Zwei Nachwuchswissenschaftlerinnen des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) bauen mit Förderung der Carl-Zeiss-Stiftung eigene interdisziplinäre Arbeitsgruppen auf. Dr. Laura Marie Helleckes will darin Skalierungsprobleme in der Entwicklung biotechnologischer Produktionsprozesse früher sichtbar machen, während Dr. Bianca Schacherl mit modernen Röntgenverfahren radioaktive Stoffe in biologischen Proben untersucht, um Erkenntnisse für die Krebstherapie zu gewinnen.
Beide Vorhaben laufen im Förderprogramm CZS Nexus, das Forschungsideen an den Schnittstellen der MINT-Disziplinen unterstützt. Auf die Projekte SELF-SCALE und Bio-ALMS entfallen jeweils rund 1,5 Millionen Euro, mit denen die Forscherinnen über mehrere Jahre hinweg arbeiten können.
Automatisierte Labore und KI-Modelle gegen Skalierungsprobleme
Skalierungsprobleme entstehen in der industriellen Biotechnologie unter anderem deshalb, weil sich das Verhalten biologischer Systeme unter Produktionsbedingungen oft erst bei Versuchen im größeren Maßstab zeigt. Die Branche nutzt Mikroorganismen und Enzyme, um Medikamente, Materialien und Chemikalien ressourcenschonender herzustellen. Viele dieser Prozesse funktionieren im kleinen Labormaßstab gut, lassen sich aber nur schwer auf industrielle Anlagen übertragen. Auffällig werden die Schwierigkeiten dadurch häufig erst in der späten Entwicklungsphase, in der notwendige Änderungen teuer und aufwendig sind.
Im Projekt SELF-SCALE verknüpft Helleckes deshalb Experimente unterschiedlicher Größenordnungen miteinander. Dafür liefern automatisierte Laborplattformen fortlaufend Messdaten. KI-Modelle werten diese aus und schlagen vor, welche Experimente als Nächstes wichtige Informationen liefern können. Auf diesem Weg sollen sich Skalierungsprobleme bereits während der Entwicklung abzeichnen und nicht erst beim Übergang in die Produktion.
„Unsere Forschung verbindet Biotechnologie mit Künstlicher Intelligenz und Laborautomatisierung“, erläutert Helleckes. „So wollen wir Fehlentwicklungen früher erkennen und Ressourcen in der Entwicklung schonen, um biotechnologische Verfahren schneller in die industrielle Anwendung zu bringen.“ Helleckes wechselt im Februar 2027 ans KIT zum Institut für Funktionelle Grenzflächen.
Förderung für Ideen an den Schnittstellen der MINT-Fächer
Das Programm CZS Nexus richtet sich an junge Wissenschaftler, die Ideen an den Schnittstellen zwischen verschiedenen MINT-Fachdisziplinen umsetzen wollen. Die Carl-Zeiss-Stiftung fördert damit Forschung und Lehre in Mathematik, Informatik, Naturwissenschaft und Technik. Wer aufgenommen wird, kann eine eigene interdisziplinäre Forschungsgruppe aufbauen und wird so auf dem Weg in eine wissenschaftliche Karriere unterstützt. Pro Nachwuchsgruppe stehen bis zu 1,5 Millionen Euro für fünf bis sechs Jahre bereit.
„Ich gratuliere Laura Marie Helleckes und Bianca Schacherl zu dieser Förderung. Ihre Projekte zeigen, wie neue Forschungsfragen an den Schnittstellen verschiedener Disziplinen entstehen“, sagt Professor Stefan Hinz, Vice Provost Wissenschaftlicher Nachwuchs des KIT. „Wir freuen uns, dass die beiden Wissenschaftlerinnen ihre Ideen und Arbeiten in selbstständigen Forschungsgruppen am KIT verfolgen können.“
Röntgenverfahren erfassen radioaktive Stoffe im Nanometerbereich
In der Nuklearmedizin kommen für Diagnose und Behandlung unter anderem radioaktive Isotope aus den Gruppen der Lanthanide und Actinide zum Einsatz. Krebs ist in Deutschland die zweithäufigste Todesursache und gehört damit zu den größten gesundheitlichen Herausforderungen. Offen ist bislang, wo sich die eingesetzten Stoffe in Zellen und Geweben anreichern, in welcher chemischen Form sie vorliegen und welche Veränderungen sie auslösen.
Schacherl vom Institut für Nukleare Entsorgung des KIT entwickelt im Projekt Bio-ALMS deshalb einen Ansatz, um die Wechselwirkungen radioaktiver Elemente in biologischen Proben umfassender zu untersuchen. Gemeinsam mit einem interdisziplinären Forschungsteam nutzt sie dafür moderne Röntgenverfahren, die räumliche, chemische und biologische Informationen erstmals gleichzeitig erfassen und miteinander verknüpfen.
„Mit Bio-ALMS entwickeln wir mehrere spektromikroskopische Plattformen, mit denen wir Zellen bis in den Nanometerbereich untersuchen können“, sagt Schacherl. „Die innovativen Verfahren bieten Anwendungsmöglichkeiten über Nuklearmedizin und Toxikologie hinaus, von individuell angepassten Krebstherapien bis hin zur Umwelt- und Materialforschung.“
