Industrie + Technik

Prof.Dr.

Japan setzt auf Mikroorganismen, Pflanzen und bessere Produktionsverfahren. Zudem soll eine Infrastruktur Unternehmen, Wissenschaft und staatliche Stellen verbinden, um mehr Biotechverfahren zu entwickeln.<p>Japan hat ein starkes verarbeitendes Gewerbe und behauptet sich damit als Produktionsstandort in einer Weltwirtschaft, die zunehmend vom Dienstleistungssektor bestimmt wird. Zu den Merkmalen der japanischen Industrie gehören:</p><p><list><listitem>das Streben nach Perfektion (japanisch: kaiseki),</listitem><listitem>die Offenheit für Innovationen, verbunden mit der Bereitschaft, neue Märkte zu erschließen, und</listitem><listitem>die Bereitschaft zur Zusammenarbeit mit Konkurrenten in der Entwicklung von Techniken.</listitem></list></p><p>Die japanische Fermentationsindustrie ist gewachsen aus der Massenproduktion von Sake, Bier, Sojasauce, Glutamat, Enzymen und anderen Bioprodukten. Davon ausgehend sind neue Biotechnikmethoden in die japanische Industrie eingezogen (<link href="#nadc20234134081-tbl-0001">Tabelle unten). Das Industrie- und Handelsministerium Meti fördert dieses Geschehen über sein Projekthaus Nedo durch Partnerschaften zwischen öffentlich finanzierter Wissenschaft und privater Industrie (research associations).</p><tabular xml:id="nadc20234134081-tbl-0001"><label>1</label><h2group><h2 type="tabularName">Tab.</h2><h2 type="main">Öffentlich-private Partnerschaften in der Biotechnik.</h2><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/pacrTpFkQ5OqCYOOskPU"></h2group></tabular><p>Seit Jahrzehnten haben sich hunderte von Unternehmen, Start-ups und Hochschulen zu Forschungsverbünden zusammengeschlossen. Das hat neue Techniken verbreitet und zu einem Netzwerk persönlicher Beziehungen geführt.</p><p>Nikkei Biotech, ein spezialisierter Dienst des Nikkei-Verlags, schätzt den japanischen Markt für Biotechprodukte im Jahr 2022 auf etwa 6,654 Trillionen Yen, ungefähr 46,4 Mrd. Euro.<sup>1)</sup> Fast 40 Prozent davon entstammen biopharmazeutischen Produkten, 30 Prozent Geräten und Dienstleistungen und nur 10 Prozent Produkten der chemischen Industrie wie Aminosäuren oder Waschmittelenzymen. Das will die japanische Regierung mit seiner im Jahr 2019 aufgelegten Strategie zum Aufbau „der fortschrittlichsten Bioökonomie der Welt“ ändern und damit die japanische Wirtschaft unabhängiger von fossilen Rohstoffen machen.<sup>2)</sup> Vor allem mittelständische Unternehmen nutzen Biotechverfahren noch wenig.</p><h2 type="main">Das Smart-cell-industry-Projekt</h2><p>Japans Bioökonomie-Strategiepapier enthält als Kernelement die „biodigitale Integration“: Durch Kombination genetischer Methoden mit Bioinformatik sollen Mikroorganismen, Pflanzen und Enzyme so schnell wie möglich zu leistungsfähigen Biokatalysatoren entwickelt werden; damit soll die Industrie ihren Grundstoffbedarf auf biobasierte Ausgangsstoffe umstellen.</p><p>Das Projekthaus Nedo hat dazu für den Zeitraum von 2020 bis 2026 einen Plan erstellt, für den etwa 15 Mrd. Yen an überwiegend staatlichen Zuschüssen zur Verfügung stehen (etwa 105 Mio. Euro); diese Förderung soll Bioökonomieprodukte im Wert von etwa 50 Mrd. Euro liefern, deren Produktion dann jährlich 3,67 Mio. Tonnen CO<sub>2</sub> einspart.<sup>3)</sup></p><p>Das Projekt ist in standardisierte Prozessmodelle gegliedert, die Ökobilanzierungen enthalten (life cycle assessment, LCA). Es besteht aus fünf Clustern, die Unternehmen und ihren akademischen Partnern für Projektarbeiten und Trainings zur Verfügung stehen (open innovation, <link href="#nadc20234134081-tbl-0002">Tabelle, S. 41 oben).</p><tabular xml:id="nadc20234134081-tbl-0002"><label>2</label><h2group><h2 type="tabularName">Tab.</h2><h2 type="main">Fünf Cluster und ein Fortbildungsmodul zeigen Biotechnikmethodern für die Industrie.</h2><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/oFwjIGhlTyOzI5qgRWEr"></h2group></tabular><p>Die Japan Bioindustry Association hat eine Übersicht des Projekts in englischer Sprache veröffentlicht.<sup>4)</sup> Bebilderte Übersichten in japanischer Sprache skizzieren dessen Kernelemente.<sup>5,6)</sup></p><h2 type="main">Eine Bioschmiede</h2><p>In der „Kansai Biofoundry“ in Kobe entstehen optimierte Genome von Mikroorganismen oder Gene, die für ein bestimmtes Enzym kodieren. Dazu gehören vier Schritte (Kasten): Design auf Grundlagen der Bioinformatik, Synthese der so entworfenen Gensequenzen im Hochdurchsatz, Erfolgskontrolle in biologischen Tests und zyklisches Verbessern des Genoms oder Gens.</p><p>Eine solche Bioschmiede steht an der Universität Kobe mit eigener Technik zur Synthese langkettiger DNA. Die Werkbank produziert rekombinante Mikroorganismen und misst deren Stoffwechselprodukte. Der Leiter, Akihiko Kondo, führt in Personalunion ein zweites Forschungslabor für Zellfabriken an Japans Großforschungseinrichtung Riken. Unternehmen können beide Einrichtungen als Pilotlabor nutzen (<link href="#nadc20234134081-tbl-0003">Tabelle rechts oben).</p><tabular xml:id="nadc20234134081-tbl-0003"><label>3</label><h2group><h2 type="tabularName">Tab.</h2><h2 type="main">Themen der Werkbank Kansai BioFoundry in Kobe.</h2><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/XXzqwO4kTJq8W6d0KwkP"></h2group></tabular><h2 type="main">Datengesteuerte Methoden</h2><p>Zur Entwicklung von Zellfabriken gehört, Proteinfunktionen vorherzusagen, Stoffwechselmodelle zu verbessern, kinetische Parameter zu schätzen, nicht natürliche Biosynthesewege zu entwickeln und den Stoffwechsel zu optimieren (metabolic engineering).</p><p>Um hierfür eine japanweite Wissensgrundlage und ein Managementsystem zu schaffen, haben sich zwei Konsortien gebildet. Eines steht unter Leitung von Jun Ogawa an der Universität Kyoto und umfasst 27 Universitäten und 32 Unternehmen. Das andere konzentriert sich unter Akihiko Kondo mit fünf Universitäten und sechs Unternehmen auf Bioinformatik. Es sucht nach Enzymsequenzen, die in der Natur nicht vorkommen, aber eine bestimmte Selektivität aufweisen. Diese lassen sich dann am Chassis natürlicher Enzyme synthetisch herstellen.</p><h2 type="main">Das Handwerk beherrschen</h2><p>Hochleistungsstämme sind eine notwendige, aber keine hinreichende Voraussetzung für eine wirtschaftliche Bioproduktion. Zudem muss der Herstellprozess im Bioreaktor nach den Regeln der Handwerkskunst (japanisch: monozukuri) optimiert werden. Das Meti fördert deshalb am Osaka Institute of Technology<sup>7)</sup> und nördlich von Tokio in der Kanto Biofoundry Base die „Entwicklung von Produktionstechnologien für biobasierte Produkte zur Beschleunigung des Kohlenstoffrecyclings“.</p><p>Projektleiter in der Region Kanto ist das Green Earth Institute. Dieses betreibt in der Präfektur Chiba bei Tokio Demonstratoren für mikrobielle Bioproduktionsprozesse. Das Biotechunternehmen Kyowa Hakko Bio unterstützt es dabei. Prozesse zur Medienoptimierung (upstream) und Aufarbeitung (downstream) sollen ebenso optimiert werden wie die Produktbildung durch schlaue Zellen im Bioreaktor. Bis zum Jahr 2026 will man so mindestens 16 Bioprozesse für die Kommerzialisierung aufrüsten. Zurzeit bearbeitete Prozesse zeigt die <link href="#nadc20234134081-tbl-0004">Tabelle unten.</p><tabular xml:id="nadc20234134081-tbl-0004"><label>4</label><h2group><h2 type="tabularName">Tab.</h2><h2 type="main">Demonstrationsprojekte für mikrobielle Bioproduktionsprozesse.</h2><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/tgEvbeAaQr2hwU1Fj122"></h2group></tabular><p>In einer künftigen Bioökonomie werden Wertstoffe auch mit gentechnisch veränderten Pflanzen hergestellt werden, etwa für die Synthese therapeutischer Antikörper, für humane und Tierimpfstoffe, für Arzneimittelvorstufen, Kosmetika und Lebensmittelsatzstoffe. Diesen Projektteil leitet Norihiko Fukuzawa am Bioproduction Research Institute der staatlichen Forschungsorganisation Advanced Industrial Science and Technology (AIST) in Sapporo, Präfektur Hokkaido.</p><p>Ziel ist der Bau einer Pilotanlage, in der bis zu 100 Kilogramm Pflanzenmaterial pro Tag aufgearbeitet werden können. Als schlaue Zelle dient hier die aus Australien stammende Tabakpflanze <i>Nicotiniana benthamiana</i>. Die schnelle Optimierung der Produktbildung wird durch transiente Expression eines rekombinanten Herpesvirus-Vektors (Zytomegalievirus, CMV) induziert. Bisher sind zwei Unternehmen und zwei Universitäten an diesem Teilprojekt beteiligt.</p><h2 type="main">Bioökonomie entwickeln</h2><p>Zu den Schwierigkeiten beim Aufbau einer Bioökonomie gehört, dass kleineren Unternehmen meist das Umfeld für Forschung und Entwicklung sowie das Fachpersonal für eine Bioproduktion fehlen. Mit einem Sonderprogramm fördert Nedo deshalb seit Ende 2022 die Ausbildung von Bioingenieuren bei zunächst 61 Teilnehmern. Die Bioschmieden sollen zudem später Trainees aufnehmen.</p><p>Japan hat für den Aufbau einer Bioökonomie einen Forschungsverbund geschaffen, der größere und kleinere Unternehmen, Universitäten und Großforschungseinrichtungen einbindet. Methoden und Daten stehen allen Teilnehmern offen. Die Biokatalysatorenherstellung liegt in je einem Zentrum für Mikroorganismen und für transgene Pflanzenzellen; die Bioprozessentwicklung läuft in zwei Einrichtungen in den Ballungszentren von West- und Ostjapan.</p><p>Vom Jahr 2020 bis Ende 2022 haben die Projektpartner 27 japanische Patente, 8 ausländische und 10 Patente nach dem internationalen Patentzusammenarbeitsvertrag (Patent Cooperation Treaty, PCT) veröffentlicht sowie 48 wissenschaftliche Publikationen und 159 Tagungsberichte. Diese Zahlen werden in den nächsten Jahren zunehmen – über die 16 Projekte bis zum Jahr 2026 hinaus. Denn das Projekt soll Wirtschaft und Gesellschaft helfen, die Ziele des Pariser Protokolls zu erreichen.</p><p>Nun hat Nedo diesem Projekt einen weiteren Baustein hinzugefügt: Es geht um „schlaue Mikroorganismen und Algen“, die CO<sub>2</sub>-Emissionen aus Kraftwerken in Wertstoffe umwandeln. Dazu werden sie in der Bioschmiede präpariert. Zu den Projektteilnehmern gehören Kaneka mit Pharmazwischenprodukten, das Spezialchemieunternehmen Daicel und der Kunststoffhersteller Sekisui. Für die Projektarbeiten bis zum Jahr 2030 stellt Nedo etwa 1,8 Mrd. Yen zur Verfügung (zirka 12,6 Mio. Euro).</p><p>Rolf Schmid ist Geschäftsführer von Bio4Business in Stuttgart und Spezialist für Entwicklungen der Biotechnologie in Japan und China. <a href="https://www.bio4business.eu" target="_blank">www.bio4business.eu</a></p><p>Zu vielen der genannten Projekte gibt es Pressemitteilungen in japanischer Sprache, die beim Autor abgerufen werden können.</p><h2 type="main">INFO: Schlaue Zellen</h2><p>Unter schlauen Zellen (smart cells) verstehen japanische Biowissenschaftler Mikroorganismen oder Pflanzen, deren Genome mit synthetischer Biologie so verändert wurden, dass sie nur einen einzigen Wertstoff in hohen Ausbeuten bilden. Dazu wird ihre genetische Ausstattung in vielen schnellen Zyklen nach dem Trial-and-error-Verfahren (<link href="#nadc20234134081-fig-0001">Grafik, Test) verändert und dabei die Ausbeuten des Wunschprodukts gesteigert. Experimentell setzt man synthetisch hergestellte DNA ein, deren Codierung häufig auch genetische Information aus anderen Organismen enthält, denn der genetische Code ist universell (Grafik, Build). Ohne umfangreiche Datenbanken über die Genomsequenzen und den Stoffwechsel vieler Mikroorganismen und Pflanzen wäre das nicht möglich. Diese großen Datenmengen (big data) werden mit Bioinformatik analysiert und bilden die Konstruktionsvorlage für die Bioschmiede (Grafik, Design und Learn).</p><figure xml:id="nadc20234134081-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/yafqOJQY2iE7BBObRfWQ"><figcaption><label>Abb.1: </label>Optimierte Genome oder Gene, die für ein bestimmtes Enzym kodieren, entstehen in vier Schritten: designen, bauen, testen, verbessern. Grafik: Uni Kobe, <url href="http://t1p.de/rp3ta"><a href="https://t1p.de/rp3ta" target="_blank">t1p.de/rp3ta</a></url></figcaption></figure></figure><ul class="references" cited="no" xml:id="nadc20234134081-bibl-0001" style="numbered"><li xml:id="nadc20234134081-bib-0001"><sup>1 </sup> <a href="https://bio.nikkeibp.co.jp/atcl/report/16/082400016/121500265/" target="_blank">bio.nikkeibp.co.jp/atcl/report/16/082400016/121500265/</a></li><li xml:id="nadc20234134081-bib-0002"><sup>2 </sup> R. Schmid, Nachr. Chem. 2019, 67(9), 36</li><li xml:id="nadc20234134081-bib-0003"><sup>3 </sup> <a href="https://nedo.go.jp/activities/ZZJP_100170.html" target="_blank">nedo.go.jp/activities/ZZJP_100170.html</a></li><li xml:id="nadc20234134081-bib-0004"><sup>4 </sup> <a href="https://jba.or.jp/nedo_smartcell/en/proof/" target="_blank">jba.or.jp/nedo_smartcell/en/proof/</a></li><li xml:id="nadc20234134081-bib-0005"><sup>5 </sup> <a href="https://nedo.go.jp/content/100948488.pdf" target="_blank">nedo.go.jp/content/100948488.pdf</a></li><li xml:id="nadc20234134081-bib-0006"><sup>6 </sup> <a href="https://nedo.go.jp/content/100951572.pdf" target="_blank">nedo.go.jp/content/100951572.pdf</a></li><li xml:id="nadc20234134081-bib-0007"><sup>7 </sup> <a href="https://oit.ac.jp/english/index.html" target="_blank">oit.ac.jp/english/index.html</a></li><li xml:id="nadc20234134081-bib-0008"><sup>8 </sup> <a href="https://gei.co.jp/en/" target="_blank">gei.co.jp/en/</a></li></ul>

Bioökonomie in Japan

Bioschmieden und Handwerkskunst

Japan setzt auf Mikroorganismen, Pflanzen und bessere Produktionsverfahren. Zudem soll eine Infrastruktur Unternehmen, Wissenschaft und staatliche Stellen verbinden, um mehr Biotechverfahren zu entwickeln.Japan hat ein starkes verarbeitendes Gewerbe und behauptet sich damit als Produktionsstandor...

<p><b>Wasser im Weltraum</b> | Astronom:innen haben mit dem Atacama large millimeter-submillimeter array (Alma) gasförmiges Wasser in der planetenbildenden Scheibe um den Stern V883 Orionis entdeckt (<link href="#nadc20234136247-fig-0001">Abbildung). Da sich H<sub>2</sub>O und D<sub>2</sub>O unter unterschiedlichen Bedingungen bilden, eignet sich ihr Verhältnis, um festzustellen, wann und wo das Wasser entstanden ist. So ähnelt dieses Verhältnis etwa in einigen Kometen des Sonnensystems dem des Wassers auf der Erde. Das deutet darauf hin, dass Kometen Wasser auf die Erde gebracht haben könnten. Dies unterstützt die Idee, dass das Wasser auf der Erde älter ist als unsere Sonne.</p><figure xml:id="nadc20234136247-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/vHJsHbdS56TkyjpxCGwQ"><figcaption><label>Abb.1: </label>Wasser (im Ausschnitt) in der planetenbildenden Scheibe um den Stern V883 Orionis. Bild: ESO / L. Calçada</figcaption></figure></figure><p><b>Lavahöhlen erkunden</b> | Ein europäisches Roboterteam erkundet autonom eine Lavahöhle auf Lanzarote und soll so Langzeitmissionen auf dem Mond vorbereiten. Denn die Lavahöhlen auf dem Mond gelten als mögliche Basislagerorte. Das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz koordiniert ein Projekt, das zeigt, wie ein Team aus drei autonomen Rovern den Eingang einer Lavahöhle erkundet und durch Abseilen eines Roboters in das Innere vordringt.</p><p><b>Leben auf fremden Planeten</b> | Ein Team des Max-Planck-Instituts für Astronomie hat einen Exoplaneten von der Masse der Erde entdeckt, der in der Zone des roten Zwergsterns Wolf 1069 kreist. Das Team ist optimistisch, dass der Exoplanet über einen großen Bereich seiner Tagseite dauerhafte lebensfreundliche Bedingungen bieten könnte. Daher ist der Planet eines der wenigen vielversprechenden Ziele für die Suche nach Anzeichen für Lebensbedingungen und Biosignaturen.</p><p><b>Ferrofluid-Experimente</b> | Ein Experiment von Studierenden der Universität Stuttgart fliegt zur Internationalen Raumstation ISS. Ziel ist es, mechanische Teile wie Schalter in der Raumfahrt durch weniger verschleißanfällige und zuverlässigere Techniken zu ersetzen. Ferrofluide sind Flüssigkeiten mit magnetischen Partikeln, die auf externe Magnetfelder reagieren (<link href="#nadc20234136247-fig-0002">Foto). Getestet werden ein thermischer Schalter, der die Übertragung von Wärme zwischen zwei Bauteilen regelt, ein elektrischer Schalter, der einen Stromkreis schließen und öffnen soll, sowie ein System zur Lageregelung von Kleinsatelliten.</p><figure xml:id="nadc20234136247-fig-0002"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/m1dwVzNtSVWrL0MYlnAd"><figcaption><label>Abb.2: </label>Ferrofluide bilden flüssige Stacheln, die den Feldlinien starker Magnetfelder folgen. Foto: Leon Habermalz, Philipp Kimmerle / KSat e.V. / Universität Stuttgart</figcaption></figure></figure><p><i>Maren Bulmahn</i></p>

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