Biotechnologie

Biotechnologie

Biotechnologie ist ein interdisziplinäres Forschungsfeld, das sich auf verschiedene Bereiche erstreckt, darunter Medizin, Biochemie, Umwelttechnik, Lebensmittel und Bioenergie. In der Biotechnologie wird die Vielfalt der Natur genutzt, um aktuelle Herausforderungen, wie die Umstellung der Industrie auf eine nachhaltige Produktion, die Entwicklung neuer Materialien zu ermöglichen. Zudem kann die Biotechnologie zur Sicherstellung der Lebensmittelversorgung und Gesundheit und Wohlergehen aller beitragen.

In den Bereichen Biobrennstoffe, Wertstoffproduktion und Lebensmittel, die dem Feld der industriellen bzw. „weißen“ Biotechnologie angehören, ist die Verwendung nachwachsender Rohstoffe von entscheidender Bedeutung, insbesondere um Klimaziele zu erreichen und eine bessere Qualität der Produkte zu gewährleisten. Nachhaltige Rohstoffe umfassen hauptsächlich Pflanzenbestandteile, Abfallströme und Verbindungen, die mit erneuerbarer Energie aus CO₂ synthetisiert wurden. Zellen, Enzyme und Extrakte dienen als biotechnologische „Fabriken“, die unter umweltfreundlichen Bedingungen bei niedrigen Temperaturen und ohne giftige Zusätze arbeiten.

Die medizinische oder „rote Biotechnologie“ kombiniert Verfahrens-, Prozess- und Medizintechniken für Anwendungen in den Bereichen Therapie und Diagnostik. Unter anderem werden neue Wirk- oder Impfstoffe entwickelt und nach erfolgreicher Validierung im großen Maßstab produziert. Hierfür werden innovative Bioreaktorsysteme mit integrierten in-line Monitoring-Verfahren benötigt. Ebenso finden neue Systemtechnikentwicklungen Eingang in die Gewebs- und Organdiagnostik bei Gesundheits- und Krankheitsprozessen (Beispiel digitale Pathologie, Biomechatronik) als auch Anwendung in der Generierung neuer bioartifizielle Gewebe zum Gewebe-Ersatz (sog. „Tissue Engineering“).

Die Aufarbeitung von Produkten aus biotechnologischen Produktionsprozessen, sowohl im Bereich der weißen als auch der roten Biotechnologie, ist häufig eine besondere Herausforderung (sehr komplexe Mischungen, niedrige Konzentrationen, empfindliche Zielmoleküle). Das erfordert die Entwicklung maßgeschneiderter Aufarbeitungsprozesse.

Methoden

Die Methoden der Biotechnologie sind hoch interdisziplinär. In die erfolgreiche Entwicklung von Prozessen fließen Molekularbiologie, Analytik, Ingenieurswissenschaften, Bioinformatik, Biosensorik und Modellierung ein. Vertiefte Kenntnisse in den Bereichen der Zellbiologie, der Gentechnik und Biophysik sind für ein Systemverständnis nötig. Aus dem Zusammenwirken von Biologen mit Ingenieuren entstehen  robuste biotechnologische Prozesse, die einerseits im industriellen Maßstab anwendbar sind, andererseits aber auch in mikroskopisch kleinen Dimensionen (z.B. Mikrofabrikation, Mikrofluidik, Zellmanipulation) kontrollierbar sind.

Highlights

Biotechnologische Entwicklungen umfassen Gesundheit, Lebensmittel, und Materialien. Am Department für Chemie- und Bioingenieurwesen wird in vielfältiger Weise an diesen wichtigen Zukunftsthemen aus der industriellen und medizinischen Biotechnologie geforscht:

• Opto-Biomechatronik: Kombination von Hochleistungs-Bildgebung und Messtechniken zur Erhebung zellulärer und Gewebs-Mechanik zur Aufklärung von Struktur-Funktionsbeziehungen von Krankheiten (Lehrstuhl MBT)
• Neue Methoden zur Zell- und Gewebsdiagnostik und –manipulation, für die Erforschung von Krankheitsmodellen oder die Reifung bioartifizieller Gewebe.
• Neuartige Biokatalysatoren für das enzymatische Recycling von Plastikmaterialien (Abbildung 1).
• CO₂ freie Produktion von Bio-Plastik, Biokraftstoffen und anderen Stoffen durch Co-Substrate.
• CO₂ Aufwertung zu Biokraftstoffen für eine nachhaltige, dezentrale Energieversorgung.