Kleine Organismen, großes Potenzial: nachhaltige Lösungen durch Biotechnologie

Im Interview spricht die wissenschaftliche Mitarbeiterin an der von Prof. Andreas Kremling geleiteten Professur für Systembiotechnologie über ihren Weg in die Wissenschaft, aktuelle Forschungsprojekte und die Chancen moderner Mikrobiologie. Außerdem gibt sie Einblicke in ihre Rolle als stellvertretende Beauftragte für die Gleichstellung von Frauen in der Wissenschaft der TUM School of Engineering and Design und erläutert, warum Chancengleichheit eine wichtige Voraussetzung für exzellente Wissenschaft ist.

ED: Was hat Sie dazu motiviert, in das Forschungsfeld Systembiotechnologie einzusteigen?

Dr. Katharina Pflüger-Grau: Ich bin über Umwege zur Systembiotechnologie gekommen. Ursprünglich habe ich Biologie studiert – klassisch und breit gefächert, mit Zoologie, Botanik und allem, was dazugehört. Besonders spannend fand ich dann die Mikrobiologie und Mikroorganismen. 

Ein wichtiger Schritt hin zu meinen heutigen Forschungsinteressen war meine Postdoc Zeit in Madrid. Dort habe ich begonnen, mit Pseudomonas putida zu arbeiten, einem Bodenbakterium, das bis heute eine zentrale Rolle in meiner Forschung spielt und interessant für biotechnologische Anwendungen und die synthetische Biologie ist.

Zurück in Deutschland ergab sich die Möglichkeit, gemeinsam mit Prof. Andreas Kremling an der TUM eine neue Forschungsgruppe aufzubauen. Während die Professur einen starken Fokus auf Systembiologie und Modellierung hat, liegt mein Schwerpunkt auf den experimentellen Arbeiten im Labor. Über die Jahre ist daraus eine enge Zusammenarbeit entstanden, die unsere wissenschaftliche Arbeit bis heute prägt.

An welchen Projekten arbeiten Sie aktuell?

Derzeit arbeite ich mit meinem Team an mehreren Projekten. Ein zentraler Schwerpunkt ist die Frage, welcher metabolischen Belastung Mikroorganismen während der heterologen Proteinproduktion ausgesetzt sind. In der biotechnologischen Produktion werden Zellen so verändert, dass sie neben ihrem eigenen Wachstum auch industriell interessante Stoffe herstellen. Das bedeutet allerdings zusätzlichen Aufwand für die Zelle. Uns interessiert, welche Ressourcen dabei zum Engpass werden und weshalb die Produktion manchmal nachlässt oder Zellen sogar absterben. Dazu untersuchen wir die Vorgänge in den Zellen sehr detailliert, kombinieren experimentelle Arbeiten mit mathematischen Modellen, die die Vorgänge in der Zelle abbilden, und versuchen vorherzusagen, wann solche Belastungsgrenzen erreicht werden. Als Beispiel dient uns unter anderem die Herstellung von Lycopin, einem natürlichen roten Farbstoff mit antioxidativen Eigenschaften, der beispielsweise in Tomaten, Wassermelonen oder Papaya vorkommt.

Ein zweiter großer Forschungsbereich beschäftigt sich mit sogenannten Co-Kulturen, also Systemen, in denen verschiedene Mikroorganismen zusammenarbeiten. Besonders spannend ist ein Projekt, bei dem ein photosynthetisches Cyanobakterium mithilfe von Licht und CO₂ Zucker produziert. Diesen Zucker nutzt anschließend ein speziell angepasstes Bakterium, um daraus biologisch abbaubare Kunststoffe herzustellen. Unser Ziel ist es, dieses System weiterzuentwickeln und künftig auch andere nachhaltige Produkte auf biologischem Weg zu erzeugen. Dabei arbeiten wir eng mit wissenschaftlichen Partnern und Industrieunternehmen zusammen.

Ein weiteres, noch recht junges Projekt untersucht, wie sich Produktionsaufgaben auf mehrere Mikroorganismen der gleichen Art verteilen lassen. Statt einen einzelnen Organismus mit der gesamten Herstellungsarbeit zu belasten, teilen wir den Prozess auf verschiedene Bakterienstämme auf. Ähnlich wie bei einer Arbeitsteilung in einem Team übernimmt jedes Mitglied einen Teil der Aufgabe. Wir möchten herausfinden, ob sich dadurch die Effizienz steigern und die Produktionssysteme langfristig stabiler gestalten lassen.

Übergreifend verfolgen alle diese Projekte ein gemeinsames Ziel: biotechnologische Produktionsverfahren nachhaltiger, ressourcenschonender und leistungsfähiger zu machen. Dabei stehen insbesondere Anwendungen im Bereich umweltfreundlicher Materialien und einer klimafreundlichen industriellen Produktion im Mittelpunkt.

Welche Erkenntnisse aus Ihrer Forschung haben Sie zuletzt besonders begeistert?

Die schönsten Momente in der Forschung sind immer die, in denen etwas funktioniert, das zunächst nur eine Idee war. Besonders gefreut habe ich mich, als wir zeigen konnten, dass zwei unterschiedliche Mikroorganismen tatsächlich zusammenwachsen und gemeinsam ein Produkt herstellen können. Das war einer dieser Momente, in denen das Konzept in der Realität funktioniert. Solche Ergebnisse sind oft das Resultat vieler kleiner Schritte, und auch Rückschläge müssen überwunden werden. Umso schöner ist es, wenn die Idee am Ende aufgeht.

Welche Rolle spielt die Zusammenarbeit verschiedener Disziplinen in Ihrer Forschung?

Die Fragen, mit denen wir uns beschäftigen, lassen sich heute selten aus einer einzigen Perspektive beantworten. In unserer Arbeitsgruppe arbeiten Menschen mit sehr unterschiedlichen Schwerpunkten zusammen – von experimenteller Biologie bis zu mathematischer Modellierung. Gerade diese unterschiedlichen Blickwinkel machen die Systembiotechnologie so spannend. Die Zusammenarbeit mit dem Kollegium aus verschiedenen Disziplinen hilft uns dabei, biologische Prozesse besser zu verstehen und neue Lösungsansätze zu entwickeln.

Neben Ihrer Forschung engagieren Sie sich als stellvertretende Beauftragte für die Gleichstellung von Frauen in der Wissenschaft der TUM School of Engineering and Design. Weshalb ist Ihnen dieses Engagement wichtig? Und welche Themen beschäftigen Sie in dieser Rolle besonders?

Chancengleichheit halte ich für ein sehr wichtiges Thema, auch im akademischen Umfeld. In der Biologie, wo ich meine wissenschaftliche Laufbahn startete, waren Frauen sehr präsent. Als ich stärker im ingenieurwissenschaftlichen Bereich unterwegs war, ist mir aufgefallen, dass das dort oft anders aussieht. Als die Möglichkeit bestand, dem ED-Team der Beauftragten für die Gleichstellung von Frauen in der Wissenschaft beizutreten, habe ich die Chance genutzt, etwas zu einer geschlechtergerechteren Wissenschaftskultur beizutragen. 

Besonders spannend finde ich dabei die Begleitung von Berufungsverfahren. Das Augenmerk der Berufungskommission liegt von Anfang an darauf, den Auswahlprozess fair und transparent zu gestalten. Und eine weitere gute Sache: Ich lerne viele Menschen aus ganz unterschiedlichen Bereichen der Universität kennen und bekomme Einblicke in Themen, mit denen ich sonst kaum in Berührung komme.

Welche Maßnahmen halten Sie für besonders wirksam, um mehr Frauen für wissenschaftliche Karrieren zu gewinnen und langfristig im Wissenschaftssystem zu halten?

Eine gute Maßnahme ist, Mädchen viel früher für MINT-Fächer zu begeistern, am besten bereits in der Schule. Noch immer gibt es die Vorstellung, dass Fächer wie Mathematik, Physik oder Technik eher etwas für Jungen seien. Dabei entstehen solche Bilder oft lange, bevor es überhaupt um die Studien- oder Berufswahl geht. Das merke ich bei meiner eigenen Tochter: Sind Mädchen gut in Mathematik, reagieren viele überrascht. Bei Jungen wird das als „normal“ wahrgenommen. Erwartungshaltungen entstehen und prägen schon im Kindesalter viele Entscheidungen ganz unbewusst. Deshalb ist es wichtig, jungen Menschen früh zu zeigen, welche Möglichkeiten naturwissenschaftliche und technische Fächer bieten.

Gleichzeitig braucht es unterstützende Unternehmen, Partner:innen und gesellschaftliche Rahmenbedingungen, die unterschiedliche Lebensentwürfe ermöglichen. Themen wie Kinderbetreuung, Flexibilität und die Vereinbarkeit von Familie und Beruf spielen dabei eine wichtige Rolle – nicht nur in der Wissenschaft.

Wenn Sie einen Wunsch für die Zukunft der Wissenschaft frei hätten – welcher wäre das?

Ich würde mir einen einfacheren Zugang zu Forschungsförderung wünschen. Gerade wenn man mit neuen Themen starten möchte, braucht es oft bereits Vorarbeiten, um eine Förderung zu erhalten. Gleichzeitig lassen sich diese Vorarbeiten häufig nur umsetzen, wenn die entsprechende Finanzierung bereits vorhanden ist.

Mehr Möglichkeiten, neue Ideen früh auszuprobieren, würden vielen Forschenden helfen. Oft ist anfangs nicht klar, wohin ein Projekt führen wird – genau darin liegt aber häufig das Potenzial für neue Entwicklungen.

Forschungsschwerpunkte

• Systembiologischer Ansatz: Verknüpfung von mathematischen Modellen und experimentellen Arbeiten
• Genetic und metabolic engineering zum Einbringen neuer funktioneller Eigenschaften in Pseudomonas putida
• Untersuchung der metabolischen Belastung während der heterologen Proteinproduktion in Pseudomonas putida
• Synthetische Co-Kultur zur Produktion von PHA aus CO2 und Licht
   

Publikation

Beentjes, M.; Ortega-Arbulú, A-S.; Meiners,C.; Kremling,A.; Pflüger-Grau,K.; (2026). Going beyond size: exploring the metabolic burden in Pseudomonas putida during heterologous protein production, Synthetic Biology. DOI: https://doi.org/10.1093/synbio/ysag004

Studienangebot
Master-Studiengang Industrielle Biotechnologie