Mikrobielle Biofabriken für die industrielle Bioökonomie

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert auf der Grundlage der Förderrichtlinie Mikrobielle Biofabriken für die industrielle Bioökonomie FuE-Vorhaben mit dem Ziel, neue, robuste und vielseitig anwendbare Mikroorganismen für die industrielle Biotechnologie zu identifizieren und zu Plattformorganismen für die industrielle Nutzung in einer Bioökonomie weiterzuentwickeln. Dabei reichen die möglichen FuE-Aktivitäten von der Entwicklung von Hochdurchsatz-Screening-Methoden über die Charakterisierung und genetische Optimierung der Mikroorganismen bis zur Entwicklung innovativer Verfahrens- und Kultivierungskonzepte. Die Adressierung zentraler Fragestellungen und bekannter Hemmnisse der aktuellen biotechnologischen Produktion sowie ein vielfältiges Anwendungsspektrum der neu zu identifizierenden Organismen und der zu entwickelnden Technologien sollen dabei im Vordergrund der Forschung stehen. Mithilfe der BMBF-Forschungsförderung soll das Spektrum existierender, biotechnologisch genutzter Mikroorganismen und Verfahren und ihrer korrespondierenden Produkte erweitert werden. Die Effizienz der Verfahren soll gesteigert und die Attraktivität und Wirtschaftlichkeit der Anwendung von Bioprozessen in der Produktion vergrößert werden.

Gegenstand der Förderung

Im Fokus der Maßnahme steht die Förderung von FuE-Vorhaben zur Identifizierung und Etablierung neuer, mikrobieller Biofabriken für den Einsatz in der industriellen Biotechnologie. Mithilfe innovativer FuE-Ansätze sollen Mikroorganismen identifiziert, charakterisiert und für den industriellen Einsatz als Plattformorganismen in einer Bioökonomie optimiert werden. Im Rahmen der Forschungsarbeiten soll ferner die Entwicklung von Technologien zur Durchmusterung im Hochdurchsatz, zur genetischen Erschließung und Optimierung der Mikroorganismen mithilfe molekularbiologischer Methoden und zur Kultivierung in innovativen Bioprozessen gefördert werden. Die geförderten Vorhaben können sowohl grundlagennah als auch anwendungsorientiert sein. Sie müssen das Potenzial für eine industrielle Anwendung mit einem signifikanten Mehrwert gegenüber aktuellen Lösungen besitzen. Sowohl die entwickelten Technologien als auch die im Kontext der Forschungsarbeiten zu optimierenden Mikroorganismen sollen variabel und breit in der industriellen Produktion einsetzbar sein. Die gewählten Forschungsthemen und ‑ansätze sollen dabei zentrale Hemmnisse aktueller biotechnologischer Verfahren adressieren und hierzu korrespondierende Lösungsansätze erarbeiten. Die gezielte Anpassung und Optimierung bereits hinreichend erforschter und im biotechnologischen Einsatz befind­licher Mikroorganismen steht nicht im Fokus der Fördermaßnahme.

Vor diesem Hintergrund sollen im Rahmen der Maßnahme FuE-Ansätze gefördert werden, die mindestens einem der folgenden drei thematischen Schwerpunkte zugeordnet werden können:

• a) Identifikation und Charakterisierung neuer Mikroorganismen für die industrielle Produktion, 
• b) Weiterentwicklung der Mikroorganismen zu neuen Plattformorganismen für den Einsatz in der industriellen Produktion, 
• c) Entwicklung innovativer Verfahrenskonzepte und Technologien zur Kultivierung neuer Plattformorganismen. 

Im Folgenden wird die Zielsetzung innerhalb der thematischen Schwerpunkte weiter ausgeführt. Alle angeführten Beispiele für Technologien und Fragestellungen verstehen sich als beispielhaft. 

Zu Buchstabe a: Identifikation und Charakterisierung neuer Mikroorganismen für die industrielle Produktion

Zur Erweiterung des Organismenspektrums für die industrielle Biotechnologie sollen aus der Vielzahl mikrobieller Spezies (z. B. Bacteria, Archaea, Fungi, Mikroalgen) bislang nicht genutzte Organismen identifiziert und im Hinblick auf ihr Potenzial zum Einsatz in biotechnologischen Prozessen charakterisiert werden. Dabei können hierzu notwendige Technologien entwickelt bzw. verbessert werden. Das könnte beispielsweise auch die Analyse und Charakterisierung von DNA-Bibliotheken und Metagenom-Proben aus bisher wenig untersuchten Habitaten in automatisierten Hochdurchsatzverfahren zur nachfolgenden biotechnologischen Nutzung beinhalten. Insbesondere die Integration der bei der Analyse von Metagenomen anfallenden enormen Datenfülle, aber auch experimentelle Schwierigkeiten im Umgang mit bisher nicht oder nur schwer kultivierbaren, genetisch meist schwer zugänglichen Organismen sind eine Herausforderung.

Zu Buchstabe b: Weiterentwicklung der Mikroorganismen zu neuen Plattformorganismen für den Einsatz in der industriellen Produktion

Für den variablen Einsatz in industriellen Verfahren müssen Mikroorganismen hohe Anforderungen im Hinblick auf ihr Substratspektrum, ihre Produktivität sowie ihre Handhabbarkeit im industriellen Umfeld erfüllen. Produktionsrelevante Eigenschaften zu optimieren, ist daher ein wichtiger Schritt zur Etablierung neuer Plattformorganismen. Ausgangspunkt für eine Etablierung können sowohl vollkommen neuartige Mikroorganismen (siehe thematischer Schwerpunkt Buchstabe a) als auch bereits bekannte, aber nicht intensiv beforschte Mikroorganismen sein. Um einen gentechnologischen Zugang zu ermöglichen, gilt es zunächst geeignete molekularbiologische und biotechnologische Werkzeuge zur gezielten Modifikation zu etablieren. Moderne Methoden des Metabolic Engineering und des Genome Editing (z. B. CRISPR/Cas9-Verfahren) tragen gemeinsam mit den Erkenntnissen der Systembiologie dazu bei, notwendige Modifikationen zu identifizieren und gezielt in die potenziellen Produktionsstämme einzuführen. Auch Ansätze zur Reduktion der Genome im Sinne von Minimal Genomes sind denkbar. Die Ansätze sollen dazu beitragen, die Mikroorganismen im Vergleich zu bekannten Produktionsstämmen sowohl bezogen auf die Produktivität und Ausbeute als auch im Hinblick auf die Widerstandsfähigkeit (Resilienz) gegenüber variablen Kulturbedingungen und nicht zuletzt im Hinblick auf eine verbesserte Handhabbarkeit im biotechnologischen Prozess zu optimieren. Ferner sind Anpassungen von Interesse, die zur verbesserten mikrobiellen Verwertung alternativer Substrate, wie etwa industrielle Neben- und Abfallströme oder C1-Körper (wie beispielsweise Kohlendioxid oder Methan), beitragen. Die Vergrößerung des Substrat­spektrums ist im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit von Bioprozessen von zentraler Bedeutung und bietet zudem die Möglichkeit, Zielkonflikte mit der Nahrungsmittelerzeugung zu vermeiden.

Zu Buchstabe c: Entwicklung innovativer Verfahrenskonzepte und Technologien zur Kultivierung neuer Plattformorganismen

Um die Vorteile der neuen Plattformorganismen vollständig nutzen zu können, müssen gegebenenfalls auch die Produktionsverfahren entsprechend angepasst werden. Insbesondere die Entwicklung von Kultivierungsmöglichkeiten für derzeit nicht oder nur schwer kultivierbare Mikroorganismen steht dabei im Fokus. Eine verfahrenstechnische Herausforderung stellt auch die Kultivierung von mikrobiellen Organismen unter Nutzung gasförmiger Substrate dar. Die Anpassung und Neuentwicklung von Kultivierungstechniken und Bioreaktoren ist dabei ebenso wichtig wie die Etablierung neuartiger Prozessstrategien. So könnte die Co-Kultivierung verschiedener Mikroorganismen die Möglichkeit zur Erhöhung der Stabilität und Produktivität eines Prozesses bieten. Die dabei vorgenommene Aufteilung einzelner ­Syntheseschritte auf mehrere spezifische Organismen kann helfen, die Grenzen der metabolischen Flexibilität einzelner Stämme zu überwinden. Durch die Entwicklung von Strategien und Technologien zur industriellen Nutzung von Bio­filmen könnten biotechnologische Prozesse gegebenenfalls kontinuierlich durchgeführt werden. In der Summe würde dies über die Steigerung der Produktivität und die Einsparung von Reinigungsschritten zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit von Bioprozessen beitragen.

Zuwendungsempfänger & ‑bestimmungen

Antragsberechtigt sind Hochschulen und außerhochschulische Forschungs- und Wissenschaftseinrichtungen sowie in der Regel kleine und mittlere Unternehmen (KMU) der gewerblichen Wirtschaft in der Europäischen Union.

Gefördert werden Einzel- oder Verbundvorhaben, die durch ein hohes wissenschaftlich-technisches Risiko gekennzeichnet sind. Die Partner eines Verbundprojekts regeln ihre Zusammenarbeit in einer schriftlichen Kooperationsvereinbarung.

Verfahren

Das Antragsverfahren ist zweistufig angelegt.