Forschen • Ausbilden • Vernetzen
Für eine nachhaltige Bioökonomie

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IBG-1: Systembiotechnologie | Forschungszentrum Jülich

 

Prof. Dr. Wolfgang Wiechert

Prof. Dr. Marco Oldiges
Dr. Stephan Noack
Prof. Dr. Dörte Rother
Prof. Dr. Martina Pohl
Dr. Katharina Nöh

Homepage der Core Group

 

Forschungsthemen und Profil (mit Bezug zur Bioökonomie)

Das IBG-1:Biotechnologie am Forschungszentrum Jülich arbeitet auf dem Gebiet der Industriellen Biotechnologie und schlägt damit die Brücke zwischen der Bereitstellung und dem Aufschluss nachwachsender Rohstoffe auf der einen Seite sowie der Herstellung hochwertiger chemischer Produkte für die Bioökonomie auf der anderen Seite. Die Arbeiten im Themenfeld „Systembiotechnologie“ (Prof. Wiechert) am IBG-1 verfolgen das übergeordnete Ziel der Gewinnung eines vertieften quantitativen Verständnisses von Enzymen und Mikroorganismen im Hinblick auf die Optimierung industrieller Produktionsprozesse. Die Systembiotechnologie befasst sich in diesem Rahmen mit der Entwicklung und Anwendung innovativer Methoden zur Charakterisierung von Stoffwechselnetzwerken in ganzen Zellen sowie Reaktionskaskaden in zellfreien Systemen. Hierfür kommt eine umfangreiche massenspektrometrische Plattform zum Einsatz mit einem Fokus auf quantitative Metabolom-, Fluxom- und Proteom-Analyse.

Die Kultivierungsplattform für die Charakterisierung von Produktionsorganismen sowie die Entwicklung und Optimierung biotechnologischer Prozesse reicht von Mikrokultivierungsgeräten und Laborbioreaktoren bis hin zum 100 L Technikumsmaßstab. Ergänzend hierzu werden Einzelzelluntersuchungen mit Hilfe von speziell hierfür entwickelten mikrofluidischen Chips durchgeführt, um zellinterne Vorgänge unter Prozessbedingungen direkt beobachten zu können. Dies schließt die Entwicklung genetisch codierter intrazellulärer Biosensoren in enger Kooperation mit anderen Arbeitsgruppen aus dem Themenfeld Systemische Mikrobiologie ein.

Weiterhin werden in der Systembiotechnologie umfangreiche Arbeiten zur Biokatalyse durchgeführt. Technisch relevante Enzyme werden quantitativ charakterisiert und gezielt modifiziert. Enzymtoolboxen erlauben die Entwicklung neuer Mehrschrittverfahren zur Synthese hochwertiger Moleküle. Die Prozessentwicklung baut auf einem integrierten Enzym- und Prozess-Design in Verbindung mit innovativen Immobilisierungsmethoden auf.

Ein besonderer Schwerpunkt der Arbeiten im Themenfeld Systembiotechnologie liegt auf der Miniaturisierung, Automatisierung und Digitalisierung in der Bioprozessentwicklung mit dem Ziel einer deutlichen Erhöhung des Durchsatzes im Vergleich zu klassischen laborskaligen Ansätzen und einer deutlich engeren Integration von Stamm- und Prozessentwicklung (integriertes Stamm- und Prozessdesign). Ermöglicht werden diese Entwicklungen durch eine umfangreiche Labor-Robotik-Plattform. Die in Verbindung mit der Analytik-Plattform generierten Daten sind für eine effiziente manuelle Auswertung viel zu umfangreich, so dass eine durchgehende Digitalisierung von biotechnologischen Entwicklungsprozessen notwendig ist. Dazu werden Schnittstellen- und Datenmanagement-Standards entwickelt und mit modernen datenwissenschaftlichen Werkzeugen wie z.B. dem maschinellen Lernen, Methoden zur Unschärfe-Quantifizierung sowie intelligenten Versuchsplanungsalgorithmen kombiniert. Es entsteht ein geschlossener Design-Built-Test-Learn Kreislauf bis hin zum Fernziel des autonomen Experimentierens.

Die auf diese Weise gewonnen Daten werden übergreifend für die Generierung eines systembiologischen Verständnisses bzw. die mechanistische Prozessbeschreibung verwendet, wobei mehrskaliger mathematischer Modelle zur Beschreibung von biochemischen Netzwerken und industriellen Bioprozessen zum Einsatz kommen, oft unter Nutzung der Höchstleistungsrechner des Forschungszentrums Jülich. Alle Arbeiten münden schließlich in einer auf einem vertieften Verständnis beruhenden Bioprozessentwicklung für die industrielle Anwendung.

Beiträge zum BioSC

Das IBG-1:Biotechnologie am Forschungszentrum Jülich arbeitet auf dem Gebiet der Industriellen Biotechnologie und schlägt damit die Brücke zwischen der Bereitstellung und dem Aufschluss nachwachsender Rohstoffe auf der einen Seite sowie der Herstellung hochwertiger chemischer Produkte für die Bioökonomie auf der anderen Seite. Im Themenfeld Systembiotechnologie geht es schwerpunktmäßig um technische Aspekte der durch systembiologische Konzepte getriebenen Prozessentwicklung, Automatisierung, Daten- und Simulationswissenschaften oder mikrofluidischer Systeme sowohl in der Anwendung auf mikrobielle als auch enzymatische Prozesse.