nanodiag BW

Mit Nanoporen epigenetische Einflussfaktoren für Krankheiten aufspüren

Nanoporen sind Kanäle mit molekularen Dimensionen. In Biosensoren eingesetzt, können mit ihrer Hilfe einzelne Moleküle charakterisiert und unterschieden werden. Der Zukunftscluster-Finalist nanodiagBW nutzt diese Technologie, um Proteine zu analysieren, die im Zusammenhang mit Krankheiten wie Diabetes, Alzheimer oder Krebs stehen.

Ersatz
Nanoporen im Einsatz für die molekulare Diagnostik der Zukunft helfen, epigenetische Faktoren bei Krankheiten wie Diabetes, Krebs oder Herz-Kreislauferkrankungen aufzuklären und ermöglichen eine verbesserte Prognostik; ©Hahn-Schickard

Warum „Zukunftscluster-Finalist“?

In der 2. Wettbewerbsrunde wurden im Februar 2021 aus 117 eingereichten Skizzen 15 Zukunftscluster-Finalisten ausgewählt, die in einer sechsmonatigen Konzeptionsphase ihre Clusterstrategie entwickeln sollen. Mitte 2022 wird eine unabhängige Jury schließlich jene Zukunftscluster auswählen, die ihre Strategien in der ersten dreijährigen Umsetzungsphase verwirklichen können.

 

Hintergrundinformationen zu nanodiag BW

Mit den folgenden Texten stellt sich der Zukunftscluster-Finalist persönlich vor.

Der Zukunftscluster-Finalist nanodiagBW führt multidisziplinäre Forschungsergebnisse zusammen, die an der Schwelle zur Umsetzung stehen, und entwickelt sie zu einer generischen Plattform, die eine schlagkräftige Diagnose ermöglicht. Indem die Nanoporentechnologie in innovative Produkte und Dienstleistungen überführt wird, leistet sie einen wichtigen Beitrag dazu, verbreitete, epigenetisch geprägte Erkrankungen wie Krebs, Diabetes, Herz-Kreislauf-, psychische, neurodegenerative und Infektionserkrankungen früher zu erkennen und gezielter behandeln zu können. Dies fördert die Gesundheit der Bürgerinnen und Bürger und steigert ihre Lebensqualität.

Die Hebelwirkung des regionalen Zusammenschlusses von grundlagen- und anwendungsorientierter Forschung stärkt zudem die nationale Zukunftskompetenz in der Gesundheitsvorsorge: Mit mehr als 50 exzellenten Akteuren schafft der Zukunftscluster-Finalist ein verzweigtes Wertschöpfungsnetzwerk von den wissenschaftlichen Grundlagen bis zu den Endanwendungen, fördert die Gründung von international wettbewerbsfähigen Start-ups mit hohem Wachstumspotenzial und schafft attraktive Arbeitsplätze in Hightech-Branchen.

Bahnbrechende Innovation ermöglicht der nanodiagBW durch die Verschränkung anwendungsorientierter Forschungsrichtungen wie Epigenetik oder Mikrobiologie mit Grundlagenforschung in Physik, Biochemie und Physiologie sowie den gänzlich neuen Möglichkeiten der Bioinformatik, molekulardynamischer Simulationen, Künstlicher Intelligenz (KI) und des Maschinellen Lernens. Die Mikro- und Nanofluidik sowie die Mikroelektronik helfen dabei, integrierte Systeme für Anwendende aufzubauen.

Der Zukunftscluster-Finalist will den medizinischen Fortschritt durch neue, personalisierte Diagnostiksysteme mit hohem Verwertungspotenzial entscheidend fördern und in Deutschland verankern. Die Synergien des offenen Innovationsnetzwerkes begünstigen die Etablierung internationaler Leitanbieter für innovative Nanoporentechnologien. Das verschafft dem Innovationsstandort Deutschland globale Wettbewerbsvorteile in der Gesundheitswirtschaft der Zukunft.

Erkenntnisse aus Epigenetik, Interaktomik, Mikrosystemtechnik, Mikroelektronik, Bioinformatik und Nanoporentechnologie sollen in nanodiagBW klinisch nutzbar gemacht und zur Anwendung gebracht werden. Jüngste Ergebnisse der Spitzenforschung in diesen Bereichen bieten ein enormes Lösungspotenzial für die medizinische Diagnostik: So wies beispielsweise Asifa Akhtar vom Max-Planck-Institut für Epigenetik in Freiburg in bahnbrechenden Untersuchungen nach, dass posttranslationale Modifikationen von DNA-bindenden Histon-Proteinen für das Gleichgewicht der Genexpression entscheidend sind.

Die von Jan C. Behrends und seiner Gruppe entwickelte mikrochip-basierte Methode zur Automatisierung und Parallelisierung von Nanoporenmessungen ist international anerkannt und wird in einer ersten Ausgründung, der Ionera Technologies GmbH, bereits wirtschaftlich erfolgreich umgesetzt. Ferner identifizierte Behrends das porenbildende Protein Aerolysin als besonders für die Einzelmolekülanalyse geeignet und zeigte damit erstmals die Unterscheidung massengleicher Peptide.

Die biohybride Integration einer Nanopore in einen Halbleiterchip mit integrierter Software zur hochsensitiven und zeitlich hochauflösenden Signalverarbeitung wird gegenwärtig von Hahn-Schickard-Forschenden in Zusammenarbeit mit Behrends erarbeitet. Diese Aktivitäten bilden ebenfalls eine zentrale Basis für die angestrebten technologischen Innovationen des Zukunftscluster-Finalisten nanodiagBW, die es ermöglichen wird mit Hilfe der Nanoporentechnologie posttranslationale Modifikationen an Histonproteinen zu erkennen und die epigenetische Regulation der Genaktivität vorherzusagen.

Zum Auftakt haben die am Cluster beteiligten Akteure ein gemeinsames Zukunftsbild für die Clusterregion entwickelt. Unter anderem wird ein Konzept erarbeitet, das den wissenschaftlichen Nachwuchs, die Ausbildung von Fachkräften und Start-ups fördert. Auch Szenarien zur Verbreitung der Technologie unter den Clusterakteuren werden skizziert, wie z.B. durch die gemeinsame Nutzung hochspezialisierter Pilotanlagen für die Nanofertigung sowie die Verbreitung der relevanten Forschungsinfrastruktur. Modelle für die Kooperation, die Organisation und das Clustermanagement werden ebenso aufgestellt. Auf inhaltlicher Ebene werden Projektskizzen und eine Roadmap erarbeitet, die ab 2023 umgesetzt werden könnten.

Geplant werden weitere Aktivitäten, die den Zukunftscluster-Finalisten über die Clusters4Future-Initiative hinaus nachhaltig weiterentwickeln. Hierzu werden Modelle zur Verstetigung eines für die Clusterakteure attraktiven Angebots entworfen.

Die geförderten Partner Hahn-Schickard, die Albert-Ludwigs-Universität Freiburg und die Universität Stuttgart arbeiten mit weiteren Akteuren aus Forschung, Unternehmen, Kliniken sowie Stakeholdern aus dem Gesundheitswesen und Patientenvertretungen zusammen.

Auf einen Blick
  • Projektlaufzeit: 01.10.2021 – 31.03.2022
  • Zuwendung: 237.000 Euro
  • Zuwendungsempfänger: Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V., Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Universität Stuttgart
  • Weitere Partner, die die Arbeiten der Konzeptionsphase unterstützen: 

    Anwendungsentwicklung und Systemintegration (Auswahl, alphabetisch):

    Actome GmbH (start-up)

    Endress+Hauser BioSense GmbH (start-up)

    EurofinsGenomics GmbH

    Fraunhofer IGB - Institut für Grenzflächen und Bioverfahrenstechnik

    KIT, Biotechnologie und Mikrobielle Genetik

    Nanion Technologies GmbH (KMU)

    Polysecure GmbH (KMU)

    Robert Bosch Gesellschaft für medizinische Forschung mbH

    Robert-Bosch-Krankenhaus

    Universitätsklinikum Freiburg

    Bioinformatik / Molekulardynamische Simulation / Maschinelles Lernen (Auswahl, alphabetisch):

    Endress+Hauser Process Solutions GmbH (start-up)

    Max-Planck-Institut für Immunbiologie und Epigenetik

    Mikroelektronik / Eingebettete Systeme (Auswahl, alphabetisch):

    Ionera Technologies GmbH (KMU)

    Robert Bosch Corporate Research GmbH

    RoodMicrotec GmbH (KMU)

    Nanoporen Grundlagen (Auswahl, alphabetisch):

    FRIAS – Freiburg Institute for Advanced Studies

    ILM - Institut für Lasertechnologien in der Medizin an der Universität Ulm

    NMI - Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut Reutlingen

    Netzwerke & Verbände, Cross-Clustering, Entrepreneurship (Auswahl, alphabetisch):

    Baden Campus

    BIOPRO Baden-Württemberg GmbH

    FWTM - Freiburg Wirtschaft Touristik und Messe GmbH & Co. KG

    microTEC Südwest e.V.

    Steinbeis S2i GmbH

    Zukunftscluster QSens

Im Einklang mit der Hightech-Strategie 2025 der Bundesregierung adressiert der Zukunftsclusterfinalist nanodiagBW globale Herausforderungen der Gesundheitsvorsorge durch neue diagnostische Ansätze, präzisere Früherkennung und Prognostik. nanodiagBW bietet seinen Akteuren Raum zur Entfaltung einer offenen Innovations- und Wagniskultur, um regionale und nationale Zukunftskompetenzen auf dem Gebiet der Nanoporentechnologie und deren Anwendungen für den Menschen auszubauen.

Im Cluster werden exzellente, multidisziplinäre regionale Akteure aus Wissenschaft, Industrie und Gesellschaft zusammengeführt, um eine nachhaltige Technologieführerschaft auf dem Gebiet der Nanoporentechnologie zu erzielen. Die Entwicklung innovativer Nanoporen-Technologieplattformen und Anwendungen für die Gesundheit und Bioanalytik sowie die Optimierung einer gemeinsam nutzbaren Forschungsinfrastruktur fördern den Nachwuchs an hochkarätigen, interdisziplinär ausgebildeten Fachkräften sowie die Schaffung von hochwertigen neuen Hightech-Arbeitsplätzen.