Forschung im Fokus

Die Medizin der Zukunft ist biologisch. Um das Konzept biologischer Implantate und personalisierbarer Therapien Wirklichkeit werden zu lassen, optimieren Wissenschaftler am Fraunhofer IGB biologische Materialien für die Verarbeitung mit 3D-Druck-Verfahren. Bioprinting verfolgt das Ziel, genau wie das klassische Tissue Engineering auch, biologische oder biologisch funktionelle Gewebe im Labor herzustellen. Die gedruckten In-vitro-Gewebe sollen als Testsysteme Fragen zur Wirksamkeit von Wirkstoffkandidaten beantworten und damit helfen, Tierversuche zu ersetzen. Oder in Zukunft als biologische Implantate geschädigte Gewebe zur Regeneration anregen oder substituieren.

Immer mehr Menschen leben auf der Erde, die es mit Wasser, Nahrung, Energie und Konsumgütern zu versorgen gilt. Doch übermäßiger Ressourcenverbrauch und der Klimawandel führen dazu, dass Rohstoffe weiter zur Neige gehen, immer mehr Böden erodieren und Grundwasserreserven knapper werden. Wasser ist nicht nur unser wichtigstes Lebensmittel, sondern auch elementar für die Landwirtschaft oder den Energiesektor. Energie wiederum wird gebraucht, um Wasser aufzubereiten, zu transportieren und zu reinigen, um Dünger für die Landwirtschaft herzustellen und Nahrungsmittel zu produzieren. Mit integrierten Konzepten berücksichtigt das Fraunhofer IGB den Nexus der Ressourcen Wasser – Energie – Ernährung – Rohstoffe. Der Begriff »Nexus« kommt aus dem Lateinischen und bedeutet soviel wie Verknüpfung, Verbindung, Zusammenhang. Er bringt zum Ausdruck, dass die Ressourcen nicht unabhängig voneinander betrachtet werden können, auch wenn sie in getrennten Branchen bewirtschaftet werden. Die Nutzung der einen Ressource hat vielmehr immer auch Auswirkungen auf die anderen.

Für einen möglichst eindeutigen und spezifischen Nachweis von infektiösen Erregern entwickeln wir am Fraunhofer IGB molekularbiologische diagnostische Verfahren – auf Nukleinsäurebasis (Nachweisverfahren auf Basis der DNA-Hochdurchsatzsequenzierung, Lateral Flow Assay, diagnostische Microarrays) oder mittels zellulärer bzw. immobilisierter Reportersysteme (ImmuStick).

Für die Krankheitsprophylaxe sind Hygienevorkehrungen und bei Infektionserregern inklusive Viren Impfungen wesentliche vorbeugende Maßnahmen. Zudem müssen Bakterienfilme auf chirurgischen Geräten, aber auch in der Nahrungsmittelerzeugung, verhindert oder regelmäßig entfernt werden.

Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) hat die durch das neuartige Coronavirus SARS‑CoV‑2 ausgelöste Pandemie Covid‑19 als »Notfall für die öffentliche Gesundheit von internationalem Ausmaß« deklariert. Doch auch unabhängig von der Coronakrise sind Infektionen für viele Menschen eine Gefahr. So gehören nach Angaben der WHO in den nicht industrialisierten Ländern durch Bakterien, Viren und Parasiten ausgelöste Erkrankungen immer noch zu den häufigsten Todesursachen. An HIV/AIDS, Tuberkulose und Malaria etwa sterben weltweit fast fünf Millionen Menschen pro Jahr.

Bakteriophagen sind in einigen Ländern eine vielfach eingesetzte Alternative zu Antibiotika. Am IGB entwickeln wir Plattformen für das Engineering und die Herstellung von Phagen. Bei der Bekämpfung von Infektionen spielt das körpereigene Immunsystem eine zentrale Rolle. Die Forschung am Fraunhofer IGB fokussiert daher zudem auf das Screening immunmodulierender Wirkstoffe sowie auf Testsysteme zur Untersuchung der zellulären Mechanismen, die bei einer Infektion in Gang gesetzt werden.

Obwohl der grundlegende Mechanismus des Mikroalgenwachstums gut untersucht ist, gibt es nur wenige mathematische Modelle, mit denen das Mikroalgenwachstum abgebildet werden kann. Solche Modelle sind vor allem für die Kultivierung von Mikroalgen im großen Maßstab wichtig und dienen als Basis für ein robustes, prädiktives Steuerungssystem. Zur Vorhersage des Wachstumsverhaltens der Mikroalge Phaeodactylum tricornutum im Freiland werden am Fraunhofer IGB Methoden des maschinellen Lernens eingesetzt.

Was auf Ebene der Kommunen nur langsam oder erst durch den Druck gesetzlicher Verordnungen umgesetzt wird, hat in vielen Produktionsstätten der prozessorientierten Industrien längst Einzug gehalten. Denn steigende Rohstoffpreise und Kosten bei der Abwasserentsorgung machen die Aufbereitung und Wiederverwendung von Prozesswässern und -abwässern und die Rückgewinnung von Hilfs- und Prozessstoffen für die Unternehmen zu einer wirtschaftlich attraktiven Herausforderung.