IME Jahresbericht 2007 - Fraunhofer IME - Fraunhofer

Transcrição

Fraunhofer IME
Jahresbericht 2006
Annual Report 2006
Jahresbericht / Annual Report 2006
Jahresbericht 2006
Fraunhofer-Institut für
Molekularbiologie und
Angewandte Oekologie
IME
Annual Report 2006
Fraunhofer Institute for
Molecular Biology and
Applied Ecology IME
Division of Applied Ecology
Schmallenberg
Fraunhofer Center for Molecular
Biotechnology, Delaware
Division of Molecular Biology
Aachen
Vorwort
Das Jahr 2006 stand für das IME im
Zeichen der Aufnahme der Forschungs
aktivitäten im Neubau in Aachen.
Mitte des Jahres war der Umzug der
Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter
des Bereichs Molekularbiologie in die
neuen Labor- und Büroräume abgeschlossen. Nach erfolgreicher Qualifizie
rung der Geräte und der GMP-Anlage
steht als letzte Hürde die Zulassung
der Multipurpose GMP-Pilotanlage be
vor, um unseren Kunden ab Mitte 2007
die GMP-konforme Produktion und
Reinigung rekombinanter Proteine für
die klinische Forschung anbieten zu
können.
Ein weiteres Highlight im Bereich Mole
kularbiologie war die erfolgreiche
Beteiligung an je einem neuen MAVOund MEF-Projekt. Die FuE-Aktivitäten
in der weißen Biotechnologie, einem
der 12 FIT-Themen der FraunhoferGesellschaft, wurden durch die Einstellung von Dr. Stefan Jennewein sowie
weiteren Mitarbeitern weiter ausgebaut.
Zudem wurden strategische Weichenstellungen für zukünftige Aktivitäten in
der Systembiotechnologie vorgenommen. In diesem Kontext konnte von
der EU ein weiteres Forschungsprojekt
zum „Glyco-Engineering“ rekombinanter
Proteine gesichert werden.
Das Fraunhofer CMB erhielt Mitte 2006
die Zusage für die zweite Finanzierungsrunde mit einer Zuwendung vom Vorstand der Fraunhofer-Gesellschaft und
dem State of Delaware in Höhe von
15 Million USD für die nächsten 5 Jahre.
Neben diversen Drittmittelprojekten
erhielt das CMB von der Bill & Melinda
Gates Stiftung zwei weitere finanzielle
Unterstützungen zur kosteneffektiven
und schnellen Herstellung von Influ
enza- und Malaria-Impfstoffen. Diese
Förderung wurde mit einem großen
Bericht in der FAZ gewürdigt.
Aus der Vielzahl der Präsentationen und
Publikationen, die im Jahr 2006 ver
IME-Jahresbericht 2006
öffentlicht wurden, sind insbesondere
Veröffentlichungen in Vaccine, FASEB
Journal und Plant Physiology erwähnenswert sowie auch die Organisation
der zweiten Fraunhofer-USA Konferenz
„New Cells for New Vaccines“ in
Miami, Florida, USA. Eine Analyse von
Bild der Wissenschaft und dem Projekt
träger Jülich belegte eindrucksvoll die
wissenschaftliche Zusammenarbeit und
Produktivität von molekularbiologischen Abteilungen der RWTH Aachen
und des Fraunhofer IME: RWTH und
IME belegten die Plätze 3 und 4 nach
der Anzahl der Veröffentlichungen zur
Grünen Gentechnik in den Jahren 2001
bis 2005. Wir sind bestrebt, diese Tendenz in den Folgejahren weiter fortzusetzen.
und Wirkung in der Umwelt vorgelegt
werden müssen. Das IME nutzte 2006,
um sich auf die neue Chemikalienverordnung vorzubereiten und der Industrie beratend und experimentell zur
Seite stehen zu können. Auf Grund
unserer Struktur und Erfahrung sehen
wir unsere Stärke vor allem in der Be
arbeitung „schwieriger“ Substanzen,
die für eine Routineprüfung in Auftrags
labors nicht in Frage kommen.
Der Bereich Angewandte Oekologie des
IME war im vergangenen Jahr vor allem
mit zwei Themen stark in den Medien
vertreten. Nachdem im Sommer in der
Ruhr und im Möhnesee erhöhte Konzentrationen von perfluorierten organischen Tensiden (PFT) gefunden wurden,
erregten im Herbst die von Greenpeace in Auftrag gegebenen Analysen
des IME von Pommes Frites hohe Aufmerksamkeit. Es sei aber betont, dass
nach dem jetzigen Wissensstand die ge
fundenen Konzentrationen kein Risiko
für Verbraucher darstellen. Als zweites
Thema fanden die Untersuchungen
des IME zur möglichen ökotoxikologi
schen Wirkung von Nanopartikeln, ins
besondere die Veröffentlichung zu den
Effekten von nanopartikulärem Titan
dioxid auf das Wachstum von Algen
hohe Beachtung. Das IME ist in weitere
nationale und internationale Aktivitäten
eingebunden, die die Wirksamkeit und
das Umweltverhalten von mit Nano
partikeln behandelten Oberflächen er
fassen.
Ich danke allen Partnern aus Industrie,
Behörden, Universitäten und For
schungsinstituten für das Vertrauen,
das sie uns auch im vergangenen Jahr
entgegen gebracht haben.
Das am IME entwickelte Verfahren zur
Tierartendifferenzierung in Lebensund Futtermitteln wurde auf andere
Bereiche übertragen, so dass jetzt auch
Anwendungen bei der Authentizitäts
prüfung von Produkten (z. B. Wolle)
und im Artenschutz möglich sind.
Ein besonderer Dank gilt Prof. Andreas
Schäffer für seinen Einsatz für den
Bereich Angewandte Oekologie in den
vergangenen Jahren. Herr Schäffer
scheidet zum April 2007 aus der
Bereichsleitung aus.
Danken möchte ich an dieser Stelle
auch allen Mitarbeiterinnen und Mit
arbeitern des IME für Ihre herausragen
den Leistungen im Jahr 2006.
Aachen und Schmallenberg,
April 2007
Prof. Dr. Rainer Fischer
Am 1. Juni 2007 wird die neue europä
ische Chemikalienverordnung REACH
in Kraft treten. Damit werden für viele
Substanzen erstmals Daten zu Verbleib
Preface
During 2006, research activity began
at the new IME building in Aachen.
In the summer, the Molecular Biology
Division completed its move into the
new laboratories and offices, and after
successful qualification of the laboratory equipment and GMP building, the
only hurdle that remains is accreditation
of the multipurpose GMP pilot facility.
When this is accomplished, hopefully
by summer 2007, the IME will be able
to offer its clients a GMP-compliant
production and purification facility for
clinical grade recombinant proteins.
Further highlights for the Molecular
Biology Division in 2006 included successful participation in new MAVO and
MEF projects. R & D activities in white
biotechnology, one of 12 FIT subjects
supported by the Fraunhofer-Gesellschaft, were strengthened by recruiting
Dr. Stefan Jennewein to the IME team.
Strategic decisions were taken to
support future activities in the field of
systems biotechnology, resulting in the
acquisition of an EU-funded project
dealing with the glyco-engineering of
recombinant proteins.
The Fraunhofer CMB secured its second
round of financing in 2006, and will
now receive $US 15 million in basic
funding over 5 years from the Fraunhofer Executive Board and the State of
Delaware. The CMB also attracted
further external funding, including two
more grants from the Bill & Melinda
Gates Foundation for the development
of plant-based production systems for
influenza and malaria vaccines. This
achievement was recognized in an ex
tensive FAZ report.
The IME produced many publications
in 2006, with those appearing in
Vaccine, FASEB Journal and Plant
Physiology worthy of special mention.
IME researchers presented data at a
number of international meetings, and
organized the second Fraunhofer-USA
Conference entitled ,New Cells for
New Vaccines’ in Miami, Florida, USA.
The successful and productive collaboration between the IME and RWTH
Aachen was recognized in an analysis
published in the journal ,Bild der
Wissenschaft’ based on data from the
project executive organisation Jülich.
The RWTH and IME ranked third and
fourth, respectively, based on the
number of publications in the field of
green genetic engineering between
2001 and 2005. We will endeavour
to continue this trend in the years to
come.
The Applied Ecology Division was well
represented in the media in 2006,
reflecting two major stories of public
interest – the detection of increased
concentrations of perfluorinated organic surfactants in the River Ruhr and
Lake Möhne during the summer, and a
Greenpeace-sponsored study of
French fries, which was carried out at
the IME in the autumn. Although perfluorinated tensides were found in
French fries, the study concluded there
was no risk to consumers. A further
IME study dealing with the ecotoxicological effects of nanoparticles attract
ed significant attention, particularly a
publication describing the effects of
titanium dioxide on algae. The IME is
involved in a number of national and
international projects monitoring the
activity and environmental behaviour
of nanoparticle-treated surfaces.
mental behaviour of many substances
for the first time. The Applied Ecology
Division used 2006 to prepare for the
new Directive, so that it will be able
to assist industrial clients by offering
consultation as well as help carrying
out experimental work. Our infrastructure and experience is well suited to
the handling and testing of ,difficult’
substances, i. e. those that fall without
the scope of routine testing in contract
laboratories.
I thank all our partners from industry,
agencies, universities and research
institutes for their confidence in our
services over the past year.
I especially thank Professor Andreas
Schäffer for his input in the Applied
Ecology Division over the past years.
Prof. Schäffer has resigned his position
as Division Director in April 2007.
Thank you also to all the staff at the
IME for their outstanding efforts in
2006.
Aachen and Schmallenberg,
April 2007
The Applied Ecology Division also successfully adapted a DNA-based method
for identifying animal species in food
and feed, developed at the IME, so
that it could be applied in other fields
(such as species protection and proving
the authenticity of wool products).
The new European Chemical Directive
REACH will come into force on July 1st
2007. This means that data will need to
be submitted on the fate and environ-
IME Annual Report 2006
Inhalt
Vorwort
2
Das Institut im Profil
8
Aufgaben, Schwerpunkte, Kompetenzen
8
Molekularbiologie
8
12
Organigramm
14
Kuratorium
16
Zukunftsfelder – Weiße Biotechnologie
18
Forschungs- und Dienstleistungsangebot
22
Molekularbiologie
22
26
Ausstattung des Instituts
30
Das Institut in Zahlen
32
Die Fraunhofer-Gesellschaft auf einen Blick
34
Fraunhofer-Verbund Life Sciences
36
Forschungsarbeiten und Anwendungen
39
Erste komplexe Ansätze zur Manipulation des Isoprenoidstoffwechselweges
in Pflanzen
40
Klonales Zellkultursystem
42
Antikörper-konjugierte Kontrastmittel zur optischen Bildgebung
44
Molekulares Farming – Produktion und Charakterisierung des
Tumor-spezifischen Antikörpers M12 in Pflanzen
46
Mediendesign zur Produktion von Full-size Antikörpern in
Pflanzensuspensionskultur
48
Contents
Preface
3
Fraunhofer IME Profile
9
Operational and Scientific Approach, Competencies
9
Molecular Biology
9
Applied Ecology
13
Organization
15
Advisory Board
17
Future Technologies – White Biotechnology
19
Research and Development for Industrial and Public Partners
23
Molecular Biology
23
Applied Ecology
27
Institute Facilities and Equipment
31
Institute Data 2006
33
The Fraunhofer-Gesellschaft at a Glance
35
Fraunhofer Life Sciences Alliance
37
Research Activities and Applications
39
Isoprenoid Metabolic Engineering – First Steps towards Complex
Triterpenoid Manipulations in Plants
41
Clonal Cell Line Technology (CCLT)
43
Antibody-based Targeted Contrast Agents for Optical Imaging
45
Molecular Farming – Production and Characterization of the
Tumour-specific Antibody M12 in Plants
47
Media Design to Improve the Production of Monoclonal Antibodies
in Plant Suspension Cultures
49
Inhalt
Gewässerüberwachung – Monitoring in alternativen Kompartimenten
50
Risikoanalyse für aquatische Makrophyten – Was kommt nach dem
Lemna-Test ?
52
Nachweis von Arsenspezies in biologischen Proben – ein wichtiges
Werkzeug im Umweltmonitoring
54
Begrenzung von Schadstoffeinträgen bei Bewirtschaftungsmaßnahmen
in der Landwirtschaft bei Düngung und Abfallverwertung
56
Ökotoxizität von sprengstofftypischen Verbindungen und deren Metaboliten 58
Nachweis der Verfälschung von Produkten aus Kaschmirwolle –
Authentizitätsprüfung
60
Perfluorierte Tenside in Lebensmitteln
62
Namen, Daten, Ereignisse
64
Das Fraunhofer Center for Molecular Biotechnology CMB, Delaware
64
Presseschau
66
Qualitätssicherung
68
Total E-Quality
68
Bestenehrung für Auszubildende
68
Wissenschaftliche Zusammenarbeit und Kooperationen
70
Mitarbeit in Fachorganisationen und Gremien
72
Ausrichtung von Veranstaltungen, Präsentation auf Messen
und Ausstellungen
73
Wissenschaftliche Veröffentlichungen
74
Veröffentlichungen 74
Patente
76
Doktorarbeiten
76
Diplom-, Bachelor- und Master-Arbeiten
77
Vorträge und Poster
77
Impressum, Kontakt
Contents
Water Monitoring – Surveillance in Alternative Compartments
51
Risk Assessment for Aquatic Macrophytes – Refinement of Assessments
Based on the Lemna Test
53
Detection of Arsenic Species in Biological Samples – An Important Tool in
Environmental Monitoring
55
Limitating the Accumulation of Hazardous Substances in Agricultural Soils
through Fertilizer Application
57
Ecotoxicity of Explosives and Their Metabolites
59
Detection of Fake Products Made of Cashmere Wool – Authenticity Check
61
Perfluorinated Tensides in Food
63
Names, Dates, Events 65
Fraunhofer Center for Molecular Biotechnology CMB, Delaware
65
Press Review
67
Quality Assurance
69
Total E-Quality
69
Certificate for Excellent Examination
69
Network in Science and Industry
71
Memberships of Editorial Boards and Committees
72
Organization of Scientific Meetings; Presentations at Fairs and Exhibitions
73
Scientific Publications
74
Publications
74
Patents
76
Doctoral Theses
76
Diploma, Bachelor and Master Theses
77
Presentations and Posters
77
Editorial Notes, Contact
Aufgaben,
Schwerpunkte,
Kompetenzen
Pharmazeutische
Biotechnologie
Molekularbiologie
Industrielle
Biotechnologie
Fraunhofer
IME
Umweltchemie
Das IME umfasst die beiden Bereiche
Molekularbiologie und Angewandte
Oekologie. Die interdisziplinäre Organi
sation des Instituts ermöglicht eine
bereichs- und schwerpunktübergreifen
de Bearbeitung komplexer Projekte,
bei Bedarf auch in Kooperation mit ex
ternen Instituten.
Mit den Arbeitsgebieten in der „Mole
kularen Biotechnologie“ bietet das IME
der Pharma-, Agro- und Ernährungsin
dustrie eine auf die Auftragsforschung
hin angelegte Einheit an, die Forschungsund Entwicklungsaufgaben sowie Servicearbeiten übernimmt. Dadurch sollen
die Markteinführung neuer Produkte
und Verfahren beschleunigt, neue Quer
schnittstechnologien entwickelt und
durch eigene Schlüsselpatente abge
sichert werden.
Abteilung des Weiteren mit der Ent
wicklung eines alternativen Systems
zur stabilen Transformation einzelner
Pflanzenzellen.
Ein zusätzlicher Schwerpunkt dieses
Geschäftsfeldes liegt in der Identifika
tion und Charakterisierung von Bio
materialien sowie neuer Substanzen
und Targets für die pharmazeutische
Produktentwicklung und den modernen
Pflanzenschutz. Hierzu werden mittels
der Hochdurchsatzanalytik (2D-Analy
tik, Chiptechnologien und kombinatorische Bibliotheken) aus verschiedenen
Organismen neue Zielsubstanzen
identifiziert und in Zusammenarbeit
mit den anderen Geschäftsfeldern auf
potenzielle Wirksamkeiten sowie deren
Applikation getestet.
Jüngst konnte eine alternative Methode
zur Erzeugung veränderter Pflanzen
ohne Gentechnik etabliert werden (Tilling). Unter Verwendung dieser Metho
de konnten Amylose-freie Kartoffel
pflanzen erzeugt werden.
Unsere Aktivitäten liegen insbesondere
in den Bereichen:
Pharmazeutische Produkt
entwicklung
Funktionelle und Angewandte
Genomforschung
Monoklonale Antikörper (mAk) haben
in den letzten Jahren eine breite An
wendung in der medizinischen Diag
nostik und Therapie gefunden. Die
Verfahren zur Produktion von mAk in
tierischen Zellkulturen sind sehr arbeitsbzw. zeitaufwändig und teuer, insbesondere wenn größere Mengen des
Produkts bereitgestellt werden müssen.
Einen Ausweg weisen jüngste Fort
schritte in der Immunologie und Mole
kularbiologie.
Hauptschwerpunkte der Abteilung sind
daher sowohl die Entwicklung neuer
Antikörper-basierter Wirksubstanzen
für den klinischen Einsatz bei Mensch
und Tier als auch die Optimierung
wirtschaftlich etablierter bzw. pharmazeutisch relevanter Diagnostika und
Therapeutika. Antigen-spezifische und
potenziell neue Wirksubstanzen werden
aus immunisierten Tieren vor allem
Ökologie
Ökotoxikologie
Molekularbiologie
Die heterologe Expression rekombinanter Proteine in mikrobiellen, tierischen
und pflanzlichen Zellkulturen gehört zu
den grundlegenden Techniken der
„Molekularen Biotechnologie“. Ent
scheidend für die effiziente Durchfüh
rung ist die Bereitstellung neuer Metho
den zur Transformation und Expression
sowie leistungsfähiger Zellkulturen.
Die Abteilung hat ein neuartiges Ver
fahren zur Auffindung verbesserter
Kontrollelemente (Promotoren, Termi
natoren) aus mikrobiellen, tierischen
und pflanzlichen Organismen entwickelt, welches in kurzer Zeit die Bereit
stellung konstitutiver und induzierbarer
Promotoren ermöglicht. Neben der
Bereitstellung neuer Zellkulturen und
Produktionslinien beschäftigt sich die
The institute‘s activities cover two main
areas: Molecular Biology and Applied
Ecology. The interdisciplinary organi
zation of the institute provides the
basis for the success of complex projects by integrating the expertise of
the relevant scientific disciplines from
both activity areas, and through cooperation with external institutions.
Molecular Biology
The business areas of the IME Mole
cular Biology division offer the pharma
ceutical, agrobiotechnology and nutrition industries a contract researchoriented unit dedicated to research and
development work, as well as contract
services.
Our aim is to support progress in the
development of novel products and
procedures, ultimately bringing them
to market. Further emphasis is placed
on the development of novel key technologies and the resulting intellectual
property.
Our activities are divided into the
following business areas:
Functional and Applied Genomics
The expression of recombinant proteins
in microbial, animal and plant cell
cultures represents one of the core
competencies of the Molecular Biology
division. One key area of interest in
the Functional and Applied Genomics
business area is the development of
novel methods for cell transformation,
protein expression and increased cell
culture productivity.
The members of this business area
have developed a novel technique for
discovering improved control elements
(promoters, terminators) from microbes, animals and plants. We are also
developing methods to accelerate the
discovery of constitutive and inducible
promoters. As well as making new cell
cultures and production lines available,
this business area is also involved in
developing an alternative system for
the stable transformation of single
plant cells.
Another focus of this business area is
the identification and characterization
of biomaterials and new substances as
well as targets for pharmaceutical product development and modern plant
protection. New target substances are
identified from selected organisms
using high-throughput analysis (2Dgels, chip technologies and combinatorial libraries). These substances are
then tested, in collaboration with
group members from other business
areas, for their efficacy and safety.
Recently, we were able to develop and
apply an efficient method for the production of novel traits in plants with
out genetic engineering (transgenic
plants).
Operational and
Scientific Approach,
Competencies
Pharmaceutical
Biotechnology
Molecular
Biology
Industrial
Biotechnology
Fraunhofer
IME
Environmental
Chemistry
Ecology
Ecotoxicology
Pharmaceutical Product Development
Monoclonal antibodies (mAbs) are
widely used in medical diagnosis and
therapy. However, the production of
mAbs in animal cell cultures is laborintensive, time-consuming and expensive, especially if large amounts of the
product are required. Recent advances
in immunology, cell and molecular biology have overcome these limitations.
The primary focal points of this business area include the development of
new antibody-based reagents for clinical use in humans or animals and the
optimization of commercially establish
ed or pharmaceutically relevant diagnostic and therapeutic products. New
reagents are either isolated from
immunized animals by means of hybridoma technology or phage display
technology. Combinatorial approaches
involving molecular evolution are used
über Hybridomtechnologie isoliert. Zur
Produktoptimierung werden rekombinante Methoden eingesetzt, die ein
rationales Proteindesign über molekulare Evolution ermöglichen. Die biologische Effizienz der Moleküle wird in
entsprechenden in-vitro- und in-vivoTestsystemen dokumentiert. Nach
Abschluss dieser Versuche werden die
rekombinanten Proteine, z. B. zur Ent
wicklung von Bio- sowie Proteinchips
eingesetzt, in diagnostische Kits zur
Detektion humaner bzw. tierischer
Erreger integriert oder zum Einsatz als
diagnostisch oder therapeutisch applizierbare Produkte, insbesondere für
klinische Studien, weiterentwickelt.
Pflanzenbiotechnologie
Mit Hilfe der Biotechnologie können
Pflanzen so modifiziert werden, dass
sie verbesserte agronomische Eigen
schaften aufweisen, wie z. B. Resistenz
gegen Pflanzenpathogene. Biosynthese
wege können auf gentechnischem
Wege moduliert werden, um definierte
Sekundärmetabolite anzureichern oder
deren Konzentration zu reduzieren.
Dies dient zur Produktion pflanzlicher
Metabolite oder zur Steigerung des
Nährwerts von Pflanzen. Zudem kann
die Pflanze auch als Biofabrik genutzt
werden, um technische Enzyme oder
pharmazeutisch wichtige Proteine in
großen Mengen zu produzieren. Diese
als Molekulares Farming bezeichnete
Technik hat sich als alternatives Protein-
10
Produktionssystem bewährt, was durch
eine Vielzahl in Pflanzen produzierter
Wirkstoffe wie Antikörper, Blutersatz
stoffe, Impfstoffe und Enzyme belegt
wird. Ein weiterer Schwerpunkt ist die
Etablierung neuer Strategien zur Ver
besserung oraler Vakzinierung und die
Erhöhung der Expression und Stabilität
rekombinanter Proteine in pflanzlichen
Zellen. Zudem werden Pflanzen, aber
auch Mikroorganismen, für neue An
wendungen in der industriellen Biotech
nologie eingesetzt. Die Forschungs
aktivitäten liegen hier vor allem in der
Bereitstellung erneuerbarer Rohstoffe
sowie in den Bereichen Biokatalyse und
Biotransformation.
Unsere Expertise und Erfahrung auf
dem Gebiet transgener Pflanzen er
möglicht es, dass wir unseren Kunden
reine rekombinante Proteine, resistente
Pflanzen oder Pflanzen mit verbessertem Nährwert bereitstellen können.
Integrierte Produktionsplattformen
Die Herstellung von rekombinanten
Proteinen mit Hilfe gentechnisch ver
änderter Organismen (GvO) kann
mittels einer breiten Palette von Produk
tionsplattformen erfolgen, die aus biologischer, prozesstechnischer sowie
markttechnischer und regulatorischer
Sicht völlig unterschiedliche Eigen
schaften aufweisen. Aufgrund dessen
ist spätestens nach der „Proof-of-concept“-Phase eine Evaluierung notwendig, die diese langfristigen Erfordernisse
überprüft, eine nachhaltige Entwicklung
vorzeichnet und Fehlentwicklungen
vermeidet. Aufgrund der langjährigen
Erfahrung mit den relevanten Systemen
im Pilotmaßstab und mit einer Vielzahl
unterschiedlichster Proteine ist die
Abteilung IPP in der Lage, Industriekun
den in diesem Aufgabenfeld planerisch
und praktisch zur Seite zu stehen. Um
für den internen wie externen Bedarf
forschungsnah Wirkstoffe für klinische
Prüfungen herstellen zu können, wurde
im Rahmen des Neubaus ein Multi-Pur-
pose GMP-Technikum mit zwei Produk
tionsanlagen errichtet, das im Berichtsjahr fertig gestellt und in den wesent
lichen Teilen qualifiziert wurde. Nach
der Durchführung von Validierungs
läufen erwarten wir bis Mitte 2007
eine Herstellungserlaubnis, die das IME
in die Lage versetzt, Aktive Pharmazeu
tische Wirkstoffe (API) für die klinische
Entwicklung von Pharmazeutika bereitstellen zu können.
Auftragsarbeiten
Die FuE-Aktivitäten innerhalb der Ge
schäftsfelder des IME erfordern be
stimmte Plattformtechnologien, die
aufgrund der apparativen Ausstattung
und der notwendigen Betreuung durch
erfahrenes Personal als Servicebereiche
von einzelnen Geschäftsfeldern ent
koppelt organisiert werden. Diese
Servicebereiche stehen sowohl den
Arbeitsgruppen des IME als auch externen Auftraggebern zur Verfügung.
Darunter fallen Sequenzierung, Chip
technologien, Proteomics, Produktion,
Reinigung und Strukturaufklärung von
Proteinen, Antikörperherstellung und
Hochdurchsatz-Imaging-Verfahren.
to optimize these recombinant reagents, facilitating rational protein
design.
The biological efficacy of the molecules
is documented in different in vitro and
in vivo test systems. The recombinant
proteins thus identified are used for
the development of protein chips, they
are integrated into diagnostic kits for
the detection of human, animal or
plant pathogens, or they are developed
as diagnostic or therapeutic products
(especially for clinical studies).
Plant Biotechnology
Through the application of biotechnol
ogy, plants can be modified to improve
their agronomic traits, e. g. increased
resistance against pathogens. Furthermore, metabolic pathways can be
modulated by genetic engineering to
enrich defined secondary metabolites
or to reduce their concentration within
the plant. This provides a basis for the
production of plant metabolites and
allows the nutritional value of plants
to be enhanced. Moreover, plants can
be used as biofactories to produce
technical enzymes or proteins of pharmaceutical relevance in large amounts.
This technique, „molecular farming“,
could be developed as an alternative
production system for recombinant
proteins, as demonstrated by numerous
reports of plant-derived pharmaceuti
cal products, such as antibodies, blood
substitutes, vaccines and enzymes. A
further focus of our research activities
is the establishment of new strategies
for improving oral vaccination and for
increasing the expression and stability
of recombinant proteins in plant cells.
In addition, plants and micro-organisms
are used for novel applications in the
field of industrial biotechnology.
Emphasis is placed in the generation
of renewable resources and in the area
of biocatalysis and biotransformation.
It is our expertise in the creation of
transgenic plants that allows us to
provide purified recombinant proteins,
resistant plants or plants of higher nutritional value to our clients.
Integrated Production Platforms
The production of recombinant proteins in genetically modified organisms
can be accomplished using a wide
range of production platforms. Each
platform has fundamentally different
biological properties and differs in suit
ability for certain processes and markets, or in terms of regulatory requirements. It is therefore advisable to
evaluate these expression systems at
the proof-of-concept stage for a given
product, in order to avoid bottlenecks
or delays in the long run of product
development.
With our long-term practical experience of different expression systems at
the pilot and feasibility scales, produc
ing a wide range of different proteins,
we are able to serve our industrial
partners from the early stages of product development through to the later
stages of process engineering.
A multi-purpose GMP facility has been
constructed at the IME, and its core
facilities and equipment have been
qualified. Having successfully carried
out validation runs, we anticipate that
permission to produce active pharma
ceutical ingredients (APIs) will be grant
ed by the local authorities by mid 2007.
This will extend our services to include
the contract manufacture of biopharma
ceuticals for our internal and external
partners in the field of clinical research.
Contract Services
The R&D activities in the various IME
business areas involve certain platform
technologies that need sophisticated
apparatus and infrastructure as well as
highly trained staff. These platform
technologies are organized as separate
service units within the IME. The services thus provided, e.g. sequencing,
chip technologies, proteomics, protein
production, protein purification, protein structural analysis, antibody manu
facturing and high-throughput imag
ing technologies are available to the
working groups within the IME as well
as to external clients.
11
Die Aktivitäten sind in folgenden
Geschäftsfeldern gebündelt.
experimentellen Untersuchungen und
Computersimulationen auch die Ver
besserung von Strategien zur Risiko
abschätzung und die Erstellung von
Gutachten zur ökologischen Stoff- und
Produktbewertung. Hier spielt auch
der Aspekt der Werteorientierung im
Sinne des Nachhaltigkeitsansatzes eine
Rolle. Den rechtlichen Rahmen bilden
die in der EU gültigen Regelungen zur
Risikobewertung und zum Risikomana
gement von industriellen Chemikalien.
organischen Verbindungen im Spuren
bereich. Zur Qualitätssicherung sind
wir für die Prüfarten Atomspektrometrie, Hochleistungsflüssigkeitschromato
graphie, Gaschromatographie und Probenvorbereitung akkreditiert.
Mit der Betreibung der Umweltprobenbank des Bundes im Auftrag des
Umweltbundesamtes ist das Institut
zudem an einem zentralen Element
der ökologischen Umweltbeobachtung
in Deutschland beteiligt.
Pflanzenschutz
Boden- und Gewässerschutz
Lebens- und Futtermittelsicherheit
Durch Anwendung standardisierter
Testverfahren zur Ermittlung intrin
sischer Stoffeigenschaften, insbeson
dere aber durch die Entwicklung und
Anwendung problemspezifischer Studien zur ausführlichen Risikobewertung
werden in diesem Geschäftsfeld Pflanzenschutzmittel gemäß nationaler und
internationaler Pflanzenschutzgesetzgebung geprüft und bewertet. Die
experimentelle Arbeit wird durch Expo
sitions- und Wirkungsmodellierung,
Gutachten und Beratung ergänzt. Mit
unseren Aktivitäten leisten wir Unter
stützung bei der Identifizierung von
Risiken und der Beantwortung von
Fragestellungen, die zur Minimierung
von Bewertungsunsicherheiten bei
tragen (higher tier risk assessment). So
verstehen wir uns als wissenschaftliche
Vermittlungsinstanz zwischen Industrie
und Behörden.
Dieses Geschäftsfeld fokussiert auf die
Bewertung der Qualität der Umwelt
medien Boden und Wasser. Den gesetz
lichen Rahmen bildet zum einen das
Bundes-Bodenschutzgesetz, zum anderen die Europäische Gewässer-Rahmen
richtlinie. Wir entwickeln und nutzen
Strategien zur Erfassung des aktuellen
oder möglichen Gefährdungspotenzials
anthropogener Einträge im weitesten
Sinne für natürliche Bodenfunktionen.
Zur Bewertung von Wasser- und Sedi
mentqualität werden u. a. Biomarker
und Bioassays eingesetzt. Zur Unter
suchung der Gewässerqualität werden
Methoden des ökologischen Monitor
ings erprobt. In unmittelbarem Zusam
menhang mit der Umsetzung der Euro
päischen Wasserrahmenrichtlinie stehen
auch Arbeiten zur Prioritätensetzung
für Maßnahmen (z. B. COMMPS: Com
bined monitoring-based and modelingbased priority setting scheme).
Der Verbraucher möchte sichere und
unbedenkliche Lebensmittel. Das Vertrauen, dass die Lebensmittelhersteller
und die Lebensmittelüberwachung
diese geforderte Sicherheit von Lebens
mitteln gewährleisten, wurde jedoch
durch die zahlreichen Lebensmittelskandale der letzten Jahre grundlegend
erschüttert.
Dieses Geschäftsfeld umfasst daher die
Untersuchung und Bewertung von
Bedarfsgegenständen, Lebens- und
Futtermitteln im Kontext nationaler
und internationaler vorgegebener
gesetzlicher Normen sowie deren recht
liche Begutachtung. Einen Schwerpunkt stellt die Entwicklung innovativer Detektionsverfahren dar, die zur
Analytik von Lebens- und Futtermitteln
eingesetzt werden. Durch die Entwicklung derartiger Methoden sollen Nachweismethoden verbessert oder ergänzt
werden, um eine hohe Qualität und
Sicherheit für den Verbraucher zu ge
währleisten.
Der Bereich Angewandte Oekologie
sieht seine Aufgaben darin, stoffbe
zogene Risiken von synthetischen oder
biogenen Substanzen zu identifizieren
und zu bewerten sowie Möglichkeiten
zur Risikominimierung zu entwickeln.
Chemikalien- und Produktsicherheit
Zuverlässige Aussagen zur Umweltver
träglichkeit von chemischen und biologischen Agenzien, von Produkten und
technischen Verfahren werden durch
Abschätzungen von Exposition und Ge
fährlichkeit erhalten. Das Spektrum der
Untersuchungen reicht von Standard
tests zur Registrierung und Kennzeich
nung bis hin zu komplexen Studien zur
Analyse differenzierter Fragestellungen. Das Geschäftsfeld umfasst neben
12
Umweltmonitoring
Grundlage vieler wirtschaftlicher, aber
auch umweltpolitischer Entscheidungen
ist die Kenntnis des Vorkommens und
der Verteilung von Stoffen in der
Umwelt. Wir verfügen über jahrzehnte
lange Erfahrungen in der Erfassung
von Zielsubstanzen in allen Umwelt
matrizes. Moderne Geräte und Verfah
ren der Spurenanalytik erlauben uns
die Bestimmung von Elementen und
Applied Ecology
The overall aim of the Applied Ecology
division is to determine and assess the
risks posed by synthetic chemicals and
natural substances, and to develop
appropriate strategies for the protection of humans and the environment.
The present topics and business areas
are:
experimental investigations and computer simulations the activities of this
business area focus on the improvement of strategies for risk assessment
and the production of expert reports
for ecological substance and product
assessments with an additional consideration of evaluative aspects under
the sustainability umbrella. We operate
under a legislative framework governed
by the EU-wide regulations on risk
assessment and risk management for
industrial chemicals.
Plant Protection
In this business area, plant protection
products (PPPs) are investigated and
assessed according to national and
international legislation covering the
registration of pesticides. Further to the
determination of intrinsic substance
properties, special emphasis is placed
on the development and application
of targeted studies addressing specific
concerns, including both standardized
and higher-tier studies for risk assessment. Experimental work is supported
and finalized by exposure and effect
modeling, expert reports and consul
tations.
We support our clients in the identification of risks and the clarification of
concerns. These issues are addressed
in specific studies to minimize uncertain
ties in risk assessment. Thus, our role is
to act as a scientific mediator between
industry and regulatory bodies.
Soil and Water Protection
This business area concentrates on
quality assessments for soil and water,
as determined by the German Federal
Soil Protection Act and the EU Water
Framework Directive. We develop and
apply strategies to determine existing
or potential hazards for natural soil
functions caused by the impact of
anthropogenic activities. Water and
sediment quality is investigated using
biomarkers, bioassays and by ecological
monitoring.
We also carry out studies that investigate priority setting with respect to
(legal) measures, and these are directly
related to the implementation of the
Water Framework Directive. One
example is COMMPS (combined monitoring-based and modeling-based priority setting scheme).
Chemical and Product Safety
Reliable statements about the environmental compatibility of chemical and
biological agents, products and tech
nical procedures are established by
assessing exposure levels and potential
hazards. Our investigations encompass
standard tests for the notification and
labeling of industrial chemicals and
products as well as complex studies for
the solution of highly differentiated,
detailed problem issues. In addition to
Many economic and environmental
policy decisions are based on what is
known about the occurrence and distri
bution of chemical substances in the
environment. We have long experience
in the detection of target compounds
in all environmental matrices. Modern
devices and procedures for trace ana
lysis enable us to detect elements and
organic compounds at the lowest
levels. For quality assurance we hold
accreditations for atomic spectrometry,
high performance liquid chromatography, gas chromatography and sample
preparation.
The Fraunhofer IME also maintains the
German Federal Environmental Specimen Bank on behalf of the Federal
Environmental Agency, and in this context we participate as a central com
ponent of the ecological environmental
observation program in Germany.
Food and Feed Safety
Consumers have the right to enjoy safe
and healthy food. However, consumer
confidence in the ability of manufactu
rers and supervisory authorities to
maintain the required safety standards
has been severely compromised in the
past years by a number of scandals.
This business area is concerned with
the examination and assessment of
commodities, food and feed in the
context of national and international
legal standards as well as their expert
opinion. One of our main activities is
the development of innovative detection procedures for use in food and
feed analysis. The objective is to
improve or complement existing de
tection methods, thus ensuring highquality standards and safety levels for
the consumer.
13
Organigramm
Organization
Institutsleitung
Senior Executive Director
Innere Dienste
Administration
Franz-Josef Albers
Bereich Molekularbiologie
Division Molecular Biology
Prof. Dr. Dr. Stefan Barth
Standort / Location
Aachen
Bereich Angewandte Oekologie
Division Applied Ecology
Dr. Werner Kördel
Standort / Location
Schmallenberg
Funktionelle und Angewandte Genomik
Prof. Dr. Dirk Prüfer
Oekologische Chemie
Ecological Chemistry
Dr. Werner Kördel
Pharmazeutische Produktentwicklung
Umwelt- und Lebensmittelanalytik
Environmental & Food Analysis
Dr. Mark Bücking
Plant Biotechnology
Dr. Stefan Schillberg
Umweltprobenbank / Elementanalytik
Environmental Specimen Bank / Elemental Analysis
Dr. Heinz Rüdel
Dr. Stephan Hellwig, Dr. Jürgen Drossard
Ökotoxikologie
Ecotoxicology
Dr. Christoph Schäfers
Auftragsarbeiten
Services
Dr. Jost Muth
Qualitätssicherung
Quality Assurance
Dr. Gerd Wasmus
Standort / Location
Schmallenberg
Funktionelle und Angewandte Genomik
Newark,
Delaware, USA
Center for Molecular Biotechnology
Dr. Vidadi M. Yusibov
April 2007
14
Senior Executive Director
Tel + 49 (0) 2 41/ 60 85-110 10
[email protected]
Head Molecular Biology Division /
Tel: + 49 (0) 2 41/ 60 85-110 60
[email protected]
Dr. Werner Kördel
Head Applied Ecology Division /
Ecological Chemistry
Tel + 49 (0) 29 72 / 3 02-2 17
[email protected]
Tel: + 49 (0) 2 41/ 60 85-120 50
[email protected]
Plant Biotechnology
Tel: + 49 (0) 2 41/ 60 85-110 50
[email protected]
Ecotoxicology
Tel + 49 (0) 29 72/3 02-2 70
[email protected]
Dr. Mark Bücking
Environmental & Food Analysis
Tel + 49 (0) 29 72 / 3 02-3 04
[email protected]
Dr. Stefan Hellwig
Tel: + 49 (0) 2 41/ 60 85-112 40
[email protected]
Dr. Jürgen Drossard
Tel: + 49 (0) 2 41/ 60 85-112 50
[email protected]
Dr. Heinz Rüdel
Specimen Bank / Elemental Analysis
Tel + 49 (0) 29 72/ 3 02-3 01
[email protected]
Dr. Gerd Wasmus
Quality Assurance
Tel +49 (0) 29 72/3 02-2 36
[email protected]
Center Molecular Biotechnology
Tel: +1 302 369 36 35
[email protected]
Dr. Jost Muth
Services
Tel: + 49 (0) 2 41/ 60 85-120 51
[email protected]
15
Kuratorium
Dr. Thomas Reichelt
Bundesministerium der Verteidigung,
Bonn
Das Kuratorium berät die Organe der
Fraunhofer-Gesellschaft sowie die
Institutsleitung und soll die Verbindung
zu den an Forschungsarbeiten des
Instituts interessierten Kreisen fördern.
RegDir Dr. Jürgen Roemer-Mähler
Bundesministerium für Bildung und
Forschung, Bonn
Mitglieder des Kuratoriums im
Berichtsjahr waren:
Prof. Dr. Dieter Berg
Bayer CropScience AG, Monheim
(Stellvertretender Vorsitzender)
Dr. Erich Dorn
Dr. Rolf Günther
GenteQ, Hamburg
Prof. Dr. Fritz Kreuzaler
RWTH Aachen
Dr. Manfred Lefèvre
Syngenta Agro GmbH, Frankfurt
Prof. Dr. Burkhard Rauhut
Rektor, RWTH Aachen
16
Die jährliche Kuratoriumssitzung wurde
am 23. Mai 2006 im Neubau des
Fraunhofer IME in Aachen abgehalten.
Der Vorstand der Fraunhofer-Gesellschaft war durch Herrn Dr. Ulrich Buller
vertreten.
MinRat Prof. Dr. Ulrich Schlottmann
Bundesministerium für Umwelt,
Naturschutz und Reaktorsicherheit,
Bonn (Vorsitzender)
Der langjährige Kuratoriumsvorsitzende,
Herr Professor Ulrich Schlottmann,
wurde auf der Sitzung mit besten
Wünschen für seinen bevorstehenden
Ruhestand und mit besonderem Dank
für die engagierte Ausübung seines
Amtes und die angenehme Zusammenarbeit aus dem Kuratorium verabschiedet.
MinDirig Karl Schultheis
Landtag Nordrhein-Westfalen,
Düsseldorf
Den Vorsitz im Kuratorium übernahm
der bisherige Stellvertreter, Professor
Dieter Berg.
Dr. Joachim Schiemann
Biologische Bundesanstalt für Landund Forstwirtschaft, Braunschweig
Dr. Klaus G. Steinhäuser
Umweltbundesamt (UBA), Berlin
Dr. Walter Sterzel
Henkel KGaA, Düsseldorf
Advisory Board
In the reported year, the following
representatives from government,
industry and academia were members
of the Advisory Board:
Prof. Dr. Dieter Berg
(Vice Chairman)
Dr. Erich Dorn
Dr. Rolf Günther
GenteQ, Hamburg
Prof. Dr. Fritz Kreuzaler
RWTH Aachen
Dr. Thomas Reichelt
Federal Ministry of Defence, Bonn
RegDir Dr. Jürgen Roemer-Mähler
Federal Ministry of Education and
Research (BMBF), Bonn
Dr. Joachim Schiemann
Federal Biological Research Centre
for Agriculture and Forestry (BBA),
Braunschweig
MinRat Prof. Dr. Ulrich Schlottmann
Federal Ministry for the Environment,
Nature Conservation and Nuclear
Safety, Bonn (Chairman)
MinDirig Karl Schultheis
State North Rhine-Westphalia,
Düsseldorf
Dr. Manfred Lefèvre
Syngenta Agro GmbH, Frankfurt
Dr. Klaus G. Steinhäuser
German Federal Environmental Agency
(FEA), Berlin
Prof. Dr. Burkhard Rauhut
Rector, RWTH Aachen
Dr. Walter Sterzel
Henkel KGaA, Düsseldorf
The annual meeting of the Advisory
Board was held on May 23rd, 2006
in the new Fraunhofer IME building
in Aachen. The Executive Board of the
Fraunhofer Gesellschaft was repre
sented by Dr. Ulrich Buller.
Professor Ulrich Schlottmann, who
retired in 2006 after chairing the
Advisory Board for many years, was
thanked by the institute management
and the members of the Advisory
Board for supporting the institute’s
development and for cordial and
productive interaction during his long
service. The chair of the Advisory
Board has passed to the former deputy,
Professor Dieter Berg.
Prof. Fischer (right) thanks Prof. Schlottmann
for cordial and productive interaction during
his long service
17
Die Chemieindustrie nutzt überwiegend
Rohstoffe, die vor vielen Millionen
Jahren entstanden sind: Erdöl, Erdgas
und Kohle. Nur etwa zehn Prozent der
Chemierohstoffe stammen aus nachwachsenden Quellen, z. B. von Pflanzen.
In den kommenden Jahrzehnten wird
sich die Industrie umstellen müssen,
denn soviel ist sicher: Die fossilen
Ressourcen gehen zur Neige – auch
wenn unter Experten noch umstritten
ist, wann genau der Zeitpunkt eintritt,
zu dem es sich nicht mehr lohnen
wird, Erdöl und Kohle aus dem Boden
zu holen. In den USA hat die Chemie
industrie bereits reagiert: Bis zum Jahr
2030 will sie ein Viertel der organischen
Grundstoffe, die heute noch aus fossilen Quellen stammen, aus nachwachsenden Rohstoffen herstellen. Und auch
die europäischen Chemieunternehmen
betrachten diese Umstellung als einen
Schwerpunkt ihrer Aktivität.
Ganz einfach wird diese Neuorientie
rung allerdings nicht werden. Denn
sämtliche Prozesse in der Chemieindu
strie sind eng miteinander verzahnt
und ganz auf die fossilen Rohstoffe aus
gerichtet: Das beginnt mit der Raffinerie, in der die Erdölbestandteile von
einander getrennt und zu wertvollen
Grundsubstanzen veredelt werden.
Diese setzt die Industrie in ungezählten
Verfahren zu all dem um, was uns im
Alltag an Chemikalien umgibt: Lösungs
mittel und Lacke, Kleber und Kunststoffe, Waschmittel und Medikamente.
Wenn all diese Stoffgruppen aus pflanz
lichen Rohstoffen erzeugt werden
sollen, muss die Industrie völlig neue
Pfade beschreiten. Ein wesentliches
Element wird dabei die Nutzung von
Mikroorganismen und Enzymen für
chemische Umsetzungen innerhalb der
„weißen Biotechnologie“ sein.
18
Dass auf diesem Gebiet Forschungs
bedarf besteht, weiß nicht nur die
Industrie. Die EU hat die „weiße Bio
technologie“ im 7. Forschungsrahmen
programm zum Thema gemacht; eben
so gibt es Forschungsinitiativen auf
nationaler Ebene, so zum Beispiel ein
vom BMBF gefördertes Projekt, an dem
mehrere Fraunhofer-Institute beteiligt
sind. Auch die Fraunhofer-Gesellschaft
bündelt ihre Aktivitäten auf diesem
Gebiet im Rahmen einer strategischen
Forschungsallianz und fördert in diesem
Zusammenhang acht FraunhoferInstitute. Die Allianz wird von Professor
Thomas Hirth vom Fraunhofer-Institut
für Chemische Technologie ICT und
von Professor Rainer Fischer, Fraunhofer
IME, als Stellvertreter koordiniert. Ziel
ist die Abbildung der gesamten Prozess
kette von der Rohstoffgewinnung bis
hin zu anwendungsfertigen Produkten
im Sinne einer integrierten Bioproduk
tion.
Am Anfang dieser Kette stehen die
Rohstoffe vom Feld. Pflanzen sind
selbst biotechnologische Fabriken und
erzeugen durch die Photosynthese eine
Fülle organischer Verbindungen:
• Kohlenhydrate (z. B. Stärke,
Cellulose)
• Proteine (Eiweiße)
• Öle, Fette und Wachse
• Lignin, den „Holz-Stoff“
• „sekundäre“ Pflanzeninhaltsstoffe
wie Duft- und Farbstoffe sowie
medizinische Wirkstoffe, wie Anti
oxidantien, Vitamine oder Alkaloide.
Bisherige Verfahren der Rohstoffaufbe
reitung konzentrieren sich häufig da
rauf, nur den Hauptbestandteil zu ge
winnen. Um die Synthese-Vorleistung
der Pflanzen so weit als möglich zu
nutzen und alle hochwertigen Inhaltsstoffe zu gewinnen, entwickelt das
Fraunhofer-Institut für Verfahrens
technik und Verpackung IVV schonende
Fraktionierungsverfahren, bei denen
beispielsweise Lupinen oder Raps so
entölt werden, dass neben dem wert
vollen Pflanzenöl auch die Proteine rein
gewonnen werden können. Die Öle
können als Speiseöle, als Rohstoff für
Biodiesel oder für andere technische
Zwecke verwendet werden. Pflanzliche
Proteine haben neben ihrem Nährwert
auch technisch-funktionelle Eigen
schaften, die sie für die Lebensmittel
industrie interessant machen, beispiels
weise als Emulgatoren oder als Ersatz
für Geliermittel aus tierischen Quellen.
Kleinere Eiweißmoleküle, etwa aus der
Sojabohne, haben häufig auch pharma
zeutisch interessante Eigenschaften,
indem sie etwa den Cholesterinspiegel
oder den Blutdruck senken. Dafür
müssen sie in ihrer natürlichen Form
vorliegen.
Eine weitere Möglichkeit, hochwertige
Inhaltsstoffe zu gewinnen, bietet die
Extraktion mit sogenannten überkriti
schen Fluiden, wie Kohlendioxid oder
Wasser. Kohlendioxid wird bereits groß
technisch zur Extraktion von Koffein
oder Hopfen im Bereich der Lebensmittelindustrie angewendet.
Over 90 % of the raw material used by
today’s chemical industry originates
from fossil sources, i. e. oil, coal and
natural gas. Less than 10 % comes
from renewable sources, such as plants.
This situation will need to change very
soon, as the fossil resources begin to
run out. Experts disagree about when
exactly mining and oil production will
become unprofitable, but the US
chemical industry has already reacted:
by 2030, one quarter of its organic
raw materials must be derived from
renewable sources. The European
chemical industry needs to prioritize the
adoption of a similar policy.
However, the switch from fossil re
sources to renewables is not a trivial
matter. The chemical industry has
evolved to be completely dependent
on fossil raw materials, and its inter
locked processes will be difficult to
separate and reorganize. Change
needs to start at the refinery, where
petroleum components are separated
and converted into valuable precursors.
These precursors are then processed to
generate the chemicals we encounter
in everyday life, such as solvents, paints,
glues, plastics, detergents and drugs.
If all these compounds are now to be
produced using vegetable matter as
the raw material, the entire industry
has to break new ground. One key
element will be the utilization of micro
organisms and enzymes for chemical
processes, a field known as „white bio
technology”.
The European Union has also recog
nized that research is needed in this
field, and has addressed white bio
technology in its Seventh Framework
Program. Accordingly, national research
programs have been initiated, e. g. a
project financed by the German Federal
Ministry for Education and Research
(BMBF), in which several Fraunhofer
Institutes participate. The FraunhoferGesellschaft has bundled its activities
in this field to form a strategic alliance,
sponsoring a joint project involving
eight Fraunhofer Institutes. The alliance
is coordinated by Prof. Thomas Hirth,
Fraunhofer Institute for Chemical Technology (ICT) and by Prof. Rainer Fischer,
Fraunhofer IME, as deputy. The aim is
to integrate the entire process, starting
with the generation of raw materials
and ending with the commercial products.
The process starts with raw materials
from the field. Indeed plants them
selves are biotechnological factories,
producing a wide variety of organic
compounds by photosynthesis and
downstream metabolic reactions. These
compounds include:
•
•
•
•
•
Carbohydrates (e. g. starch, cellulose)
Proteins
Oils, fats and waxes
Lignins
Secondary products, which can
often be used as perfumes, dyes,
nutritional factors and drugs.
Examples include antioxidants,
vitamins and alkaloids.
19
Nicht alle Pflanzeninhaltsstoffe sind
aber in ihrer natürlichen Form brauch
bar für die Industrie. Viele von ihnen
müssen auf möglichst schonende
Weise in wertvolle Zwischenprodukte
verwandelt werden. Auch hier liefert
die Natur ihren Beitrag in Form von
Enzymen, den molekularen Werk
zeugen, mit denen Zellen Stoffe um
wandeln. Die Produkte dieses „StoffWechsels“ sind nicht selten Bausteine,
die für die Chemieindustrie wertvoll
sind, so zum Beispiel die Milchsäure
oder verschiedene Dicarbonsäuren.
Am Fraunhofer-Institut für Grenz
flächen- und Bioverfahrenstechnik IGB
und am IME suchen daher Wissen
schaftler nach unbekannten mikrobi
ellen Enzymen mit Hilfe von molekular
biologischen Methoden wie der
Metagenomik, kombiniert mit Hoch
durchsatzmethoden. Das Potenzial ist
riesig, da sich viele Bakterienstämme
nicht im Labor kultivieren lassen und
bei den üblichen Suchstrategien
unberücksichtigt bleiben.
Am IME in Aachen beschäftigen sich
Wissenschaftler mit Enzymen für die
Chemieindustrie. Wichtige Zwischen
produkte – „Plattformchemikalien“ –
können auf enzymatischem Wege
wesentlich umweltschonender herge
stellt werden als durch chemische
20
Umsetzungen. Im Labormaßstab gibt es
dafür etliche Beispiele. In den nächsten
Jahren wird es darum gehen, diese
Prozesse zu optimieren und in einen
größeren Maßstab zu übertragen.
In anderen Fraunhofer-Instituten wer
den Mikroorganismen genutzt, um
pflanzliche Ausgangsstoffe zu Plattform
chemikalien umzusetzen. So stellen
Bakterien Bernsteinsäure aus Glucose
her, die durch sauren Aufschluss aus
Maisstärke gewonnen wird. Die
Fermentationsbrühe enthält noch Biomasse, die zunächst durch Destillation
abgetrennt werden muss, bevor reine
Bernsteinsäure, die von der Chemie
industrie als Ausgangsprodukt für
„grüne“ Lösungsmittel oder den Kunst
stoff Polyamid geschätzt wird, bereitgestellt werden kann. Die Reinheit des
gewonnenen Zwischenprodukts
bestimmt letztlich darüber, ob es als
Ausgangsmaterial für chemische Synthesen geeignet ist oder nicht. So kann
Milchsäure, eine weitere „Plattformchemikalie“, nur dann erfolgreich zum
bioabbaubaren Kunststoff Polymilchsäure umgesetzt werden, wenn sie
möglichst rein vorliegt. Biobasierte
Polyole und Carbonsäuren sind interessante Bausteine für die Herstellung
technischer Kunststoffe wie Polyurethane, Polyester und Polyamide.
Im Rahmen seiner material- und ver
fahrenstechnischen Forschung beschäf
tigt sich das Fraunhofer ICT mit der
Entwicklung von Prozessen, die bio
technologisch hergestellte Produkte
und biogene Rohstoffe wie Stärke,
Zucker, Cellulose oder Lignin zu Monomeren und Polymeren umwandeln.
Kunststoffe sind nur eine von mehreren
Produktgruppen, bei der die Chemie
industrie auf die weiße Biotechnologie
setzt. Bereits heute werden mit biotechnologischen Verfahren unter anderem Lösungsmittel, Säuren und Spezial
chemikalien wie Vitamine hergestellt
(siehe Table 1). Der Anteil der Biotechnologie an der Chemieproduktion liegt
zwischen einem Prozent (Polymere)
und 16 Prozent (Feinchemikalien). Die
Tendenz ist steigend – und die Chemie
industrie liegt damit ganz im Trend des
nachhaltigen Umgangs mit den natürlichen Ressourcen.
Das IME wird in Zukunft noch einen
Schritt weiter gehen und die Schnitt
stelle von der „grünen“ zur „weißen“
Biotechnologie besetzen, um eine verbesserte Biomasse zur Herstellung von
Bioethanol zu nutzen.
Traditional methods for processing raw
materials focus on the extraction of
single compounds. In order to profit as
much as possible from plant materials
and recover all the valuable compo
nents, the Fraunhofer Institute for Pro
cess Engineering and Packaging (IVV)
has developed a gentle fractionation
procedure which allows the extraction
of e. g. valuable oils and pure proteins
simultaneously. The oils may be used
as food, as a precursor for biodiesel
production, or for the synthesis of fine
chemicals. Similarly, vegetable proteins
are not only nutritional, they may also
have technical properties that are of
interest in the food industry, e. g. as
emulsifiers or as substitutes for animalderived gelling agents. Some plant
proteins have pharmaceutical pro
perties, acting e. g. on cholesterol levels
or on blood pressure. These applica
tions will require natural rather than
chemically modified proteins.
Another technique used to obtain
high-quality ingredients is extraction
with supercritical fluids such as carbon
dioxide and water. Carbon dioxide is
already used on a large scale by the
food industry to extract caffeine and
hops.
Not all plant-derived molecules can be
used by industry in their natural form.
Many need to be transformed carefully
into valuable intermediate products.
Again, nature assists by providing
enzymes, the molecular catalysts used
to transform substances in cells. The
products resulting from such reactions
can be valuable components in the
chemical industry. Examples include
lactic acid and various dicarbon acids.
Therefore, scientists at the Fraunhofer
Institute for Interfacial Engineering and
Biotechnology (IGB) are collaborating
with those at the IME to look for novel
microbial enzymes using high-volume
molecular approaches such as meta
genomics. This approach provides a
window onto a world of microbial
strains that cannot be cultivated
under laboratory conditions and are
thus not recognized using conventional
strategies.
Fraunhofer IME researchers are study
ing enzymes that may be of interest
in the chemical industry. Important
intermediates (platform chemicals) may
be produced in an environmentally
responsible manner using enzymes
instead of chemical agents. This has
been demonstrated on a laboratory
scale for a significant number of
substances. The challenge in the future
will be to optimize theses processes
and translate them to an industrial
scale.
Other Fraunhofer Institutes use micro
organisms to process vegetable raw
material into platform chemicals such
as succinic acid. This molecule is syn
thesized by microorganisms growing
on glucose, which in turn is obtained
from corn starch by acid extraction.
The fermentation stock still contains
biomass that must be removed by
distillation. The pure succinic acid thus
obtained is used as a precursor for
green solvents or polymides.
Biobased polyoles and carbon acids are
components required for the produc
tion of plastics such as polyurethanes,
polyesters and polyamides. As part of
its research focusing on materials and
chemical engineering, the Fraunhofer
ICT is working on processes that
convert plant-derived raw materials
like starch, sugar, cellulose and lignin
into monomers and polymers. But
plastics are not the only area in which
the chemical industry can exploit white
biotechnology. Many chemicals, includ
ing solvents, acids and vitamins, are
already produced using biotechnology
(see Table 1). Biotechnology lies behind
a significant and growing proportion
of the chemical industry’s output, e. g.
1 % of polymers and 16 % of fine
chemicals are biobased products. There
fore, the chemical industry is increasing
ly looking towards the sustainable
management of natural resources.
In the future, the IME aims to go even
further towards filling the gap bet
ween „green” and „white” biotech
nology. The objective is to find ways to
produce smart biomass for the efficient
production of bio-ethanol.
The purity of the intermediate determi
nates its usefulness as a precursor for
chemical synthesis. Lactic acid, for
example, can only be converted into
the biodegradable plastic „polylactic
acid” if it is very pure.
Table 1: Products produced with white biotechnology
Substance group
Products
Applications
Aminoacids
glutamate; lysin
flavour enhancer; animal foodstuff additive
Acids
citric acid, acetic acid
detergents, household, food
Basic chemicals
acrylamide
Basic chemicals ethanol
intermediate, fuel additive
Pharmaceuticals
antibiotics, vitamins, drugs, nutrition secondary metabolites
Plastics
polylactic acid
packaging, textile fibres
Source: Biotechnologie – Chancen für Deutschland (DECHEMA e. V., Frankfurt a. M. 2004)
21
Forschungs- und
Dienstleistungsangebot
Bereich Molekularbiologie
Auftragsarbeiten
• DNA-Sequenzierung
• Hochdurchsatz-Screening transgener
Organismen
• Produktion und Analyse von DNAund Protein-Microarrays
• Genisolierung/-charakterisierung
• 2-dimensionale Gelelektrophorese
• Massenspektrometrie
• Proteinkristallisation und
Strukturaufklärung
• Proteinlokalisationsstudien
• In vitro- und in vivo-Protein
charakterisierung
• Zellsortierung
• Transformation verschiedener
Pflanzenspezies
• Fermentation in mikrobiellen, tierischen und pflanzlichen Systemen im
Maßstab 1 bis 140 L
• Antikörperherstellung und -modi
fikation
• Produktion und Reinigung rekom
binanter Proteine
Ansprechpartner
DNA-Sequenzierung/Chiptechnologien
Dr. Jost Muth
Tel: +49 (0) 2 41/60 85-120 51
[email protected]
Proteomics
Kristallisation und Strukturaufklärung
Dr. Kurt Hoffmann
Tel: +49 (0) 2 41/60 85-120 31
[email protected]
Zellsortierung
Dr. Michael Stöcker
Tel.: +49 (0) 2 41/60 85-111 21
[email protected]
Pflanzentransformation
Antikörpergenerierung
Tel.: +49 (0) 2 41/60 85-110 50
[email protected]
22
Produktion rekombinanter Proteine,
biotechnologische Prozessentwicklung
Dr. Stephan Hellwig
Tel: +49 (0) 2 41/60 85-112 40
[email protected]
Immunisierungsstrategien
Dr. Torsten Klockenbring
Tel.: +49 (0) 2 41/60 85-114 61
torsten.klockenbring@
ime.fraunhofer.de
Downstream Processing
Tel: +49 (0) 2 41/60 85-112 50
[email protected]
Funktionelle und Angewandte
Genomforschung
• Identifikation neuer Wirksubstanzen
aus Medizinalpflanzen
• Herstellung neuer Targets für die
Wirkstoffforschung (z. B. Fungizide)
• Chip-basierte Nachweisverfahren zur
Identifikation ökonomisch interessanter Strukturgene aus Pro- und
Eukaryonten und neuer Kontroll
elemente (Promotoren)
• Etablierung neuer pflanzlicher Zell
kulturen zur Produktion rekom
binanter Pharmazeutika
• Verbesserung von Zellkulturen
• Neue Transformationstechnologien
(Mikroinjektion, „in vitro- Agrobak
terium“)
• Neue Selektionsmarker aus Pro- und
Eukaryonten
• Tilling-basierte Mutagenese
• Automation und „High Throughput
Screeningsysteme“
• Nanobiotechnologie
Ansprechpartner
Tel: +49 (0) 2 41/60 85-120 50
[email protected]
Research and Development
for Industrial and Public Partners
Contract Services
• DNA sequencing
• High throughput screening of
transgenic organisms
• Production and analysis of DNAand protein-microarrays
• Gene isolation / characterization
• Two-dimensional gel electrophoresis
• Mass spectrometry
• Protein crystallization and structure
determination
• Protein localization
• In vitro and in vivo characterization
of proteins
• Cell sorting
• Transformation of different plant
species
• Fermentation of microbial, animal
and plant cells (1 – 140 L scales)
• Antibody production and modifica
tion
• Production and purification of
recombinant proteins
Contact
DNA sequencing / chip technologies
Dr. Jost Muth
Tel: +49 (0) 2 41/60 85-120 51
[email protected]
Proteomics
Protein crystallization and structural
prediction
Dr. Kurt Hoffmann
Tel: +49 (0) 2 41/60 85-120 31
[email protected]
Cell sorting
Dr. Michael Stöcker
Tel.: +49 (0) 2 41/60 85-111 21
[email protected]
Plant transformation
Antibody generation
Tel.: +49 (0) 2 41/60 85-110 50
[email protected]
Production of recombinant proteins,
biotech process development
Dr. Stephan Hellwig
Tel: +49 (0) 2 41/60 85-112 40
[email protected]
Molecular Biology
Division
Immunization strategies
Dr. Torsten Klockenbring
Tel.: +49 (0) 2 41/60 85-114 61
[email protected].
de
Downstream processing
Tel: +49 (0) 2 41/60 85-112 50
[email protected]
• Identification of novel active substances from medicinal plants
• Production of novel targets for drug
discovery (e. g. fungicides)
• Chip-based identification of valuable
structural genes and control
elements from prokaryotes and
eukaryotes
• Establishment of novel plant-based
systems for the production of
recombinant pharmaceuticals
• Optimization of cell cultures
• Novel transformation techniques
(microinjection, „in vitro agro
bacterium“)
• Novel selectable markers from prokaryotes and eukaryotes
• Tilling-based mutagenesis
• Automated systems for high
throughput screening
• Nanobiotechnology
Contact
Tel: +49 (0) 2 41/60 85-120 50
[email protected]
23
Pharmazeutische Produkt
entwicklung
• Entwicklung rekombinanter Proteine
zur Diagnose und Therapie
– Entwicklung und Charakterisierung
von Antikörper-Phagen-Bibliothe ken (Mensch, Maus, Huhn)
– Entwicklung mono- und höher valenter Fusionsproteine (Pro drogen, Toxine, bispezifische Anti körper)
– Expression funktioneller rekom binanter Proteine in heterologen
Expressionssystemen
• Optimierung selektionierter
Bindungsstrukturen
– rekombinante Techniken und
molekulare Evolution
– Entwicklung neuer Plattform technologien
• Entwicklung neuer Strategien zur
Diagnose und Behandlung von
Tumorerkrankungen, Allergien und
Autoimmunkrankheiten
• Assayentwicklung, Optimierung und
Qualitätskontrolle
Ansprechpartner
Tel: +49 (0) 2 41/60 85-110 60
[email protected]
• Identifizierung, Klonierung und Ver
besserung von Targetgenen
• Pflanzentransformation (Mono- und
Dicots)
• Herstellung pathogen- und stress
resistenter Pflanzen
• Entwicklung transgener
Nutzpflanzen (Nutraceuticals)
• Metabolic Engineering
• Phytoremediation
• Molecular Farming: Produktion
rekombinanter Pharmazeutika und
24
•
•
•
•
technischer Proteine in Pflanzen und
Pflanzensuspensionszellen
Neue Strategien zur oralen Vakzi
nierung
Strategien zur Verbesserung der
Expression und Stabilität rekom
binanter Proteine
Entwicklung neuer Reinigungsstra
tegien
Produktion rekombinanter Pharma
zeutika in alternativen Expressions
systemen (Bakterien, Hefen, tierische
Zellkulturen)
Ansprechpartner
Tel: +49 (0) 2 41/60 85-110 50
[email protected]
• Beratung bei Wahl und Herstellung
von Expressionsstämmen zur
Herstellung rekombinanter Proteine
• Stammentwicklung
• Prozessentwicklung und
Machbarkeitsstudien zur Herstellung
rekombinanter Proteine
• Produktion von rekombinanten
Proteinen unter Non-GMP im
Maßstab 1 – 30 L
• GMP-gerechte Herstellung von
rekombinanten Wirkstoffen für
klinische Prüfungen (Anlage in der
Qualifizierung)
• Qualitätskontrolle (QC) und Validie
rung rekombinanter Pharmazeutika
• Beratung bei der Planung und Ent
wicklung von Prozessen zur Produk
tion rekombinanter Wirkstoffe
Ansprechpartner
Dr. Stephan Hellwig
Tel: +49 (0) 2 41/60 85-112 40
[email protected]
Tel: +49 (0) 2 41/60 85-112 50
[email protected]
Molecular Biotechnology (USA)
• Transiente Genexpression
• Funktionale Genomik anhand
Virus-induziertem Gene Silencing
• Real time PCR
• Impfstoffentwicklung
• Gerichtete Evolution
• Entwicklung viraler Vektoren
• Entwicklung industrieller
Biokatalysatoren
Ansprechpartner
Tel: +1 302 369 37 66
[email protected]
Research, Development and Services
Development of Pharmaceutical
Products
• Development of recombinant pro
teins for diagnosis and therapy
– development and characterization
of antibody-phage libraries
(human, mouse, chicken)
– development of monovalent and
multivalent fusion proteins (pro drugs, toxins, bispecific antibod ies)
– expression of functional recom binant proteins in heterologous
expression systems
• Optimization of selected binding
structures
– recombinant techniques and
molecular evolution
– development of novel platform
technologies
• Development of novel strategies
for the diagnosis and treatment of
cancer, allergies and autoimmune
diseases
• Assay development, optimization
and quality control
Contact
Tel: +49 (0) 2 41/60 85-110 60
[email protected]
Plant Biotechnology
• Identification, cloning and optimization of target genes
• Plant transformation (monocots and
dicots)
• Production of pathogen- and stress
resistant plants
• Development of transgenic crops
(nutriceuticals)
• Metabolic engineering
• Phytoremediation
• Molecular Farming: Production of
recombinant pharmaceuticals and
•
•
•
•
technical proteins in plants and
plant suspension cells
Novel strategies for oral vaccination
Strategies for improved expression
and stability of recombinant proteins
Development of novel purification
strategies
Production of recombinant pharma
ceuticals in alternative expression
systems (bacteria, yeast, animal cell
cultures)
Contact
Tel: +49 (0) 2 41/60 85-110 50
[email protected]
• Consulting in the development &
construction of expression strains
and choice of expression hosts
• Strain development
• Process development and feasibility
studies for the production of recombinant proteins
• Production of recombinant proteins
(non-GMP) in the 1 – 30 L scale
• GMP-compliant production of
recombinant API for clinical trials
(facility under qualification)
• Quality control (QC) and validation
of recombinant pharmaceuticals
• Consulting in the design & development of processes for the production of recombinant API
Molecular Biotechnology (USA)
• Transient gene expression
• VIGS (virus-induced gene expression)
based functional genomics
• Real-time PCR
• Vaccine development
• Directed evolution
• Viral vector development
• Industrial biocatalyst development
Contact
Tel: +1 302 369 37 66
[email protected]
Contact
Dr. Stephan Hellwig
Tel: +49 (0) 2 41/60 85-112 40
[email protected]
Tel: +49 (0) 2 41/60 85-112 50
[email protected]
25
Bereich Angewandte
Oekologie
Pflanzenschutz
Chemikalien- und Produktsicherheit
• Standard-Risk-Assessment:
Studien und Berechnungen nach
Richtlinien (zumeist OECD) und GLP
in den Bereichen physikalischchemische Eigenschaften, Verbleib
(z. B. Expositionsmodellierung,
Lysimeterstudien, Metabolismus in
Boden, Wasser/Sediment, Pflanzen,
Bioakkumulation), aquatische und
terrestrische Ökotoxikologie
• Higher Tier Risk Assessment (HTRA):
Entwicklung, Implementierung und
Durchführung von z. B. Tests mit
Nicht-Standardarten (Art-Empfind
lichkeits-Verteilungen), Fish-Full-Life
Cycle-Tests, Mikro-/Mesokosmos
studien; Expositions- und Wirkungs
modellierung (Population,
Nahrungsnetze); Auswertung oder
Gutachten zu HTRA-Studien anderer
Einrichtungen
• Forschungs- und Entwicklungspro
jekte und Gutachten zu generellen
und speziellen Bewertungsfragen
• Standardstudien für die Registrie
rung und Kennzeichnung von
Industriechemikalien:
Erfassung von physikalisch-chemi
schen Eigenschaften, Verbleib, Bio
akkumulation und Ökotoxikologie
• Komplexe Studien für spezielle
Fragestellungen:
modifizierte Standardtests für leicht
flüchtige und/oder schwerlösliche
Substanzen, Mikrokosmosstudien,
Expositionsabschätzung von chemischen und biologischen Agenzien in
Wasser, Böden, Nahrungsmitteln
und Verbraucherprodukten durch
Entwicklung bzw. Anpassung von
Expositionsszenarien und -modellen
• Verfahrensanpassung zur Risiko
abschätzung:
Entwicklung /Anpassung von Testund Bewertungsstrategien
• Gutachten zur ökologischen Stoffund Produktbewertung:
Umweltverträglichkeit von Produkten,
Verfahren oder Produktionsstand
orten, Ökobilanzen
• Unterstützung bei der Registrierung
und Zulassung von Chemikalien:
Beratung in Zusammenhang mit
umweltrelevanten Spezialaspekten
zu REACH
Ansprechpartner
Chemie
Dr. Dieter Hennecke
Tel: +49 (0) 29 72/3 02-2 09
[email protected]
Modellierung
Dr. Michael Klein
Tel: +49 (0) 29 72/3 02-3 17
[email protected]hofer.de
Ökotoxikologie
Tel: +49 (0) 29 72/3 02-2 70
[email protected]
26
Ansprechpartner
Chemische Analytik
Dr. Josef Müller
Tel: +49 (0) 29 72/3 02-2 16
[email protected]
Ökotoxikologie
Tel: +49 (0) 29 72/3 02-2 70
[email protected]
Plant Protection
Chemical and Product Safety
• Standard risk assessment:
Studies and calculations acccording
to international guidelines (mostly
OECD) and GLP in the areas physicochemical properties, fate (e. g. exposure modeling, lysimeter studies,
metabolism in soil, water/sediment,
plants, bioaccumulation), aquatic
and terrestrial ecotoxicology
• Higher Tier Risk Assessment (HTRA):
Development, implementation and
performance of e. g. tests with nonstandard species, fish full life cycletests, microcosm and mesocosm
studies; exposure modeling and
effects modeling (population, food
webs), and evaluations or expert
reports on HTRA studies of other
institutions
• Research and development projects
and expert reports on general and
specific issues in pesticide assessment
• Standard studies for the notification
and labelling of industrial chemicals:
Determination of physico-chemical
properties, fate, bioaccumulation
and ecotoxicology
• Complex studies for specific prob
lems:
Modified standard tests for slightly
volatile and/or poorly soluble substances, microcosm studies, expo
sure assessment for chemical and
biological agents in water, soils,
food and feed and consumer articles
by elaboration and adaptation of
exposure scenarios and exposure
models
• Improvement of existing procedures
for risk assessments:
Elaboration and adaptation of test
and assessment strategies
• Expert reports concerning ecological
substance and product assessments:
Assessment of environmental impact
of products, procedures or production sites
• Support for the registration of pesticides or notification of chemical
substances:
Consultation in the context of
REACH
Contact
Chemistry
Dr. Dieter Hennecke
Tel: +49 (0) 29 72/3 02-2 09
[email protected]
Modeling
Dr. Michael Klein
Tel: +49 (0) 29 72/3 02-3 17
[email protected]
Ecotoxicology
Tel: +49 (0) 29 72/3 02-2 70
[email protected]
Applied Ecology
Division
Contact
Chemical analytics
Dr. Josef Müller
Tel: +49 (0) 29 72/3 02-2 16
[email protected]
Ecotoxicology
Tel: +49 (0) 29 72/3 02-2 70
[email protected]
27
Boden- und Gewässerschutz
Umweltmonitoring
Lebens- und Futtermittelsicherheit
• Ableitung von Grenzwerten chemischer Belastungen nach Boden
schutzgesetz:
z. B. Erfassung von Verhalten und
Wirkung anthropogener Kontami
nanten im Rahmen der Boden
sanierung; Schadstoffaufnahme in
Nutzpflanzen
• Erfassung und Bewertung des aktuellen Bodenzustands:
Physikochemische Analysen; bodenbiozönotische und ökotoxikologische
Untersuchungen; Ermittlung der Be
einträchtigung ökosystemarer Struk
turen und Funktionen (Biodiversität);
Umweltmikrobiologie; Identifizierung
und Bereitstellung von Referenz
böden
• Erfassung kritischer Stoffe und tolerierbarer Einträge in Böden
• Monitoring zur Bestimmung der
Gewässerqualität:
Biomarkeranalysen (Östrogen-Rezep
tortests, UMU-Tests, VitellogeninUntersuchungen); Fisch-Embryotests
mit Abwasserproben; ökologisches
Gewässermonitoring
• Ableitung von Wasserqualitätszielen
im Rahmen der europäischen Ge
wässerrahmenrichtlinie:
Entwicklung von Expertensystemen
zur Identifizierung prioritärer Pro
blemfelder und Problemstoffe
• Problemorientierte Probennahme
von Wasser-, Boden- und Luft
proben
• Schwermetallanalytik im Spuren
bereich in Wasser, Boden, Staub
proben und biologischen Matrices
• Elementspeziesanalytik, z. B. mittels
GC-AED- oder HPLC-ICP/MSKopplung
• Erfassung von organischen Kontami
nanten in Wasser- und Sediment
phase sowie in Boden, Luft und biologischen Matrices
• Analytik ziviler und militärischer Alt
lasten
• Prüfung und Dekontamination
belasteter Materialien (z. B. Schutz
kleidung)
• Probenvorbereitung und -lagerung
unter Cryobedingungen
• Bewertung der ökologischen Bedeu
tung stofflicher Belastungen in abiotischen und biotischen Matrices
• Stoffbezogene Lebens- und Futter
mittelanalytik auf Grundlage von
internationalen Richtlinien, DINNormen bzw. der § 35 LMBG-Metho
den
• Lebensmittelmikrobiologie
• Identifikation von Pathogenen
• Allergen-, Mykotoxin- und GVONachweis
• Biochemische und molekularbiolo
gische Detektionsverfahren:
z. B. Tierartendifferenzierung in
Lebens- und Futtermitteln tierischer
Herkunft
• Instrumentelle Spezialanalytik zur
Untersuchung von Lebens- und
Futtermitteln (einschließlich Trink
wasser) sowie von Bedarfsgegenstän
den komplexer Zusammensetzung
und zur Detektion charakteristischer
Inhaltsstoffe, von Kontaminanten
und Rückständen (z. B. LC/MS,
SBSE-GC/MS/O)
• Entwicklung kostengünstiger Screen
ing-Verfahren, die Analysen im
Hochdurchsatz ermöglichen, und
einfach durchzuführender Schnell
tests
• Beratung in Fragen der Deklaration
von Lebensmitteln
Ansprechpartner
Bodenbiologie
Dr. Kerstin Hund-Rinke
Tel: +49 (0) 29 72/3 02-2 66
[email protected]
Ökologische Chemie
Dr. Werner Kördel
Tel: +49 (0) 29 72/3 02-2 17
[email protected]
Gewässerqualität
Dr. Monika Herrchen
Tel: +49 (0) 29 72/3 02-2 15
[email protected]
28
Ansprechpartner
Organische Analytik
Dr. Josef Müller
Tel: +49 (0) 29 72/3 02-2 16
Elementanalytik / Cryobanking
Dr. Heinz Rüdel
Tel: +49 (0) 29 72/3 02-3 01
[email protected]
Bewertung
Dr. Monika Herrchen
Tel: +49 (0) 29 72/3 02-2 15
[email protected]
Ansprechpartner
Dr. Mark Bücking
Tel: +49 (0) 29 72/3 02-3 04
[email protected]
Dr. Björn Seidel
Tel: +49 (0) 29 72/3 02-3 30
[email protected]
Soil and Water Protection
• Derivation of threshold values for
the impact of chemicals according
to the Federal Soil Protection Act:
For example, determining the fate
and effects of anthropogenic contaminants in the context of soil re
mediation; pollutant uptake in crops
• Determination and assessment of
the current state of soils:
Physicochemical analysis; analysis of
soil biocoenosis, ecotoxicological
investigations; impairment of ecosystem structures and functions
(biodiversity); environmental microbiology; identification and supply of
reference soils
• Determination of critical substances
and tolerable inputs in soils
• Monitoring water quality:
Biomarker analysis (estrogen receptor tests, UMU tests, vitellogenin
analysis); fish embryo assays using
waste water samples; ecological
monitoring of surface waters
• Derivation of water quality objec
tives according to the European
Water Framework Directive:
Elaboration of expert systems for
the identification of priority emerg
ing issues
• Problem-oriented sampling of water,
soil and air
• Heavy metal trace analysis in water,
soil, filter samples and biological
matrices
• Elemental speciation analysis, e. g.
using GC-AED or HPLC-ICP/MScoupling
• Tracking organic contaminants in
the water and sediment phase, in
soil, air and in biological matrices
• Analytical determination of hazard
ous wastes (industrial and military
sites)
• Testing and decontamination of
contaminated materials (e. g. protective clothing)
• Sample preparation and storage
under cryogenic conditions
• Assessment of the ecological relevance of substance impact in biotic
and abiotic matrices
Contact
Soil biology
Tel: +49 (0) 29 72/3 02-2 66
[email protected]
Ecological chemistry
Dr. Werner Kördel
Tel: +49 (0) 29 72/3 02-2 17
[email protected]
Water quality
Dr. Monika Herrchen
Tel: +49 (0) 29 72/3 02-2 15
[email protected]
Contact
Organic Analysis
Dr. Josef Müller
Tel: +49 (0) 29 72/3 02-2 16
Elemental Analysis / Cryobanking
Dr. Heinz Rüdel
Tel: +49 (0) 29 72/3 02-3 01
[email protected]
Assessment
Dr. Monika Herrchen
Tel: +49 (0) 29 72/3 02-2 15
[email protected]
Food and Feed Safety
• Substance-related analysis of food
and feed according to international
guidelines, DIN-standards and the
so-called § 35 methods of the
German food law (LMBG)
• Food microbiology
• Identification of pathogens
• Detection of allergens, mycotoxins,
and GMOs
• Detection procedures using bio
chemistry and molecular biology
methods: for example, identification
of animal species in food and feed
• Special instrumental analysis for
food and feed (including drinking
water) as well as consumer products
of complex composition, and the
detection of characteristic in
gredients, contaminants and residues (e. g. LC/MS, SBSE-GC/MS/O)
• Development of cost-effective
screening methods suitable for high
throughput, and development of
feasible and rapid test methods
• Consulting in problems relating to
the declaration and labeling of food
Contact
Dr. Mark Bücking
Tel: +49 (0) 29 72/3 02-3 04
[email protected]
Dr. Björn Seidel
Tel: +49 (0) 29 72/3 02-3 30
[email protected]
29
Ausstattung des Instituts
Liegenschaft und Nutzflächen
Das Institut verfügt in Schmallenberg
über ein Grundstück von 34 000 m2
mit einer Nutzfläche von ca. 6 600 m2.
Ca. ¾ dieser Fläche werden als Laboratorien bzw. Umweltsimulationsan
lagen genutzt. Für die Umweltprobenbank des Bundes und Probenbanken
für weitere Kunden steht ein spezielles
Gebäude mit 350 m2 als Cryolager zur
Verfügung.
Das Institut in Aachen mit einer Hauptnutzungsfläche von 5 400 m2 einschließ
lich 1000 m2 Gewächshausfläche und
GMP Gebäude wurde auf einem Grund
stück von 32 000 m2 errichtet.
In Schmallenberg und Aachen sind
Laborräume des Sicherheitsstandards S1
und S2 vorhanden; der Institutsteil in
Schmallenberg verfügt zudem über
Laboratorien des Sicherheitsstandards L3.
Versuchseinrichtungen und -geräte:
Molekularbiologie
• Vollautomatische DNA-Aufarbei
tungsstationen
• Biomek 2000 Robotic Stationen
• Biomek FX 96 Kanal Roboter
• Tecan Proteinkristallisationsroboter
• ABI 3700 Sequenzier-Station
• ABI PRISM 7700 Sequence
Detection System
• QPix Colony Picker mit Microarray
Option
• ScanArray 5000 Biochip Analyse
System
• Fuji Phosphor und Chemilumines
cent Imaging System
• Leica Spektral-konfokales Mikroskop
• Evotec Opera System
(Hochdurchsatz konfokales
Laserimaging System)
• Evotec Cytocon 300 (Einzelzellklonie
rungssystem)
• Fuji LAS 1000 gekühltes
Kamerasystem
• Fuji FLA 2000 Bio Imaging Analyzer
Mess-System
30
• Backilluminiertes Frametransfer CCD
Kamera System und Leica Research
Mikroskop
• Luigs und Neumann Mikroinjektions
einrichtung
• Beckton Dickenson FACScalibur
• Beckton Dickenson FACSvantage
• Dade Serocent Waschzentrifuge
• Schäfer System Casy Cell Counter
• Zellkulturlaboratorien
• PALM microbeam laser microdissec
tion system
• Geräte zum ballistischen Gentransfer
(Particle Gun)
• Fermenter für pflanzliche, tierische
und mikrobielle Zellkulturen
• Nicht-GMP Technikum zur Prozessent
wicklung und Herstellung rekombi
nanter Proteine im Maßstab 1 – 30 L
• DAS-GIP-fedbatch-pro Anlage (16 ×)
• Multi-purpose GMP-Technikum zur
Herstellung von rekombinanten
Wirkstoffen im Maßstab bis 350 L
• Carr P6 Powerfuge
• Pharmacia Äkta Explorer
• Pharmacia Prozesssysteme
• Mikro- und Ultra-Filtrationsanlagen
• ELISA Reader
• SLM Aminco Bowman AB-2 Fluori
meter
• BIAcore 2000, BIAcore T100
• Oxford Cryostream
• Oxford Xenon Cell zur Erzeugung
von Xenon Schweratomderivativen
• Bruker-Nonius FR591 Anoden X-ray
Generator, Osmic konfokale MaxFlux™ blaue Optik X-ray Spiegel,
X‑Ray Research Mar345 Bildplatte
• Silicon Graphics Workstations ein
schließlich Stereo Device Software zur
Proteinstrukturanalyse (M.S.I. Insight
II/Discover, Denzo, Scalepack, CCP4,
SHEL-X, SHARP, PHASES, X‑PLOR, O)
• MS-Suite für Proteomanalysen
• Shimadzu GCMS-QP2010S
• Geräte für anorganische Spuren
analytik (z. B. ICP-MS, HPLC-ICP-MS,
ICP-OES, GF-AAS, FIMS, IC)
• Ausstattung für organische Spuren
analytik (z. B. AED, GC-MS/MS,
SBSE-GC/MS/O, HPLC-MS/MS)
• Geräte für 14C-Analytik
• Hochauflösendes Sektorfeldgerät in
Kopplung mit GC und HPLC
• 7 Durchflussanlagen für ökotoxikologische Langzeitstudien
• 2 Anlagen für statische ÖkotoxStudien (z. B. Fisch Full Life Cycle)
• Durchflusszytophotometer
• Modellkläranlagen
• Bioinkubatoren
Anlagen zur Umweltsimulation (*inner
halb des Kontrollbereichs)
• Terrestrische Mikrokosmen
(Freilandlysimeter)*
• 2 × 16 aquatische Mikrokosmen
(Volumen: 1 m3) mit JahreszeitSimulation*
• 15 Freiland-Teiche (5 m3); Meso
kosmenanlage, gaiac, RWTH Aachen
• 3 Mesokosmosanlagen (enclosure sys
tems), Mesocosm GmbH, Homberg
• Fließgewässersimulationsanlage*
• Anlage zur Simulation von Bodenund Abfallbehandlung unter umwelt
relevanten Extrembedingungen*
• Versuchsfeld zur gezielten Belastung
von Ökosystemausschnitten in Plot
versuchen*
Spezialsoftware / Simulationsmodelle
• Modelle zur Expositionsabschätzung:
z. B. PELMO, STEPS 1 – 2 in FOCUS,
FOCUSPELMO, ABIWAS,
SimpleTreat, PopFate, ASSESS
• Ökologische Modelle:
Populationsmodelle, z. B. für Daphnia
und Zebrabärbling; Nahrungsnetz
modelle
• Ökologische Statistik: CANOCO,
Community Analysis
• QSAR-Software: PropertEst, MOPAC,
ClogP, ECOSAR
• Datenbanken: z. B. PropertBase,
AQUATOX, COMMPS
• Verschiedene Modellierungsumge
bungen und -tools inklusive GIS
(ArcView 8)
Institute Facilities and Equipment
The Fraunhofer IME in Schmallenberg
comprises about 34 000 m2 including
office and laboratory space of approxi
mately 6 600 m2. About 75 % of the
area in Schmallenberg is used for
laboratories and environmental simulations.
The new institute building in Aachen
comprises 5 400 m2 office and laboratory space as well as a greenhouse,
and a GMP facility on a 32 000 m2
area.
Level 1 and Level 2 containment facilities are available in Schmallenberg and
Aachen; level 3 laboratories are avail
able in Schmallenberg. In Schmallenberg a special building with 350 m2 is
available as cryostorage facility for the
Federal Environmental Specimen Bank
and for cryobanks for other customers.
Special Equipment and Work Tools
Molecular Biology
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Automated DNA-isolation station
Biomek 2000 robotic stations
ABI 3700 sequencer
ABI PRISM 7700 Sequence
Detection System
QPix colony picker and micro array
system
ScanArray 5000 biochip analysis
system
Fuji phosphor and chemiluminescent
imaging system
Leica TCS-SP spectral confocal
microscope
Evotec Opera System (high throughput dual confocal laser imaging
system)
Evotec Cytocon 300 (single cell
cloning system)
Princeton back illuminated frame
transfer cooled CCD camera system,
two photometrics cooled CCD
cameras and Leica DM-RB research
microscopes
Fuji LAS 1000 cooled camera system
• Fuji FLA 2000 bio imaging analysis
system
• Luigs and Neumann microinjection
suite
• Beckton Dickenson FACScalibur
• Beckton Dickenson FACSvantage
• Dade Sercent Wash Centrifuge
• Schäfer Casy Cell Counter
• Cell culture laboratories
• Palm microbeam laser microdis
section system
• Particle gun
• Fermentors for plant, animal and
microbial cell cultures
• Non-GMP process development &
feasibility studies facility to produce
recombinant proteins (1 – 30 L scale)
• DAS-GIP fedbatch-pro system (16 ×)
• GMP-compliant multi-purpose production suite for the production of
API in the 350-L scale
• Carr P6 Powerfuge
• Pharmacia Äkta Explorer
• Pharmacia Process System
• Micro- and ultra filtration systems
• ELISA Reader
• SLM Aminco Bowman AB-2 fluorimeter
• BIAcore 2000, BIAcore T100
• Oxford Cryostream
• Oxford Xenon Cell to produce
xenon heavy atom derivatives
• Bruker-Nonius FR591 rotating anode
X-ray generator, Osmic Confocal
Max-Flux™ blue optic X-ray mirrors,
X‑Ray Research Mar345 image plate
• Silicon Graphics workstations includ
ing stereo device software for sol
ving protein structure (M.S.I. Insight
II/Discover, Denzo, Scalepack, CCP4,
SHEL-X, SHARP, PHASES, X‑PLOR, O)
• Micromass mass spectrometer-suite
for proteom analysis
• Shimadzu GCMS-QP2010S
Applied Ecology
• Equipment for 14C-analysis
• Equipment for inorganic trace ana
lyses (e. g. ICP-MS, HPLC-ICP-MS,
ICP-OES, GF-AAS, FIMS, IC)
• Equipment for organic trace analyses (e. g. AED, GC-MS/MS, SBSEGC/MS/O, HPLC-MS/MS)
• Mass spectrometers (including high
resolution instruments) coupled with
GC and HPLC
• 7 flow-through facilities for eco
toxicological studies
• 2 facilities for large static ecotoxicological studies (e. g. fish full life
cycle studies)
• Flow-through cytophotometer
• Model sewage treatment plants
• Bioincubators
Facilities for Environmental Simulations
(*isotopically labeled chemicals)
• Terrestrial microcosms (outdoor lysimeter facilities)*
• 2 × 16 aquatic microcosms (1 m3 vol
ume) including seasonal simulation*
• 15 outdoor ponds (5 m3 volume) at
gaiac, RWTH Aachen
• Three enclosure systems for outdoor
aquatic studies at Mesocosm GmbH,
Homberg, Ohm
• Artificial stream system*
• Facilities for simulating soil and
waste treatments under extreme
ecological conditions*
• Facility for field studies involving
special exposure of ecosystem
compartments in plot trials*
Software Tools and Simulation Models
• Exposure assessment models:
e. g. PELMO, STEPS 1 – 2 in FOCUS,
FOCUSPELMO, ABIWAS,
SimpleTreat, PopFate, ASSESS
• Ecological models: population
models, e. g. for daphnia and zebrafish; food web models
• Ecological effect statistics:
CANOCO, Community Analysis (CS)
• QSAR-software: PropertEst, MOPAC,
ClogP, ECOSAR
• Data bases: e. g. PropertBase,
AQUATOX, COMMPS
• Several modeling environments and
tools including GIS (ArcView 8)
31
Das Institut in Zahlen
Gesamthaushalt des Fraunhofer IME
16
Haushalt
14
Millionen €
12
10
8
6
4
2
0
2001
2002
2003
2004
2005
Ausbauinvestitionen
Normal- und Sonderinvestitionen
Betriebshaushalt
2006*
* vorläufige Werte
Personal
2006 waren im Fraunhofer-Institut für
Oekologie 137 Personen angestellt.
Externe Erträge des Fraunhofer IME
9
8
7
Der Frauenanteil betrug 44,3%.
Millionen €
6
5
Wissenschaftliche Mitarbeiter 45
3
Graduierte Mitarbeiter
13
2
Technische Mitarbeiter
42
1
Doktoranden
6
Diplomanden 8
4
0
2001
2002
2003
2004
2005
Industrie und Wirtschaft
Öffentliche Auftraggeber
EU
Sonstige (bis 2002 inkl. EU)
EU
3%
Öffentliche
Auftraggeber
35%
Sonstige
4%
Infrastruktur / Verwaltung
Regelgrundfinanzierung
20%
Interne
Programme
10%
Industrie und
Wirtschaft
30%
2006*
* vorläufige Werte
IME Finanzierung 2006
32
Der Gesamthaushalt des Instituts betrug
in 2006 ca. 14,0 Mio. €. Davon ent
fielen 11,1 Mio. € auf den Betriebshaus
halt. Die eigenen Erträge konnten auf
8,0 Mio. € gesteigert werden (+ 14%
im Vergleich zum Vorjahr).
0,66 Mio. € wurden für Normal- und
Sonderinvestitionen getätigt.
Zusätzlich standen 2,3 Mio. € an Aus
bauinvestitionen zur Verfügung.
23
137
Institute Data, 2006
Total budget of the Fraunhofer IME
16
Budget
14
12
10
Million €
The institute’s total budget for the
year under review was approximately
14.0 million Euros. Proceeds towards
the institute’s budget originating from
contract research amounted to
8.0 million Euros which was around
14 % more than in the year before.
Basic and special investments carried
out by the two divisions of the institute
amounted to 0.66 million Euros.
In addition, 2.3 million Euros were
allocated to building investments.
8
6
4
2
0
2001
2002
2003
2004
2005
Building investment
Basic and special investment
Operating budget
Staff
2006*
* preliminary data
External financing of the Fraunhofer IME
9
At the end of 2006, the Fraunhofer
Institute for Molecular Biology and
Applied Ecology had 137 employees.
8
7
Million €
6
Approximately 44,3% of the
employees are female.
5
4
3
Scientists
45
2
Graduate employees
13
1
Technicians
42
PhD students
6
Graduate students 8
Infrastructure / administration
23
0
2001
2002
2003
2004
2005
Industry
Public
EU
Others (until 2002 incl. EU)
2006*
* preliminary data
137
IME Financing 2006
EU
3%
Public
35%
Others
4%
Basic financing
20%
Internal
programs
10%
Industry
30%
33
Die Fraunhofer-Gesellschaft
auf einen Blick
Instituten eröffnen sich wegen der praxisnahen Ausbildung und Erfahrung
hervorragende Einstiegs- und Entwicklungschancen in Unternehmen.
Die Forschungsorganisation
Forschung für die Praxis ist die zentrale
Aufgabe der Fraunhofer-Gesellschaft.
Die 1949 gegründete Forschungsorga
nisation betreibt anwendungsorien
tierte Forschung für die Wirtschaft und
zum Vorteil der Gesellschaft. Vertrags
partner und Auftraggeber sind Indu
strie- und Dienstleistungsunternehmen
sowie die öffentliche Hand. Im Auftrag
von Ministerien und Behörden des
Bundes und der Länder werden zu
kunftsrelevante Forschungsprojekte
durchgeführt, die zu Innovationen im
öffentlichen Nachfragebereich und in
der Wirtschaft beitragen.
Die Wirkung der angewandten For
schung geht über den direkten Nutzen
für die Kunden hinaus: Mit ihrer For
schungs- und Entwicklungsarbeit
tragen die Fraunhofer-Institute zur
Wettbewerbsfähigkeit der Region,
Deutschlands und Europas bei. Sie
fördern Innovationen, stärken die technologische Weiterentwicklung, verbessern die Akzeptanz moderner Technik
und sorgen auch für Information und
Weiterbildung des dringend benötigten wissenschaftlich-technischen Nachwuchses.
Ihren Mitarbeiterinnen und Mitarbei
tern bietet die Fraunhofer-Gesellschaft
die Möglichkeit zur fachlichen und per
sönlichen Entwicklung für anspruchs
volle Positionen in ihren Instituten, in
anderen Bereichen der Wissenschaft,
in Wirtschaft und Gesellschaft. Studentinnen und Studenten an Fraunhofer-
34
Die Fraunhofer-Gesellschaft betreibt der
zeit mehr als 80 Forschungseinrichtun
gen, davon 56 Institute, an 40 Standorten in ganz Deutschland. Rund
12 500 Mitarbeiterinnen und Mitarbei
ter, überwiegend mit natur- oder ingenieurwissenschaftlicher Ausbildung,
bearbeiten das jährliche Forschungs
volumen von 1,2 Milliarden €. Davon
fallen mehr als 1 Milliarde € auf den
Leistungsbereich Vertragsforschung.
Zwei Drittel dieses Leistungsbereichs
erwirtschaftet die Fraunhofer-Gesellschaft mit Aufträgen aus der Industrie
und mit öffentlich finanzierten
Forschungsprojekten. Nur ein Drittel
wird von Bund und Ländern als Grundfinanzierung beigesteuert, damit die
Institute Problemlösungen bearbeiten
können, die erst in fünf oder zehn
Jahren für Wirtschaft und Gesellschaft
aktuell werden.
Niederlassungen in Europa, in den USA
und in Asien sorgen für Kontakt zu
den wichtigsten gegenwärtigen und
zukünftigen Wissenschafts- und Wirt
schaftsräumen.
Namensgeber der als gemeinnützig
anerkannten Fraunhofer-Gesellschaft
ist der Münchner Gelehrte Joseph von
Fraunhofer (1787 – 1826), der als
Forscher, Erfinder und Unternehmer
gleichermaßen erfolgreich war.
Die Verbünde der Fraunhofer-Gesellschaft
Die Fraunhofer-Institute bündeln ihre
Kompetenzen in Kooperationen, um
gemeinsam am Markt aufzutreten und
ihren Kunden damit ein breiteres
Dienstleistungsspektrum anzubieten.
Fachlich verwandte Institute arbeiten
in derzeit sieben Verbünden zusammen
und treten gemeinsam am FuE-Markt
auf. Sie wirken in der Unternehmens
politik sowie bei der Umsetzung des
Funktions- und Finanzierungsmodells
der Fraunhofer-Gesellschaft mit:
• Fraunhofer-Gruppe Informationsund Kommunikationstechnik
• Fraunhofer-Verbund Life Sciences
• Fraunhofer-Verbund Mikroelektronik
• Fraunhofer-Verbund Oberflächen
technik und Photonik
• Fraunhofer-Verbund Werkstoffe,
Bauteile
• Fraunhofer-Verbund Produktion
• Fraunhofer-Verbund Verteidigungsund Sicherheitsforschung
Fraunhofer-Allianzen
Die Fraunhofer-Allianzen erleichtern
den Kundenzugang zu Ergebnissen
und Diensten der Fraunhofer-Gesell
schaft. Institutsübergreifende, fachlich
kompetente Ansprechpartner beraten
bei komplexen Aufgabenstellungen.
Sie vermitteln und koordinieren geeignete Lösungsangebote.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Digital Cinema
eGovernment Zentrum
Grid Computing
Optisch-funktionale Oberflächen
Photokatalyse
Rapid Prototyping
Proteinchips
Vision (Bildverarbeitung)
Reinigungstechnik
The Fraunhofer-Gesellschaft
at a Glance
The Fraunhofer-Gesellschaft
Research of practical utility lies at the
heart of all activities pursued by the
Fraunhofer-Gesellschaft. Founded in
1949, the research organization undertakes applied research that drives economic development and serves the
wider benefit of society. Its services are
solicited by customers and contractual
partners in industry, the service sector
and public administration. The organi
zation also accepts commissions from
German federal and Länder ministries
and government departments to par
ticipate in future-oriented research
projects with the aim of finding inno
vative solutions to issues concerning
the industrial economy and society in
general.
Applied research has a knock-on effect
that extends beyond the direct benefits
perceived by the customer: Through
their research and development work,
the Fraunhofer Institutes help to rein
force the competitive strength of the
economy in their local region, and
throughout Germany and Europe. They
do so by promoting innovation, ac
celerating technological progress,
improving the acceptance of new technologies, and not least by disseminat
ing their knowledge and helping to
train the urgently needed future generation of scientists and engineers.
As an employer, the Fraunhofer-Gesellschaft offers its staff the opportunity
to develop the professional and personal skills that will allow them to take
up positions of responsibility within
their institute, in other scientific
domains, in industry and in society.
Students working at the Fraunhofer
Institutes have excellent prospects of
starting and developing a career in
industry by virtue of the practical
training and experience they have
acquired.
At present, the Fraunhofer-Gesellschaft
maintains more than 80 research units,
including 56 Fraunhofer Institutes, at
40 different locations in Germany. The
majority of the 12,500 staff are quali
fied scientists and engineers, who
work with an annual research budget
of € 1.2 billion. Of this sum, more
than € 1 billion is generated through
contract research. Two thirds of the
Fraunhofer-Gesellschaft’s contract
research revenue is derived from
contracts with industry and from
publicly financed research projects.
Only one third is contributed by the
German federal and Länder govern
ments in the form of institutional
funding, enabling the institutes to
work ahead on solutions to problems
that will not become acutely relevant
to industry and society until five or ten
years from now.
Affiliated research centers and repre
sentative offices in Europe, the USA
and Asia provide contact with the
regions of greatest importance to
present and future scientific progress
and economic development.
The Fraunhofer-Gesellschaft is a
recognized non-profit organization
which takes its name from Joseph
von Fraunhofer (1787 – 1826), the
illustrious Munich researcher, inventor
and entrepreneur.
• Fraunhofer Information and
Communication Technology Group
• Fraunhofer Life Sciences Alliance
• Fraunhofer Materials and Compo
nents Alliance
• Fraunhofer Microelectronics Alliance
• Fraunhofer Production Alliance
• Fraunhofer Surface Technology and
Photonics Alliance
• Fraunhofer Defense and Security
Alliance
Fraunhofer networks
The Fraunhofer networks facilitate
customer access to the services and
research results of the FraunhoferGesellschaft. Common points of
contact for groups of institutes active
in related fields provide expert advice
on complex issues and coordinate the
development of appropriate solutions:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Digital Cinema
eGovernment Center
Grid Computing
Optical-functional Surfaces
Photocatalysis
Rapid Prototyping
Proteinchips
Vision (Image Processing)
Cleaning Technology
The Fraunhofer research alliances
The institutes of the Fraunhofer-Gesellschaft have organized themselves into
seven research alliances, each specializ
ing in a specific area of technology, in
order to promote collaboration in
related disciplines and offer customers
a unique source of coordinated joint
services:
Fraunhofer-Gesellschaft zur
Förderung der angewandten
Forschung e. V.
Postfach 20 07 33
80007 München
Hansastraße 27 c
80686 München, Germany
Tel: +49 (0) 89/12 05-0
Fax: +49 (0) 89/12 05-75 31
[email protected]
35
Fraunhofer-Verbund
Life Sciences
Durch die Bündelung der komplementä
ren Kernkompetenzen der FraunhoferInstitute für Biomedizinische Technik
IBMT, Grenzflächen- und Bioverfahrens
technik IGB, Molekularbiologie und
Angewandte Oekologie IME, Toxikolo
gie und Experimentelle Medizin ITEM
sowie Zelltherapie und Immunologie
IZI im Fraunhofer-Verbund Life Sciences
(VLS) ergibt sich ein breites Methoden
spektrum und Dienstleistungsangebot,
das durch den Dialog mit unseren Ko
operationspartnern in der Wirtschaft
zur Steigerung unserer Innovations
kraft führt. Die internationale Ausrich
tung des Verbundes – dokumentiert
durch Niederlassungen in Nordamerika
(IME) und China (IBMT) – trägt der
Globalisierung des Wirtschaftslebens
Rechnung.
Im Kompetenzfeld „Prozessentwicklung
für biologische und medizinische An
wendungen“ beschäftigt sich der VLS
unter anderem mit Verfahren zur opti
mierten Gewinnung rekombinanter
Pharmawirkstoffe und industriell nutzbarer Enzyme aus mikrobiellen, pflanzlichen, tierischen und humanen Expres
sionssystemen, mit der Entwicklung
und Anwendung von Biochips, mit
mikrosystembasierten Biohybriden, mit
der Kryobiotechnologie und auch mit
der Membrantechnologie zur effektiven
Trennung von Stoffen.
Für die Indikationen Herzkreislauf- und
Stoffwechselerkrankungen, Multiple
Sklerose, Allergien sowie Tumor- und
Autoimmunerkrankungen wird im
Geschäftsfeld „Entwicklung und Prüfung von Pharmawirkstoffen und
Medizinprodukten“ auf der Basis von
Genom- und Proteomuntersuchungen
nach neuen Targets für Diagnostik und
Therapie gesucht. Die Entwicklung von
Antikörpern spielt hier eine besondere
Rolle. Vielfältige präklinische, pharma-
36
kologische und klinische (Atemtrakts-)
Forschungen und Zulassungsstudien,
auch nach GLP/GCP, zählen ebenso zu
den Kernkompetenzen dieses Geschäfts
feldes.
Im Kompetenzfeld „Biomaterialien und
Tissue Engineering“ bietet der Verbund
Innovationen für bioadaptive Materialien, biomimetische Grenzflächen, orga
noide Zellsysteme und Implantate.
Auch zelltherapeutische Ansätze werden entwickelt.
Eine weitere Kompetenz des Verbundes,
„Umweltbiotechnologie, Umwelt- und
Verbraucherschutz“, hat ihren Schwerpunkt auf toxikologischen und öko
toxikologischen Untersuchungen,
Stoffbewertungen und Risikobetrach
tungen, auch was genetisch veränderte
Organismen und Lebensmittelsicher
heit betrifft, ebenso auf dem Gebiet
der Entwicklung biotechnologischer
Möglichkeiten zur Dekontamination
von Boden, Wasser und Luft.
Ansprechpartner
Fraunhofer-Verbund Life Sciences
Verbundsvorsitzender:
Prof. Dr. Dr. Uwe Heinrich
Nikolai-Fuchs-Str. 1
30625 Hannover
Tel: +49 (0) 5 11/53 50-1 20
Fax: +49 (0) 5 11/53 50-1 32
[email protected]
Leiter der Geschäftsstelle und
Assistent des Verbundsvorsitzenden:
Dr. Claus-Dieter Kroggel
Tel: +49 (0) 5 11/53 50-1 03
Fax: +49 (0) 5 11/53 50-1 55
[email protected]
www.lifesciences.fraunhofer.de
Fraunhofer
Life Sciences Alliance
The Fraunhofer Life Sciences Alliance
(VLS) pools the Fraunhofer Gesell
schaft’s competencies in biology, biomedicine, pharmacology and toxicol
ogy. Following the common principle
of „Research for human health and
the environment“, the Fraunhofer
Institutes for Biomedical Engineering
(IBMT), Interfacial Engineering and
Biotechnology (IGB), Molecular Biology
and Applied Ecology (IME), Toxicology
and Experimental Medicine (ITEM) and
Cell Therapy and Immunology ( IZI )
offer concentrated expertise both in
the preventive areas of environmental
and consumer protection and also
in the regenerative areas of medical
therapy and ecological recovery.
Due to its extensive dialog with numerous collaborative partners in industry,
the Alliance can effectively enhance
its innovation capabilities. Moreover,
the international orientation of the
Alliance, which maintains branches in
North America (IME) and China (IBMT),
is a prerequisite for meeting the globalization challenges of today’s business.
The key activities in the field of „Pro
cess Development for Biological and
Medical Applications“ include methods
for an optimized production of recombinant pharmaceuticals and enzymes
for industrial use with microbial, plant,
animal, and human expression systems,
and development and use of different
biochips. Microsystem-based biohybrids,
cryo-biotechnology, and membrane
technology for effective substance
separation are further important areas
of research work.
On the basis of genome and proteome
studies, our field of „Development and
Testing of Pharmaceuticals and Medical
Products“ aims at finding novel targets
for diagnostic and therapeutic pur
poses, including cardiovascular diseases,
metabolic disturbances, multiple sclerosis, allergies, tumor and autoimmune
diseases. Within this context, the
development of antibodies is of pivotal
importance. The expertise of this field
also includes numerous preclinical,
pharmacological and clinical (airway)
research projects and registration
studies, which can be carried out in
accordance with GLP/GCP.
Within the field of „Biomaterials and
Tissue Engineering“, the Alliance
develops innovative ideas for bioadaptive materials, biomimetic interfaces,
organoid cell systems, and implants;
equally important, this field of research
focuses on the development of cellbased therapy approaches.
Our activities in the field of „Environmental Biotechnology and Environmental and Consumer Protection“,
deals primarily with toxicological and
ecotoxicological studies as well as substance and risk assessments, including
genetically modified organisms (GMOs)
and food safety. Finally, emphasis is
also placed on the development of
biotechnological methods for decontamination of soil, water and air.
Business Areas
• Accelerated Drug Development –
Individualized Treatment
• Regenerative Medicine –
Controlled Self-healing
• Production and Safety of Food
and Animal Feed – Functional
Food
• Biotechnical Production,
Evaluation and Testing of
Substances – Environmental
and Consumer Protection
Contact
Fraunhofer Life Sciences Alliance
Alliance Chairman:
Prof. Dr. Dr. Uwe Heinrich
Nikolai-Fuchs-Str. 1
30625 Hannover, Germany
Tel: +49 (0) 5 11/53 50-1 20
Fax: +49 (0) 5 11/53 50-1 32
[email protected]
Head of the Alliance Office and
Assistant to Alliance Chairman:
Dr. Claus-Dieter Kroggel
Tel: +49 (0) 5 11/53 50-1 03
Fax: +49 (0) 5 11/53 50-1 55
[email protected]
www.lifesciences.fraunhofer.de
37
38
Forschungsarbeiten
und Anwendungen
2006
Research Activities
and Applications
2006
39
Erste komplexe Ansätze zur Manipulation
des Isoprenoidstoffwechselweges
in Pflanzen
Aktivitäten mit enormer medizinischer
und ernährungsphysiologischer, und
damit auch ökonomischer, Bedeutung
identifiziert, z. B. das Antitumor-Diter
penoid Taxol und diverse Triterpenoide
(Phytosterole/Limonoide als gesundheits
fördernde Nahrungsergänzungsmittel,
cytotoxische Saponine). Im Gegensatz
zu den anderen Seitenzweigen der
Isoprenoidbiosynthese wurden bislang
kaum gentechnische Ansätze zur Mani
pulation von Triterpenoiden (triter
penoid metabolic engineering, zur Biosynthese siehe Fig. 1) in Pflanzen unternommen.
Figure 1:
Schematic overview of triterpenoid biosynthesis
Hintergrund des Vorhabens
In Pflanzen wurden etwa 30 0000 Sub
stanzen aus der Gruppe der Isoprenoide
beschrieben, die dem Primär- (z. B.
Carotenoide; Tetraterpenoide) und
Sekundärmetabolismus (z. B. Artemisinin, ein Sesquiterpenoid und das wirksamste bekannte Anti-Malariamittel)
zuzuordnen sind. Am Anfang der Biosynthese der diversen Seitenzweige
der Isoprenoide (Hemi-, Mono-, Di-,
Sesqui,- Tri- Tetra- und Polyisoprenoide)
steht das Isopentenylpyrophosphat
(IPP), welches in Pflanzen über den
cytosolischen Mevalonat- (MEV) und
den plastidären Methylerythritolphos
phat (MEP)- Biosyntheseweg zur Ver
fügung gestellt wird. Aus dieser Situation ergibt sich ein komplexes biosynthetisches Netzwerk, wobei die Auf
klärung der Regulation bestimmter
Seitenzweige am Anfang steht und
stark von der Regulation der anderen
Seitenzweige abhängt.
Für viele Isoprenoide des Sekundär
metabolismus wurden biologische
40
Ansätze und Projektbeschreibung
Das Ziel, einen höheren Ertrag ökono
misch relevanter Triterpenoide in Pflanzen zu generieren, soll auf zwei Wegen
erreicht werden: Zum einen werden
bekannte biosynthetische Gene aus
der Modellpflanze Arabidopsis thaliana
in diversen Pflanzen (Arabidopsis,
Tabak, Schwarzkümmel) überexprimiert, um deren Effekt auf die Konzentrationen von spezifischen Triter
penoiden hin zu untersuchen. Neben
diesem „konservativen“ Ansatz werden
zum anderen langfristig Regulatorgene
der Triterpenoidbiosynthese identifiziert und für das „Triterpenoid Metabolic Engineering“ eingesetzt. Hierfür
werden spezifische Inhibitoren von
Enzymen der Triterpenoidbiosynthese,
die z. B. als Cholesterol-Inhibitoren in
der Medizin erprobt sind, an Pflanzen
getestet. Sofern diese Stoffe einen
Effekt auf die Pflanzenentwicklung
und den Isoprenoidgehalt zeigen,
werden die unter diesen Bedingungen
gemeinsam regulierten Gene und vorgeschaltete Regulatorgene zugänglich
und im Metabolic Engineering einsetzbar.
Ergebnisse und Ausblick
Fünf Gene (HMGR, FPS, SQS, SQMO
und OSC, vgl. Fig. 1) wurden auf zwei
Transformationsvektoren assembliert,
und in ersten Experimenten wurden
transgene Tabak- und ArabidopsisPflanzen generiert, die vier Varianten
der HMGR in Kombination mit der SQS
stark exprimieren. Parallel dazu wurde
ein schnelles Screening-Verfahren der
Pflanzen über Dünnschichtchromatographie entwickelt, welches zeigt, dass
die Kombination der SQS mit der
HMGR in Tabak eine noch zu identifi
zierende Substanz produziert, die
weder in Wildtyptabak noch durch
SQS-Expression alleine produziert wird
(Fig. 2 a). Die Addition der anderen
Gene zu diesem „Di-Transgen“ und
deren metabolische Konsequenz sind
im Gange.
Für die langfristige Planung des Triterpenoid Metabolic Engineering wurde
ein Inhibitor indentifiziert, der bei niedrigen Konzentrationen das Pflanzenwachstum fördert und bei höherer Kon
zentration inhibiert (Fig. 2 b). Dieser
duale Effekt verdeutlicht die starke
Interdependenz der verschiedenen
Seitenzweige des biosynthetischen Netz
werks der Isoprenoidbiosynthese und
das Potenzial der gewählten Strategie,
z. B. in Arabidopsis neue Regulationsmechanismen der Triterpenoidbiosyn
these aufzuklären und diese in zukünftigen Ansätzen des Metabolic Engineering zu nutzen.
Die Arbeiten wurden mit Mitteln des
Fraunhofer IME und der WWU Münster
durchgeführt.
Isoprenoid Metabolic Engineering –
First Steps towards Complex Triterpenoid
Manipulations in Plants
Background of the Project
In plants, approximately 30,000 isopre
noid compounds have been described
that are either primary metabolites
(e. g. carotenoids; tetraterpenoids) or
secondary metabolites (e.g. Artemisi
nine, a potent anti-malarial sesquiter
penoid). The diverse branches of isoprenoid biosynthesis (hemi-, mono-, di-,
tri-, tetra- and polyisoprenoids) are all
synthesized from isopentenylpyro
phosphate (IPP), which in plants is
delivered by the cytosolic mevalonate
(MVA) and the plastidial methylerythritol (MEP) pathways. Underlying this
is a complex biosynthetic network,
whose regulation in the context of the
diverse biosynthetic branches is only
just beginning to be resolved.
Many isoprenoids have medically or
nutritionally relevant properties, and
thus have an enormous potential economic impact. Examples include the
anti-tumor diterpenoid Taxol and
diverse triterpenoids such as phyto
sterols and limonoids as nutraceuticals,
and the cytotoxic Saponins. In contrast
to other branches of the isoprenoid
network, there has been little interest
in triterpenoid metabolic engineering
in plants (see Fig. 1).
Approaches and Project Description
The goal to generate plants with higher
yields of economically relevant triter
penoids will be achieved via two routes: 1) known biosynthetic genes from
the model plant Arabidopsis thaliana
will be over-expressed in diverse plants
(Arabidopsis, tobacco and black cumin)
to analyze their effect on the concentrations of specific triterpenoids;
2) regulatory factors involved in triter
penoid biosynthesis will be identified
and utilized in metabolic engineering
experiments. Therefore, specific inhibitors of triterpenoid biosynthesis already
used in research as cholesterol-lower
ing drugs will be tested on plants to
see if they affect development and isoprenoid content. Co-regulated isoprenoid biosynthetic genes and their
upstream regulators will thus become
available for triterpenoid metabolic
engineering.
Contact / Ansprechpartner
Dr. Kai Müller
Fraunhofer IME
c /o Institute for Biochemistry and
Biotechnology of Plants,
WWU Münster
Phone: +49 (0)2 41/8 32 23 02
E-mail: [email protected]
Results and Perspectives
Five genes (HMGR, FPS, SQS, SQMO
and OSC, see Fig. 1) were assembled on
two transformation vectors and, in an
initial series of experiments, transgenic
tobacco and Arabidopsis lines were
generated that strongly over-expressed
four variants of HMGR in combination
with SQS. A rapid procedure was
developed to screen the plants by thinlayer chromatography (TLC), which
demonstrated that a substance yet to
be identified is produced in subpopula
tions of such HMGR+SQS lines (Fig. 2 a).
The consequences of adding further
genes to such plants will be evaluated
soon.
For the long-term regulatory experi
ments, an inhibitor was identified that
promotes plant growth at low con
centrations but inhibits growth at
higher concentrations (Fig. 2 b). This
dual effect demonstrates the strong
interdependence of different branches
within the isoprenoid biosynthetic network, and shows how such an
approach could help to identify new
regulatory mechanisms for use in triter
penoid metabolic engineering.
a
WT SQS
SQS
HMGc
SQS
SQS
HMGcm HMG
SQS
HMGm
Not jet
identified
Sterols
The project is jointly financed by the
Fraunhofer IME and the University of
Münster.
Figure 2:
TLC analysis of plants overexpressing SQS and
MGR
41
Klonales Zellkultursystem
Hintergrund
Ziele
Transgene Pflanzen bieten in Bezug auf
die Produktion pharmazeutischer Proteine eine Reihe von Vorteilen gegen
über Säugerzellen und Bakterien. Allerdings haben sie lange Wachstumszeiten, wenn nicht die kontrollierten und
präzisen Wachstumsbedingungen, wie
sie beispielsweise über Fermentations
systeme geboten werden können,
zur Verfügung stehen. Pflanzliche Zellkulturen bieten hier eine ideale Alternative – es können die Sicherheit und
Ökonomie pflanzlicher Systeme mit der
Beständigkeit und Geschlossenheit von
Fermentationssystemen kombiniert
werden. Leider sind transgene Pflanzen
aufgrund niedriger Erträge und langer
Entwicklungszeiten zur Herstellung von
stabilen Zelllinien derzeit nicht ökonomisch einsetzbar.
Zielsetzung dieses Projektes war die
Entwicklung Virus-tragender klonaler
Pflanzenzellkulturen als effizientes
Expressionssystem für rekombinante
Proteine. Wir haben das System zu
nächst mit grün fluoreszierendem Protein (GFP) als Reporter etabliert und
nachfolgend das gleiche System zur
Produktion pharmazeutischer humaner
Proteine eingesetzt.
Das Fraunhofer Center für Molekulare
Biotechnologie in Newark, Delaware,
USA, hat eine neue Technologie für die
Produktion rekombinanter Proteine in
einem geschlossenen pflanzlichen System entwickelt. Es basiert auf klonalen
Zelllinien oder Kulturen, in denen sich
ein partikuläres Pflanzenvirus, das die
genetische Information für das zu produzierende Zielprotein trägt, repliziert
und das rekombinante Protein produziert.
Da sich das Pflanzenvirus in der
Pflanzenzelle in hohen Kopienzahlen
repliziert und die Zelle dazu bringt,
eher die Gene des viralen Genoms zu
produzieren, können deutlich höhere
und nachhaltigere Proteinexpressionslevel erreicht werden.
42
Das System wird kontinuierlich weiterentwickelt und verbessert. Neben GFP,
das als Reporter zum Nachweis der
Funktionalität der Technologie eingesetzt wurde, wird diese Technik vom
CMB ebenfalls genutzt, um pharmazeutisch relevante Proteine wie humanes Wachstumshormon zu exprimieren.
Gleichzeitig wird in Kooperation mit
dem IME ein Prozess zur großtechnischen Produktion dieses klonalen Zellkultursystems vorangetrieben.
Fazit
Ergebnisse
Auf festem Medium wachsende Pflanzen wurden mit viralen Vektoren transfiziert, die das GFP als Transgen kodierten (Fig. 1). Von diesen Platten wurden
Klone selektiert, graduell expandiert
und zu Suspensionskulturen entwickelt.
Diese wurden inzwischen über einen
längeren Zeitraum aufrecht erhalten
und produzieren nach wie vor rekombinantes GFP.
Klonale Zellkulturen liefern ein nutzbares und nachhaltiges System zur großtechnischen Produktion rekombinanter
Proteine in komplett geschlossenen
Systemen und bieten somit eine höhere
Sicherheit im Vergleich zu Säugerzellkulturen oder mikrobiellen Fermenta
tionssystemen.
Figure 1:
Cells infected with engineered plant viruses.
Panel A shows cell cultures expressing GFP 48
hours after inoculation. The plate on the right
contains uninoculated cells. Panel B shows the
selection of producer lines. The plates have
been illuminated with a long wave hand-held
ultraviolet lamp.
A
B
Clonal Cell Line Technology (CCLT)
Background
Aims
Conclusions
Transgenic plants offer many advantages over mammalian cells and bacteria for the production of pharmaceutical proteins, but they have long de
velopment times and lack the precise
growth conditions that fermenter systems provide. Plant cell cultures offer
the ideal compromise, with the safety
and economy of plant systems, but
also the consistency and containment
of the fermenter. Unfortunately, transgenic plant cells are not yet economically viable because of the low yields
and the time taken to produce a stable
cell line.
The aim of the project was to develop
virus-containing clonal plant cell cul
tures as an efficient expression system
for recombinant proteins. We initially
tested the system with a reporter
gene, encoding green fluorescent protein (GFP) and then attempted to use
the same system to produce a pharma
ceutical human protein.
Clonal cell cultures provide a useful
and sustainable system for the large
scale production of recombinant pro
teins in fully contained conditions and
offer higher safety compared to
mammalian cell cultures or microbial
fermentation systems.
The Fraunhofer Center for Molecular
Biotechnology (CMB) in Delaware,
USA, has developed a new technology
for the contained production of re
combinant proteins. This is based on
clonal cell lines or clonal cell cultures in
which a plant virus containing a par
ticular transgene replicates and produces the recombinant protein.
Because the plant virus replicates to a
high copy number within the plant cell
and diverts resources towards the
expression of viral genes, much higher
and more sustainable recombinant
protein expression levels can be
achieved.
Results
Plant cells growing on plates of solid
medium were transduced with viral
vectors carrying the GFP transgene
(Fig. 1). Clones selected from the
above plates were then gradually
scaled up and developed into suspen
sion cultures. These suspension cul
tures have been maintained for ex
tended periods of time, and continue
to express the recombinant GFP.
Dr. Vidadi Yusibov
Tel: +1 302 369 37 66
[email protected]
The system is undergoing further de
velopment and improvement. In addi
tion to GFP, which was used as a
reporter to demonstrate the feasibility
of this technology, the Center is also
using this technology to express
pharmaceutically important proteins
such as human growth hormone. At
the same time, the CMB is establishing
procedures for the large-scale cultivation of these clonal cell cultures in an
ongoing project with the IME.
43
Antikörper-konjugierte Kontrastmittel
zur optischen Bildgebung
Ausgangssituation
Eine frühzeitige Detektion von Erkrankungen ist eine der wichtigsten Grundvoraussetzungen zur Verbesserung
neuer Therapieansätze. Dies gilt insbesondere für die Behandlung maligner
Erkrankungen oder auch für Krankheiten, wie chronische Erkrankungen, die
einer starken Überwachung bedürfen.
Ziel der molekularen Bildgebung (molecular imaging) ist eine nicht-invasive
Detektion spezifischer molekularer Prozesse in vivo. Damit stellt sie ein potentes Handwerkszeug für neue Diagnoseansätze dar, das zu einer signifikanten
Verbesserung mit hohem Potenzial zur
Kostenreduktion im Gesundheitswesen
beitragen kann. Aus diesen Gründen
hat sich die molekulare Bildgebung in
den letzten Jahren sehr schnell und
stark entwickelt.
Aufgabe
Grundvoraussetzungen für eine erfolgreiche molekulare Bildgebung sind
starke Signale, hohe Auflösung und vor
allem Spezifität. Um mögliche Applikationsfelder zu identifizieren und neue,
gerichtete Kontrastmittel zu entwickeln, wird ein multidisziplinäres Team
von Spezialisten (Chemiker, Molekularbiologen, Immunologen, Physiker,
Ingenieure) benötigt. In einer Kooperation des Fraunhofer IME mit den Philips
Forschungslaboren in Aachen wurde
ein Forschungsprojekt initiiert, das sich
durch die Kombination des chemischen
Know-hows auch im Bereich Nano
partikel von Philips mit der molekularbiologischen Expertise des IME, insbesondere auf dem Gebiet der Tumorantigen-spezifischen rekombinanten Antikörperfragmente, auszeichnet. Hauptzielsetzung war zunächst die Entwicklung gerichteter Kontrastmittel für die
Onkologie, die nachfolgend auf kardio-
44
vaskuläre Erkrankungen sowie chronische Entzündungen erweitert werden
sollten. In einem ersten Teilschritt sollte
ein einfaches Verfahren zur Erstellung
Antikörper-konjugierter Kontrastmittel
unter physiologischen Bedingungen
erarbeitet und die resultierenden Nano
partikel auf ihren möglichen Einsatz in
entsprechenden Tiermodellen untersucht werden.
Projektbeschreibung
Initiale Aufgabe war die Entwicklung
biokompatibler optischer Nanopartikel,
die eine gerichtete Immobilisierung
rekombinanter Antikörper an der Ober
fläche erlauben sollten. Als zu verwendendes Format eines Bindeliganden
wurde ein einzelsträngiges Antikörperfragment (scFv) gewählt, da dies mit
der hohen Spezifität eines monoklonalen Antikörpers ausgestattet und dennoch von geringer Größe ist. Da die
optische Detektion ein relativ einfaches
System für diese frühe Entwicklung
darstellt, wurden als optisch-detektier
bare Signalgeber Halbleiterpartikel,
sog. quantum dots (QD), eingesetzt.
Diese Nanopartikel (10 – 30 nm) zeichnen sich durch eine hohe Quantenausbeute aus und dadurch, dass die emittierte Wellenlänge über eine Einstellung
der Teilchengröße justierbar ist. Aufgrund der am IME verfügbaren Modelle (Zell-basierte Assays bis Tiermodelle)
wurde das Tumor-assoziierte Antigen
MUC-1 und sein korrespondierendes
scFv M12 zum Aufbau des Nachweissystems eingesetzt. Die aberrante und
Figure 1:
Schematic representation
of a scFv conjugated
to a QD
erhöhte Expression von MUC-1 ist ein
Charakteristikum verschiedener Tumore
einschließlich Mammakarzinomen.
Ergebnisse
Eine gerichtete und kovalente Immobilisierung des scFv auf den QD gewährleistet eine maximale Verfügbarkeit
seiner Antigenbindungsstelle. Die Konstrukte waren in humanem Serum über
mehrere Wochen stabil. Durch konfokale Mikroskopie konnte die spezifische
Bindung an MUC-1-positive Zelllinien
im Vergleich zur Negativkontrolle eindeutig nachgewiesen werden. Durch
die anschließende Konjugation weiterer scFv an die funktionalisierten QD
konnte die universelle Verwendung des
gerichteten Immobilisierungsverfahrens
bestätigt werden.
Fazit
Derzeit werden die beschriebenen Kon
jugate zur Mikroskopie eingesetzt. Im
nächsten Schritt soll ihr Einsatz in der
optischen Bildgebung an Mäusen vertiefend evaluiert werden. Dazu wurden
am IME bereits sowohl verschiedene
Tumormodelle als auch chronische Entzündungsmodelle etabliert.
Partner
Dr. Helga Hummel
Philips Forschungslabore, Aachen
Antibody-based Targeted Contrast Agents
for Optical Imaging
Background
Approach
Outlook
Early disease detection remains one of
the most effective means for improving
the outcome of therapy. This holds
true especially for cancer treatment,
but also for other chronic diseases that
require frequent monitoring. Molecular
imaging is a non invasive method for
the in vivo detection of molecular
processes, and as such could be usefully deployed for early disease detection. Accordingly, molecular imaging
could contribute significantly to the
improvement of healthcare and, very
importantly, could also help to reduce
costs. Therefore, interest in molecular
imaging has grown rapidly over the last
few years.
The primary task is to develop methods
to conjugate biological molecules and
non-biological particles that need to
be made biocompatible. A single chain
antibody fragment (scFv) was chosen
as the biological targeting component
because of its high specificity and small
size. Semiconductor particles, also
known as quantum dots (QDs), were
selected as the detection component
because they are small (10 – 30 nm),
have strong emission profiles, can be
adapted to emit at different wavelengths, and optical detection is a relatively easy method for initial testing.
Based on the available range of models
we chose MUC-1 as the target (using
M12 as the scFv for detection). Aberrant and/or increased expression of
MUC-1 is a marker for several types of
cancer including mammary carcinoma.
Currently, we can use the conjugates
for microscopy. The next steps will
involve testing whether the constructs
can be used for in vivo optical imaging
in mice. To that end we have several
animal models available representing
several types of cancer as well as
chronic inflammation.
Aims
Successful molecular imaging requires
a strong signal, high resolution, and
most importantly, specificity. A multi
disciplinary team of chemists, molecular
biologists, immunologists, physicians
and engineers is therefore needed to
develop new targeted contrast agents
and potential applications in molecular
medicine. The Fraunhofer IME and
Philips Research Aachen have initiated
a joint project combining Philips nanoparticle and chemistry know-how with
IME expertise in the molecular biology
of disease targets and recombinant
antibody fragments. The aim is to
develop targeted contrast agents
applicable in oncology, cardiovascular
disease and chronic inflammation. The
initial goal is to develop optical contrast agents ready for in vivo testing in
suitable mouse models.
Results
The scFv and QD were conjugated in
an oriented and covalent fashion to
provide maximum access to the anti
body’s binding site. The constructs
were stable in human serum for several
weeks. Using confocal microscopy, we
were able to demonstrate specific bind
ing to cell lines expressing the MUC-1
antigen, whereas there was no binding
to non-expressing cell lines. We have
also conjugated other scFvs to QDs,
and these experiments confirmed the
universal applicability of the linking
technology developed.
This project was a collaboration
between Philips Research Laboratory
Aachen (PFA) and Fraunhofer IME and
partially financed by PFA.
Dr. Theo Thepen
Tel: +49 (0) 2 41/60 85-1 11 31
[email protected]
Dr. Michael Huhn
Tel: +49 (0) 2 41/60 85-1 31 31
[email protected]
Ch1 + Ch2 + Ch3
Ch1 + Ch2 + Ch3
Ch1 + Ch2 + Ch3
Figure 2:
Optical sections through a cell that binds a scFv
conjugated to a red fluorescent QD. The nucleus
is stained blue.
45
Molekulares Farming –
Produktion und Charakterisierung des Tumorspezifischen Antikörpers M12 in Pflanzen
Aufgabe
Am Beispiel des humanen Antikörpers
M12 wurde eine Machbarkeitsstudie
zur Produktion in pflanzlichen Systemen
sowie der Überprüfung seines Poten
zials in der Diagnostik von Adenokarzi
nomen durchgeführt.
Die biologische Funktionalität des
rekombinanten Proteins wurde durch
spezifische Bindung an Adenokarzino
mazellen belegt (Fig. 4). Da die Menge
an gebildetem M12 Antikörper – im
Vergleich zu anderen in Tabak exprimierten Antikörpern – außerordentlich
hoch ist, ist eine ausgezeichnete Proteinausbeute nach Vergrößerung des
Produktionsmaßstabes zu erwarten.
Projektbeschreibung
Fazit
Figure 1:
The cultivation of tobacco plants allows the safe
and cost-effective production of pharmaceutical
proteins.
Ausgangssituation
Der Bedarf an rekombinanten Proteinen für diagnostische und pharmazeutische Anwendungen steigt aufgrund
des rasanten Wissenszuwachses in der
biomedizinischen Forschung ständig.
Ein besonderes Augenmerk wird auf
rekombinante Antikörper gelegt: Aufgrund ihrer einzigartigen Spezifität
und der Möglichkeit zur Kopplung an
andere Stoffklassen ergibt sich eine
immense Bandbreite an diagnostischen
und therapeutischen Anwendungsbe
reichen (Fig. 3).
Die Produktion von Antikörpern erfolgt
standardmäßig in tierischen Zell
kulturen, deren Kapazitäten allerdings
limitiert sind, so dass der steigende
Bedarf an Antikörpern in den nächsten
Jahren nicht mehr gedeckt werden
kann. Folglich besteht großes Interesse
an der Etablierung innovativer Produk
tionssysteme.
Pflanzen stellen eine besonders attrak
tive Alternative zum konventionellen
Produktionssystem dar, da komplexe
Proteine synthetisiert werden können
und sich das System leicht auf einen
großen Produktionsmaßstab erweitern
lässt (Fig. 1).
46
Der Antikörper M12 erkennt die unterglykosylierte Form des Oberflächen
membranproteins Mucin‑1, das einen
charakteristischen Tumormarker für
Adenokarzinome darstellt. Da der Antikörper humanen Ursprungs ist, sind
die besten Voraussetzungen für eine
hohe Verträglichkeit bei therapeutischen
Anwendungen gewährleistet. Das
Auftreten von abweisenden Immun
antworten (HAMA = Humane-AntiMaus-Antikörper-Antworten), die eine
rasche Neutralisierung des Proteins
herbeiführen, ist nicht gegeben.
Für die Produktion wurde Tabak als
Wirtspflanze gewählt, da er keine
Nahrungsmittelpflanze ist und als biolo
gisch sicher bewertet wird.
Ergebnisse
Die Gene für die schwere und leichte
Kette des Volllängenantikörpers M12
wurden in pflanzliche Expressionsvek
toren kloniert, die zur Transformation
von Tabakpflanzen genutzt wurden.
Nach der stabilen Integration der
Expressionskassette in das Pflanzen
genom wurden die Antikörperketten in
den transgenen Tabakpflanzen produ
ziert und assemblierten zu intakten
IgG Molekülen. Der Antikörper konnte
aus Blattmaterial isoliert und effizient
gereinigt werden (Fig. 2).
Im Rahmen des Projektes konnte bereits
gezeigt werden, dass der gegen einen
Tumormarker gerichtete Antikörper
M12 von Tabakpflanzen funktional
und in großen Mengen produziert
wird. Im weiteren Verlauf soll die Eignung des Antikörpers für diagnostische
Anwendungen durch Nachweis der
gerichteten Bindung an Tumoren im
Mausmodell belegt werden.
Das Projekt wird vom Bundesministe
rium für Bildung und Forschung finanziert.
M
M12
kDa
55
35
25
Figure 2:
The plant-derived antibody M12 was purified by
affinity chromatography. The protein gel shows
the intact heavy and light antibody chains.
M: protein marker.
Molecular Farming –
Production and Characterization of the
Tumour-specific Antibody M12 in Plants
Aims
We chose human antibody M12 as a
model protein to conduct a feasibility
study on the production of therapeutic
antibodies in plants. We also evaluated
the potential of this plant-derived anti
body as a diagnostic reagent for adenocarcinoma.
Figure 3:
The 3 D structure of a monoclonal antibody
(mAb). As of this year, 29 mAb-based products
have been approved in the US and Europe, but
the mAb market has grown rapidly in recent
years, reaching sales of $14 billion in 2006.
Background
The demand for diagnostic and therapeutic recombinant proteins is increas
ing due to advances in biomedical
research. Antibodies remain a major
focus of this research. Their binding
specificity, and ability to conjugate
with different biochemical effectors,
underlies an enormous range of diagnostic and therapeutic applications
(Fig. 3).
Mammalian cell culture is the standard
system for antibody production but
capacity is limited, suggesting we may
face shortfalls in the production of
new antibodies within the next few
years. As a consequence, there is
much interest in the establishment of
innovative new production systems to
meet the anticipated capacity crunch.
Plants may provide a much needed
alternative to mammalian systems,
since they are also able to synthesize
complex proteins but are much more
scalable and offer economic incentives
in large-scale production (Fig. 1).
Approach
Antibody M12 recognises the under
glycosylated version of the membranebound surface protein mucin-1, a char
acteristic marker of adenocarcinomas.
The antibody is of human origin, thus
ensuring a high degree of therapeutic
compatibility and the absence of negative consequences such as the HAMA
(human anti-mouse antibody) res
ponse, which accelerates clearance
from the body.
Tobacco was chosen as the host plant
because of its high biomass yield and
status as a non-food/non-feed species,
making it attractive in terms of biosafety requirements.
produced in the plants is remarkably
high in comparison to other antibodies
produced in tobacco, very high protein
recovery rates can be expected after
upscaling.
Conclusions
We have been able to produce large
amounts of a functional tumourspecific antibody in tobacco plants.
The next goal is to prove that the antibody can be used as a diagnostic tool
by demonstrating in vivo binding to
tumours in a mouse model.
Tel: +49 (0) 2 41/60 85-1 10 51
[email protected]
Dr. Nicole Raven
Tel: +49 (0) 2 41/60 85-1 24 12
[email protected]
Results
Genes encoding the heavy and light
chains of the full-size M12 antibody
were inserted into plant expression
vectors and introduced into tobacco.
After stable integration into the plant
genome, the expression cassettes produced intact antibody chains in the
tobacco plants, which assembled correctly into IgG molecules.
The antibody was isolated from leaf
material and purified (Fig. 2). Its bio
logical activity was demonstrated by
specific binding to adenocarcinoma
cells (Fig. 4).
Since the amount of M12 antibody
MFC-7 cells without
addition of antibody
MFC-7 cells incubated
with antibody
Figure 4:
Binding of antibody M1 to the breast cancer cell
line MCF-7 has been demonstrated by FACS.
47
Mediendesign zur Produktion von
Full-size-Antikörpern in
Pflanzensuspensionskultur
Projektziel
Figure 1:
The early phase of research involved a vast
number of parallel media design and additive
experiments carried out in shake-flasks.
Die Produktivität von Expressionssystemen für rekombinante Proteine kann –
systemübergreifend – einerseits durch
Zelllinienentwicklung (Promotoren,
gezielte Integration im Genom, Stoffwechselengineering, effektive Selektion
guter Produzenten), andererseits durch
Methoden der Medien- und Prozessentwicklung (Zusammensetzung, Induk
tion, Kultivierungsdauer, Zelldichte,
Reinigungseffizienz) verbessert werden.
Am IME wurden in mehrjähriger Forschung Kultivierungsmedien und
-strategien entwickelt, die – wie hier
am Beispiel des humanen Volllängen
antikörpers 2G12 gezeigt – eine
10 – 20 fache Verbesserung der Produk
tivität von Prozessen zur Herstellung
von rekombinanten Proteinen in Pflanzensuspensionskultur ermöglichen.
ressant werden. Daneben wurde das
System der Ko-Expression von DsRed
etabliert, das eine effiziente, automatisierte Selektion von hoch exprimierenden Klonen ermöglicht.
Die Supplementierung mit zusätzlichen
Stickstoffquellen zu bestimmten Zeitpunkten erwies sich dabei als ein
Schlüsselfaktor – obwohl der in Standardmedien vorhandene Stickstoff im
Rahmen einer Standardkultivierung
nicht völlig aufgebraucht wird. In
Kombination mit der Verwendung von
Additiven, die dazu führen, dass ein
höherer Anteil des relativ großen Produktmoleküls zum Erntezeitpunkt im
Rahmen der initialen Isolierungsschritte
nicht Zellmasse-assoziiert vorliegt,
konnten Ausbeuten im mg/L-Bereich
realisiert werden.
Fazit
Hintergrund
Pflanzensuspensionskulturen sind in der
Lage, komplexe humane Proteine mit
pharmazeutischer Relevanz, wie z. B.
Volllängenantikörper, in hoher Qualität
(Fig. 2) und unter Anwendung kontrollierter, reproduzierbarer Kultivierungstechniken zu synthetisieren. Gegenüber
tierischen Zellkulturen würden auf
Pflanzensuspensionskultur basierende
Expressionssysteme erhebliche ökonomische Vorteile bieten, insbesondere
bei den Kosten der GMP-gerechten
Reinigung – Stichwort „Virusvalidierung“. Die kommerzielle Anwendung
scheitert derzeit lediglich an der noch
nicht einhellig geklärten Frage der Im
munogenität von pflanzenspezifischen
Glykosylierungsmustern und den im
Vergleich zu den „Jackpot“-Klonen der
tierischen Zellkultur reduzierten Produk
tivitätsraten.
48
Stand des Projekts
Wachstum und Produktivität von Pflanzensuspensionskulturen wurden we
sentlich mit Hilfe strategischer Eigenmittel untersucht. Zu den wesentlichen
Parametern gehörten die Zusammensetzung der Nährmedien in Bezug auf
verschiedene Makroelemente und Additive, die die Balance zwischen Syntheseund Abbaurate des Produkts beinflussen
(im Schüttelkolben, Fig. 1), sowie die
Anwendung komplexerer Kultivierungs
strategien bis hin zu kontinuierlichen,
kaskadierten Bioreaktoren mit Wachstums- und Produktionsphasen.
Mittlerweile haben sich einige Schlüsselfaktoren herauskristallisiert, die im
Expressionssystem Nicotiana tabacum
cv BY-2 mit verschiedenen Proteinen
Steigerungen der Produktivität um den
Faktor 10-20 zulassen und das System
damit in Bereiche bringen, in dem
industrielle Prozesse ökonomisch inte
Die Etablierung von Pflanzensuspensions
kulturen als Alternative zu tierischen
Zellkulturen erfordert eine Steigerung
der typischen Produktivitäten um den
Faktor 100, um in den Bereich öko
nomisch interessanter Zahlen zu kommen. Wie bei tierischen Zellkulturen
müssen dabei Möglichkeiten genutzt
werden, die auf molekulargenetischen,
systemischen und verfahrenstechnischen Ebenen zur Verfügung stehen.
Mit der kontinuierlichen verfahrenstechnischen Verbesserung sowie der
Etablierung eines automatisierbaren
Selektionssystems für hoch exprimierende Klone ist das IME diesem Ziel in
den letzten Jahren ein gutes Stück
näher gekommen.
Das Projekt wird aus strategischen
Eigenmitteln der Fraunhofer-Gesellschaft finanziert.
Media Design to Improve the Production
of Monoclonal Antibodies in
Plant Suspension Cultures
Background
Plant cell suspension cultures can produce complex human pharmaceutical
proteins – such as full-size antibodies –
of outstanding quality (Fig. 2). The
cultivation techniques are controlled,
reproducible and compliant with regulatory demands. Plant cells offer enormous advantages compared to animal
cells, especially taking into account the
costs of downstream processing under
GMP conditions and validating the
efficient removal of pathogens. Their
commercial development is being held
back by issues concerning the poten
tial immunogenicity of plant-specific
glycosylation patterns in drugs for
injection, and by the relatively low
productivity of plant cells compared
to highly developed „jackpot” clones
from animal cell cultures.
Project aim
In all expression systems, two basic
approaches are used to boost the production of recombinant proteins: cell
line development (efficient promoter
and vector design, targeted integration, metabolic engineering, efficient
selection) and biochemical engineering
(media design, cultivation strategies,
purification approaches). At the IME,
research into clone selection, vector
design, media composition and cultivation strategies has resulted in a 10-20fold increase in the production of a
number of recombinant proteins, such
as the human full-length antibody
2G12 (Fig. 2) which is discussed here.
Status quo
Internal funding was used to investigate
and rank the growth and productivity of
plant suspension cultures. We focused
on media components and additives,
which shifted the balance between
product synthesis, degradation and
recovery (carried out in shake-flasks,
see Fig. 1), as well as the use of more
sophisticated cultivation strategies, such
as fed-batch, repeated-batch, continu
ous fermentation and continuously
operated bioreactor cascades.
Thus far, several key factors have been
identified that improve the productivity
of tobacco BY-2 cells by a factor of
10 – 20 for a number of different pro
teins, making plant cell suspension
cultures economically viable for the
first time. We have also established the
use of DsRed, a fluorescent protein, as
a co-expressed marker to facilitate the
efficient and automated selection of
high producer clones.
Dr. Stephan Hellwig
Tel: +49 (0) 2 41/60 85-1 12 40
[email protected]
Tel. +49 (0) 2 41/60 85-1 12 50
[email protected]
One key strategy was to supplement
cultures with additional nitrogen sources at certain time points during cultivation, although nitrogen appeared
not to be depleted during this time. In
combination with additives promoting
the secretion of 2G12 into the medium
(in standard processes, high-molecularweight products tend to remain associ
ated with the biomass in early recovery
steps), we achieved a yield of secreted,
functional protein in the mg / L range.
Conclusions
In order to establish plant cell suspension cultures as a commercially viable
alternative to animal cells for certain
products, the typical productivity must
be increased by a factor of about 100.
As for animal cell culture, all available
instruments at the levels of molecular,
systemic and biochemical engineering
must be exploited to achieve this goal.
At the IME, our continued efforts have
moved plant suspension cultures a
good way towards commercial viability.
Figure 2:
Quality control of full-length 2G12 produced in
plant suspension culture
49
Gewässerüberwachung –
Monitoring in alternativen Kompartimenten
Ausgangssituation
In der europäischen Wasserrahmenricht
linie (WRRL) ist vorgesehen, Umweltqualitätsnormen für „prioritäre Stoffe“
in Oberflächengewässern, Schweb
stoffen, Sedimenten und Biota festzulegen und deren Einhaltung zu überwachen. Bislang geschieht dies durch
die Überwachung der Konzentrationen
nur in der Wasserphase, da es für viele
Stoffe Korrelationen zwischen den
Konzentrationen im Wasser und in
Organismen gibt (Umrechnung mittels
Biokonzentrationsfaktoren). Entsprechendes gilt für die Korrelation mit den
Gehalten in Schwebstoffen und Sedimenten (Umrechnung auf Basis der Ver
teilungskoeffizienten Feststoff-Wasser).
Einige der stark an Schwebstoffe bzw.
Sedimente sorbierenden oder in Organismen bioakkumulierenden Stoffe sind
in der Wasserphase allerdings nicht
ausreichend nachweisbar. Es ist daher
schwierig, solche Stoffe allein durch
chemische Messungen in der Wasserphase zu überwachen, wie es für viele
andere Substanzen etabliert und auch
kosteneffizient ist. Hinzu kommt, dass
es für einige Stoffe keine eindeutige
Korrelation zwischen den Konzentra
tionen in der Wasserphase und in Orga
nismen gibt. Stoffe, auf die diese Kriterien zutreffen, sind dann sowohl im
Wasser als auch in ausgewählten Biota
sowie in Schwebstoffen bzw. Sedimenten zu überwachen.
wachungssystems in den Kompartimen
ten Biota und Schwebstoffe bzw. Sediment erstellt werden. Es war zu prüfen,
ob, und wenn ja, für welche Stoffe,
ein Monitoring in diesen alternativen
Kompartimenten notwendig bzw. infor
mativer, kosteneffizienter oder zuverlässiger ist als die Untersuchung der
Wasserphase. Basis der Arbeit waren
die Vorgaben sowie die Stofflisten
gemäß des EU-Kommissionsentwurfs
KOM (2006) 397, einer Tochterrichtlinie
der WRRL, sowie der österreichischen
Qualitätszielverordnung.
Projektbeschreibung
Die Arbeiten für die rund 80 zu betrach
tenden Stoffe und Stoffgruppen gliederten sich in drei Schritte. Zunächst
wurden Stoffe ausgewählt, für die aufgrund ihrer Eigenschaften eine Überwachung in Biota und/oder Sediment /
Schwebstoff notwendig oder aus analytischer Sicht bzw. Gründen der
Kosteneffizienz sinnvoll ist. Dann wurden rechtlich unverbindliche Qualitätsnormen (so genannte Bewertungs
kriterien) abgeleitet, sofern noch keine
europäischen Normen vorlagen. Im
letzten Schritt wurden konkrete Vorschläge erarbeitet, wie ein Monitoring
in alternativen Kompartimenten in
Österreich durchgeführt werden könnte.
Empfehlungen für die Umsetzung des
Biotamonitoring sind: Fische sind die
für Österreich am besten geeigneten
Monitoring-Organismen (Wildfänge,
n > 10 pro Messstelle). Dabei sollte
zunächst eine Probenahme pro Jahr
und Messstelle erfolgen. Es sollten
keine einzelnen Organe, sondern
ganze Fische und diese möglichst als
Einzelproben analysiert werden. Eine
Lagerung von Rückstellproben für
zukünftige Untersuchungen wird empfohlen. Die Empfehlungen für ein
Schwebstoffmonitoring lauten: Für die
Probenahme sollten Sedimentations
fallen eingesetzt werden, da diese zeit
integrierte Proben liefern und darüber
hinaus aus Kosten- und Praktikabilitäts
gründen geeigneter sind als Durchfluss
zentrifugen. Die Probenahmen sollten
monatlich oder zweimonatlich erfolgen.
Table 1: Substances requiring EQS compliance
monitoring and the derivation of assessment
criteria in biota.
Pentabromodiphenylether (PBDE)
alpha- and beta-Endosulfan
Pentachlorobenzene
Hexachlorocyclohexane (3 isomers)
Endrin
Dieldrin
Dibutyltin compounds
Tributyltin compounds
Triphenyltin compounds
Tetrabutyltin
Methylmercury
Ergebnis / Empfehlungen
Hexachlorobutadiene #
Hexachlorobenzene #
Aufgabe
Im Auftrag des österreichischen Bundes
ministeriums für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft
sollte eine Machbarkeitsstudie für die
Einrichtung eines in sich konsistenten
und mit den Vorgaben der Wasser
rahmenrichtlinie kompatiblen Über
50
Aufgrund ihrer Eigenschaften wurden
eine Reihe chlorierter Verbindungen
(u. a. POPs) und Organometallverbindun
gen identifiziert, für die eine Überwa
chung der Umweltqualitätsnormen in
Biota sinnvoll ist (Table 1). Für Bisphenol A, polycyclische aromatische Kohlen
wasserstoffe (PAK) und Metalle wird
eine Überwachung in Schwebstoffen
empfohlen (Table 2). Die wichtigsten
Aldrin #
Isodrin #
total DDT (sum of p,p‘-DDT, o,p‘-DDT, p,p‘-DDD, p,p‘-DDE) #
cis- and trans-Chlordan #
Heptachlor #
Pentachloronitrobenzene #
# Additional monitoring in the water phase is
recommended for these substances.
Water Monitoring –
Surveillance in Alternative Compartments
Background
The European Water Framework Directive (WFD) requires environmental qual
ity standards (EQS) to be derived and
monitored for the so-called priority
substances in water, suspended par
ticulate matter (SPM), sediment and
biota. Regular monitoring should
ensure compliance with these standards.
Thus far, monitoring has been accomplished by measuring the concentra
tions of the priority substances in water
only, reflecting the fact that biota and
sediment EQS can be converted to
water concentrations using appropriate
bioconcentration factors or partitioning
coefficients. This is only feasible when
correlations exist between the concentrations in the water phase and in
biota, SPM, and sediments. However,
problems arise when specific binding
mechanisms are involved in bioaccumulation processes, resulting in the
absence of correlation. Furthermore,
for substances with strong adsorption
or bioaccumulation properties, water
concentrations may be too low for
reliable and cost-effective analyses.
These substances will have to be monitored not only in water, but also in
biota and SPM or sediments.
Aims
On behalf of the Austrian Federal
Ministry of Agriculture, Forestry, Environ
ment and Water Management, a feasibility study was carried out to develop
a WFD-compatible strategy for biota
and SPM / sediment monitoring. Substances addressed in the EU draft
COM(2006) 397, a daughter directive
of the WFD, as well as substances listed
in the Austrian Ordinance on Quality
Objectives, were checked to determine
whether monitoring them in alternative
compartments was necessary, because
water monitoring could not be per
formed, would be more expensive, or
would yield unreliable data.
Table 2: Substances requiring EQS compliance
monitoring and the derivation of assessment
criteria in SPM.
Bisphenol A
Anthracene (PAH)
Fluoranthene (PAH)
Approach
The study was performed in three successive steps:
1) Property-based identification of substances that need to be monitored in
biota and SPM/sediments either because
water monitoring is not practicable, or
due to analytical or cost considerations;
2) Derivation of non-mandatory quality
standards (so-called assessment criteria)
for the protection objectives „predators/
secondary poisoning” and „benthic
communities” for substances for which
no EU-EQS exist so far (if adequate
data were available);
3) Elaboration of specific recommendations for a monitoring strategy in alternative media in Austria.
Benzo(b)fluoranthene (PAH)
Benzo(k)fluoranthene (PAH)
Benzo(a)pyrene (PAH)
Benzo(g,h,i)perylene (PAH)
Indeno(1,2,3-cd)pyrene (PAH)
Mercury Lead
Cadmium
Nickel
Chromium
Copper
Selenium
Silver
Zinc
Arsenic
fugation because the former yield timeintegrated samples and are more costeffective and practicable than the
latter. 2) Sampling should be perform
ed every 1 – 2 months.
Results / recommendations
A number of organochlorine com
pounds (e. g. POPs) and organometal
compounds were identified whose
properties make them appropriate for
monitoring in biota (Table 1). Moni
toring in SPM is recommended for
Bisphenol A, polycyclic aromatic hydro
carbons (PAH), and metals (Table 2).
Specific recommendations for biota
monitoring include the following:
1) Fish are the most suitable organisms
for monitoring in Austria (catches,
n > 10 per site). 2) Monitoring should
start with one sampling per year and
site. 3) Whole fish should be analyzed,
rather than individual organs. 4) Samples should be stored for future analysis.
Accordingly, recommendations for SPM
sampling can be summarized as
follows: 1) Sampling should be perform
ed using SPM traps rather than centri-
Dr. Heinz Rüdel
[email protected]
Tel. +49 (0) 29 72/3 02-3 01
Dr. Annette Fliedner
[email protected]
Tel. +49 (0) 29 72/3 02-1 71
Dr. Monika Herrchen
[email protected]
Tel. +49 (0) 29 72/3 02-2 15
Sponsor / Auftraggeber
Austrian Federal Ministry of Agriculture,
Forestry, Environment and Water
Management, Dr. Martin Wimmer
Tel: +43 (0) 1 711 00 71 12
[email protected]
51
Risikoanalyse für aquatische Makrophyten –
Was kommt nach dem Lemna-Test ?
Aufgabe
Ergebnisse
Ziel der Studien war es, am IME Tests
für mehrere Makrophytenarten (zu
sätzlich zu Lemna) zu etablieren. Die
Ergebnisse der Tests sollten sich in
einer SSD zusammenführen lassen, um
die Unsicherheit bei der Risikobewertung für Makrophyten zu verringern.
Das Längenwachstum der Sprosse
stellte sich als sensitivster Parameter
heraus. Problematisch war zum Teil die
hohe Variabilität im Wachstum der
einzelnen Sprosse. So konnte manch
mal im unteren Konzentrationsbereich
keine so klare Dosis-Wirkungsbezie
hung wie in Fig. 2 beobachtet werden.
Daher waren berechnete Dosis-Wir
kungskurven dann sehr flach und die
EC10-Werte unrealistisch niedrig. Deut
lich aussagekräftiger waren EC50-Werte,
die folglich für die SSDs verwendet
wurden. Die Standardtestart Lemna
war jeweils eine der sensitivsten Arten.
Für beide Herbizide konnte eine Nor
malverteilung gut an die gemessenen
EC50-Werte angepasst werden (Fig. 3).
Figure 1:
Macrophyte single species test design
Projektbeschreibung
Ausgangssituation
52
Für zwei Herbizide (Projekt 1 & 2) wur
den Tests mit jeweils sieben Makrophy
tenarten durchgeführt. Die in beiden
Projekten eingesetzten Arten sind in
Table 1 aufgelistet. Es handelt sich bei
allen um submerse (untergetaucht)
lebende Arten, da sie im Vergleich zu
solchen, die über die Wasseroberfläche
hinaus wachsen (z. B. Froschlöffel,
Schilf), sowohl durch ihre Morphologie
(keine Wachsschicht) als auch ihre Phy
siologie (z. B. Nährstoffaufnahme nicht
aus dem Sediment, sondern aus dem
freien Wasser) in der Regel als empfind
licher zu betrachten sind.
Als Testendpunkte dienten die Länge
der Sprosse (inklusive der Seitentriebe),
die Längenzunahme und – bei Ver
suchsende – die Biomasse. Das Wachs
tum der eingesetzten Sprosse wurde
wöchentlich kontrolliert. 30 % Längenzuwachs in den Kontrollen wurde als
ausreichend angesehen, um mögliche
Effekte feststellen zu können.
Fazit
• Der Lemna-Test führte bei beiden
Substanzen zu einer konservativen
Abschätzung des Risikos für Makro
phyten.
• EC50-Werte für das Längenwachstum
der Sprosse stellten sich als der sensitivste und robusteste Endpunkt für
die Erstellung von SSDs dar.
• Tests mit zusätzlichen Arten erlauben
es, die Unsicherheit in Bezug auf die
Empfindlichkeit verschiedener Arten
zu verringern.
100
Data
Function
95% -CL
90
80
Table 1: List of test species used for the SSDs
Species Used in project
Ceratophyllum demersum 1 & 2
Chara intermedia 1 & 2
Elodea canadensis 1
Egeria (Elodea) densa 2
Heteranthera zosterifolia 1 & 2
Hygrophila polysperma 1 & 2
Myriophyllum spicatum 1 & 2
Potamogeton natans 2
Vallisneria spiralis 1
Lemna minor 1 & 2
70
% Inhibition
Für die Registrierung von Herbiziden
wird neben zwei Algentests standard
mäßig auch ein Test mit einer höheren
Wasserpflanze verlangt. Meistens wird
dabei eine Wasserlinsenart (Lemna
spec.) eingesetzt, da hierzu auch eine
OECD-Testrichtlinie vorliegt. Wasser
linsen haben einige versuchstechnische
Vorteile, als kleine Schwimmpflanzen
repräsentieren sie aber nur einge
schränkt die Vielfalt der im Sediment
wachsenden Pflanzen. Besteht nach
Ergebnissen von Labortests mit Lemna
ein mögliches Risiko für höhere Wasser
pflanzen, kann durch höherstufige
Tests (Higher Tier Tests) die Risikobe
wertung verfeinert werden. Studien
mit verschiedenen Makrophytenarten
verringern beispielsweise die Unsicher
heit, von der Wirkung auf eine Art im
Labor auf andere Pflanzen im Freiland
zu extrapolieren. Mesokosmen
erlauben zwar die Testung komplexer
Lebensgemeinschaften unter Freiland
bedingungen, sind aber entsprechend
aufwändig. Alternativ dazu kann von
zusätzlich im Labor getesteten Arten
statistisch auf die Empfindlichkeit aller
Arten im Freiland geschlossen werden
(SSD, Species Sensitivity Distribution).
Für Algen, Wirbellose und Fische ist
dieser Ansatz schon häufig verfolgt
worden, für Makrophyten bisher jedoch
eher selten.
60
50
40
30
20
10
0
10
100
C oncentration [µg as/L]
Figure 2:
Example dose response curve in a single species
test
Risk Assessment for Aquatic Macrophytes –
Refinement of Assessments
Based on the Lemna Test
Background
Approach
The registration of herbicides usually
requires tests with two species of
algae and one species of macrophyte.
In most cases, the duck weed (Lemna
spec.) is used because OECD test
guidelines are available and the species
is relatively easy to handle. However,
as a small species floating at the water
surface, Lemna may not accurately
represent the diverse community of
macrophytes growing in the sediment.
If the Lemna test indicates a possible
risk, it is therefore appropriate to conduct additional tests in order to reduce
the uncertainty in the extrapolation
from one species tested in the laboratory to the species community in the
field. Mesocosms allow the testing of
complex communities under field situations, but the method is relatively
expensive. As an alternative, additional
species can be tested in the laboratory
allowing statistical extrapolation to the
sensitivity of the community of species
in the field (SSD, species sensitivitydistribution approach). This is often
applied for algae, invertebrates and
fish, but rarely to macrophytes.
Two herbicides were tested on Lemna
and seven other macrophyte species.
Two of the species were exchanged
between the projects due to the availability of the plants and results from
the first study (Table 1). All plants we
studied were submersed species,
because macrophytes growing above
the water surface are likely to be less
sensitive due to their morphology
(thick cuticula) and physiology (uptake
of nutrients predominantly from the
sediment).
We used apical shoot length, increase
in length, and the wet and dry weight
at the end of the test as measurement
endpoints. Shoot length was measured
weekly and 30 % increase in the con
trol shoots was used as validity criterion.
Aims
We aimed to establish tests for several
macrophyte species (in addition to
Lemna) in the IME laboratory. The test
endpoints should be appropriate for
combination in an SSD, which reduces
uncertainty in the risk assessment for
macrophytes.
Results
The increase in length of the apical
shoots proved to be the most sensitive
endpoint. The variability between individual plants was occasionally high,
making dose-response relations at
lower test concentrations difficult to
determine, as shown in Fig. 2. In such
cases, the fitted dose-response curve
would have been too flat, resulting in
unreliably low EC10 values. Therefore,
slow growth at low concentrations
was judged to be an outlier if growth
was considerably higher at higher concentrations, and the more robust EC50
value was used for SSD calculation.
For both herbicides, the standard test
species Lemna was one of the two
most sensitive species. The log-normal
distribution fitted the data quite well
(Fig. 3).
Figure 3:
SSDs with macrophytes for two herbicides.
Conclusions
• The Lemna test alone resulted in a
conservative risk assessment for
macrophytes.
• EC50 values for the increase in shoot
length proved to be the most sensitive and robust endpoint in macrophyte tests.
• Additional tests with several macrophyte species reduce the uncertainty
surrounding species sensitivity and
produce a lower trigger value in the
risk assessment.
Both studies were financed by industry
and have been applied for registration
purposes.
Tel: +49 (0) 29 72/3 02-2 70
[email protected]
Dr. Udo Hommen
Tel: +49 (0) 29 72/3 02-2 55
[email protected]
53
Nachweis von Arsenspezies
in biologischen Proben –
ein wichtiges Werkzeug im Umweltmonitoring
beprobt (Fig. 1). Um zu klären, ob das
üblicherweise in der Natur gefundene
Muster arsenorganischer Verbindungen
auch in diesen Proben vorliegt, sollten
analytische Methoden etabliert werden,
mit denen eine derartige Differenzierung
verschiedener Arsenspezies möglich ist.
Figure 1:
Marine biota accumulating arsenic: bladder wrack
(Fucus vesicolosus) and blue mussel (Mytilus edulis)
Ausgangssituation
Anorganische Arsenspezies (Arsenit,
As(III); Arsenat, As(V)) besitzen eine
hohe Toxizität und Kanzerogenität.
Dagegen sind in der Natur vorkommende organische Arsenverbindungen
im Allgemeinen als toxikologisch unbedenklich anzusehen. Das gilt z. B. für
Arsenobetain (AsB) als häufigste arsenorganische Verbindung in marinen
Fischen und Muscheln sowie für Arsenozucker, die den Hauptteil des Arsens
in marinen Algen stellen. Anorganische
Arsenspezies sind in marinen Biota
unter natürlichen Bedingungen nur in
geringen Mengen nachzuweisen.
Laut einer vorläufigen Empfehlung der
WHO beträgt die maximal duldbare
wöchentliche Aufnahme von anorganischen Arsenspezies für Erwachsene
15 µg / kg Körpergewicht. Für eine entsprechende Bewertung mariner Proben, die vielerorts die Hauptquelle für
Arsen in der menschlichen Ernährung
darstellen, ist es somit essenziell, die
vorliegenden Arsenspezies zu identifizieren und nach Möglichkeit zu quantifizieren. Die Betrachtung des Arsenge
samtgehaltes ist hierzu unzureichend.
Aufgabe
Im Rahmen des UmweltprobenbankProgramms werden auch Miesmuscheln
und Blasentang aus Nord- und Ostsee
54
durch Einbindung eines Massenspektro
meters mit molekülspezifischer Elektrospray-Ionisation (ESI-MS) nach HPLCTrennung.
Fazit
Projektbeschreibung
Zusätzlich zur routinemäßigen Bestimmung des Gesamtarsengehalts wurden
Miesmuschel- und Blasentangproben
des Jahrgangs 2004 auf anorganische
und organische Arsenverbindungen
untersucht. Für die Untersuchungen
wurde die Hochleistungs-FlüssigkeitsChromatographie (HPLC) mit einem
Massenspektrometer mit induktiv ge
koppeltem Plasma (ICP-MS) kombiniert,
das sich durch eine hohe elementspezifische Nachweisstärke auszeichnet.
Die Anwendung dieser Kopplungsmethode hatte die Trennung und Erfassung der verschiedenen As-Spezies mit
ausreichender Empfindlichkeit zum Ziel.
Ergebnisse
Mit Hilfe der entwickelten Methoden
konnte erfolgreich eine speziesspezifische Analytik der untersuchten Arsenverbindungen durchgeführt werden
(Fig. 2). Das als Standardsubstanz verfügbare Arsenobetain konnte beispielsweise mit einer Nachweisgrenze bis zu
20 ng / g quantifiziert werden. In den
Muschelproben konnte es als Haupt
arsenkomponente identifiziert werden.
Auch die Arsenozucker, die als komplexe Naturprodukte nicht als synthetische Standards zur Verfügung stehen,
konnten in den Extrakten mit Bezug
auf den Arsengesamtgehalt indirekt
quantifiziert werden. Die Identifikation
eines Arsenzuckers als Hauptarsenkom
ponente im Blasentang (Fig. 3) gelang
Die eingesetzten spezies-spezifischen
Techniken und entwickelten Methoden
konnten verifizieren, dass die untersuchten marinen Proben nur geringe
Mengen anorganischer Arsenverbindun
gen (hier: Arsenat, As (V)) aufweisen
und somit keine bedenkliche Kontamination mit toxikologisch relevanten
Arsenspezies vorlag.
Die Messungen belegen auch die Bedeu
tung der Differenzierung von Elementspezies (Speziation) hinsichtlich einer
präzisen und zielgerichteten Bewertung im Rahmen des Umweltmonitorings. Die Speziation stellt somit eine
sinnvolle und notwendige Ergänzung
zur bisherigen Ermittlung von Gesamtgehalten als Summenparameter dar.
Die Umweltprobenbank des Bundes
wird vom Bundesministerium für Um
welt, Naturschutz und Reaktorsicherheit finanziert und vom Umweltbundes
amt koordiniert. Umfangreiche Informationen sind verfügbar unter:
www.umweltprobenbank.de.
As-sugar1
AsB
As (V)
Figure 2:
Arsenic species detected using HPLC separation
followed by ICP-MS (m/z 75)
Detection of Arsenic Species
in Biological Samples –
An Important Tool in Environmental Monitoring
Aims
are complex natural products and are
not available as synthetic standard
substances. This means they cannot be
quantified directly.
One particular arsenosugar was identified as the main arsenic compound in
bladder wrack (Fig. 3). This was
achieved by using the mass spectro
meter with molecule-specific electro
spray ionisation (ESI-MS) after HPLC
separation.
Figure 3:
Arsenosugar 1 (3-[5’-deoxy-5’-(dimethyl
arsenoyl)-ß-ribofuranosyloxyl]-2-hydroxy
propyleneglycol) identified in bladder wrack
extract by HPLC/ESI-MS (M+H = 329)
Bladder wrack and blue mussel samples
are collected annually from the North
and Baltic Seas as part of the German
Environmental Specimen Bank program (Fig. 1). We developed analytical
methods to distinguish different arsenic species, allowing arsenic profiles in
pristine and sampled biota to be compared.
Background
Approach
Inorganic arsenic species (arsenite,
As(III); arsenate, As(V)) are toxic and
carcinogenic. In contrast, natural
organoarsenic compounds are in most
cases toxicologically harmless. This
applies to arsenobetaine (AsB) the most
common organoarsenic compound in
marine fish and mussels and also to
arsenosugars which represent the bulk
of arsenic compounds in marine algae.
Under natural conditions, inorganic
arsenic species are present at only low
concentrations in marine biota.
The analytical method combines high
performance liquid chromatography
(HPLC) with inductively coupled plasma
mass spectrometer (ICP-MS). This
hyphenated technique has sufficient
element-specific sensitivity to facilitate
the separation and acquisition of
different arsenic species with very low
detection thresholds.
This allowed bladder wrack and blue
mussel samples collected in 2004
to be tested not only for total arsenic
content using the routine program,
but also individually for the content of
inorganic and organic arsenic compounds.
The methods discussed above demon
strated that inorganic arsenic (i. e. arse
nate, As(V)) was present at only trace
levels in the investigated marine sam
ples. Consequently, we conclude there
is no critical contamination with toxico
logically relevant species.
Furthermore, the measurements prove
the relevance of differentiation be
tween element species (speciation) in
the context of a precise and focussed
assessment for environmental monitoring.
Therefore, speciation represents a rea
sonable and necessary complement to
the determination of total arsenic concentrations.
Results
The strategy discussed above made it
possible to quantify different arsenic
species in the marine samples (Fig. 2).
Arsenobetaine could be detected with
a lower detection limit of 20 ng /g
because it is available as a reference
standard. It was therefore possible to
identify this compound as the main
arsenic species in the mussel samples.
The arsenosugars were quantified
indirectly with proportional reference
to the total arsenic content determin
ed in the extracts. These compounds
Dr. Jan Kösters
[email protected]
Tel. +49 (0) 29 72/3 02-2 08
Conclusions
According to a preliminary recommendation of the WHO, the maximum
acceptable uptake for inorganic arsenic
species is 15 µg per kg bodyweight and
week (for adults). Most dietary arsenic
is derived from marine biota. It is there
fore necessary to determine the iden
tity and quantity of each arsenic species in such organisms, since the total
arsenic concentration is toxicologically
misleading.
Dr. Heinz Rüdel
[email protected]
Tel. +49 (0) 29 72/3 02-3 01
Dr. Christa Schröter-Kermani
Umweltbundesamt Dessau
Tel. +49 (0) 3 40/21 03 32 17
55
Begrenzung von Schadstoffeinträgen bei
Bewirtschaftungsmaßnahmen in der
Landwirtschaft bei Düngung und Abfallverwertung
Figure 1:
Application of liquid manure
Es wurden Literaturdaten zur Belastung
von Sekundärrohstoffdüngern sowie
von gedüngten Böden und Vergleichsflächen recherchiert. Darauf aufbauend
wurden experimentelle Untersuchungen
zu Gehalten ausgewählter Schadstoffe
in gedüngten Flächen und Vergleichsflächen durchgeführt.
Ausgangssituation
Im Rahmen der aktuell diskutierten
landwirtschaftlichen Verwertung von
tierischen Abfällen, Klärschlamm und
Komposten als Dünger spielen schutzgutorientierte Anforderungen eine
wesentliche Rolle. Aufgrund der Nutzung landwirtschaftlicher Böden zur
Produktion gesunder Nahrungsmittel
ist zu gewährleisten, dass es durch
Bewirtschaftungsmaßnahmen zu keiner langfristigen Anreicherung von
Schadstoffen im Boden kommt. Dazu
liegen sowohl Anforderungen des vorsorgenden Bodenschutzes als auch
abfallrechtliche Anforderungen vor. Als
Beispiel ist die Klärschlamm-Richtlinie
zu nennen, die derzeit überarbeitet
wird.
Aufgabe
Daten zu den in Deutschland vorliegen
den Gehalten (an)organischer Schadstoffe in Sekundärrohstoffdüngern
(z. B. Kärschlämmen) und landwirtschaft
lichen Böden sollten mit bestehenden
Grenz- und Richtwerten verglichen
werden. Daraus sollten Hinweise auf
eine mögliche Notwendigkeit zur Be
schränkung dieser Schadstofffrachten
abgeleitet sowie organische Leitsubstanzen in Böden identifiziert werden,
die auf Klärschlamm-Anwendung hindeuten.
56
Ergebnisse
Besonders für die organischen Schadstoffe LAS, Nonylphenol, Organozinnverbindungen, Benzo(a)pyren, PCBs,
Phthalate und Moschusverbindungen,
die unterschiedliche Persistenz aufweisen, konnten erstmalig umfangreiche
Datensätze zu Konzentrationen in Klärschlamm-beaufschlagten Böden und
Vergleichsflächen gewonnen werden.
Bei der Identifizierung kritischer Kontaminanten muss die Persistenz in der
Umwelt und das damit verbundene
Anreicherungspotential in Böden berück
sichtigt werden. Auch bedarf es eines
mengenmäßig signifikanten Eintrags
über die Kläranlage in die Umwelt, um
Schadstoffe analytisch noch nachweisen
zu können.
Table 1 zeigt den Vergleich von Gehalten organischer Schadstoffe in Klärschlamm mit Vorsorgewerten bzw.
PNEC-Werten (Predicted No Effect Con
centrations) für Böden und den Vorschlägen für EU-einheitliche Werte. Es
wird deutlich, dass insbesondere die
Gehalte für Tenside, Moschus- und
Organozinnverbindungen in Klärschläm
men signifikant über den PNEC-Werten
liegen.
Als kritisch einzustufen sind weiterhin
Stoffe mit hohem Wirkpotential, zum
Beispiel Stoffe mit krebserzeugenden,
erbgutverändernden oder fortpflanzungsgefährdenden-Eigenschaften
(CMR), Biozide und (Tier)Arzneimittel.
Bodenschutz bedeutet aber auch im
mer die Einbeziehung des Stofftransfers vom Boden hin zu anderen Schutzgütern. Dabei bedarf es der zusätz
lichen Betrachtung von Pflanzenaufnahme und Transport zu Grund- und
Oberflächenwässern.
Fazit
Für eine Bewertung ist zu berücksichtigen, dass die im organischen Dünger
in hohen Mengen vorliegenden organischen Schadstoffe (LAS, NP + NPEOs,
Phthalate) im Boden abbaubar sind
und allenfalls in sehr geringen Mengen
in landwirtschaftlichen Böden nachgewiesen werden. Organozinnverbindungen, aber auch polycyclische Moschusverbindungen sind in Böden so stabil,
dass sie als „Fingerprint“-Chemikalien
für Klärschlamm-applizierte Böden und
für Bioabfall-applizierte Böden geeignet
sind. Fig. 2 zeigt, dass – wenn auch
auf niedrigem Niveau – eine eindeutige
Anreicherung in mit Klärschlamm ge
düngten Flächen beobachtet wird.
Die Untersuchungen wurden vom Um
weltbundesamt finanziert.
1,6
1,4
AHTN µg/kg dm
Projektbeschreibung
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
control area
Kontrollflächen
area
sewage
sludge
Klärschlamm
Figure 2:
Concentration of Tonalid® in agricultural soils
before and after the application of sewage
sludge
Limiting the Accumulation of Hazardous
Substances in Agricultural Soils
through Fertilizer Application
Background
Approach
Agricultural soils must produce food
that is safe for consumption. The ac
cumulation of contaminants introduced
during fertilizer application should
therefore be prevented. This is required
both by the precautionary German Soil
Protection Act and the EU Sewage
Sludge Directive, which is currently
under revision. The use of animal
waste, sewage sludge and composts to
fertilize and improve agricultural soils
is therefore extremely important in the
context of closed substance cycle man
agement.
Data from the literature were compiled
on the occurrence of pollutants in sec
ondary raw material fertilizers, in fertilized soils and in reference soils. On this
basis, experimental investigations were
carried out to determine concentrations
of environmentally relevant substances
in fertilized soils and reference soils.
Aims
Data on concentrations of organic and
inorganic contaminants in secondary
raw material fertilizers such as sewage
sludge and agricultural soils in Ger
many should be compared with appropriate trigger and limit-values. The
comparison should give indications on
a possible need to reduce the contaminant loading. Furthermore, indicator
substances for sewage sludge application should be identified.
Results
In particular for the organic pollutants
LAS, nonylphenol, organotin compounds, benzo(a)pyrene, PCBs, phthalates and musk compounds, which
persist to varying degrees in the environment, comprehensive data sets
could be compiled including their concentrations in agricultural soils to which
sewage sludges had been applied and
in control areas.
In order to identify the most environmentally relevant contaminants, the
environmental persistence of the contaminants, as well as their potential to
accumulate in soils has to be taken into
account. Significant amounts of these
substances must enter the environment
via sewage treatment plants in order
to be detected.
Table 1: Concentrations of contaminants in sewage sludge, compared with reference values
Parameter
Mean
(mg / kg mT)
Precaution valuesoil
(mg / kg mT)
0.05
0.05
PAK (EPA)
5.5
3.0
NP/NPEO
17.0
0.43
LAS
1390
4.6
2600
Galaxolid
Tonalid
12.8
4.0
-
DEHP
27.0
0.31
0.31
10.0;
2.6 (ECB 2001)
DBP
0.25
2.0
-
OZV
0.70
0.008 (TBT)
-
PCBs
PNECsoil
(mg / kg mT)
EU-proposal for
trigger in soil
(mg / kg mT)
0.8
6.0
100
Table 1 lists the concentrations of se
lected organic chemicals in sewage
sludge together with their precau
tionary values, PNEC values and sug
gested EU-wide harmonized values.
Notably, the concentrations of tensides,
musk and organotin compounds significantly exceed the PNEC values.
Substances such as CMR compounds,
biocides and pharmaceuticals may be a
particular cause for concern because of
their potentially harmful properties. Soil
protection requires that the environmental persistence of contaminants is
taken into account, so uptake by
plants and transport to ground and
surface waters has to be considered.
Conclusions
For complete evaluation, the degrada
tion of most organic contaminants
(LAS, NP + NPEOs, phthalate) and the
low concentrations found in agricul
tural soils must be considered. How
ever, organotin compounds (and polycyclic musk compounds, which were
not analyzed in the fertilizers) are fairly
stable in soils and can be used as „fingerprint chemicals” for agricultural
soils treated with sewage sludge and
compost.
Figure 2 shows that the accumulation
of such substances can be observed in
soils treated with sludge albeit at a low
level.
Dr. Werner Kördel
[email protected]
Tel. +49 (0) 29 72/3 02-2 17
Dr. Monika Herrchen
[email protected]
Tel. +49 (0) 29 72/3 02-2 15
57
Ökotoxizität von
sprengstofftypischen Verbindungen
und deren Metaboliten
Aufgabe
Neben der Aufklärung des Metabolismus von STV sollten die Abbauwege
aus ökotoxikologischer Sicht beurteilt
werden.
rung der Toxizität im Vergleich zur Aus
gangssubstanz möglich ist.
Fazit
Aus den Ergebnissen lassen sich folgen
de Schlussfolgerungen ziehen:
Figure 1:
Lysimeter experiments to study the natural
retention and degradation of explosives
Ausgangssituation
Ziel des Verbundvorhabens im BMBFFörderschwerpunkt KORA war, den
natürlichen Rückhalt und den Abbau
sprengstofftypischer Verbindungen
(STV) an Rüstungsaltlastenstandorten
zu bewerten. An den Standorten
Clausthal-Zellerfeld, Stadtallendorf /
Hessen und Elsnig / Sachsen sollte der
Einfluss wesentlicher Parameter auf die
Reaktions- und Transportwege von STV
und Metaboliten in Böden und Grundwässern ermittelt werden. Hierzu
wurden aufeinander aufbauend Batch-,
Säulen- und Lysimeterunteruntersuchun
gen (Fig. 1) durchgeführt.
Um den bioverfügbaren, toxischen
Schadstoffanteil in Böden zu beurteilen,
werden neben chemischer Analytik
auch ökotoxikologische Testsysteme he
rangezogen. Diese Testsysteme stammen schwerpunktmäßig aus der Chemi
kalien- und Pflanzenschutzmitteltestung und wurden für die Medienbeurteilung adaptiert. Zur Erfassung der
Lebensraumfunktion von Böden werden
terrestrische Testsysteme eingesetzt,
beispielsweise Testverfahren mit boden
eigenen Mikroorganismen oder mit
Regenwürmern, Collembolen und
Pflanzen. Toxische Substanzen, die aus
Böden in Grund- und Oberflächenwasser verlagert werden können, werden
über aquatische Verfahren mit Bodeneluat nachgewiesen, etwa in Tests mit
Leuchtbakterien, Algen oder Daphnien.
58
Projektbeschreibung
18 sprengstofftypische Verbindungen,
die sich bei den im Rahmen des KORAProjekts durchgeführten Säulen- und
Lysimeteruntersuchungen als relevant
erwiesen hatten, wurden ökotoxikologisch untersucht. Hierzu wurden in
Tests mit Leuchtbakterien, Algen und
Daphnien die EC50-Werte bestimmt.
Ergebnisse
Table 1 zeigt in vereinfachter Form die
Ergebnisse im Leuchtbakterientest.
Im EC50-Bereich von 1 – 10 mg / L befinden sich schwerpunktmäßig Sprengstoffe (z. B. TNT, Hexogen) bzw. Ausgangsprodukte für deren Produktion
(z. B. 3-NT, 2,6-DNT). Abbauprodukte
weisen in der Regel höhere EC50-Werte
auf, was bedeutet, dass eine geringere
Toxizität vorliegt. So sind beispielsweise
4-A-2,6-DNT oder 3-NBS durch einen
EC50 im Bereich von 10 – 100 mg / L
charakterisiert. 1,3,5-TNB weist jedoch
mit einem EC50 von 0,16 mg / L eine
vergleichsweise hohe Toxizität auf.
Die EC50-Werte wurden dem Metabolismusschema für TNT bzw. DNT zugeordnet, das sich anhand der im IME
durchgeführten Freilandlysimeterstudien
ableiten lässt (Fig. 2, Fig. 3).
Für TNT kann eine Detoxifizierung festgestellt werden. Dabei ergeben sich
jedoch Unterschiede in Abhängigkeit
des Abbauweges. Für den Abbau von
DNT dagegen zeigt sich, dass auf Basis
des Leuchtbakterientestes eine Steige-
• Die Transformation von STV (oxidativ und reduktiv) führt in der Regel
zur Detoxifizierung. Es treten jedoch
auch toxischere Metabolite auf.
• Der Abbauweg bestimmt den Grad
der Detoxifizierung.
• Die EC50-Werte der Einzelsubstanzen
liegen überwiegend im mg/L-Bereich.
Bei Umweltproben, die zahlreiche
STV enthalten, ist zu berücksichtigen,
dass sich niedrige Konzentrationen
und damit geringe Toxizitäten bei
Einzelsubstanzen summieren und
zu einer messbaren Gesamttoxizität
einer Probe führen können.
• Zur Risikoabschätzung auf Basis von
EC50-Werten in akuten Tests wird
ein Sicherheitsfaktor von 1000 auf
den niedrigsten EC50 berücksichtigt.
Liegt der EC50 der Einzelsubstanzen
im mg / L-Bereich, können auch
Konzentrationen von einzelnen STV
in Umweltproben im µg/L-Bereich
relevant sein.
Die Arbeiten wurden mit Mitteln des
BMBF (FKZ 02WN0314) durchgeführt.
Table 1: Classification of EC50 values for
explosives determined in the Vibrio fischeri
luminescence inhibition test
< 1 mg / L 1–10 mg/ L 10 –
100 mg / L
> highest test
concentration
1,3,5-
Hexogen
4-A-2,6-
2,4,6-TNP
TNB
2,4,6-TNT
DNT
(> 100 mg / L)
2,6-DNT
2,4-DNT
2-A-4,6-DNT
4-A-2NT
2,4-DNBS
(> 100 mg / L)
2-NT
2,4-DNP
Octogen
3-NT
3-NBS
(> 19,8 mg / L)
4-NT
4-NBS
2-A-4,6-DNBS
(> 400 mg / L)
Ecotoxicity of Explosives
and Their Metabolites
COOH
NO2
O2N
NO2
O2N
2,4,6-TNT
2,4,6-TNBA
2.6 mg/L
NO2
NO2
NH2
O2N
NH2
O2N
NO2
NO2
2-A-4,6-DNT
2-A-4,6-DNBA
> 403 mg/L
230 mg/L
diamino compounds
immobilization
Aims
Conclusions
After investigating the breakdown of
explosive materials in the soil, we in
tended to study the relevant metabolic
pathways from an ecotoxicological
perspective.
The following conclusions can be
drawn from our results:
• The metabolic degradation of explosives (oxidative / reductive) usually
results in detoxification, but metab
olites of greater toxicity may be
formed.
• The degradation pathway deter
mines the extent of detoxification.
• EC50 values of single substances are
mostly in the mg / L range.
Environmental samples can contain
low concentrations of several explosives. Their toxicities may behave in
an additive manner resulting in a
significant overall toxicity.
• For risk assessments based on acute
tests the lowest determined EC50
value and a safety factor of 1000
are considered. Therefore, environmental concentrations of single
explosives in the µg/L range may be
relevant in cases where the EC50
values of individual substances are
in the mg / L range.
COOH
COOH
NO2
O2N
NO2
O2N
NH2
NH2
4-A-2,6-DNT
4-A-2,6-DNBA
24 mg/L
diamino compounds
immobilization
Figure 2:
TNT metabolic scheme resulting from the
lysimeter experiments, supplemented by the
EC50 values for luminescent bacteria
Approach
Background
The aim of this joint project, supported
by the German Federal Ministry of
Education and Research (BMBF) within
the scope of KORA, was to assess the
natural containment function of soils
at three military sites and study the
degradation pathways of typical explosives.
Various parameters relevant to the
reaction and transport of explosive
residues in soils and groundwater
were identified at Clausthal-Zellerfeld,
Stadtallendorf/Hessen and Elsnig /
Sachsen. For this purpose, we carried
out stepwise batch, column and lysimeter experiments (Fig. 1).
In addition to chemical analyses, we
used ecotoxicological test systems to
evaluate the bioavailable portion of
toxic pollutants. Most of the methods
were originally developed to test
chemicals and pesticides, and were
then adapted to assess environmental
compartments. Terrestrial tests with
soil microflora, earthworms, collembola
and plants, are often used to deter
mine the habitat function of soils.
Soluble toxic contaminants, which may
reach surface water or groundwater,
are identified using aqueous soil elu
ates. Test subjects include luminescent
bacteria (Vibrio fischeri), algae and
daphnia.
We tested 18 typical explosives found
to be of environmental relevance in the
earlier column and lysimeter studies
within the scope of the KORA project,
for potential ecotoxicological effects.
Tests were carried out using luminescent bacteria, algae or daphnia.
Results
Table 1 summarizes the results obtained
using luminescent bacteria. Explosives
such as TNT and hexogen, as well as
precursors such as 3-NT and 2,6-DNT,
generally fall within the concentration
range 1 – 10 mg / L. Degradation products tend to have higher EC50 values,
i. e. they are less toxic. For example,
4-A-2,6-DNT and 3-NBS have an EC50
range of 10 – 100 mg / L. However, the
toxicity of 1,3,5-TNB is higher, with an
EC50 value of 0.16 mg / L.
The EC50 values were mapped onto
the metabolic scheme for TNT and
DNT, using the field lysimeter studies
carried out at the Fraunhofer IME
(Figs 2 and 3).
TNT is detoxified as it degrades. The
extent of detoxification depends on
the particular degradation pathway,
whereas DNT can increase in toxicity as
it degrades (test parameter: luminescence test).
Contact / Ansprechpartnerin
Tel: +49 (0) 29 72/3 02-2 66
[email protected]
COOH
NO2
NO2
2,4-DNT
NO2
NO2
COOH
NH2
COOH
NO2
NH2
NO2
2-A-4-NT
2,4-DNBA
43 mg/L
47 mg/L
NO2
NH2
2-A-4-NBA
4-A-2-NT
NO2
NH2
4-A-2-NBA
6 mg/L
diamino compounds
immobilization
diamino compounds
immobilization
Figure 3:
Metabolic scheme for DNT determined from the
lysimeter experiments supplemented by the
EC50 values for luminescent bacteria
59
Nachweis der Verfälschung von
Produkten aus Kaschmirwolle –
Authentizitätsprüfung
Aufgabe
Figure 1:
Cashmere wool has become a sought-after raw
material because of its luxurious characteristics
Textilindustrie und Überwachungslaboratorien benötigen Nachweismethoden,
die eine sichere Überprüfung von Produkten aus Kaschmirwolle gewährleisten. In Zusammenarbeit mit einem
chinesischen Forschungsinstitut (BCPCA)
sollte daher ein Verfahren entwickelt
werden, das einen sicheren Nachweis
der Verfälschung derartiger Produkte
ermöglicht.
Ausgangssituation
Projektbeschreibung
Kaschmirwolle ist die bekannteste Edel
wolle und stammt von der Kaschmirziege, die ursprünglich aus den Hochgebirgsgebieten der gleichnamigen
Region stammt. Aufgrund der Eigenschaften von Kaschmirwolle, wie z. B.
Weichheit und Wärme, findet die Wolle
steigende Beliebtheit bei der Herstellung von Bekleidungsgegenständen
(Fig. 1). Echte Kaschmirwolle wird nur
aus den unteren Flaumhaaren der
Kaschmirziege gewonnen und muss
über eine spezielle Haarstruktur mit
einer genau festgelegten Länge und
Dicke verfügen. Aufgrund der geringen
Menge, die von einem Tier gewonnen
werden kann, stellt die echte Kaschmir
wolle einen teuren Rohstoff in der Textil
industrie dar und ist daher vermehrt
Gegenstand von Verfälschungen. Dazu
wird statt der teuren Kaschmirwolle
gewöhnliche und billige Schafswolle
verwendet und dann mit 100 % Kasch
mir falsch deklariert. Oder Produkte
enthalten nur geringe Anteile von
Kaschmirwolle, und Wolle anderer Tier
arten wird ohne Kenntlichmachung mit
verarbeitet.
60
Grundlage des Verfahrens war die vom
IME entwickelte Methode zur Tierarten
differenzierung, die seit 2002 erfolgreich zur Analyse von Lebens- und
Futtermitteln eingesetzt wird. Aufgrund
der charakteristischen Eigenschaften
des Ausgangsmaterials und der geringen Menge vorhandener intakter DNA
in den Wollfasern wurden die Methoden, die zur Extraktion von genomischer DNA aus Lebens- und Futter
mitteln eingesetzt werden, optimiert.
Durch die verbesserte DNA-Extraktion
sollte ein universeller Nachweis auf
Basis der IME-Methode zur Tierartendifferenzierung ermöglicht werden.
zeigt die Analyse eines Pullovers, der
laut Kennzeichnung zu 100 % aus
Kaschmirwolle hergestellt sein sollte.
Die Ergebnisse zeigen jedoch, dass
100 % Schafswolle verwendet wurde.
Ausblick
Durch die erfolgreiche Erweiterung der
ursprünglich im IME entwickelten
Methode auf die Analyse von Wollprodukten steht neben der Untersuchung
von Lebens- und Futtermitteln ein
neuer Anwendungsbereich zur Ver
fügung. Die Erweiterung auf andere
Fragestellungen wird weiter vorangetrieben.
Durch enge Zusammenarbeit mit dem
chemischen und Veterinärunter
suchungsamt Stuttgart (CVUA) konnte
die IME-Datenbank genomischer Tierarten-DNA erheblich ausgebaut werden. Insbesondere in der Detektion
und Analyse exotischer Tierarten wurden Fortschritte erzielt. Eine Anwendung auf die Analyse von geschützten
Tierarten im Rahmen des Handels mit
gefährdeten Tierarten und der Überprüfung des Artenschutzes im Rahmen
zollamtlicher Aufgaben ist geplant.
Die Arbeiten wurden als Vorlaufforschung für ein Industrieprojekt aus
eigenen Mitteln finanziert.
Ergebnisse
Durch Anwendung der Methode mit
verbesserter DNA-Extraktion (Fig. 2)
konnten verschiedene Wollproben analysiert werden. Die Ergebnisse belegen,
dass der gleichzeitige Nachweis aller in
einem Wollerzeugnis verarbeiteten
tierischen Rohstoffe möglich ist (Fig. 3).
Gezeigt wird die Analyse einer Probe,
die zu 100 % aus Kaschmir besteht (A).
Es ist deutlich zu erkennen, dass neben
Kaschmirwolle auch Schafswolle ver
arbeitet wurde (B). Chromatogramm C
Figure 2:
Sample preparation for DNA extraction
Detection of Fake Products Made of
Cashmere Wool – Authenticity Check
A
goat
Aims
Result
100 % cashmere
B
sheep
goat
sheep
Result
cashmere / sheep
C
sheep
Result
100 % sheep
Figure 3:
Results obtained from different wool samples
Background
Cashmere is the finest type of wool in
the world. It is derived from the
cashmere goat, which is found only in
the high mountains of the Kashmir
region. Because of its luxurious softness and warmth, cashmere wool is
becoming more and more popular in
the clothing industry (Fig. 1).
Genuine cashmere wool is derived
solely from the down hairs of the
cashmere goat. It has a particular
structure with a defined length and
thickness. Due to the small amount
obtained from each animal, cashmere
wool is an expensive raw material and
is often counterfeited by substituting
cheaper wool, although the goods are
labelled as 100 % cashmere. Alternatively, clothing containing only a small
proportion of cashmere wool is mixed
with wool from other animals and
labelled as cashmere without detailed
declaration.
Due to the increase in wrongly or in
sufficiently labeled clothing and raw
material, both the textile industry and
testing laboratories need an analytical
method that allows the definite identification of cashmere wool in clothing,
raw material and consumer products.
Therefore, the IME aimed to establish
a method for the identification of fake
wool products and consumer goods in
cooperation with a Chinese research
institute (BCPCA).
Approach
The new procedure is based on the
method for animal species differentiation in food and feed developed by the
IME in 2002. Because of the characteristics of the sample material and the
small amount of intact DNA in wool
fibres it was important to optimize the
genomic DNA extraction method used
for analyzing food and feed. By
improving DNA extraction, a universal
method for analyzing wool products
– based on the original IME method –
should be deliverable.
over labelled 100 % cashmere in fact
consists of 100 % sheep wool.
Conclusion
After the successful improvement of
the IME method for analyzing animal
food and feed products, a further
application is now available – determin
ing the origin of fibers in wool goods.
In the future, we will aim to extend
this method for use in other applica
tions.
Through cooperation with the „Chemi
schen und Veterinäruntersuchungsamt
Stuttgart” (CVUA), it was possible to
expand the IME DNA animal data base
considerably, particularly regarding the
analysis of exotic animals. Therefore,
one likely future application of the IME
method is customs surveillance and
the analysis of products suspected to
contain endangered species.
Contact
Dr. Björn Seidel
Tel: +49 (0) 29 72/3 02-3 30
[email protected]
Results
Gisela Böhle
Tel: +49 (0) 29 72/3 02-1 79
[email protected]
After improving DNA extraction and
adapting the IME method (Fig. 2), it
was possible to analyze several wool
samples successfully. The results
demonstrate with striking clarity that
the simultaneous detection of raw
material from several animal species is
possible on one processed wool sample
(Fig. 3). The sample in Fig 3A comprises
100 % cashmere wool, whereas
Fig. 3 B clearly shows that the sample
contains cashmere as well as sheep
wool. Fig. 3 C demonstrates that a pull
Figure 4:
Computer-based analysis of animal species
differentiation
61
Perfluorierte Tenside in
Lebensmitteln
verstärkt als Lebensmittel- bzw. Umwelt
schadstoffe diskutiert wurde.
Aktuell
Figure 1:
Molecular structure of PFOS
Was sind PFT ?
Perfluorierte organische Tenside (PFT)
kommen infolge ihrer besonderen
Eigenschaften in einer Vielzahl von
industriellen und kommerziellen
Anwendungen zum Einsatz. Dazu
gehören die Verwendung in Kühlmitteln, Tensiden, Polymeren sowie als
Komponenten von Pharmazeutika,
Feuerschutzmitteln, Schmierstoffen
und Insektiziden.
Besonders die PFT-Carboxylate (z. B.
PFOA: Perfluoroctansäure) und PFTSulfonate (z. B. PFOS: Perfluoroctansulfonsäure, Fig. 1) haben ausgezeichnete
Oberflächenspannungs-senkende Wirkungen, so dass sie zu den wirkungsvollsten Tensiden zählen und zur
Imprägnierung der Oberflächen von
Textilien und Teppichen verwendet
werden. Zu weiteren Anwendungen
zählt ihr Einsatz in Schaumlöschmitteln
und in der Papierindustrie.
PFT werden seit mehr als 50 Jahren
produziert und gehören mittlerweile zu
den ubiquitären (weltweit verbreiteten)
Stoffen. Während nicht vollständig
fluorierte Verbindungen zumindest teilweise abbaubar sind, gelten PFT als
weitgehend resistent gegenüber abioti
schen und biotischen Abbauprozessen.
Diese Persistenz, zusammen mit ihrer
Tendenz zur Bioakkumulation und
ihren teilweise ungeklärten toxikologischen Eigenschaften, führte dazu,
dass die Gruppe der PFT in letzter Zeit
62
Aufgrund der PFT-Befunde in der Ruhr
und in der Möhne wurde festgestellt,
dass eine mögliche Ursache hierfür die
Beaufschlagung landwirtschaftlicher
Flächen mit einem aus Bioabfällen hergestellten Bodendünger sein könnte.
Im Hochsauerlandkreis wurde auf einer
Fläche bis zu 600 µg je kg Boden dieser Chemikaliengruppe festgestellt.
Auch im Trinkwasser der im Einzugsgebiet dieser Fläche liegenden Wassergewinnungsanlage wurden entsprechende
Belastungen mit der Chemikalie vor
gefunden. Mittlerweile liegen Berichte
über PFT-kontaminierte Flächen aus
sieben Bundesländern vor.
PFT sind nach derzeitigem Kenntnisstand als persistent und mobil einzustufen. Dies bedeutet, PFT werden im
Boden nicht schnell abgebaut. Aus der
artig belasteten Böden wird PFT durch
Niederschläge in das Grundwasser ausgetragen, ein Prozess, der über viele
Jahre verläuft und u. a. zu Problemen
bei der Trinkwassergewinnung / aufbereitung führt.
In Berichtsjahr war das Fraunhofer IME
an zahlreichen regionalen und natio
nalen Untersuchungen beteiligt. Dabei
wurden u. a. verschiedene Milchprodukte, Obst und Gemüse untersucht.
Insbesondere die Untersuchungen des
Gehaltes von PFOS und PFOA in Pommes Frites fanden großes öffentliches
Interesse. Dabei wurden Gehalte von
bis zu 2,8 µg / kg PFOA und bis zu
0,9 µg / kg PFOS nachgewiesen (Fig. 3).
Ausblick
Viele Aspekte der PFT-Problematik sind
noch ungeklärt. Das IME sieht vor
allem in folgenden Bereichen Möglichkeiten tätig zu werden:
• Erweiterung des Analytenspektrums
– bereits jetzt berücksichtigen wir
kürzer- und längerkettige PFT
• Warenkorbuntersuchungen bei
Lebensmitteln
• Aufklärung der Herkunft von PFTBelastungen
• Studien zum Verbleib und zu möglichen (PFT) Metaboliten in verschiedenen Böden
• Erstellung von Konzepten zur
Sanierung belasteter Flächen
• Ökotoxikologische Bewertung von
PFT.
Projekte
Das Fraunhofer IME führt bereits seit
dem Jahr 1999 Projekte zur Bestimmung von PFT (insbesondere von PFTCarboxylaten und PFT-Sulfonaten) für
die Industrie durch (Fig. 2). Des Weiteren
erfolgten Untersuchungen für das Mo
nitoring-Programm des Umweltbundes
amtes bzw. der Umweltprobenbank,
die auch Analysen von Blutproben einschlossen. 2005 wurde in Zusammenarbeit mit dem Niedersächsischen
Landesgesundheitsamt die Pilotstudie
‚PFT in Muttermilch‘ durchgeführt.
Figure 2:
LC / MS / MS unit for the identification of PFTs
Perfluorinated Tensides in Food
Their persistence, tendency to bioac
cumulate and unclear toxicological
potential means they are discussed as a
possible chemical contaminant in food
and the environment.
Current developments
Figure 3:
LC / MS / MS chromatogram of the PFOS and
PFOA target ions in a sample of French fries
compared to the two 13C labelled standards
Perfluorinated tensides
The unique properties of perfluorinated
tensides (PFTs) make them useful in a
range of industrial and commercial
products, such as cooling fluids, polymers and as components in pharma
ceuticals and pesticides.
In particular, perfluorinated carboxy
lates (e. g. PFOA: perfluoro-octanoic
acid) and perfluorinated sulfonates
(e. g. perfluoroctanesulfonate, Fig. 1)
are used as surfactants, e. g. to impreg
nate textiles and carpets, in fire-fight
ing foams and for grease-proofing
treatments in the paper industry.
Background
PFT have been produced for over 50
years, and are now distributed all over
the world. If C-H bonds are not fully
replaced by C-F bonds, one of the
strongest chemical bonds known,
degradation is still possible; otherwise
PFTs persist in the environment.
The discovery of high levels of PFT con
tamination in two German rivers suggested the pollution may have origi
nated from organic sludge applied as a
fertilizer for agricultural purposes. It
was shown that soil contains up to
600 µg PFT / kg, causing the contamina
tion of drinking water and supply
plants. So far, seven German federal
states have reported PFT contamina
tion. Because PFTs are both persistent
(i. e. non-degradable) and mobile (i. e.
can leach from contaminated soils into
the groundwater), this represents a
permanent threat in the context of
drinking water abstraction and / or conditioning.
Projects
The Fraunhofer IME has carried out
projects to measure PFT contamination
in various matrices since 1999 (Fig. 2).
This work has been conducted on
behalf of industrial partners, and has
focused particularly on PFT-carboxy
lates and PFT-sulfonates. Further in
vestigations were carried out on behalf
of the Monitoring Program of the German Federal Environmental Specimen
Bank, which also includes human blood
samples.
In 2005, a pilot study was carried out
in co-operation with the German state
health authorities of Lower Saxony
to investigate the presence of PFTs in
breast milk.
In 2006, further studies were carried
out on food, including milk products,
fruit and vegetables, which were
tested for PFOS, PFOA and other PFTs.
The presence of PFTs in French fries
was of particular interest to the public
and was reported in a number of newspapers all over Germany. Up to 2.8 µg
PFOA / kg and up to 0.9 µg PFOS / kg
were detected in these products (Fig. 3).
Future investigations
The Fraunhofer IME has significant
expertise and experience in PFT analysis, which could be applied to the many
areas of environmental PFT contamination that have yet to be investigated.
Important areas for future PFT research
may include:
• Increasing the number of analytes –
many short- and long-chain PFTs are
already included in our study program, but our analytical capability
could be upgraded by including
additional PFTs
• Evaluation of more foods
• Studying the origin and mobility of
PFT in the environment
• Fate studies of possible PFT metabolites in different soils
• Strategies for the decontamination
of PFT-polluted sites
• Ecotoxicological assessment of PFTs
Dr. Mark Bücking
Tel: +49 (0) 29 72/3 02-3 04
[email protected]
Dr. Josef Müller
Tel: +49 (0) 29 72/3 02-2 16
[email protected]
63
Das Fraunhofer Center for Molecular
Biotechnology (CMB), Delaware
Das Fraunhofer Center für Molekulare
Biotechnologie (CMB) hat im Jahr
2006 sein Forschungs- und Entwick
lungsprogramm erweitert, über 20 Mio
USD zusätzliche Mittel akquiriert und
seine Errungenschaften in Form von
Publikationen in wissenschaftlichen
Fachzeitschriften und Präsentationen
bei wissenschaftlichen Veranstaltungen
vorgestellt. Diese Aktivitäten haben den
Ruf des CMB als internationales Center
of Excellence im Bereich Angewandte
Biotechnologie deutlich erhöht.
Technologien
Schlüsselentwicklungen, speziell in der
Herstellung von Impfstoffen, waren die
Fusion von Zielpeptiden in das Hüllprotein des Alfalfa-Mosaik-Virus zur Verbesserung der Präsentation an das Immun
system sowie die Fusion von ImpfstoffPeptiden an Lichenase von Clostridium
thermocellum zur gesteigerten Stabilität
und Produktgewinnung. Außerdem hat
das CMB seine proprietäre ,Launch Vec
tor’-Technologie ausgebaut, insbesondere durch Gentransfer in Pflanzen über
Agrobacterium tumefaciens sowie die
Expression über virale Vektoren, die eine
rasche Anwort auf pandemische Erkran
kungen inkl. Hühnergrippe erleichtern.
Kooperationen und geschäftliche
Partnerschaften, Fördergelder
Die Fraunhofer-Gesellschaft hat die
Unterstützung des CMB durch die Be
willigung von 10 Mio USD Grundfinanzierung für die nächsten 5 Jahre er
neuert – eine Zusage, die durch eine
Grundfinanzierung des Staates Delaware in Höhe von 5 Mio USD flankiert
wird. Zusätzliche Unterstützung erhielt
das CMB von der Bill and Melinda
Gates Foundation, die 2.7 Mio USD für
die Entwicklung eines Impfstoffs gegen
64
die Hühnergrippe und 3.5 Mio USD
für einen Transmissions-blockierenden
Impfstoff gegen Malaria spendete. Das
letztgenannte Projekt wird in Kooperation mit dem Malariaimpfstoff-Ent
wicklungszweig des National Institute
of Health an der Radboud-Universität
Nijmegen, Niederlande, dem Imperial
College, Großbritannien, und der EhimeUniversität, Japan, durchgeführt.
Die Partnerschaft mit Integrated Bio
Pharma Inc. ist von maßgeblicher Bedeu
tung für die kommerzielle Entwicklung
der Technologien und Produkte des
CMB. Im Jahr 2006 setzte Integrated
BioPharma seine Unterstützung für die
Entwicklung einiger CMB Schlüsseltechnologien und -produkte fort und gab
strategische Unterstützung in den Bereichen Intellectual Property, Regulatory
Affairs, Geschäftsentwicklung und Marketing. Zusätzlich hat das CMB seine
mikrobielle ,Quorum sensing’-Technologie im Unterauftrag mit Athena Biotechnologies Inc., Delaware, erweitert.
In 2006 verstärkte das CMB auch den
wissenschaftlichen Austausch mit dem
IME. So wurde dem IME die Teilnahme
an verschiedenen wissenschaftlichen
Treffen erleichtert, andererseits präsentierte sich das CMB auf der Kuratoriums
sitzung des IME. Zwei Abteilungsleiter
des IME wurden eingeladen, um poten
zielle Synergien zu diskutieren und eine
Kooperation zur großtechnischen Produktion humaner Wachstumshormone
in Pflanzenzellkulturen aufzubauen. Das
CMB hat darüber hinaus eine Kooperation mit dem Fraunhofer Center for Manufacturing Innovation (CMI) in Boston
initiiert. Ziel ist, ein prototypisches
Modul für eine schnelle und preiswerte
Produktion von Biopharmazeutika in
Pflanzen zu entwickeln und herzustellen.
Wissenschaftliche Veranstaltungen
und Veröffentlichungen
Das CMB unterstützte die „International Association for Biologicals“ bei der
Durchführung des Workshops ,New
Cells for New Vaccines’, in Coral Gables,
Florida, im September 2006. Bei dem
Meeting, das von etwa 100 Wissenschaftlern aus aller Welt besucht wurde,
wurden die Forschungsaktivitäten des
CMB dargestellt. Schwerpunkte waren
neue Pflanzen- und Insekten-basierte
Expressionstechnologien, ManufakturPlattformen für Impfstoffe, Ergebnisse
aus klinischen Studien und regulatorische Maßnahmen zur Zulassung dieser
neuen Produktionssysteme. Durch die
Veranstaltung wurde das Profil des CMB
führenden Wissenschaftlern und maßgeblichen Pharmaunternehmen im Bereich der Grippeimpfstoffe vorgestellt.
In 2006 wurden sechs Manuskripte bei
wissenschaftlichen Fachzeitschriften
eingereicht; fünf davon sowie ein
Review über virale Expressionssysteme
wurden zur Veröffentlichung angenommen. Zusätzlich haben Wissenschaftler des CMB regionale und internationale Meetings besucht und dort
Poster und Präsentationen zur Forschung am CMB vorgestellt.
Ausbildungsaktivitäten
Von dem in 2005 vom CMB gegründeten
„Governor Minner Scholarship Fund“ für
College-Studenten in Delaware wurden
für das akademische Jahr 2006 – 2007
drei Stipendien bewilligt. Das CMB un
terstützt den Fund gemeinsam mit der
lokalen Industrie. Zusätzlich wurden Ko
operationen mit verschiedenen internationalen Universitäten etabliert, so dass
inzwischen graduierte Studenten einen
substanziellen Anteil ihrer Forschungsarbeiten in Delaware durchführen. 2006
hat Sylvia Massa von der ENEA, Italien,
ihre Doktorarbeit abgeschlossen und
eine Publikation für eine wissenschaft
liche Fachzeitschrift vorbereitet. Zwei
graduierte Studenten der Kalmar-Univer
sität in Schweden führen derzeit ihre
Forschung am CMB durch. Zudem bietet
das CMB Sommerpraktika für Studenten
der Region an; hier wurden in 2006
drei Forschungsprojekte abgeschlossen.
Names, Dates, Events
Fraunhofer Center for Molecular
Biotechnology (CMB), Delaware
The Fraunhofer Center for Molecular
Biotechnology (CMB) expanded its major R & D programs in 2006, attracting
over $20M in additional funding and
publicizing its achievements through
publications in peer-reviewed journals
and presentations at scientific meetings.
These activities enhanced the CMB’s
reputation as an international center
for excellence in applied biotechnology.
Technologies
Key developments in the CMB’ s core
vaccine-production technologies includ
ed the fusion of target vaccine peptides
to the coat protein of alfalfa mosaic virus
for enhanced presentation to the immune system, and the fusion of vaccine
peptides to Clostridium thermocellum
lichenase to improve target stability
and recovery. The CMB also developed
its proprietary ,Launch Vector’ technology, which integrates gene transfer to
plants using Agrobacterium tumefaciens
and expression using viral vectors, facilitating a rapid response to pandemic
diseases such as avian influenza.
Collaborations, Business
Partnerships and Grants
The Fraunhofer-Gesellschaft renewed
its long-term support for the CMB by
committing $10M in basic funds over
the next 5 years, a commitment
matched by $5M in basic funds from
the State of Delaware. Further support
was obtained from the Bill and Melinda
Gates Foundation, which committed
$2.7M to the CMB to help develop a
vaccine against pandemic strains of
avian influenza, and another $3.5M to
help develop a transmission-blocking
vaccine against malaria. The latter project will be conducted in collaboration
with the Malaria Vaccine Development
Branch of the National Institute of
Health, Radboud University Nijmegen,
The Netherlands, Imperial College, UK
and Ehime University, Japan.
The CMB’ s partnership with Integrated
BioPharma Inc. is pivotal to the commercial development of its technologies
and products. During 2006, Integrated
BioPharma continued to fund the development of some of the CMB’s core
technologies and lead products, and
also provided strategic support in the
areas of intellectual property, regulatory
affairs, business development and marketing. In addition, the CMB extended
its microbial quorum sensing technology under subcontract with Athena Biotechnologies Inc. of Delaware.
The CMB also increased its interactions
with the IME in 2006, facilitating the
IME’s participation at several scientific
meetings and presenting CMB at the
2006 Scientific Advisory Board Meeting
of the IME. The CMB invited two senior
IME scientists to discuss potential synergies, resulting in a collaboration to de
velop procedures for the large-scale pro
duction of human growth hormone in
plant cell cultures. The CMB also initiated
collaboration with the Fraunhofer USA
Center for Manufacturing Innovation to
design and construct a prototype mod
ule for the rapid and inexpensive production of biopharmaceuticals in plants.
Scientific Meetings and Publications
The CMB helped to organize an „Inter
national Association for Biologicals”
Workshop entitled ‘New Cells for New
Vaccines’, which was held in Coral
Gables, Florida, in September 2006.
The meeting was attended by about
100 scientists from around the world
and showcased CMB research. Sessions
at the conference focused on new plantand insect-based expression technologies and manufacturing platforms for
vaccines, on recent results from clinical
studies, and on regulatory issues associated with these new production systems. The meeting raised the CMB’s
profile among prominent academics
and major pharmaceutical companies
in the field of influenza vaccines.
During 2006 CMB scientists submitted
six research manuscripts for publication
in peer-reviewed journals, five of which
have already been accepted, as well as a
review article on viral expression systems
in plants. In addition to these publications, CMB scientists attended domestic
and international meetings, where
they gave presentations and displayed
posters to publicize CMB research.
Educational Outreach
In 2005, the CMB initiated the Governor
Minner Scholarship fund for students
attending colleges in Delaware, and
three such scholarships were awarded
for the academic year 2006 –2007. The
CMB continues to support this fund in
collaboration with local businesses. The
CMB has also established collaborations
with various international universities so
that graduate students conduct a substantial part of their research work in
Delaware. In 2006, graduate student
Sylvia Massa from ENEA, Italy, completed
her program at the Center and success
fully defended her Ph.D. thesis, followed
by a peer-reviewed publication. Two
graduate students from Kalmar University in Sweden are currently performing
their research at the Center. In addition, the CMB offers opportunities for
college undergraduates in the region
to conduct summer internships. Three
students completed projects in 2006.
65
Presseschau
66
Press Review
67
Qualitätssicherung
Laboratorien des Bereichs Angewandte
Oekologie arbeiten gemäß GLP (Good
Laboratory Practice) bzw. sind akkre
ditiert gemäß DIN EN ISO / IEC 17025.
Regelmäßige Überprüfungen durch
GLP-Inspektoren des Landes NRW bzw.
die Deutsche Akkreditierungsstelle
Chemie (DACH) garantieren die hohe
Qualität unserer Arbeit.
Das GLP-Zertifikat wurde 2006 für
folgende Prüfkategorien erneut bestätigt:
– Prüfungen zur Bestimmung der physikalisch-chemischen Eigenschaften
und Gehaltsbestimmungen
– Ökotoxikologische Prüfungen zur
Bestimmung der Auswirkungen auf
aquatische und terrestrische
Organismen
– Prüfungen zum Verhalten im Boden,
im Wasser und in der Luft; Prüfungen zur Bioakkumulation und zur
Metabolisierung
– Prüfungen zur Bestimmung von
Rückständen
– Prüfungen zur Bestimmung der Aus
wirkungen auf Mesokosmen und
natürliche Ökosysteme.
Die Akkreditierung bescheinigt die
Kompetenz, Prüfungen im Prüfbereich
„Chemische und chemisch-physika
lische Analytik“ für Wasser, Boden,
Klärschlamm, Bedarfsgegenstände,
Reizstoffgeräte, Umweltproben und
biologische Materialien zu folgenden
Prüfarten durchzuführen:
– Gaschromatographie
– Hochleistungsflüssigkeitschromatographie
– Atomspektrometrie
– Probenvorbereitung
sowie einzelne Prüfverfahren der Prüf
arten Photometrie, elektrochemische
Verfahren, physikalische Kennzahlen,
Gravimetrie, Summenparameter und
Probennahme. Im Berichtsjahr wurde
68
das Zertifikat für die Reakkreditierung
des IME erteilt.
Im Bereich Molekularbiologie leiten sich
die Anforderungen an die Qualitäts
sicherung aus den nationalen und
internationalen Regelwerken zur Sicher
stellung der „Guten Herstellungspraxis“
für Arzneimittel und Wirkstoffe (z. B.
AMWHV, EU GMP-Leitfaden, ICH Q7)
ab. Parallel zur baulichen und tech
nischen Fertigstellung der Pilotproduktionsanlage für pharmazeutische Wirkstoffe im Institutsneubau Aachen
schafft die Qualitätssicherungseinheit
die strukturellen und organisatorischen
Voraussetzungen für einen regelkonformen Betrieb der Anlage. In 2006
standen Planung, Durchführung und
Dokumentation von Qualifizierungsmaßnahmen (IQ / OQ Räume, Medien,
Prozessanlagen) sowie die Erstellung
von Hygiene-, Monitoring- und Schulungsplänen im Vordergrund, die für
das 2. Quartal 2007 geplanten Musterprozess-Validierungsläufe zur Erlangung einer Herstellungserlaubnis sind
in Vorbereitung.
Die Einheit beteiligt sich außerdem an
den Bestrebungen zur Koordination
der Qualitätssicherungsaktivitäten im
Fraunhofer-Verbund Life Science (VLS).
Equal opportunities
for women and men
in business, science,
politics and administration
Total E-Quality
Das Fraunhofer IME verfolgt mit seiner
Personalpolitik seit vielen Jahren das
Ziel, ihren Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern eine bessere Vereinbarkeit von
Beruf und Familie zu ermöglichen. Für
seine Erfolge, diese Politik umzusetzen,
erhielt das IME im Jahre 1999 das
Grundzertifikat zum Audit „Beruf &
Familie“ und stellte sich in 2002 erfolg
reich der Reauditierung. Auch die Auszeichnung durch das Total E-Quality
Prädikat im Jahr 2006 unterstreicht die
Bemühungen auf dem Gebiet der
Chancengleichheit, sowie die erfolg
reiche Umsetzung von Maßnahmen zur
Vereinbarkeit von Familie und Beruf.
Bestenehrung für Auszubildende
Katharina Justus hat in 2006 ihre Ausbildung zur Bürokauffrau am Fraun
hofer IME in Schmallenberg mit einem
sehr guten Ergebnis abgeschlossen.
Sie gehörte zu den besten Prüflingen
der IHK für das südöstliche Westfalen.
An der Winter- und Sommerprüfung
2006 hatten insgesamt 2087 Prüflinge
teilgenommen, die besten unter ihnen
wurden am 13. September 2006 in
einer Feierstunde in der IHK Arnsberg
mit einer Urkunde für ihre sehr guten
Prüfungsleistungen geehrt.
Katharina Justus finished the training as an
industrial clerc at Fraunhofer IME very successfully and was honoured for this in a ceremony
at the Chamber of Commerce and Industry in
Arnsberg
Quality assurance
Most laboratories of the division
Applied Ecology work in compliance
with the Principles of Good Laboratory
Practice (GLP). Moreover, the institute
is accredited according to DIN EN ISO /
IEC 17025. The regular supervisions
by GLP Inspectors of the state of NorthRhine Westphalia (NRW) and the
„Deutsche Akkreditierungsstelle Che
mie” (DACH), resp., guarantee the high
quality of test performance, especially
of tests required for the registration of
pesticides and the notification of other
chemical products.
In 2006, the IME passed its re-certi
fication for the following studies:
– Physical-chemical testing
– Environmental toxicity studies on
aquatic and terrestrial organisms
– Studies on behavior in water, soil,
air; bioaccumulation
– Residue studies
– Studies of effects on mesocosms
and natural ecosystems.
The accreditation certifies the competence of performing studies in the area
of „chemical and chemical-physical
analytics”. For the investigation of
water, soil, sewage sludge, consumer
products, irritant sprayers, environ
mental samples and biological matrices
the following tests are certified:
– Gas chromatography
– High performance liquid chromatography
– Atomic spectrometry
– Sample preparation
and some test procedures relating to
the categories „Photometry”, „Electrochemical proceeding”, „Physical indices”, „Gravimetry”, „Sum parameters”
and „Sampling“. In the reported year,
the IME successfully passed the recertification.
Dr. Gerd Wasmus, Applied Ecology
Tel: +49 (0) 29 72/3 02-2 36
[email protected]
In the Molecular Biology Division of the
IME, tasks and activities of the quality
assurance unit are based on the national and international regulatory framework for the manufacturing of active
pharmaceutical ingredients (e. g. German Law on Medicinal Products, EU
GMP-Guideline, ICH Q7). Further to the
completion of the GMP pilot production plant of the new institute building
in Aachen, the quality assurance unit
ensures the fulfilment of the organisational and structural prerequisites for
GMP compliance. In 2006, planning,
performance and documentation of
qualification activities (IQ/OQ of facilities, media, process equipment) as well
as preparation of hygiene-, monitoringand training-schedules were the central
tasks. Currently, validation runs of
model processes as a basis for obtain
ing a manufacturing license are being
prepared.
The unit participates in the efforts to
co-ordinate and harmonize the quality
assurance activities between the five
Fraunhofer Institutes organized in the
Fraunhofer Life Science Alliance.
Total E-Quality
For many years, the institute’s personnel policy has aspired to a high standard of family orientation and equal
opportunities. The extent to which
these targets have been met was confirmed in 1999 when the institute
gained initial certification under the
„Beruf & Familie” audit, and re-affirm
ed in 2002 following a successful reaudit.
In 2006, the IME was assigned the
Total E-Quality award, which under
lines the institute’s successful efforts
to establish and maintain sustainable
equal opportunities for women and
men in science and administration.
Certificate for excellent examination
In 2006, Katharina Justus very successfully finished 3 years of training as an
industrial clerk at the Fraunhofer IME.
In a ceremony held on September 13,
2006, at the Chamber of Commerce
and Industry in Arnsberg, Westphalia,
she was honoured, together with 182
„best candidates” out of 2087 examinees, for excellent results and was
awarded a certificate for her achievements.
Dr. Juergen Drossard / Molecular Biology
Phone: +49 (0) 2 41/60 85-11 250
[email protected]
Claudia Cramer, Fraunhofer IME commissioner
for equal opportunities for women and men
(2nd from right), was presented with the
award at the Commerzbank in Frankfurt on
October 12, 2006
69
Wissenschaftliche Zusammenarbeit
und Kooperationen
Internationale Aktivitäten des
Fraunhofer IME
Das Fraunhofer IME hat zahlreiche inter
nationale Kooperationen und Projektpartner und führt auf den verschiedenen
Forschungs- und Entwicklungsfeldern
des Instituts einen regen wissenschaftlichen Austausch mit Hochschulen und
anderen Forschungseinrichtungen. Ziel
der Zusammenarbeit ist es, Trends und
Entwicklungen frühzeitig zu erkennen,
ein breiteres Know-how zu erwerben
und neue Forschungsansätze und Tech
nologien zu entwickeln und umzusetzen.
Das so erworbene Wissen kommt den
Auftraggebern des IME direkt zugute.
EU-Projekte
CellPROM: Cell programming by nano
scaled devices. Contract No. NMP4-CT2004-500039
EUFRAM: Probabilistic approaches for
assessing environmental risks of pesti
cides. Contract number QLK5 – CT
2002 01346
NORMAN: Network of reference laboratories and related organisations for
monitoring and bio-monitoring of
emerging environmental pollutants.
Contract No. 018 486
PHARMA-PLANTA: Recombinant pharmaceuticals from plants for humans.
Contract No. LSHB-CT-2003-503465
ProBenBt: Protecting the benefits of
Bt-toxins from insect resistance
development by monitoring and
management. Contract no. QLK3-T2002-01969
Zusammenarbeit mit der Industrie
Im Berichtsjahr bestanden Kooperatio
nen mit mehr als 80 nationalen und in
ternationalen Kunden aus der Industrie
70
sowie mit mehreren internationalen
Industrieverbünden, für die vertrauliche
Projekte durchgeführt wurden. 2006
wurden insbesondere die Geschäftsbe
ziehungen zu Firmen in Japan weiter
ausgebaut. Es konnten darüber hinaus
Kunden in den neuen EU-Beitrittsländern gewonnen werden.
Fraunhofer Forschung in
Zukunftsfeldern
Im Jahr 2006 führte das IME folgende,
von der Fraunhofer-Gesellschaft geför
derte Projekte durch, um Grundlagen
für die Erweiterung des FuE Angebotes
zu schaffen:
BioProChem: „Entwicklung einer Tech
nologieplattform für die integrierte Her
stellung von biobasierten chemischen
Produkten durch biotechnologische Ver
fahren“, marktorientierte Strategische
Vorlaufforschung (MAVO) von acht
Fraunhofer-Instituten
„Entwicklung und Applikation neuer
Photokatalysatoren“, WISA (Wirtschaftsorientierte Strategische Allianz)-Projekt
in Kooperation mit acht Instituten der
Fraunhofer-Allianz für Photokatalyse
IMHOTEP: „Immunotherapie von
obstruktiven Atemwegserkrankungen
durch ein Antikörperkonstrukt“, MAVOProjekt mit zwei Fraunhofer-Instituten
LOCOCHROM: „Low Cost Gaschroma
tographie mittels Sensorarrays für
Lebensmittelschnelltests”, MEF (Mittel
standsorientierte Eigenforschungs
projekte)-Projekt mit zwei FraunhoferInstituten
„Technische Nutzung von Forisomen“,
MAVO-Projekt mit drei FraunhoferInstituten
Smart Plastics: „Entwicklung der Grund
lagen für eine polymere Low-Cost
Elektronik“, marktorientierte Strategische Vorlaufforschung (MAVO) von
neun Fraunhofer-Instituten
Kooperation mit der RWTH Aachen
Durch die Anbindung des Institutsleiters
an die RWTH Aachen mit dem Institut
für Biologie VII (Molekulare Biotechno
logie) besteht eine enge Verflechtung
nicht nur personeller Art, sondern
auch hinsichtlich der Arbeitsfelder und
der Zukunftsentwicklung. Neben Prof.
Fischer als Lehrstuhlinhaber beteiligen
sich mehrere Mitarbeiter des IME an
Vorlesungen, Seminaren und Praktika
an der RWTH. Diplom-, Master- und
Doktorarbeiten werden ebenfalls am
IME durchgeführt.
Im Berichtsjahr erhielt Prof. Stefan Barth
an der Medizinischen Fakultät der
RWTH Aachen einen Lehr- und Forschungsauftrag für „Experimentelle
Medizin und Immuntherapie“.
Eine Kooperation besteht mit gaiac,
dem Forschungsinstitut für Öko
systemanalyse und -bewertung e. V.
Mit diesem Aninstitut der RWTH führt
das IME u. a. im Auftrag der Industrie
Mesokosmosstudien für die Zulassung
von Pflanzenschutzmitteln durch.
Lehr- und Hochschultätigkeit außerhalb der RWTH
Prof. Rainer Fischer hält am Mediter
ranean Agronomic Institute of Chania,
Griechenland sowie am CICY in Merida
(Mexico) Vorlesungen und Kurse zur
Molekularen Biotechnologie, und an
der Universität Münster Veranstaltungen
zur Pflanzenbiotechnologie ab.
Prof. Dr. Dirk Prüfer hat den C3-Lehr
stuhl für pflanzliche Biotechnologie an
der Westfälischen Wilhelms-Universität
Münster inne.
Network in Science and Industry
International activities of the IME
The Fraunhofer IME co-operates with
many international research and project
partners, and remains in close contact
with universities and other research
establishments. The aim of these cooperative activities is to recognize trends
and developments as they emerge, to
broaden the know-how of the staff
and to develop and implement novel
research approaches and technologies.
EU projects
– CellPROM: Cell programming by
nanoscaled devices. Contract No.
NMP4-CT-2004-500039
– EUFRAM: Probabilistic approaches
for assessing environmental risks of
pesticides. Contract number QLK5 –
CT 2002 01346
– NORMAN: Network of reference
laboratories and related organisa
tions for monitoring and bio-monito
ring of emerging environmental
pollutants. Contract No. 018 486
– PHARMA-PLANTA: Recombinant phar
maceuticals from plants for humans.
Contract No. LSHB-CT-2003-503465
– ProBenBt: Protecting the benefits of
Bt-toxins from insect resistance
development by monitoring and
management. Contract no. QLK3-T2002-01969
Participation in Fraunhofer research
projects in future technologies
– BioProChem: Development of a tech
nological platform for the integrated
production of bio-based chemical
products through biotechnological pro
cedures. Market-oriented strategic
research (MAVO) in co-operation with
eight Fraunhofer Institutes
– Development and Application of
New Photocatalysts. In co-operation
with eight institutes of the Fraunhofer
Photocatalysis Network
– IMHOTEP: Immunotherapy of obstruc
tive respiratory diseases using an anti
body construct. MAVO research in cooperation with 2 Fraunhofer Institutes
– LOCOCHROM: Low Cost Gaschro
matography using sensor arrays for
rapid test methods for food. MEF
(Small and Medium Sized Enterprises)oriented project with two Fraunhofer
Institutes
– Smart Plastics: Development of the
basics for polymeric low-cost elec
tronics. MAVO research in co-operation
with nine Fraunhofer Institutes
– Technical use of Forisomes. MAVO
research project in co-operation with
three Fraunhofer Institutes
Cooperation with the University of
Technology (RWTH) Aachen
and areas of research. Professor Rainer
Fischer is chair and director of the
Institute for Molecular Biotechnology,
and further IME scientists are involved
in lectures, courses and seminars of the
university.
In 2006, Professor Stefan Barth obtain
ed a lectureship and research assignment for „Experimental Medicine and
Immunotherapy” at the medical faculty.
Diploma, bachelor and master degrees
as well as PhDs are also conducted
at the IME. In addition, there is a cooperation with the research institute
for ecosystem analysis and assessment
of the RWTH, gaiac. The performance
of mesocosm studies for industrial
clients, as required for the registration
of pesticides, is one example of a joint
project involving Fraunhofer IME and
gaiac.
Additional lecturing assignments
Prof. Rainer Fischer holds lectures and
courses on Biotechnology at the Medi
terranean Agronomic Institute of
Chania, MAICh, Greece, the CIMbios in
Merida (Mexico) and on Plant Biotech
nology at the University of Münster.
Prof. Dirk Prüfer is chair of the Institute
of Plant Biochemistry and Biotech
nology at the University of Münster.
The Institute has close ties with the
RWTH Aachen in terms of personnel
Cooperation with the industry
This year, the institute co-operated
with over 80 national and international
clients in industry and several interna
tional industrial associations, for whom
confidential projects were conducted.
In particular, our business connections
with Japan were intensified further.
Moreover, new clients could be won in
the new EU accession countries.
71
Mitarbeit in Fachorganisationen
und Gremien
Memberships of Editorial Boards
and Committees
Zeitschriften
Scientific Journals
„Bodenschutz“, Erich Schmidt Verlag;
Redaktionsbeirat: Dr. Werner Kördel
„Ecotoxicology and Environmental
Safety“, Academic Press; Editorial
Board: Dr. Monika Herrchen
„Journal of Soils and Sediments“,
Ecomed, Editorial Board:
Dr. Werner Kördel,
„Transgenic Research”, Kluwer
Academic Publishers; Associate Editors:
Prof. Dr. Rainer Fischer,
„Umweltwissenschaften und Schad
stoff-Forschung”, Ecomed; Heraus
gebergremium: Dr. Kerstin Hund-Rinke,
Dr. Werner Kördel
Gremientätigkeit
Committees
BMBF (Sicherheitsforschung und
Monitoring); Mitglied des Wissenschaft
lichen Beirates: Prof. Dr. Dirk Prüfer
BUA (Beratergremium für Altstoffe);
Mitglied: Dr. Werner Kördel
DECHEMA, Interdisziplinäre Arbeits
gruppe „Umweltbiotechnologie –
Boden“; Mitglied: Dr. Kerstin HundRinke
DFG, Steering Group Systembiologie;
Mitglied: Prof. Dr. Rainer Fischer
72
DFG, Arbeitsgruppe „Fortschritte in
der Analytik von Pflanzenschutz
mitteln“; Mitglied: Dr. Josef Müller
DIN, Normenausschuss Wasserwesen
(NAW), Arbeitsausschuss I 1 „Boden
schutz, Altlastensanierung und Ent
sorgung“, UA 2 „Entsorgung“;
Mitglied: Karlheinz Weinfurtner
(NAW), Arbeitsausschuss I 2 „Bodenund Abfalluntersuchung“,
UA 1 „Probenahme“;
Mitglied: Karlheinz Weinfurtner
UA 2 „Chemische Verfahren“;
Mitglied: Dr. Heinz Rüdel
UA 4 „Biologische Verfahren“;
Mitglied: Dr. Kerstin Hund-Rinke
FOCUS (Forum for international coor
dination of pesticide fate models and
their use);
Arbeitsgruppe „Version Control of
Scenarios“; Mitglied: Dr. Michael Klein
Arbeitsgruppe „Ground water”;
Mitglied: Dr. Michael Klein
GDCh, Fachgruppe „Umweltchemie
und Ökotoxikologie“; Vorstandsmit
glied: Dr. Werner Kördel
GDCh, Fachgruppe „Umweltchemie
und Ökotoxikologie“,
Arbeitskreis „Bodenchemie und
Bodenökologie“; Mitglieder:
Dr. Michael Klein, Dr. Werner Kördel,
Prof. Dr. Andreas Schäffer
Arbeitskreis „Umweltmonitoring“;
kommissarischer Leiter: Dr. Heinz Rüdel
(NAW) VI 1 „Boden – Bodenbeschaf
fenheit“; Mitglied: Dr. Werner Kördel
Handbuch der Bodenuntersuchung;
Mitglied des Beirats: Dr. Werner Kördel
EU, High Level Expert Group,
7th Framework Programme;
IUPAC, Subcommittee on Chemistry of
Environmental Compartments;
Mitglied: Dr. Werner Kördel
EU, Expert Evaluator, 6th Framework
Programme, Gutachterin: Dr. Monika
Herrchen
KGITTC, Korean-German Industrial
Technology Cooperation Committee;
European Food Safety Authority,
Scientific Panel on Plant Protection
Products and Their Residues (PPR
Panel); Mitglied: Prof. Dr. Andreas
Schäffer
Kommission Bodenschutz des Umweltbundesamtes; Mitglied: Dr. Kerstin
Hund-Rinke
FBU, Fachbeirat für Bodenunter
suchungen, Mitglied: Dr. Werner
Kördel
Fachbereit Verbraucherschutz;
Mitglied: Dr. Michael Klein
Fachbeirat Bodenwissenschaften der
Fachhochschule Osnabrück, FB Agrar
wissenschaften; Mitglied: Dr. Kerstin
Hund-Rinke
Kommission zur Bewertung wasser
gefährdender Stoffe (KBwS) des BMU;
Mitglied: Dr. Christoph Schäfers
OECD Drafting Group for Fish Tests
(FDG); Mitglied: Dr. Christoph Schäfers
OECD Advisory Group „Freshwater
Lentic Field Tests; Mitglied: Dr. Christoph Schäfers
Sachverständigenausschuss für die
Zulassung von Pflanzenschutzmitteln,
BVL; Mitglieder: Prof. Dr. Andreas
Schäffer, Dr. Chistoph Schäfers
SETAC German Language Branch;
Stellv. Präsident: Dr. Udo Hommen
UBA, Arbeitskreis „Fortentwicklung
von Prüfmethoden im Rahmen des
Stoffrechts: AK Ökotoxikologie,
Akkumulation und Abbau in der
Umwelt“; Mitglied: Dr. Christoph
Schäfers
VAAM (Vereinigung für Allgemeine
und Angewandte Mikrobiologie),
Arbeitskreis „Umweltmikrobiologie“;
Wissenschaftlicher Beirat des Life
Science-Center der Universität
Hohenheim;
Wissenschaftlicher Beirat für
Düngungsfragen des BMELV;
Ausrichtung von Veranstaltungen
Organization of Scientific Meetings
EPSO Workshop – Molecular farming:
The path towards commercialization.
Fraunhofer IME, Aachen, Germany,
31. 1. – 1. 2. 2006, organized by IME in
co-operation with the European Plant
Science Organisation
vIBHT Workshop – Neurobiology,
Fraunhofer IME, Aachen, Germany,
28. 8. 2006, organized by IME
Workshop: Life Sciences Today:
Biomedicals from Accelerated Drug
Development to System Biotechnology
of Biomarkers and Expression Hosts,
Seoul, Korea, within BMBF Campaign:
„Deutschland und Korea: Partner in
Forschung und Entwicklung”,
Seoul, Korea, 3. 11. 2006, organized
by IME
Präsentation auf Messen und
Ausstellungen
Presentations at Fairs and
Exhibitions
BIO 2006, Annual International Convention, Chicago, 9. – 12. 4. 2006
ACHEMA 2006, Frankfurt am Main,
15. – 19. 5. 2006
Auftaktveranstaltung zur BMBFInitiative „Deutschland und Korea:
Partner in Forschung und Entwick
lung”, Seoul, Korea, 1. 11. 2006
73
Veröffentlichungen
Publications
Amlinger, F., Dreher, P., Geszti, J., Peyr,
S., Nortcliff, S., Weinfurtner, K.:
Evaluierung der nachhaltig positiven
Wirkung von Kompost auf die
Fruchtbarkeit und Produktivität
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Barel-Cohen, K., Shore, L. S., Shemesh,
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Monitoring of natural and synthetic
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Volume 78, Issue 1 (2006) 16 – 23
Barié, N., Bücking, M., Rapp, M.:
A novel electronic nose based on
miniaturized SAW sensor arrays
coupled with SPME enhanced headspace-analysis and its use for rapid
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Vol.114 (1) 2006: 482 – 488
Bücking, M., Jürling, H.,
Suchenwirth, R., Huppmann, R.:
Analysis of perfluorinated
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Cirja, M., Zuehlke, S., Ivashechkin, P.,
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Fate of a 14C-labeled nonylphenol
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The degradation of nonylphenol
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75
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In 2006 erteilte Patente
Patents issued in 2006
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Pesticidal fusions.
Chinese Patent No. ZL00809697.X
(12. 4. 2006)
Betz, Katja:
Strukturbiologie der humanen
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Sack, M., Monecke, M., Liao, Y.C.,
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Molecular pathogenicide mediated
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Müller, K.:
Mikrotiterplatten mit Begasung.
German Patent No. DE 100 36 159 B4
Foucu, Florence:
Taraxacum officinale as an expression system for recombinant
proteins: Molecular cloning and
functional analysis of genes
encoding the major latex proteins.
RWTH Aachen
Gargiulo, Grazia:
Bacteria transport under
unsaturated conditions.
RWTH Aachen
Ivashechkin, Pavel:
Elimination organischer Spuren
stoffe aus kommunalem Abwasser.
RWTH Aachen
Kleebank, Sebastian:
Nutzung eines 16-fach parallelen
Bioreaktorsystems zur Entwicklung
von Prozessen für die Herstellung
von rekombinanten Proteinen in
Mikroorganismen.
RWTH Aachen
Schumacher, Petra:
Establishment of a systematised
approach for the development of
novel diagnostics and therapeutics
in the field of biotechnology.
RWTH Aachen
76
von der Decken, Victoria:
Studies on the molecular structure
of Uteroglobin suggesting a
functional ligand.
RWTH Aachen
Zakri, Adel:
Towards an Antibody-mediated
Resistance against Geminiviruses.
RWTH Aachen
Diplom-, Bachelor- und MasterArbeiten
Diploma, Bachelor and Master
Theses
Balzer, Simone:
Subcellular localization and analysis
of a recombinant HIV antibody in
different plant species and tissues.
RWTH Aachen
Boes, Alexander:
Etablierung innovativer Techniken
zur Herstellung klonaler Pflanzenzelllinien.
RWTH Aachen
Bruch, Hannah:
Generierung von monoklonalen
Antikörpern gegen die G-Protein
gekoppelten Rezeptoren RAI3 und
GPR30.
RWTH Aachen
Buyel, Johannes Felix:
Interaktion von rekombinanten
2F5-Antikörpern mit rekombinanten und synthetischen Liganden.
RWTH Aachen
Dieterich, Burkart:
Entwicklung und Erprobung eines
ökotoxikologischen Tests mit
Makrophyten in 270 L-Aquarien.
FH Bingen
Frechen, Christiane:
Proteinbasierte Diagnostik von
Hepatitis C – Entwicklung monoklonaler Antikörper zur Detektion von
Hepatitis C-Virus-Strukturproteinen.
RWTH Aachen
Göhrig, Andreas:
Expression, Reinigung und
funktionelle Charakterisierung
eines Streptavidin-PseudomonasExotoxin-Fusionsproteins.
RWTH Aachen
Helmhart, Martin:
Untersuchung der Mobilität von
Schadstoffen in Referenzböden
mit Hilfe von Batch- und Säulen
versuchen.
FU Berlin
Jacq, Karine:
Method development for the
analysis of boar taint by dynamic
headspace and GC/MS.
École Nationale Supérieure de Chimie
de Lille, France
Jung, Meike:
Präsentation von antigenen
Bereichen des Hepatitis C Virus
E2-Proteins auf Virus-ähnlichen
Partikeln der Hefe.
RWTH Aachen
Kolvenbach, Boris:
The Metabolism of Nonylphenol by
Sphingomonas sp. Strain TTNP3.
RWTH Aachen
Kutschinski-Klöss, Sandra:
Einsatz verschiedener Wildpflanzen
zur Phytoremediation von Schwermetallen aus Böden.
RWTH Aachen
Mertens, Marianne:
Produktion, Reinigung und
Charakterisierung des
Pollenallergens Phl p 1.
RWTH Aachen
Pardo, Alessa:
Herstellung und Aufreinigung
humaner Granzym-B-basierter
Immuntoxine.
RWTH Aachen
Ranft, Katharina:
Entwicklung und Charakterisierung
rekombinanter bispezifischer
Therapeutika.
RWTH Aachen
77
Schürholz, Britta:
DNA-Extraktion aus Futtermitteln
und Entwicklung einer PCRAnalytik zum Nachweis der zur
Herstellung verwendeten Tierarten.
Universität Osnabrück
Zoheir, Raoui:
Untersuchungen zur Molekular
biologie des Nonylphenolmetabolismus bei Sphingomonas sp.
Stamm TTNP3.
RWTH Aachen
Vorträge und Poster
Presentations and Posters
Barth S.:
Targeting activated macrophages.
Presentation, Fabisch-Symposium
„Targeted Tumor Therapies“, Berlin,
30. 4. 2006
Barth S.:
Cell surface-targeted delivery of
siRNA: Immuno-RNA-constructs.
Presentation, Qiagen, Hilden,
25. 7. 2006;
Presentation, CMB, Newark, USA,
7. 8. 2006
Barth S.:
Recombinant immunotoxins:
preclinical data.
Presentation, CMB, Newark, USA,
4. 8. 2006
Barth S.:
Biotechnologie und rechtliche
Zusammenhänge.
Presentation, Wirtschaftsclub der
RWTH, Aachen, 8. 11. 2006
Barth S.:
Molekulare Biotechnologie im
vIBHT: Plan und Wirklichkeit.
Presentation, vIBHT-Workshop,
Monschau, 18. 11. 2006
Barth S.:
Biomolekulare Systeme –
Kompetenzfeld medizinische
Molekularbiologie.
Presentation, Adlantis Pressekonferenz,
Dortmund, 14. 12. 2006
Barth S.:
Recombinant immunotoxins for the
treatment of malignant diseases.
Presentation, Euregional Pact,
Maastricht, The Netherlands,
19. 12. 2006
78
Belanger, S.E., Sanderson H., Fisk, P.A.,
Schäfers, C., Mudge, S.M., Willing, A.,
Kasai, Y., Dyer, S.D., Toy, R.:
Assessment of the Environmental
Risk of Long Chain Aliphatic
Alcohols.
Presentation, SETAC North America
27th Annual Meeting, Montreal,
Canada, 5. – 9. 11. 2006
Corvini, P.F.X., Schäffer, A.,
Schlosser, D.:
Microbial degradation of
nonylphenol – our evolving view.
Presentation, International Workshop
on Environmental Health and Pollution
Control, Nanjing, China,
22. – 25. 10. 2006
Dieterich, B., Schäfers, C.:
Makrophytentests in der
angewandten Forschung: Design,
Spezies, Endpunkte.
Presentation, 11. Jahrestagung der
SETAC GLB, Landau, 3. – 5. 9. 2006
Ebel, M., Evangelou, M.W.H.,
Schaeffer, A.:
Cyanide phytoremediation with
water hyacinths (Eichhornia
crassipes).
Poster, 4th International Conference
„Interfaces Against Pollution”,
Granada, Spain, 4. – 7. 6. 2006
Ebke, K.-P., Farrelly, E., Hommen, U.,
Mendel-Kreusel, R., NeugebaurBüchler, K., Schäfers, C.:
Determining recovery of phytoplankton communities from
pesticide impacts in outdoor mesocosms using functional assessments,
population density and taxonomic
identification.
Platform presentation, 16th SETAC
Europe Annual Meeting, The Hague,
The Netherlands, 7. – 11. 5. 2006
Evangelou, M.W.H., Ebel, M.,
Schaeffer, A.:
Chelate-assisted phytoextraction of
Cu and Pb with the aid of organic
acids: Toxicity, enhanced uptake
and biodegradation.
Presentation, 4th International Conference „Interfaces Against Pollution”,
Granada, Spain, 4. – 7. 6. 2006
Evangelou, M., Ebel, M., Schaeffer, A.:
Wool: A Novel Chelating Agent
for Heavy Metal Chelate-assisted
Phytoextraction from Soil.
Poster, 2nd International Conference
on Environmental Science and Technology, Houston, USA, 19. – 22. 8. 2006
Evangelou, M., Ebel, M., Körner, A.,
Schaeffer, A.:
Einsatz von Wolle als Biochelator
zur Phytoextraktion von Schwer
metallen aus belastetem Erdreich.
Presentation, 23. Textilsymposium,
Aachen, 15. 9. 2006
Fischer, R.:
Challenges and opportunities in
Molecular Farming.
Presentation, EPSO Workshop
Molecular Farming: The path towards
commercialization, Aachen,
31. 1. – 1. 2. 2006
Fischer, R.:
Plant suspension cells; a new
production platform.
Presentation, EPSO Workshop
Molecular Farming: The path towards
commercialization, Aachen,
31. 1. – 1. 2. 2006
Fischer, R.:
Opportunities and challenges for
production of recombinant pharmaceuticals in plant expression systems.
Presentation, Expert Meeting on
Harnessing Biotechnology and Genetic
Engineering for Agricultural Development in the Near East and North Africa
(NENA), Cairo, Egypt, 12. – 14. 2. 2006
Fischer, R.:
Using Plants and Plant Cells for the
Manufacturing of Protein-based
Biopharmaceuticals.
Presentation, NVPW Symposium,
Wageningen, The Netherlands,
17. 3. 2006;
Presentation, Science Conference:
Innovations in Bioscience for Animal
and Human Health, Brussels, Belgium,
7. 6. 2006
Fischer, R.:
Current trends in manufacturing
and downstream processing of
biopharmaceuticals with a focus on
molecular farming.
Presentation, FINMED 2006, Saariselka,
Finland, 27. – 31. 3. 2006;
Presentation, 5th Annual Biological
Production Forum, Edinburgh, EICC,
Scotland, 24. – 25. 4. 2006
Fischer, R.:
How Science Turns into Products:
What global markets demand from
science when you want to be successful – experiences and solutions
from Fraunhofer Institutes.
Presentation, FINMED 2006, Saariselka,
Finland, 27. – 31. 3. 2006;
Presentation, BMBF Campaign: Korea
and Germany: Partners in Research
and Development, Seoul, Korea,
30. 10. – 3. 11. 2006
Fischer, R.:
LifeSciences-based innovation
driven solutions from Fraunhofer
Institutes to meet today’s market
needs and demands.
Presentation, EU Meeting, Brussels,
Belgium, 7. 4. 2006
Fischer, R.:
Innovation-driven solutions from
Fraunhofer Institutes to meet
today’s market needs and demands
in a timely fashion.
Presentation, Bioclub Aachen, Aachen,
2. 5. 2006
Fischer, R.:
Chancen und Risiken der Grünen
Gentechnik.
Presentation, Studium Generale,
Universität Marburg, 10. 5. 2006
Fischer, R.:
Integrated Platform for Industrial
Biotechnology, Biorenewables,
Processes and Products.
Presentation, Ministry of Science and
Education, Kuala Lumpur, Malaysia,
24. – 27. 5. 2006
Fischer, R.:
Opportunities and Challenges for
the Production of Recombinant
Pharmaceuticals in Plants.
Presentation, EPSO Conference,
Visgrád, Hungary, 28. 5. 2006;
Presentation, Universität Münster,
4. 7. 2006;
Presentation, 11th International
Congress of Plant Tissue Culture &
Biotechnology, Peking, China,
13. – 18. 8. 2006
Fischer, R.:
A Perspective on Bioprocess Cost
for Plant-derived Proteins.
Presentation, Texas A&M University,
USA, 22. 6. 2006
Fischer, R.:
Target Identification, Antibody
Development, and Integrated
Production Technologies.
Presentation, 1st Molecular Farming
Conference Asia, Kuala Lumpur,
Malaysia, 15. – 23. 7. 2006
Fischer, R.:
Global Issues for the Manufacturing
of Protein-based Biopharma
ceuticals in Plant Based Systems.
Presentation, 1st Molecular Farming
Conference Asia, Kuala Lumpur,
Malaysia, 15. – 23. 7. 2006
79
Fischer, R.:
Production of recombinant vaccines
in plant suspension cells.
Presentation, Indianapolis, USA,
25. – 28. 7. 2006
Fischer, R.:
Imaging based drug discovery.
Presentation, Osaka, Japan,
1. – 5. 8. 2006
Fischer, R.:
Opportunities and Challenges for
the Production of Recombinant
Pharmaceuticals in Heterologous
Systems.
Presentation, Wuhan University, China,
18. 8. 2006
Fischer, R.:
Qualitative and quantitative comparison of protein expression
systems for the manufacturing of
biopharmaceuticals.
Presentation, 6th European Symposium
on Biochemical Engineering Science
(ESBES), Salzburg, Austria,
27. – 29. 8. 2006;
BioPharm Upscale Conference, Geneva,
Switzerland, 27. – 29. 8. 2006
Fischer, R.:
Protein production in animal and
plant systems.
Presentation, 4th Recombinant Protein
Production Meeting, Barcelona, Spain,
21. – 23. 9. 2006
Fischer, R.:
High-throughput technologies to
accelerate discovery cycles and
shorten time to market for innovative biopharmaceuticals.
30. 10. – 3. 11. 2006
80
Fischer, R.:
Current R & D status for biopharma
ceuticals – how to accelerate
discovery cycles and shorten time
to market: Experiences and
solutions from Fraunhofer.
Presentation, The 3rd Korea-Germany
Industrial Technology Committee
Activity, Seoul, Korea, 31. 10. 2006
Hennecke, D., Hörner, J.,
Mooshake, R., Kördel, W.:
Säulenversuche zur Bestimmung
des Leachingverhaltens von Stoffen
in Böden.
Presentation, GDCh-Jahrestagung der
Fachgruppe Umweltchemie und Ökotoxikologie, Halle (Saale),
4. – 6. 10. 2006
Fischer, R.:
Current trends and developments
in biopharmaceutical research and
industrial biotechnology.
30. 10. – 3. 11. 2006
Hommen, U.:
Ecological Models in Pesticide Risk
Assessment – from Populations to
Ecosystems.
Presentation, Workshop Ecological
Modelling: Coupling Exposure Models
with Population Models, Bayer Crop
Science, Monheim, 23. 1. 2006
Fischer, R.:
Post-translational modification in
plant cell cultures for production of
recombinant antibodies.
Presentation, 5th International Post
Translational Modifications, Basle,
Switzerland, 7. – 8. 11. 2006
Hommen, U.:
Ökologische Modelle in der Risiko
analyse von Chemikalien.
Poster, SETAC GLB Tagung Landau,
3. – 5. 9. 2006
Fischer, R.:
Perspectives in Plant Molecular
Biotechnology.
Presentation, Early Discovery
Symposium, Monheim, 7. 12. 2006
Fischer, R.:
Plant derived biopharmaceuticals
and vaccines.
Presentation, Veterinary Vaccines,
Workshop on Scientific Advances and
Regulatory Developments, Hamburg,
4. – 6. 12. 2006
Hennecke, D., Singh, N., Hörner, J.,
Hund-Rinke, K., Kördel, W.:
Source strength of explosives on
munitions contaminated sites and
risk assessment.
Platform presentation, 2nd International
Conference on Environmental Science
and Technology, Houston, Texas, USA,
19. – 22. 8. 2006
Hommen, U.:
Probabilistic risk assessment –
Modelling exposure and effects.
Presentation, AQUABASE Workshop,
Aachen, 28. – 29. 10. 2006
Hommen, U., Schriever, C.:
Anwendung des SPEAR-Konzepts
auf die Daten des Monitorings im
Alten Land.
Presentation, Industrieverband Agrar,
Frankfurt, 7. 4. 2006
Hörner, J., Kördel, W., Hennecke, D.,
Hund-Rinke, K.:
Übergreifende Versuche mit
Modellsubstanzen, Untersuchung
der in Böden und Grundwasser
ablaufenden Prozesse bei unterschiedlichen Milieubedingungen.
Poster, BMBF-Statusseminar des
Verbundvorhabens KORA TV5Rüstungsaltlasten, Marburg,
25. – 26. 10. 2006
Klein, M.:
STEPS 1234 – A new model for the
estimation of PEC-surface water.
Presentation, Conference on Pesticide
Behaviour in Soils, Water and Air,
Warwick University (UK),
27. – 29. 3. 2006
Presentation and Poster, 11th IUPAC
International Congress of Pesticide
Chemistry, Kobe, Japan,
6. – 11. 8. 2006
Hörner, J., Kördel, W., Bauer, A.,
Hennecke, D., Geuecke, E.:
Modifizierte Säulenversuche zur
Beurteilung natürlicher Schadstoffminderungsprozesse in belasteten
Böden.
Poster, GDCh-Jahrestagung der
Fachgruppe Umweltchemie und
Ökotoxikologie, Halle (Saale),
4. – 6. 10. 2006
Kördel, W.:
Selection Criteria for Reference
Matrices for Testing Fate and
Effects of Chemicals in Soils.
Poster, GDCh-Jahrestagung der Fachgruppe Umweltchemie und Ökotoxikologie, Halle (Saale), 4. – 6. 10. 2006
Poster, 11th International Congress of
Pesticide Chemistry, Kobe, Japan,
6. – 11.8.2006
Hund-Rinke, K.:
Envrionmental impact of photo
catalytic active nanoparticles and
coatings.
Presentation, Nano for the Environment, Innovative Symposium for
Science and Use, Stuttgart,
11. 10. 2006
Kördel, W., Herrchen, M.:
Bewertungsansätze für organische
Kontaminanten in Sekundärrohstoffdüngern.
Fachgruppe Umweltchemie und Ökotoxikologie, Halle (Saale), 4. – 6.10. 2006
Hund-Rinke, K.:
Leistungsfähigkeit ökotoxikolo
gischer Testsysteme bei der
Sanierungsbeurteilung –
Möglichkeiten und Grenzen.
Presentation, KORA – Statusseminar
des Verbundes 5 „Rüstungsaltlasten“,
Marburg, 25. – 26. 10. 2006
Hund-Rinke, K., Simon, M.:
Ecotoxicity of photoactive
nanoparticles (TiO2).
Presentation, SETAC Europe 16th
Annual Meeting, Den Haag,
7. – 11. 5. 2006
Kördel, W., Herrchen M.:
Organische Schadstoffe: Verhalten
im Boden und Wirkung auf Bodenorganismen nach Eintrag über Klärschlämme und andere Düngemittel.
Presentation, BMU, Perspektiven der
Klärschlammverwertung, Bonn,
6. – 7. 12. 2006
Kördel, W., Bauer, A., Hennecke, D.,
Hörner, J., Mooshake, R.:
Untersuchungen zur Transformation
und Mobilität von sprengstofftypischen Verbindungen – Vergleichende
Untersuchungen einer aufeinander
aufbauenden Strategie zur Ermittlung der Quellstärke.
Presentation, BMBF-Statusseminar
des Verbundvorhabens KORA TV5Rüstungsaltlasten, Marburg,
25. – 26. 10. 2006
Kördel, W., Hund-Rinke, K., Rüdel, H.,
Weinfurtner, K.:
Optimierung der Probenvorbehand
lung für die Umweltprobenbank –
Weichenstellung für zukünftige
Untersuchungsmöglichkeiten.
Presentation, „Neue Stoffe in alten
Proben“, Jahrestagung der Umweltprobenbank des Bundes, Umwelt
bundesamt, Dessau, 21. – 22. 3. 2006
Kördel, W., Hörner, J., Hennecke, D.,
Hund-Rinke, K., Singh, N., Bauer, A.,
Bergendahl, E.:
Bedeutung von NA-Prozessen in
der gesättigten Zone für den
Standort Clausthal.
Presentation, BMBF Verbundvorhaben
KORA TV 5, Thema „Werk Tanne“,
Goslar, 19. 12. 2006
Kouloumpos, V.N., Schäffer, A.,
Corvini, P.F.X.:
Fate of nonylphenol in sewage
sludge amended soils and its
dependence on sludge dewatering
processes.
Poster, AQUAbase Workshop on Risk
Assessment of Organic Micro Pollutants in the Aquatic Environment,
Aachen, 28. – 29. 11. 2006
81
Liu, Q., Ji, R., Schäffer, A.,
Corvini, P.F.X.:
Influence of nitrate amendment on
the fate of nonylphenol under
anoxic conditions in submerged
paddy soils.
22. – 25. 10. 2006
Peschen, D.:
Generierung von transgenen
Phytophthora infestans-resistenten
Kartoffelpflanzen durch die innovative Antikörper-FusionsproteinTechnik.
Presentation, Jahrestagung der
Gemeinschaft zur Förderung der
privaten deutschen Pflanzenzüchtung
e. V., Bonn, 8. 11. 2006
Müller, J.:
Prüfung von Löschmitteln.
Presentation, Referat 09, VFDB
(Vereinigung zur Förderung des
Deutschen Brandschutzes e.V.),
Bayer Chemiepark, Leverkusen,
13. 6. 2006
Petersen, A., Schillberg, S., Helgers, H.,
Gavrovic-Jankulovic, M., Lindner, B.,
Becker, W.M.:
Expression of the major timothy
grass pollen allergen Phl p 1 in
tobacco plants and structural
analysis.
Poster, XXV EAACI Congress 2006,
Vienna, 10. – 14. 6. 2006
Müller, J.:
Determination of organotin
compounds.
Poster, Quasimeme Workshop
„Organotin in Marine Materials“, NERI
Roskilde, Dänemark, 15. – 16. 3. 2006
Orecchia, M., Nölke, G., Saldarelli, P.,
Uhde, K., Dell‘Orco, M., Martelli, G.,
Fischer, R., Schillberg, S.:
Generation of an scFv antibody
with high specificity to viruses of
the Closteroviridae family.
Poster, ICVG XV Stellenbosch, South
Africa, 3. – 7. 4. 2006
Peschen, D.:
Fungal resistant transgenic crop
plants by antibody fusion proteins.
Poster, The 7th Framework Programme,
Finding Partners in Food, Agriculture
and Biotechnology, Wien, 17. 5. 2006
Raven, N.:
Molecular Farming: Production of
recombinant proteins in plants.
Presentation, Conference on Industrial
Enzyme and Biotechnology (CIEB)
2006: Enzyme Based Research and
Their Application in Food and Health
Perspectives, Jakarta, 19. – 21. 9. 2006
Ross-Nickoll, M., Keppler, J., LecheltKunze, C., Heimbach, F., Nikolakis, A.,
Ratte, H.T., Schäffer, A., Theißen, B.,
Toschki, A., Scholz-Starke, B.:
Outdoor Terrestrial Model Ecosystems: Study design and evaluation
approaches.
Poster, 16th SETAC Europe Annual
Meeting, The Hague, The Netherlands,
7. – 11. 5. 2006
Rüdel, H., Böhmer, W.,
Schröter-Kermani, C.:
Polycyclische Moschusverbindungen
– Einträge aus Kläranlagen und
retrospektives Monitoring in
Fischen.
82
Rüdel, H., Böhmer, W., Dorusch, F.,
Methyltriclosan – ein neuer persistenter Schadstoff ? Bioakkumula
tion in Fischen aus der Umwelt
probenbank und erste Ergebnisse
ökotoxikologischer Untersuchungen.
Rüdel, H., Böhmer, W., Bester, K.,
Polycyclische Moschusverbindungen
– Einträge aus Kläranlagen und
retrospektives Monitoring in
Fischen.
4. – 6. 10. 2006
Rüdel, H., Böhmer, W., Ricking, M.,
Schulze, T., Dorusch, F., Körner, A.,
Methyltriclosan – ein neuer
persistenter Schadstoff ?
4. – 6. 10. 2006
Schäfers, C.:
10 Jahre Umwelthormone. Ein
geregelter Skandal ?
Teilnehmer Podiumsdiskussion (Chair:
Dr. A. Gies), 11. Jahrestagung der
Schäfers, C.:
Aquatische Wirkungstests.
Presentation, FORUM-Konferenz
„Umweltbewertung von Human
pharmaka. Welche Anforderungen
stellt die neue EMEA-Richtlinie ?“,
Düsseldorf, 18. – 19. 10. 2006
Schäfers, C., Klein, M., Kördel, W.,
Klein, W.:
How to refine and evaluate a TER –
Aquatic Risk Assessment for
Pesticides in Europe.
Luncheon Seminar, IUPAC ICPC, Kobe,
Japan, 6. – 9. 8. 2006
Schäfers, C., Teigeler, M., Wenzel, A.,
Maack, G., Fenske, M., Segner, H.:
Irreversible impairment of
reproductive capabilities of zebra
fish by an elevated concentration
of ethynylestradiol (10 ng / L).
Workshop Analytical Chemistry and
Ecotoxicology, Genf, 15. 2. 2006
Schäffer, A.:
Phytoremediation belasteter Böden
und Gewässer.
Presentation, TU Braunschweig,
9. 1. 2006
Schäffer, A., Berns, A., Breitschwerdt,
A., Corvini, P.F.X., Ertunc, T., Ji, R.,
Schmidt, B.:
Non-extractable residues of
pesticides in soil and plants:
neglected metabolites.
22. – 25. 10. 2006
Schiermeyer, A.:
Cloning and knock down of secreted tobacco proteases.
Presentation, Pharma-Planta, 2nd
Annual Meeting 2006, Aachen,
20. 4. 2006
Schiermeyer, A., Hartenstein, H.,
Schillberg, S.:
Analyse sekretierter Proteasen der
Tabak BY-2 Zelllinie.
Poster, 19. Tagung Molekularbiologie
der Pflanzen, Dabringhausen,
7. – 10. 3. 2006
Schillberg, S.:
Protein targeting and stabilization.
Presentation, EPSO Workshop, Molecular farming: The path towards commercialization, Aachen,
31. 1. – 1. 2. 2006
Schillberg, S.:
High troughput technologies for
the discovery and optimization of
technical enzymes and biopharmaceuticals.
Presentation, 1st Aachen – Osaka Joint
Symposium, RWTH Aachen,
11. 5. 2006
Schillberg, S.:
Antibodies in plant biotechnology –
tools and high valuable proteins.
Presentation, Seminar at LIPI, Jakarta,
8. 9. 2006
Schillberg, S.:
Antibodies – magic tools in plant
biotechnology.
Presentation, Seminar at the Temasek
Life Sciences Laboratory, Singapore,
12. 9. 2006
Schillberg, S.:
Pharma-Planta – Recombinant
pharmaceuticals from plants for
human health.
Presentation, Expert Meeting: Pharming, Europäische Akademie, Berlin,
14. – 15. 9. 2006
Schillberg, S.:
Plant-based production of vaccines
and antibodies.
Presentation, New Cells for New
Vaccines: Focus on Plant and Insect
Cell Technologies, Coral Gables,
Florida, USA, 28. – 29. 9. 2006
Schillberg, S.:
Molecular Farming: Production of
pharmaceutical proteins in plants.
Presentation, Transcend Technologietransfer-Workshop, Lüttich, Belgium,
8. 11. 2006
Schillberg, S.:
Biopharming: lab to market.
BioMalaysia 2006, Kuala Lumpur,
Malaysia, 6. – 8. 12. 2006
Schinkel, H., Jacobs, P., Schillberg, S.,
Wehner, W.:
Single cell optoporation for uptake
of extracellular substances.
Poster, 2. Jahrestagung des Arbeits
kreises Mikrosystemtechnik für die
Biotechnologie, Bremen,
21. – 23. 6. 2006;
Poster, Workshop on Advanced Multiphoton and Fluorescence Lifetime
Imaging Techniques, St. Ingbert,
19. – 21. 6. 2006
Scholz, S., Hassanien, S., Möder, M.,
Bartels, P., Teigeler, M., Schäfers, C.,
Schirmer, K.:
Analysis and identification of subacute endpoints for biologic effects
of pharmaceutical and personal
care product contaminations in
fish.
Platform presentation, 15th SETAC
Europe Annual Meeting, Den Haag,
The Netherlands, 7. – 11. 5. 2006
Scholz, S., Hassanien, S., Stetefeld, N.,
Möder, M., Bartels, P., Teigeler, M.,
Schäfers, C., Schirmer, K.:
Nachweis subakuter Wirkungen
von Pharmazeutika und Körper
pflegemitteln durch Analyse der
Genexpression.
4. – 6. 10. 2006
Seidel, B.:
Biomarkeruntersuchungen an
Organismen der Umweltprobenbank.
83
Seidel, B.:
A New Approach for Animal
Species Differentiation in Food
and Feed.
Presentation, Analytica Conference,
Analytica, München, 25. – 28. 4. 2006
Singh, N., Hennecke, D., Hörner, J.,
Kördel, W.:
Transformationskinetik und Metabolismus von TNT in kontaminierten
Böden im Laborversuch.
Poster, BMBF-Statusseminar des Verbundvorhabens KORA TV5-Rüstungsaltlasten, Marburg, 25. – 26. 10. 2006
Teigeler, M., Boshof, U., Schäfers, C.,
Schaeffer, A.:
Predictivity of biomarkers in short
time exposure tests with main focus
on androgen-receptor antagonists
in zebrafish (Danio rerio).
Poster, 15th SETAC Europe Annual
Meeting, Den Haag, The Netherlands,
7. – 11. 5. 2006
Teigeler, M., Boshof, U., Schäfers, C.,
Schäffer, A.:
Vorhersagefähigkeit von Bio
markern in Kurzzeittests im
Rahmen eines gestuften Testsystems unter der Berücksichtigung
von Androgen-Rezeptor Anta
gonisten beim Zebrabärbling
(Danio rerio).
Presentation, 11. Jahrestagung der
Weinfurtner, K.:
Abhängigkeit der P-Verfügbarkeit
von Klärschlammzusammensetzung
und Bodeneigenschaften.
Poster, GDCh-Jahrestagung der Fachgruppe Umweltchemie und Öko
toxikologie, Halle (Saale),
4. – 6. 10. 2006
84
Weinfurtner, K., Bussian, B.,
Kördel, W.:
Auswahl und Bereitstellung von
Referenzböden für Bodenunter
suchungen.
4. – 6. 10. 2006
Wenzel, A., Müller, J., Ternes, T.:
Endocrine disruptors and pharmaceuticals in surface and drinking
waters.
Presentation, Workshop: Endocrine disruptors, pharmaceuticals and personal
care products in drinking water,
Fondazione AMGA, Genova, Italy,
20. 6. 2006
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Koordination und Gestaltung/ Coordination and Layout
Brigitte Peine, Dr. Udo Hommen
Herausgeber / Published by
Molekularbiologie und
Angewandte Oekologie IME
Alle Rechte vorbehalten.
Nachdruck nur mit Genehmigung des
Fraunhofer IME.
Druck / Production
Fraunhofer IRB, Stuttgart
Bildquellen/ Photo acknowledgements
p. 1 links (left): Dr. Christoph Meyer,
Erndtebrück
p. 19 links (left): Birgit Kutzera/
panthermedia; rechts (right):
Thomas Neubauer / panthermedia;
Mitte (mid): Büro für Grafik, Design
und Werbung, Eckernförde
p. 20 links (left): Marco Kalbe/
panthermedia
p. 25: MEV-Verlag
p. 36 von oben nach unten (from top
to bottom): MEV-Verlag, Fh-IBMT,
MEV-Verlag, Fh-ITEM
p. 38 oben links (top left):
Marc Steinmetz unten; (bottom):
MEV-Verlag
p. 39: Bernd Müller
p. 54 oben links (top left): NordseeTourismus-Service GmbH
(www.nordseetourismus.de)
Weiteres Bildmaterial/ further photographs
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RWTH Aachen
Fraunhofer Institute for Molecular
Biology and Applied Ecology IME
All rights reserved.
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from Fraunhofer IME.
Titelfoto
Links: Fraunhofer IME, Gewächshäuser
Standort Aachen
Rechts oben: Beprobung von Tabakpflanzen im Gewächshaus
Rechts unten: Makrophytentest-Anlage
Photo Coverpage
Left: Fraunhofer IME, green houses in
Aachen
Top right: Sampling of tobacco plants
in the greenhouse
Bottom right: Facility for macrophyte
testing

IME Jahresbericht 2007 - Fraunhofer IME - Fraunhofer

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