Internationaler Kongress

Forum Life Science 2013

13./14. März 2013, Technische Universität München - Garching

Bericht

Internationaler Kongress „Forum Life Science“ - Lösungsansätze für die Herausforderungen des 21. Jahrhunderts

Neueste Erkenntnisse und Entwicklungen in den Biowissenschaften sowie ihre Umsetzung in innovative Technologien und neuartige Produkte in den Bereichen Pharma, Ernährung und Chemie standen im Mittelpunkt des 8. Internationalen Kongress „Forum Life Science" am 13. und 14. März 2013 an der TU München in Garching.

Der Kongress wurde von der Bayern Innovativ GmbH konzipiert und organisiert. Dabei erfuhr Bayern Innovativ umfassende Unterstützung durch das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie. Partner waren zudem die Cluster Biotechnologie, Chemie und Ernährung. Die Firmen Roche und Clariant konnten als Sponsoren gewonnen werden - das Ergebnis einer langjährigen Zusammenarbeit im Rahmen der Aktivitäten des Netzwerks Life Science.

Auf dem Kongress präsentierten über 60 internationale Referenten jüngste Entwicklungen aus den Schwerpunktthemen "Pharma Development", "Food & Nutrition" und "Industrial Biotechnology" vor. Die Veranstaltung bot den über 1.100 Teilnehmern aus den Biowissenschaften, den Ingenieur- und Ernährungswissenschaften, der Medizin sowie Vertreter von Biotech-Unternehmen, Pharma, Lebensmittel- und Chemieindustrie wieder zahlreiche Möglichkeiten neue Kontakte zu potenziellen Partnern aufzubauen.

Kooperation und interdisziplinäre Zusammenarbeit sind die Treiber des Fortschritts in den Life Sciences. Dabei liefert das wachsende Verständnis der molekularen Zusammenhänge in lebenden Organismen die Grundlagen für optimierte Technologien, neuartige Therapieformen und innovative Produkte. Damit tragen die Life Sciences dazu bei, neue Lösungsansätze für die Herausforderungen des 21. Jahrhunderts zu entwickeln.

Die nachfolgenden Inhalte sind wie folgt gegliedert:

 

Plenarvorträge – Forschung und Innovation in den Life Sciences

Die großen Herausforderungen dieses Jahrhunderts betreffen Bereiche wie Gesund-heit, Ernährung, Energie, Mobilität und Information. Den Life Sciences kommt hier eine bedeutende Rolle zu. Sie umfassen ein breites Themenspektrum von der Bereit-stellung biogener Rohstoffe über die Erforschung gesunder Nahrungsmittel und die Entwicklung hochspezifischer Medikamente bis hin zu nachhaltigen Produktions-prozessen. Spitzenforschung ist hier die Voraussetzung um die wissenschaftlichen Grundlagen zu legen für neue Technologien, Verfahren und Produkte.

In seinem einführenden Statement stellte Prof. Wolfgang A. Herrmann, Präsident der Technischen Universität München, vor wie die TU München diese Heraus-forderungen angeht. Neben einem breiten Fächerspektrum setzt die TU München auf interdisziplinäre Forschungszentren, die sich auf Zukunftstechnologien wie Ernährung und Lebensmittel, Agrarwissenschaften, Getränkewissenschaften, Katalyse, Weiße Biotechnologie oder Medizintechnik konzentrieren.

Prof. Werner Klaffke, Geschäftsführer der Bayern Innovativ, beschrieb in seiner Einführung die Zielsetzung der Bayern Innovativ und die Rolle von Kongressen wie dem „Forum Life Science" in diesem Zusammenhang. Bayern Innovativ fokussiert sich im Innovationsprozess weniger auf die Idee, die Erfindung, sondern geht vom Marktbedarf aus, der von Unternehmen als Netzwerkpartnern genannt wird. Technologielücken werden definiert und „Enablers" gesucht. Die Bayern Innovativ agiert dabei technologieoffen, transferiert Erkenntnisse wie Geschäftsmodelle von einer Branche in die andere und schafft so neue Denkräume und Handlungsfreiheiten für Unternehmer. Der Kongress „Forum Life Science" ist hierfür ein gutes Beispiel, denn er verknüpft Branchen auf der Basis der modernen Biochemie, Chemie, Biologie, Medizin, Elektronik, Mikrosystemtechnik und Verfahrenstechnik.

Bayerns Wirtschaftsstaatssekretärin Katja Hessel unterstrich die Zielsetzung der bayerischen Politik in Richtung Forschung und Innovation: „Bayern steht in den Life Sciences weiter an der Spitze. Biotechnologie ist heute unverzichtbar bei der Ent-wicklung neuer Arzneimittel und vielen industriellen Produktionsprozessen wie beispielsweise bei der Verwendung nachwachsender Rohstoffe. Unser Ziel ist, die Biotechnologie weiter zum Wohle der Menschen einzusetzen."

Dr. Hariolf Kottmann, CEO von Clariant International Ltd. berichtete über neue Ansätze der Verwendung nachwachsender Rohstoffe in der chemischen Industrie. Er bescheinigte der Industriellen Biotechnologie ein großes Zukunftspotential in Europa. Neben dem Fortschritt in der Technologie sowie steigenden Preisen für fossile Rohstoffe sind insbesondere auch Zielsetzungen von globalen Kunden hinsichtlich nachhaltiger, biobasierter Produkte ein wesentlicher Treiber für den weiteren Ausbau dieses Sektors.

Die Kenntnisse der Zusammenhänge von Gesundheit und Ernährung wachsen zunehmend. Dazu tragen u.a. Ergebnisse in funktioneller Genomik und Metabolomik bei. Diese sind heute Werkzeuge, um personalisierte Lebensmittel, die individuellen Ernährungsbedürfnissen entsprechen, zu entwickeln. Prof. Dr. Werner Bauer, Executive Vice President, Nestlé S. A. betonte, dass die Fortschritte in der Er-nährungswissenschaft ein neues Geschäftsmodell erfordern, das an der Schnittstelle zwischen Nahrungsmittel und Pharmazeutika liegt, und das effiziente und kosten-günstige Möglichkeiten bietet, die einen Beitrag bei Vorbeugung und Behandlung akuter und chronischer Erkrankungen leisten.

 

German Life Science Award

Erstmalig wurde auf dem Kongress der German Life Science Award durch Prof. Roger Goody, Vizepräsident der Gesellschaft für Biochemie und Molekularbiologie und Dr. Gerd Grenner, CSO Diagnostics, Roche, Basel an zwei talentierte Nachwuchs-forscher verliehen. Prof. Shirley Knauer, Universität Duisburg-Essen, erhielt den Preis für ihre Arbeit an den Proteinen Survivin und Taspase 1 und deren Rolle bei der Entstehung von Krebs. Dr. Michael Hiller, Max-Planck-Institut für Molekulare Zellbiologie und Genetik und Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme in Dresden wurde für seinen bioinformatischen „Forward Genomics" Ansatz ausge-zeichnet. Auf diese Art lassen sich Gene und Erbgutabschnitte, die mit bestimmten Phänotypen assoziierten sind, identifizieren. Der mit 50.000 Euro dotierte For-schungspreis für herausragende Leistungen in den Biowissenschaften wurde von Roche gestiftet.

 

Pharma Development – Genombasierte Ansätze in Diagnostik und Therapie

Die Pharma Industrie befindet sich im Wandel. Auslaufender Patentschutz, stetig steigende Entwicklungskosten für Medikamente, sowie nicht genügend neue Entwicklungskandidaten führen bei Pharmaunternehmen zu einem Umdenken. Statt generell jedes Medikamente selber zu entwickeln, gehen die Unternehmen zunehmend auch in frühen Phasen Allianzen mit Forschungsinstituten und Biotech-Unternehmen ein.

Die Strategie von Bayer Healthcare spiegelt sich in verschiedenen Kooperationsmodellen wider. Das Unternehmen koordiniert z.B. zusammen mit dem MPI für Molekulare Genetik das multidisziplinäre Konsortium OncoTrac (Innovative Medicines Initiative) bestehend aus 18 Partnern aus Industrie und Akademie. Ziel ist die Identifizierung und Qualifizierung von Biomarkern um eine bessere Vorhersage der Ansprechrate von Patienten bei einer Tumortherapie zu erreichen. Mit der Webplattform Grants4Targets bietet Bayer laut Dr. Matthias Gottwald die Möglichkeit Projekte einzureichen, die nach einer positiven Begutachtung für ein Jahr gefördert werden. Die Schutzrechte verbleiben in dieser Zeit beim Partner. Nach dieser Zeit werden erfolgversprechende Ansätze weiterverfolgt. Weitere Möglichkeiten bieten Innovation Incubators und Industry-on-Campus Modelle.

Um die hohe Ausfallquote bei der Entwicklung neuer Medikamente zu reduzieren setzt Roche auf die Personalized Health Care Strategie. Deren Ziel ist es, wie Dr. Gerd Maass erläuterte, die Diversität einer Krankheit oder ihrer Subtypen zu verstehen, Unterschiede zwischen Patienten zu erkennen und die erfolgversprechendsten Drug Targets zu identifizieren. Der von Roche entwickelte Wirkstoff Herceptin wurde ursprünglich nur bei Mammakarzinom Patientinnen eingesetzt, die den Rezeptor HER2 überexprimieren. Im Zuge weiterer Forschung zeigte sich, dass auch bei Magenkrebs ca. 20% der Tumoren HER2 überexprimieren. Klinische Studien belegen, dass die Kombinationstherapie von Herceptin mit einer Chemotherapie einen deutlichen positiven Einfluss auf das Überleben der Krebskranken zeigt.

Bedeutung von Next Generation Sequencing für Diagnostik und Therapie

Die Trends bei neuen Therapien gehen in Richtung bessere Vorhersage, frühzeitigere Diagnose und gezieltere Therapie. Um dies zu erreichen braucht es eine detaillierte Diagnostik auf molekularer Ebene, mehr Wissen über die Entstehung und Ursachen von Erkrankungen, sowie die Identifizierung potentieller Angriffspunkte.
Eine Technologie zur Umsetzung der personalisierten Medizin stellt das Next Generation Sequencing (NGS) dar – die schnelle und kostengünstige Sequenzierung von genetischen Informationen. Dr. Stephanie Fröhner, Roche Diagnostics stellte die Anforderungen an zukünftige Sequenzierungsmethoden dar: höherer Durchsatz, schnellere Ergebnisse, niedrigere Kosten pro Sequenzierung, sowie geringere Gerätekosten.

Die NGS Technologie generiert enorme Datenmengen. Laut Klaus May, Genomatix Software, werden Millionen von genetischen Varianten innerhalb eines individuellen Genoms identifiziert. Aus diesen Daten die für eine Krankheit verantwortlichen Varianten zu finden ist eine Voraussetzung für die Diagnose seltener Erbkrankheiten aber auch von häufiger auftretenden Krankheiten. So gelingt es durch Vergleich mit Datenbänken und bekannten Mustern z.B. relevante somatische Mutationen bei Brustkrebs zu identifizieren, sowie Chromosomenlokation und betroffene Signalwege zu identifizieren. Dadurch können sich neue Optionen in der Diagnostik und Therapie ergeben.

Die Bedeutung der Hochdurchsatzsequenzierung bei der Diagnostik und Stratifizierung im Bereich Tumorerkrankungen erläuterte Prof. Holger Sültmann, Deutsches Krebsforschungszentrum Heidelberg. Dabei hob er den Begriff „Stratifizierende Medizin“ hervor. Diese legt somatisch molekulare Veränderungen, z.B. auf DNA-Ebene, zu Grunde um daraus die Krebsdiagnostik und Therapie abzuleiten, sowie eine Vorhersage über den Erfolg einer Therapie zu ermöglichen und Nebenwirkungen und Therapieversager zu reduzieren. Die Herausforderung bei Tumoren ist die sehr heterogene „Mutationslandschaft“. Jeder Tumor ist verschieden. Um Daten über die Mutationen von Tumoren auf genomischer, transkriptomischer und epigenomischer Ebene zu sammeln wurde das International Cancer Genome Consortium (ICGC) gegründet. Ziel ist es die charakteristischen Merkmale von 50 Tumorarten und ihrer Subtypen zu identifizieren. Zu diesem Zweck soll das Konsortium 25.000 Krebsgenome entschlüsseln. Aus diesen Daten sollen wichtige Informationen über die „Klonale Evolution“ der Tumoren und ihrer Metastasen gewonnen, neue Therapietargets identifiziert und damit Rückschlüsse erhalten werden, welche Therapien für einen Patienten erfolgversprechend sind. Dabei sollten auch nicht-kodierende Genabschnitte und sogenannte „surprise responder“ untersucht werden.

Disseminierte Tumorzellen (DTC) sind Zellen, die sich vom Primärtumor absiedeln und im Körper verbreiten. Eine adjuvante Therapie, also die unterstützende und ergänzende Therapie nach einer operativen Entfernung des Tumors, zeigt leider oftmals nur eine beschränkte Wirkung. Die Ursachen hierfür sind vielfältig. Metastasen unterscheiden sich aufgrund der „klonalen Evolution“ sehr häufig vom Primärtumor. Darunter versteht man einen dynamischen Prozess der fortlaufenden Mutation, Selektion, klonalen Expansion und genetischen Diversifikation. Die genetische Charakterisierung von disseminierten Tumorzellen kann daher wichtige Rückschlüsse für die Beurteilung der Aggressivität eines Tumors und dessen Behandlungsmöglichkeiten geben sowie neue Therapie-Targets identifizieren. Prof. Christoph Klein, Experimentelle Medizin der Universität Regensburg und Fraunhofer Projektgruppe entwickelt neue diagnostische Test, die die Einzelzellanalyse von disseminierten Tumorzellen ermöglicht. Durch eine Verlangsamung der klonalen Evolution mittels gezielter therapeutischer Eingriffe sieht er eine Chance die aggressive Ausbreitung von Tumorzellen und die Bildung von Metastasen zu erreichen.

Stammzellen und Regenerative Medizin

Weitere Trends bei der Entwicklung neuer Therapien stellen die Anwendung von Stammzellen und die Regenerative Medizin dar. Daraus ergeben sich völlig neue Möglichkeiten beim Gewebeersatz, der Erforschung komplexer Erkrankungen sowie der Rekonstruktion von Geweben auf biologischer Ebene.

Einer der bekanntesten Forscher auf dem Gebiet der Stammzellforschung ist Prof. Oliver Brüstle vom Institut für Rekonstruktive Neurobiologie der Universität Bonn. Durch der Einsatz von Stammzellen ergeben sich Perspektiven für die Entwicklung neuer Therapien bei Erkrankungen von Organen mit einem beschränkten Regenerationsvermögen, wie z.B. Gehirn, Herz und Pankreas. Mit der Verfügbarkeit humaner embryonaler Stammzellen (ESC) ist es möglich Neuronen, Kardiomyozyten (Herzmuskelzellen) und insulin-produzierende Zellen in vitro zu erzeugen.

Zellprogrammierung und die Generierung induzierter pluripotenter Stammzellen (iPSC) bieten die Möglichkeit zell-basierende Krankheitsmodelle zu entwickeln. Dies v.a. mit dem Hintergrund, dass es für humane Erkrankungen oftmals keine adäquaten Tiermodelle gibt. Oliver Brüstle und seinem Team ist die Entwicklung eines Verfahrens gelungen, das die Herstellung von sogenannten selbsterneuernden neuroepithelialen Stammzellen aus humanen ESCs und iPSCs ermöglicht. Damit lassen sich z.B. Alzheimer-spezifische Proteine untersuchen. Auch ist es möglich Krankheits-spezifische Neuronen und Gliazellen aus Patientenmaterial mittels Stammzelltechnologien zu generieren, um so patientenspezifische Testsysteme zur Verfügung zu stellen.

Mithilfe von embryonalen Stammzellen und der sogenannten 3D-Bioprinting-Technologie lassen sich dreidimensionale Leberzellverbände generieren. Die so erzeugten humanen Organmodelle können für die Entwicklung von Medikamenten genutzt werden. Das schottische Unternehmen Roslin Cellab aus Edinburgh war daran beteiligt. Auf längere Sicht lassen sich unter Umständen, laut Jason King, mit dieser Methode Organe für die Transplantation auf Bedarf herstellen.

Auch bei der Herstellung von patientenspezifischen Implantaten geht die Regenerative Medizin und das Tissue Engineering neue Wege. Einer der bekanntesten Vertreter ist Prof. Dietmar Hutmacher von der Queensland University of Technlogy, Brisbane, Australien. Anstelle des Einsatzes von Metallimplantaten verwendet er einen mehr biologischen Ansatz um Gewebestrukturen und deren Funktion zu rekonstruieren. Die Resektion maligner Tumore des Muskel-Skelett-Apparates, sogenannte Sarcome des muskuloskeletalen Systems, können zu einem Verlust großer Knochenbereiche führen, die nicht mehr durch den Körper regeneriert werden können. Durch Verwendung von hochauflösenden CT-Daten können Computermodelle und 3D-Modelle des betroffenen Bereiches generiert werden, mithilfe derer einerseits der exakte Resektionsbereich festlegt und andererseits dass exakte Passstück aus einer porösen Stützgerüststruktur (Scaffold) modelliert, konstruiert und hergestellt werden kann. Dieses bioabbaubare Scaffold ermöglicht das Einwachsen von Gewebe und gewährleistet die nötige Stabilität.

Prof. Matthias Schieker, Experimentelle Chirurgie und Regenerative Medizin, LMU München beschäftigt sich in einem Forschungsverbund mit der zellbasierten Regeneration im Alter. Im Zuge der alternden Gesellschaft nehmen degenerative Krankheiten wie Arthrose, Bandscheibenverschleiß und Degeneration der Sehnen zu. Diese verursachen jährlich direkte Krankheitskosten von ca. 29 Mrd. EUR. Auch bei Schieker steht die Knochenregeneration im Fokus. Diese Regeneration kann mit Stammzelltherapie, Tissue Engineering, Wachstumsfaktortherapie und Gentherapie erreicht werden. Knochenimplantate werden mittels Scaffolds und differenzierten Zellen hergestellt. Diese Scaffolds werden kontinuierlich mit Medium gespült um eine gute Sauerstoffversorgung im Inneren des Scaffolds zu erreichen.

Erste in der westlichen Welt zugelassene Gentherapie

Bei der Gentherapie wurde ein wichtiger Meilenstein erreicht. Mit Glybera wurde das erste gentherapeutische Medikament in der westlichen Welt zugelassen. Im 4. Quartal 2013 erfolgt die Markteinführung. Laut Jörn Aldag, uniQure, Amsterdam ist dies erst der Anfang. Glybera ist gegen eine seltene Krankheit des Fettstoffwechsels (Lipoprotein Lipase Defizienz, LPLD) gerichtet, aber in der Pipeline des Unternehmens befinden sich bereits weitere gentherapeutische Ansätze u.a. gegen Hämophilie, Porphyrie, Parkinson und Huntington. Im Falle der AAV-basierten Gentherapie von LPLD wird das dem Körper fehlende Gen wiederhergestellt und der Fettstoffwechsel stabilisiert.

 

 

Food & Nutrition – Inhaltsstoffe und personalisierte Konzepte für Gesundheit

Die Lebensstile der modernen Gesellschaft verändern sich immer schneller und stellen Gesellschaft, Industrie und Wissenschaft vor vielschichtige Herausforderungen. Globale Trends, die sich auf Gesundheit und Ernährung auswirken, sind u.a. die demographischen Entwicklung und alternde Bevölkerung in den Industrieländern, ausreichende Versorgung mit Nahrungsmittelrohstoffen sowie die Zunahme von Mobilität, Individualisierung und Singlehaushalten. Epidemiologische Studien zeigen zudem, dass ernährungsbedingte Erkrankungen wie Adipositas und Diabetes zunehmen; Risikofaktoren für Herzinfarkt sind stark assoziiert mit Ernährung. Die Zunahme der ernährungsbedingten Erkrankungen wirkt sich auch verstärkt auf die Kosten im Gesundheitssystem aus.

Die Lösung der Probleme verlangt einerseits nach wissenschaftsbasierten Ansätzen, bietet aber auch die Möglichkeit für neue Produkte und Märkte. Zielgruppenspezifische Ansätze für die unterschiedlichen Bedürfnisse der Konsumenten stellen ein mögliches Konzept dar. Darüber hinaus erlangt das Thema Prävention gerade bei ernährungsbedingten Erkrankungen zunehmend Bedeutung.

Mit neuen wissenschaftlichen Erkenntnisse, wie sie auf dem „Forum Life Science“ vorgestellt wurden sowie optimierten und leistungsfähigeren Technologien tragen die Biowissenschaften zum besseren Verständnis der Ernährung auf molekularer Ebene bei und bieten Lösungsansätze für Diagnostik, Lebensmittelprodukte und Dienstleistungen rund um das Thema „Food & Nutrition“.

Systembiologische Ansätze als Grundlage für personalisierte Ernährung

Nestlé sieht Ernährung als den Eckpfeiler für Gesundheit. Als Basis dient die Erforschung der Wechselwirkungen von Genen und Ernährung durch die Nutrigenomik sowie ein umfassendes Verständnis für den Einfluss von Mikronährstoffen auf die Gesundheit, so Prof. Werner Bauer, Nestlé. Diese Zusammenhänge zwischen Metabolismus, genetischer Prädisposition, Lebensstilfaktoren und Erkrankung werden am Nestlé Institute of Health Sciences mit Hilfe von Systembiologie und Omics-Technologien erforscht, um eine personalisierte Versorgung von Erkrankten zu entwickeln. Als Beispiel stellte Institutsleiter Dr. Emmanuel Baetge die Forschung an Diabetes vor. Hier versucht man auf molekularer und zellulärer Ebene bis hin zum gesamten Organismus den Erkrankungsmechanismus zu verstehen und relevante Targets zu identifizieren, um mit natürlichen Substanzen den Stoffwechsel zu kontrollieren sowie eine wissenschaftliche Basis für präventive Maßnahmen durch eine aktive Lebensweise zu liefern.

In diesem Zusammenhang erlangt die Untersuchung des humanen Darmmikrobioms stark an Bedeutung. Jeder Mensch hat sein „ganz persönliches“ Darmmikrobiom, das aus 1014 Zellen besteht. Antibiotika haben bekannterweise einen starken Einfluss auf die Zusammensetzung der Mikroorganismen, die tägliche Nahrungsaufnahme und Probiotika hingegen eine eher geringe Wirkung. Prof. Willem de Vos, Universität von Wageningen und Helsinki, erklärte, dass sich durch die spezifische Charakterisierung des humanen Darmmikrobioms und dessen quantitativer Analyse der mikrobiellen Zusammensetzung erst dessen genetisches Potential zeigen wird und damit die Grundlage für die Entwicklung neuer Lebensmittel und Pharmazeutika liefert. Eine zukünftige Anwendung als „next-generation“ Therapeutikum könnte die Entwicklung syntethischer Mikrobiome werden, um bakterielle Infektionen oder Erkrankungen wie das Metabolische Syndrom erfolgreich zu behandeln. Die wesentlich höhere Wirksamkeit solcher Behandlungen im Vergleich zu Antibiotika konnte erste kürzlich durch Stuhl-Transplantation gezeigt werden.

Bedeutung von Lebensmittelinhaltsstoffen für eine gesunde Ernährung

Ernährungswissenschaftler stimmen darin überein, dass es für eine gesunde Ernährung wichtig ist, nicht nur die Menge an Kalorien in den Lebensmitteln zu reduzieren, sondern vor allem die Konzentration an spezifischen Mikronährstoffen zu erhöhen. Prof. Peter Weber, DSM Nutritional Products, erläuterte am Beispiel von Vitamin D die Herausforderungen bei der ausreichenden Versorgung mit Mikronährstoffen. So stellt die unzureichende Versorgung sowohl in industrialisierten als auch Entwicklungsländern über alle Altersschichten hinweg ein Problem dar. Eine Konzentration von mehr als 75 nmol/l des Vitamin D Precursors 25(OH)-Dehydrocholesterol im Serum wäre eine optimale Versorgung. Um eine ausreichende Versorgung der Bevölkerung zu erreichen, ist es zukünftig wichtig, Lebensmittel mit hoher (Mikro-)Nährstoffdichte herzustellen und die Energiedichte zu verringern.

Die ausreichende Versorgung mit spezifischen Nährstoffen ist auch abhängig von deren Bioverfügbarkeit (Bioavailability). Das grundlegende Verständnis wie einzelne Nährstoffe resorbiert und verstoffwechselt werden und in die Zellen gelangen ist ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung von Lebensmitteln. Bioavailability beschreibt dabei welche Substanzen nach der Aufnahme durch die Darmwand (Absorption) in den Blutkreislauf gelangen. Die Herausforderung und Schlüsselaspekte bei der Produktion von funktionellen Lebensmitteln und Auslobung von Health Claims unter Einbeziehung der ADME (Adsorption, Dissemination, Metabolism, Excretion) Kriterien wurden von Dr. Guus Duchateau, Unilever, diskutiert.

Diese Aspekte spielen auch eine Rolle bei der Herstellung von Muttermilchersatzprodukten. FrieslandCampina verwendet hierzu als Ausgangsbasis Kuhmilch, wie Dr. Ellen van Leusen, darstellte. Da Kuhmilch aber eine andere Zusammensetzung an Inhaltsstoffen aufweist, wird diese auf die menschlichen Bedürfnisse durch Zugabe von u.a. Casein und Molkeproteinen,  mehrfach ungesättigten Fettsäuren und Lactoferrin  angepasst. Neue Forschungsdaten zeigen wichtige Funktionen von Milch-Oligosacchariden. Diese umfassen antiinflammatorische Wirkung, Infektreduktion und positive Effekte für den Aufbau der Darmflora mit Bifidobakterien. 150 bis 200 verschiedene Oligosaccharide stellen einen Anteil von 20 Prozent der Kohlenhydrate in der Milch. Aktuell stellen Galactooligosaccharide die beste Alternative da, um diese komplexe Zusammensetzung nachzubilden.

Einsatz wertgebender Inhaltsstoffe in Lebensmitteln

Das menschliche Geschmacksempfinden hängt sehr stark vom Geruchssinn ab. Circa zwei bis drei Prozent der menschlichen Gene kodieren für olfaktorische Rezeptoren. Diese G-Protein-gekoppelten Rezeptoren stellen eine der größten Genfamilien dar. Pro Neuron gibt es nur einen Rezeptortyp; dabei kann ein Geruchsstoff mehrere Rezeptoren aktivieren, aber auch ein Rezeptortyp durch verschiedene Geruchsstoffe aktiviert werden. Der Geruch von Lebensmitteln setzt sich aus einem komplexen Gemisch vieler Einzelkomponenten  zusammen. Mit Hilfe der Gaschromatographie-Olfaktometrie wurden aus den geschätzten 15.000 aktiven Verbindungen 200 Geruchsstoffe als Schlüsselkomponenten der Nahrungsmittel identifiziert, wie Prof. Thomas Hofmann von der Technischen Universität München erklärte. Weitere Studien zeigten, dass olfaktorische Rezeptoren auch in Immunzellen exprimiert werden und durch den Verzehr mancher Nahrungsmittel die Sekretion von Cytokinen stimuliert wird.

Bei der Herstellung von Lebensmittel mit funktionellen Inhaltsstoffen führen diese häufig zu ungewolltem Eigengeschmack. So schmecken manche Aminosäuren bitter. Die Maskierung solcher Geschmackseigenschaften stellt eine große Herausforderung dar und muss für jedes Produkt individuell angepasst werden. Dr. Jakob Ley von Symrise stellte die Entwicklung eines funktionellen Fruchtsmoothies für ältere Menschen vor, mit dem Muskel- und Knochenschwund vorgebeugt werden soll. Die gewählte Kombination von Fruchtaroma mit Bittermaskern und Süßverstärkern schnitt im Konsumententest sehr gut ab. Für solch ein optimiertes Produkt ist neben einem guten Produktdesign vor allem die Wahl der Geschmacksstoffe und –modulierer von großer Bedeutung.

Um neue Geschmacksstoffe zu identifizieren, hat das Biotechunternehmen B.R.A.I.N. neue Zelllinien mit Hilfe von Gene-Expression Profiling entwickelt, die auf immortalisierten Geschmackszellen aus Biopsieproben basieren. Diese Zelllinien exprimieren eine hohe Anzahl von Rezeptoren, darunter solche, die Bitterstoffe wie Coffeine oder Salicin, Fettsäuren, wie PUFA oder das Sättigungshormon Oxytocin wahrnehmen. Die Verwendung der humanen Geschmackszellen eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung neuer funktioneller Substanzen für Lebensmittel wie Dr. Andreas Hochheimer erläuterte.

Lebensmittel mit reduziertem Kaloriengehalt liegen im Trend. Die Reduktion von Zucker oder Fett hat aber oft Veränderungen von Geschmack und Textur zur Folge. Um dieses Empfinden den Erwartungen der Konsumenten anzupassen, werden bei der Herstellung von Lebensmittel mit reduziertem Fettgehalt verschiedene Technologien angewendet. Dr. Hermann Eibel von Mondelez/Kraft Foods stellte aktuelle Ansätze vor. So kann der Einsatz von bestimmten Milchfettfraktionen zur Geschmacksverbesserung beitragen und die Modellierung der ultrafeinen Fettmikrostruktur verbessert die cremige Textur. Auch die Verwendung von mikropartikulärem Molkeprotein und sehr kleiner Aggregate aus Casein tragen dazu bei, mit den natürlichen Milchinhaltsstoffen eine fettähnlich Wahrnehmung und damit ein gutes Mundgefühl und bessere Geschmacksfreisetzung zu erreichen. Mikrobielle Exopolysaccharide von Lactobacillus können die Viskosität verbessern.

Kundenspezifische Produkte und Geschäftsmodelle

Die Erkenntnisse aus den Ernährungswissenschaften und Medizin lassen sich in neue kundenspezifische Produkte wie Lebensmittel für eine bestimmte Zielgruppe oder elektronische Geräte zum Monitoring von Gesundheit und Ernährung umsetzen.
Ein Beispiel wie sich Erkenntnisse über die Wirkung funktioneller Inhaltsstoffe für kundenspezifische Produkte im Extremsportbereich anwenden lassen, wurde von Prof. Martin Halle, Technische Universität München, vorgestellt. In Studien wurde der Effekt funktioneller Inhaltsstoffe zur Vorbeugung von Infekten nach sportlichen Extremleistungen getestet. Hierbei wurde festgestellt, dass bei untersuchten Marathonläufern der Zusatz von Polyphenolen zu alkoholfreiem Weißbier akute Entzündungsreaktionen minimiert und Infektionen in einem Zeitraum von 5 bis 11 Tagen nach Belastung reduziert wurden. Polyphenole werden von verschiedenen Herstellern für Sportlernahrung inzwischen schon eingesetzt.

Ein weiteres Produktbeispiel im Bereich des Gesundheits- und Ernährungsmonitoring stellte Dr. Koray Karakaya von Philips vor. Hier werden tragbare elektronische Geräte entwickelt, um die eigenen körperliche Aktivität zu messen und aus diesen Messparametern Rückschlüsse über den eigenen Gesundheitszustand zu ziehen. Durch Überwachung der täglichen Kalorienzufuhr, körperlicher Aktivität und weiterer Indikatoren können so persönliche Maßnahmen für ein gesundes Leben getroffen werden.

 

 

Industrielle Biotechnologie – Strategien und Technologien für eine biobasierte Industrie

Die Vortragsreihe „Industrielle Biotechnologie“ unter dem Motto „Aufbruch zur Bioökonomie“ stellte Strategien und Konzepte für biobasierte Produkte vor und zeigte beispielhaft den aktuellen Stand und zukünftige Entwicklungspotentiale auf.

Gerade vor dem Hintergrund begrenzter fossiler Ressourcen, einer wachsenden Weltbevölkerung und einer drohenden Klimaänderung ist ein Strukturwandel zwingend notwendig. Die modernen Biowissenschaften erweisen sich dabei als unverzichtbare Wegbereiter. Sie ermöglichen biologische Ressourcen nachhaltig zu nutzen und erfolgreich in Bioraffinerien oder in chemische und branchenübergreifende Prozesse einzubringen.

Die von namhaften Experten vorgestellten Lösungsansätze zur industriellen Nutzung der nachwachsenden Rohstoffe für Chemikalien, Kraftstoffe und Hightech-Materialien belegen eindrucksvoll, wie die Herausforderungen des 21. Jahrhunderts angenommen und erfolgreich umgesetzt werden.

Neuartige Verfahren und Prozesse bedingen neu definierte Rahmenbedingungen und ganzheitliche Strategien. Dr. Hariolf Kottmann, CEO Clariant Internat. Ltd., sprach vom Paradigmenwechsel in der chemischen Industrie durch Nutzung der Biotechnologie und den Einsatz nachwachsender Rohstoffe.

Dieser von der Bundesregierung in der „Nationalen Forschungsstrategie BioÖkonomie 2030“ veröffentlichte Strukturwandel von der Erdöl- zur bio-basierten Industrie wurde von Dr. Henk van Liempt, BMBF, erläutert. Es gilt, die gesamte Wertschöpfungskette zu betrachten, Verantwortung für die globale Ernährung, den Klima- und Umweltschutz zu tragen sowie die Ressourcen effizient zu nutzen.

Dabei werden interdisziplinäre und internationale Interaktionen immer wichtiger und Kooperationen zwischen öffentlicher Hand und Wirtschaft gewinnen zunehmend an Bedeutung. Das entsprechende Konzept „Public-Private Partnership“ (PPP) im EU-Rahmenprogramm „Horizon 2020“ wurde von Kare Riis Nielson, Novozymes, thematisiert.

Die Vortragsreihe fokussierte weiterhin Biokraftstoffe und biobasierte Produkte der 2. und 3. Generation. Strategisch essentiell ist hier der Einsatz von Rohstoffen, die nicht mit der Lebensmittelproduktion konkurrieren und eine nachhaltige Nutzung von Agrar- und Waldflächen gewährleisten.

Prof. Dr. Andre Koltermann, Leiter Biotech & Renewables Center, Clariant, stellte das sunliquid-Verfahren vor, mit dem sich Zellulose-Ethanol aus Agrarreststoffen wie Getreide- oder Maisstroh herstellen lässt. Allein mit dem in der EU anfallenden Überschußstroh könnten rund 25% des für 2020 prognostizierten Benzinbedarfs gedeckt werden. Bereits im Juli 2012 hat Clariant in Straubing eine Demonstrationsanlage in Betrieb genommen, in der das Zellulose-Ethanol mit 95% geringeren CO2-Emissionen produziert wird.

Den Weg zur Lignocellulose-Bioraffinerie beschrieben Prof. Dr. Thomas Hirth, Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, und Dr. Markus Wolperdinger, Linde Engineering. Im Vortrag wurden verschiedene Konzepte zur Separierung und Gewinnung der primären Inhaltsstoffe von Lignocellulose-haltigen Ausgangsstoffen und zur Konversion biogener Rohstoffe in Zwischenprodukte diskutiert. Am Standort Leuna werden Holzabfälle vollständig genutzt, um daraus Lignin, Hemicellulose und Cellulose für Plattformchemikalien zu gewinnen.

Aber nicht nur pflanzliche Produkte werden als Rohstoffquellen verwendet, sondern auch Nebenprodukte und Abgase aus bestehenden Produktionsanlagen. Dr. Michael Köpke, Director Synthetic Biology von LanzaTech aus Neuseeland stellte ein Verfahren vor, bei welchem Mikroorganismen aus Abgasen, wie sie bei der Eisenverhüttung anfallen, Ethanol produzieren.

Ein neuartiges Verfahren für die Bioproduktion von Acetat aus CO2 entwickelte Prof. Dr. Dirk Weuster-Botz, Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik TU München. Traditionell wird die für die chemische Industrie wichtige Ausgangsverbindung Essigsäure hauptsächlich auf petrochemischer Basis hergestellt. Bei dem alternativen biotechnologischen Verfahren wandeln dagegen anaerobe Bakterien vom Stamm Acetobacterium woodii Wasserstoff und Kohlendioxid in Essigsäure um. Im Rahmen der Klimadiskussion kommt diesem CO2-bindenden Verfahren eine besondere Bedeutung zu.

Die Vision einer „synthetischen Biologie“ ist Wirklichkeit geworden. Prof. Dr. Petra Schwille, Director Dep. Cellular and Molecular Biophysics, MPI Martinsried, stellte die synthetische Biologie aus biophysikalischer Perspektive vor und präsentierte dabei faszinierende Momentaufnahmen der Zellteilungsmechanismen mit MinCDE Proteinen von E. coli.

Verschiedene Technologien für neue Bioprozesse und biobasierte Produkte finden bereits branchenübergreifend Einsatz und gelten als Hightech von morgen.

So entwickelte Dr. Gregg Whited, DuPont Industrial Biotechnology Research & Development, neue Technologien für die mikrobielle Produktion von Isopren für die Reifenherstellung aus nachwachsenden Rohstoffen.

Auch in der Verpackungsindustrie haben Biokunststoffe der 2. Generation bereits Einzug gehalten. Die "Drop-In"-Lösung erlaubt die Weiterentwicklung nachhaltiger PET-Verpackungen. Da die Biopolymere die gleichen Eigenschaften besitzen wie konventionelle Kunststoffe, lassen sie sich problemlos in bestehende Produktions-, Entsorgungs- und Recyclingprozesse integrieren, wie Dr. Klaus-Peter Stadler, Direktor Umwelt und Wasserressourcen Europa bei Coca Cola, berichtete.

Landebahn frei für nachhaltiges Fliegen! Neue Algen-basierte Prozesse machen die Biokerosin-Produktion möglich. Mit ihren am BICAS, dem "Bavarian International Campus Aerospace & Security" durchgeführten Forschungsarbeiten brachten Prof. Dr. Thomas Brück, Fakultät für Chemie TU München, und Dr. Andreas Schuster, EADS Deutschland, dem interessierten Auditorium den Traum vom nachhaltigen Fliegen näher.

Verschiedene Beiträge über die Einsatzmöglichkeiten von Hightech-Materialien aus dem Baukasten der Natur verdeutlichten das enorme Potential dieser Entwicklungen. Richard Berry, Vice President und CTO, Celluforce, zeigte beispielhaft die Anwendungsbreite der aus Holzfasern extrahierbaren nanokristallinen Cellulose auf, als Knochen- und Zahnersatz, als hochbelastbare Fasern im Textilbereich, aber auch als Pigment- und Farbenbestandteil. 

Selbst DNA-Moleküle werden als Material für nanoskalige Funktionselemente gehandelt und die „DNA-Nanotechnologie“ eröffnet ungeahnte Möglichkeiten, wie Prof. Dr. Friedrich Simmel, Physics of Biomolecular Systems TU München, beschrieb.

Die Entwicklung der industriellen Biotechnologie ist noch lange nicht zu Ende. Sie bietet nach wie vor interessante Zukunftsperspektiven für Wissenschaft und Industrie. Bleibt abzuwarten welche Innovationen der nächsten Generationen daraus hervor gehen.

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