Vorhersage-Tools für die Biotechnologie

Megatrend Digitalisierung

Die Digitalisierung ist derzeit ein Megatrend, der nahezu alle Branchen erfasst und häufig auch mit dem Begriff Industrie 4.0 einhergeht bzw. assoziiert wird. Durch die Etablierung einer Industrie 4.0 sollen Prozesse effizienter und kostenoptimiert ablaufen, wovon die Biotechnologie-Branche auf Grund ihrer hohen Forschungs-, Entwicklungs- und Produktionskosten übermäßig stark profitieren könnte. Das Netzwerk möchte diesen Trend in den beiden großen Anwendungsfeldern der Biotechnologie, der Industriellen Biotechnologie/Nachhaltigen Bioökonomie und der Individualisierten Medizin/Medizintechnik, mitgestalten.  

Ziel des Netzwerks ist es dabei nicht nur Prozesse zu automatisieren, sondern Vorhersage-Tools zu entwickeln, um Prozesse in der Forschung, Entwicklung und Produktion sowie in der medizinischen Diagnostik und Therapie prädiktiv zu beschreiben und optimierend zu beeinflussen. Insofern ist für das Netzwerk die Digitalisierung kein Selbstzweck, sondern durch die Nutzung von Computer-basierten Vorhersage-Tools soll ein weiterer Mehrwert geschaffen werden. 

Synergien zwischen Biotechnologie- und IT-Branche

Um die Ziele des Netzwerks zu erreichen, haben sich Partner aus der Biotechnologie- und IT-Branche zusammengeschlossen um Vorhersage-Tools spezifisch für die Optimierung von Produktionsorganismen und Fermentationsprozessen oder auch die Identifikation von Biologicals zu entwickeln. Auch eine Nutzung in der Medizintechnik, z.B. für die Glukose-Regelung im individuellen Patienten ist möglich.

Die im Netzwerk angestrebten Vorhersage-Tools beruhen auf wissensbasierten, mathematischen bzw. (bio-)informatischen Modellen und sollen in Software- und ggf. Hardware-Lösungen integriert werden. Dabei wird das Netzwerk auch moderne Methoden aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz nutzen, um aussagekräftige Computermodelle zu generieren und die immer größeren vorhandenen Datenmengen aus der Literatur zu integrieren. Nur durch eine Zusammenarbeit von Biotechnologen und IT-Experten ist es möglich, die Menge des bereits vorhandenen Wissens zu nutzen, um plausible Prädiktionen zu erhalten.

Digitalisierung für eine Nachhaltige Bioökonomie

Moderne Ansätze der Bioökonomie zielen auf eine nachhaltige Form des Wirtschaftens ab, also der effizienten und umweltfreundlichen Nutzung von biologischen Ressourcen. Dabei sollen vorzugsweise Produktionsrouten etabliert werden, in denen die eingesetzten Rohstoffe nach Produktnutzung wieder möglichst vollständig in den Produktionsprozess zurückgelangen, um so eine Kreislaufwirtschaft zu etablieren. Die Umsetzung der Idee einer so verstandenen Bioökonomie kann v.a. durch Methoden der Industriellen Biotechnologie erreicht werden, d.h. durch die Umwandlung von nachwachsenden Roh- und Reststoffen in Basis- und Spezialchemikalien mittels Zellen, meist Bakterien, Hefen und Mikroalgen, oder isolierter Enzyme. Die Wettbewerbsfähigkeit von Produkten der Industriellen Biotechnologie gegenüber traditionellen, erdölbasierten Erzeugnissen ist jedoch bislang wegen der noch nicht optimierten Herstellungsrouten noch gering. Eine Strategie zur Erhöhung der Wettbewerbsfähigkeit ersterer ist die Idee, verschiedene Roh- und v.a. Reststoffe jederzeit je nach Verfügbarkeit und Preise für die Produktion flexibel einzusetzen und so effizient und v.a. kostenoptimiert produzieren zu können. Dazu eignet sich die Digitalisierung bzw. das „Industrie 4.0“-Konzept insbesondere in Kombination mit den in „MoDiPro“ angestrebten Vorhersage-Tools. Bei der Industrie 4.0 werden die beteiligten Entitäten (z.B. Maschinen, Mensch (z.B. Produzenten, Konsumenten) innerhalb eines Produktionsprozess digital vernetzt. Auf diese Weise können individuelle Teilnehmer des Produktionsprozesses solide, wissensbasierte Handlungsentscheide treffen.  

Digitalisierung für eine moderne Medizintechnik

Die Individualisierte Medizin und Medizintechnik hat zum Ziel, Krankheiten unter Einbeziehung individueller Gegebenheiten des Patienten zu diagnostizieren und zu behandeln. Dadurch soll die Behandlung von Patienten deutlich verbessert, und durch Vermeidung unnötiger/falscher Therapien sollen gleichzeitig Kosten im Gesundheitssektor gesenkt werden. Auch in diesem Anwendungsfeld bietet sich die Nutzung von den in „MoDiPro“ entwickelten Vorhersage-Tools an, erlauben sie doch eine Prädiktion über eine Krankheitswahrscheinlichkeit, ihren Verlauf sowie den Behandlungserfolg. 

Arbeitsziele

Das ZIM-Kooperationsnetzwerk „MoDiPro“ leistet mit seinen Arbeiten wichtige Beiträge:  

1. zur Verzahnung der industriellen biotechnologischen Produktion mit modernster prädiktiver Informations- und Kommunikationstechnik (Industrie 4.0). Dadurch sollen Produktions- und Entwicklungskosten optimiert und biobasierte Produkte wettbewerbsfähiger werden.  

2. zur Entwicklung neuer Computer-basierter Diagnosetools, digitaler Entscheidungshilfen sowie smarter Medizingeräte für eine auf den individuellen Patienten zugeschnittene Behandlung (Individualisierte Medizin/ Medizintechnik).