsfähigkeit von biobasierten Verfahren zu steigern. Mit ihrer Hilfe gelingt es, komplexe biologische und technische Prozesse präzise vorherzusagen und damit zu optimieren. Dies gilt insbesondere für den Betrieb von Bioraffinerien. Ihre Wirtschaftlichkeit hängt maßgeblich vom Nutzungsgrad der hier verarbeiteten nachwachsenden Rohstoffe sowie deren effektiver Umwandlung in neue Wertstoffe ab. Im Rahmen des BioSC-Projektes „BeProMod“ entstand eine digitale Bioraffinerie, welche optimale Betriebsstrategien in Anlagen mit hoher Modularität und wechselndem Eingangsmaterial abbilden kann.

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Der Bedarf an Effekt- und Wirkstoffen steigt stetig. Weiterhin hört die Suche nach neuen Wirkstoffen und die Entwicklung neuer, effizienter Methoden zur Herstellung/Synthese dieser Wirkstoffe im Labor nie auf. Effizient bedeutet dabei: in kürzerer Zeit, mit milderen Reaktionstemperaturen, ohne gefährdende Substanzen und mit möglichst geringen Verbrauch an Hilfsstoffen.

Es gibt vielfältige Ansätze, um Synthesemethoden effizienter zu gestalten. Im Institut für Bioorganische Chemie setzen wir u.a. schon seit einigen Jahren auf die Verwendung von Enzymen als Katalysatoren bei einer Vielzahl unserer Reaktionen. Enzym-katalysierte Reaktionen erfüllen die oben genannten Bedingungen für die Gestaltung effizienter Synthesemethoden und können zumeist in wässrigen Lösungen und bei neutralen pH-Werten durchgeführt werden. Dies ermöglicht uns die Durchführung von schonenderen, ressourceneffizienteren und umweltverträglicheren Reaktionen, als es häufig mit klassisch-chemischen Methoden der Fall ist.

Eine weitere Möglichkeit zur Steigerung der Effizienz unserer Synthesereaktionen ist die sogenannte Flow-Chemie. Was sich dahinter verbirgt und was das Alles mit der Explosion der Hindenburg zu tun haben soll, haben wir in einem kurzen Video dargestellt.

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Gerade in Pandemiezeiten sollte es noch einmal gesagt werden: Mikroorganismen sind wahre Künstler! Ja, einige können uns krankmachen, aber die überwiegende Anzahl von ihnen hilft uns, produziert für uns Millionen von Tonnen an wichtigen Produkten. In einem Gastbeitrag im Wissenschafts-Blog „Mikrobenzirkus“ stellen wir die Big Five der weißen Biotechnologie vor, also fünf Mikroorganismen die mit wirklich großvolumigen Produkten der industriellen Biotechnologie die Weltproduktion anführen.

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Der kaum gebremste Konsum fossiler Ressourcen und die damit verbundenen drastischen Klimaveränderungen mit denen wir Menschen schon heute konfrontiert werden, lassen die Forderungen nach umweltfreundlichen und nachhaltigen Produktionsverfahren in Politik und Gesellschaft immer lauter werden. Hierbei stellt die biotechnologische Produktion auf Basis erneuerbarer Ressourcen eine vielversprechende Alternative zu bisherigen Rohöl-basierten, chemischen Produktionsverfahren dar. Mit Hilfe von Enzymen und Mikroorganismen lassen sich Chemikalien, Kraftstoffen oder Lebensmittel- und Futtermittelzusätzen herstellen. Allerdings werden viele dieser Wertstoffe, ohne die unser modernes Leben nicht möglich wäre, von Mikroorganismen nur in geringsten Mengen produziert. Somit können solche mikrobiellen Prozesse nicht mit den etablierten Verfahren auf Basis von fossilen Rohstoffen konkurrieren und werden nicht im industriellen Maßstab eingesetzt.

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Zur Behandlung von gesundheitlichen Problemen oder schweren Krankheiten brauchen die meisten von uns Medikamente. Wir sind außerdem darauf angewiesen, dass die Nahrung, die wir zu uns nehmen, nachhaltig und in ausreichenden Mengen produziert wird. Dafür werden viele verschiedene und zum Teil auch neue Medikamente und Pflanzenschutzmittel benötigt. Sie beinhalten als wichtigste Komponente den sogenannten Wirkstoff – eine chemische Verbindung, durch den die Medikamente ihre Wirkung entfalten oder bei Pflanzenschutzmitteln die Pflanzen geschützt werden. Aber wie werden eigentlich neue Wirkstoffe gefunden? Wo fängt man an, wie entwickelt man einen Wirkstoff weiter, was können Bio-basierte Methoden beitragen und wie kann das Ganze effizient ablaufen? Mit diesen Fragen hat sich unser Forschungsteam des Projekts „CombiCom“ beschäftigt, in dem neun verschiedene Arbeitsgruppen aus Düsseldorf, Jülich, Bonn und Aachen zusammenarbeiten.

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Jeder kennt die Bilder von süßen Schildkröten oder Vögeln, die in Plastikschnur gefangen oder mit Plastikstrohalmen in der Nase gefunden werden. Jeder hat schon einmal am Strand Berge von Plastikmüll gesehen. Es gibt kaum mehr einen Platz auf der Welt, an dem kein Plastikmüll zu finden ist. Aber wo sammelt sich dieses Plastik? Warum findet man Unmengen an Plastik, die seit Jahrzehnten ins Meer gespült wurden, nicht direkt wieder? Was können wir tun damit weniger Plastik in der Umwelt landet? Und können Mikroorganismen aus dem Meer uns dabei Lösungen aufzeigen?

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Biotechnologie – das Land der unbegrenzten Möglichkeiten? Mikroorganismen werden in der Biotechnologie für die Produktion vieler verschiedener Stoffe eingesetzt und die Liste und Diversität der produzierten Stoffe wächst stetig. Um bei der Erforschung neuer und der Verbesserung bestehender Prozesse nicht Unmengen an Material und Zeit aufwenden zu müssen, wird in der Entwicklung immer weiter miniaturisiert und parallelisiert. Leider sind Mikroorganismen aber keine gläsernen Fabriken. Ohne Proben zu nehmen, ist man schnell im Blindflug unterwegs. Das kann vor allem bei der Miniaturisierung von Prozessen zum Problem werden: Je kleiner das Volumen, desto schwieriger und seltener möglich ist eine Probennahme. Hier können Biosensoren im Kulturmedium helfen.

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