Drei Nachwuchswissenschaftlerinnen vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) waren mit ihren Projekten bei der Carl-Zeiss-Stiftung erfolgreich. Innerhalb des Förderprogramms CZS Nexus erhalten sie nun jeweils rund 1,5 Millionen Euro für eine Dauer von bis zu fünf Jahren. Dr. Nadja Alina Henke erforscht, wie sich Bioprozesse präzise vom Labormaßstab in den industriellen Maßstab skalieren lassen, Dr. Gözde Kabay entwickelt Biosensoren für die schnelle Diagnose bei Nierenschädigungen und Dr. Jingyuan Xu untersucht die Entwicklung einer CO₂-neutralen und stromfreien Kälteerzeugung.
„Ich freue mich sehr, dass mit Nadja Alina Henke, Gözde Kabay und Jingyuan Xu gleich drei Nachwuchsforscherinnen des KIT mit ihren interdisziplinären und ambitionierten Vorhaben erfolgreich Fördergelder bei der Carl-Zeiss-Stiftung eingeworben haben“, sagt Professor Oliver Kraft, Vizepräsident Forschung des KIT. „Ihre spannenden Forschungsprojekte in der Biotechnologie, Medizindiagnostik und Energietechnik bieten großes Potenzial und sind zukunftsweisend.“
Biotechnologische Prozesse aus dem Labor in Industriemaßstäbe übertragen
Nachhaltige und innovative biotechnologische Prozesse wie die Herstellung von Proteinen oder Farbstoffen liefern zentrale Ansätze für die Lösung großer gesellschaftlicher Herausforderungen, beispielsweise den Klimawandel, die Energiekrise oder die steigenden Versorgungsansprüche. Ziel der Nachwuchsgruppenleiterin Dr. Nadja Alina Henke vom Institut für Bio- und Lebensmitteltechnik des KIT ist es, mit dem Projekt BIOSCALE Bioprozesse präzise aus dem Labor- in den industriellen Maßstab zu überführen. Bislang erfolgte diese Übertragung vorwiegend mit Konzepten aus der chemisch-technischen Industrie. „Bioprozesse folgen jedoch der komplexen Physiologie der Zellen, die durch Genregulation und biochemische Interaktionen gekennzeichnet ist“, sagt Henke. „In meinem Konzept möchte ich durch die systematische Erfassung von Transkriptom-Daten Bioprozesse besser verstehen und skalieren.“ BIOSCALE vereint Bioverfahrenstechnik, Molekulare Biotechnologie und Data Science. Damit sollen sich Bioprozesse zielgerichteter und systematischer skalieren lassen, um Entwicklungszeiten zu verkürzen sowie Erfolgsquoten und Prozessqualitäten zu erhöhen. Das BIOSCALE-Konzept soll universell übertragbar sein und sich auf weitere biotechnologische Prozesse transferieren lassen.
Biosensoren für Schnelldiagnose bei akuten Nierenschädigungen
Akutes Nierenversagen (AKI) ist eines der häufigsten und komplexesten klinischen Syndrome mit hoher Morbidität und Mortalität. Bislang sind formale Diagnoseparameter hinsichtlich ihrer Spezifität und Empfindlichkeit unzureichend. Die spezialisierten Tests und Geräte, die für die Untersuchung der Proben von Patientinnen und Patienten verwendet werden, sind mühsam und kostenintensiv. Dr. Gözde Kabay, Nachwuchsgruppenleiterin am Institut für Funktionelle Grenzflächen des KIT, entwickelt in ihrem Projekt IDEArt (steht für Interdigitated electrode biosensor decorated with artificially imprinted polymer receptors for rapid diagnosis of Acute Kidney Injury) tragbare, kostengünstige Biosensoren. Diese ermöglichen es, in Kliniken und personalisierten Umgebungen sensitiv mehrere AKI-Biomarker gleichzeitig im Frühstadium zu erkennen. Sie sollen die AKI-Prognose und die Ergebnisse für die Patientinnen und Patienten verbessern. „Mein Design kombiniert künstliche Rezeptorsynthese, simultanes Screening von AKI-spezifischen Biomarkern im Frühstadium und empfindliche Detektion von Messdaten, benutzungsfreundliche Datenvisualisierung und Wi-Fi gestützte Datenübertragung“, sagt Kabay. „Es ist kosteneffizient, genau und zugänglich. Es wird die Diagnose von AKI im Frühstadium in ländlichen und städtischen Gebieten verbessern und die Entwicklung weiterer Biosensortypen zur Erkennung zahlreicher Krankheiten erleichtern.“
CO₂-neutrale und stromfreie Kälteerzeugung für eine nachhaltige Zukunft
Die Kältetechnik trägt etwa 17 Prozent zum globalen Stromverbrauch bei. Derzeit dominieren Gaskompressionsanlagen den Markt, die klimaschädliche gasförmige Kühlmittel mit hohem Erderwärmungspotenzial nutzen. Nachwuchsgruppenleiterin Dr. Jingyuan Xu vom Institut für Mikrostrukturtechnik des KIT beschäftigt sich in ihrem Projekt ELASTO COOL mit elastokalorischen Kühlgeräten, die durch Wärme angetrieben werden und eine vielversprechende stromfreie Alternative darstellen. Diese Kühlverfahren beruhen auf thermischen Änderungen in Formgedächtnislegierungen unter mechanischer Last, zeigen dabei keine klimaschädliche Wirkung des Festkörperkühlmittels und weisen eine hohe Ressourcen- und Energieeffizienz auf. „Ich möchte einen Demonstrator entwickeln, der erstmals emissionsfrei ohne Stromverbrauch arbeitet, extrem ermüdungsarme Formgedächtnisschichten mit effizientem Wärmeübergang nutzt und eine konkurrenzfähige Temperaturspanne für die Kältetechnik erzielt“, sagt Xu. Das Projekt verfolgt einen interdisziplinären Ansatz und vereint Materialwissenschaften, Thermodynamik, Mikrotechnik und Ingenieurwissenschaften. Der Fokus liegt auf dem Kühlen im Miniaturbereich, etwa von elektronischen Chips oder der Temperaturkontrolle bioanalytischer Chips. Gleichzeitig möchte die Wissenschaftlerin damit eine Grundlage für zukünftige klimaneutrale Kühlgeräte im Makrobereich legen.
Förderprogramm CZS Nexus der Carl-Zeiss-Stiftung
Die Carl-Zeiss-Stiftung fördert Forschung und Lehre in den MINT-Disziplinen Mathematik, Informatik, Naturwissenschaft und Technik. Das Förderprogramm CZS Nexus unterstützt herausragende junge Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die spannende Ideen an den Schnittstellen zwischen verschiedenen MINT-Fachdisziplinen umsetzen möchten. Damit erhalten sie die Möglichkeit, eine eigene interdisziplinäre Forschungsgruppe aufzubauen und werden so auf ihrem Weg in eine wissenschaftliche Karriere unterstützt. Die Fördersumme beträgt bis zu 1,5 Millionen Euro pro Nachwuchsgruppe über einen Zeitraum von fünf bis sechs Jahren.
Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 10 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 22 800 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen. Das KIT ist eine der deutschen Exzellenzuniversitäten.