Das nächste große Ding – die Erfindung, die auf einen Schlag viele Probleme löst? Die Freie Universität hat vielversprechende Kandidaten dafür: Neun Anwendungsideen aus der Forschung erhalten Geld in Millionenhöhe aus dem „Programm zur Förderung der Validierung von Forschungsergebnissen (ProValid)“ des Landes Berlin. Darunter: eine neue Methode, die Goldpartikel schnell und einfach aus Elektroschrott extrahiert, ein Verfahren, das Saatgut frostfest macht und ein allwissender Assistent für die Notfallmedizin.

Suvrat Chowdhary-Fouquet ist Innovationsmanager bei SHIFT, dem Referat Wissens- und Technologietransfer in der Abteilung Forschung und Transfer der Freien Universität. Er begleitet die neun Projekte, die teils von Teams, teils von Einzelpersonen durchgeführt werden. Ihre Ideen haben Potenzial, doch es fehlen noch entscheidende Schritte zur Umsetzung: weitere Experimente, ein Prototyp, Kunden, Patente beispielsweise. Mit einem Budget von bis zu 100.000 Euro können die Forschenden nun zwölf Monate lang daran arbeiten, nach sechs Monaten ist ein Zwischenbericht fällig.

Zum Auftakt hat Suvrat Chowdhary-Fouquet ein Vernetzungstreffen in der Startup Villa der Freien Universität organisiert. „Die Forschenden stehen vor ähnlichen Herausforderungen und sollen sich untereinander austauschen“, sagt er. Ein Team nach dem anderen stellt sein Projekt vor, sie kommen aus der Biologie, Chemie, Physik und Informatik.

Der Biologe Ahmad Alhariri aus der Arbeitsgruppe von Daniel Schubert untersucht, wie sich Kulturpflanzen besser an die Folgen des Klimawandels anpassen lassen. Denn diesrer bringt unberechenbare Spätfröste mit sich. Zuckerrüben-Bauern stehen dadurch vor einer schwierigen Entscheidung: Säen sie früh, können Kälte- und Frostereignisse die empfindlichen Keimlinge schädigen. Säen sie später, fallen die Rüben und damit die Ernte kleiner aus. Abhilfe schafft – im Experiment bereits nachgewiesen – das „Cold Seed Priming“: Dabei kühlt man das Saatgut vor der Aussaat kontrolliert herunter. So entwickeln die Samen ein molekulares Kältestressgedächtnis und „lernen“, auf Fröste besser zu reagieren. Nun wird Ahmad Alhariri untersuchen, wie lange der Effekt bei behandelten Samen anhält und wie das Ergebnis unter echten Bedingungen auf dem Feld ausfällt.

Mittel gegen Schädlinge an künstlichen Blattoberflächen testen

Aus der Biologie kommt auch die nächste Innovation: Evan Kear in der Arbeitsgruppe von Mitja Remus-Emsermann forscht zu Mikroorganismen auf Blattoberflächen. Er berichtet von nützlichen Bakterien, die den Ertrag von Pflanzen steigern, und schädlichen, die Ernteausfälle verursachen. Schädlinge kann man mit Pestiziden bekämpfen oder man kann – umweltschonend – nützliche Bakterien auftragen, die die Angreifer verdrängen. 

Das Zusammenleben von Mikroorganismen auf einer Blattoberfläche ist allerdings eine komplizierte Angelegenheit, auch weil sich das Oberflächenrelief der Blätter verschiedener Pflanzen stark unterscheidet. Feldversuche sind aufwendig und stark abhängig von Wetter und anderen Umwelteinflüssen. „Also bilden wir die natürlichen Oberflächenreliefs von Blättern künstlich nach – sehr präzise, mit hochauflösenden 3D-Scans und 3D-Nanometerdruck“, erklärt Evan Kear. Auf diesen standardisierten, „biomimetischen“ Blätter aus Polymerplastik will der Biologe das Verhalten von Bakterien in Labortests untersuchen und deren Effekte gegen Schädlinge mit denen chemischer Mittel vergleichen.

Der Chemiker Alexander Krappe aus der Arbeitsgruppe von Siegfried Eigler  hat Fluoreszenzfarbstoffe auf Basis von Kohlenwasserstoffen entwickelt. In Medizin und Biologie werden Fluoreszenzmarker eingesetzt, um Zellen oder Proteine, zum Beispiel Antikörper, sichtbar zu machen. So lassen sie sich unter dem Mikroskop besser erkennen und analysieren. Doch bei zu viel Licht bleichen viele der üblichen Farben schnell aus. Farbstoffe auf Basis von Kohlenwasserstoffen sind stabiler und deshalb für längere Analysen besser geeignet. Nach weiteren Labortests will Alexander Krappe seinen Ansatz potenziellen Industriepartnern vorstellen.

In der Entwicklung moderner Medikamente spielen bestimmte Zuckerstrukturen – sogenannte Glykane – eine wichtige Rolle. Sie beeinflussen, wie gut und sicher Medikamente wie Antikörper im Körper wirken. Bisher werden diese Glykane meist mit Flüssigchromatographie untersucht – einem aufwendigen Verfahren, das viel Zeit, spezielle Geräte und geschultes Personal erfordert. Da solche Analysen für die gesetzlich vorgeschriebene Qualitätskontrolle unverzichtbar sind, machen sie die Entwicklung und Herstellung vieler Medikamente teurer und langsamer.

Ein Team unter Projektleitung des Chemikers Gael Vos aus der Arbeitsgruppe von Kevin Pagel stellt ein Verfahren vor, das die Messzeit von bis zu 60 Minuten auf eine Minute pro Probe verkürzt. Es identifiziert die Strukturen der Glykane mithilfe des Kollisionsquerschnitts (Collision Cross Section, CCS), einem stabilen, molekülspezifischen Parameter. So können für Qualitätskontrolle oder in der Biomarkerforschung Tausende Proben pro Tag bearbeitet werden.

Materialeigenschaften mit laser-basierter Präzisionsoptik bestimmen

In der Pharmaindustrie fehlen auch schnelle Methoden, um Biomoleküle und Nanocarrier direkt in Lösung präzise zu wiegen, erklärt Chemiker und Nachwuchsgruppenleiter Gergő Péter Szekeres. Die bisher üblichen Verfahren haben alle Nachteile. Aktuell gebe es zudem keine Standardmethode, um in Echtzeit festzustellen, ob ein Nanocarrier, etwa für mRNA-Impfstoffe, leer oder beladen ist, da herkömmliche größenbasierte Sensoren bei identischen Durchmessern der Partikel keinen Unterschied erkennen.

Seine Lösung: eine optische Nanowaage. Die Technologie verwendet Laserstrahlen, um bestimmte chemische Verbindungen gezielt „anzustoßen“. Dadurch entsteht ein messbares Signal. Je größer bzw. schwerer ein Molekül ist, desto stärker fällt dieses Signal aus. Dabei erfasst es nicht nur die Größe bzw. Masse eines Moleküls, sondern auch Eigenschaften seiner Struktur, etwa die Symmetrie. So lassen sich Biologika und Gentherapien schon während der Herstellung besonders genau überwachen und auf Qualität überprüfen.

Seltene Erden mit neuen Materialien aus Industrieabfällen filtern

Auch der Chemiker Janos Wasternack aus der Arbeitsgruppe von Siegfried Eigler sorgt für mehr Tempo: Eine gewöhnliche Windkraftanlage enthält bis zu zwei Tonnen Seltene Erden. Bislang wird davon nur etwa ein Prozent recycelt. Die Metalle aus Elektroschrott zurückzugewinnen, ist technisch schwierig, weil sich ihre chemischen Eigenschaften sehr ähneln. Bisher isolieren aufwendige Verfahren in hunderten Stufen die wertvollen Elemente, verbrauchen viel Material und Energie und erzeugen große Abfallmengen.

Das geht auch anders: Hochselektive Rezeptoren werden auf Polymerharzen fixiert und trennen Seltene Erden in einem einstufigen Verfahren heraus, das der Chromatographie ähnelt. Die dafür nötigen spezifischen Rezeptoren sind erst mit einem jüngst an der Freien Universität Berlin entwickelten Verfahren in größerer Menge herstellbar. Mit der ProValid-Förderung will das Team die bereits patentierte Methode für größere Mengen weiterentwickeln und für die Anwendung zum Recycling optimieren.

Auch der Chemiker Obida Bawadkj aus Rainer Haags Arbeitsgruppe gewinnt Wertstoffe aus Abfällen zurück – vor allem Gold und andere Edelmetalle. Herkömmliche Verfahren verschlingen viel Energie oder setzen hochgiftige Stoffe frei. Ein Nanohybridmaterial (METX) arbeitet anders: Es entsteht in nur fünf Stunden in einem lösungsmittelfreien, mechano-chemischen Verfahren, holt Gold, Palladium und Platin aus Laugungslösungen und verwandelt sie in hochwertige, polymerstabilisierte Nanopartikel. Bis jetzt könne er mit der Methode bis zu zehn Gramm extrahieren, sagt Obida Bawadkj. Nur will er sie zu einem industriell nutzbaren Prozess ausbauen.

Thermogravimetrische chemische Analysatoren auf einem Chip

Im nächsten Projekt geht es um einen neuartigen Sensor zur empfindlichen chemischen Analyse kleinster Materialmengen direkt auf einem Chip. Die im Projekt entwickelte Technologie erlaubt es, zu verfolgen, wie sich die Masse einer Probe verändert. Daraus lassen sich Rückschlüsse auf Zusammensetzung, Reinheit, Feuchtigkeitsgehalt, Stabilität und Zersetzung eines Stoffes ziehen. Bisherige Verfahren nutzen dafür große Quarzkristalle. Die Geräte sind oft sperrig und teuer. Feine Unterschiede messen sie dennoch nicht ganz zuverlässig.

Vor allem in der Sicherheitstechnik, beim Zoll oder im Umweltmonitoring fehlen kompakte Geräte, die Stoffe direkt vor Ort zuverlässig und in Echtzeit analysieren können. Der Physiker Yuefeng Yu aus der Arbeitsgruppe von Kirill Bolotin will deshalb einen neuartigen On-Chip-Sensor testen. Diese Systeme nutzen atomardünne 2D-Materialien wie Graphen als Sensorelemente. Sie sind so empfindlich, dass sie sogar einzelne Moleküle nachweisen können. Eine Graphen-Membran dient dabei zugleich als hocheffizienter Heizer, als Thermometer und Massenwaage. Sie erlaubt schnelles Aufheizen und Messungen im Millisekundenbereich. Das gesamte System könnte auf einen Siliziumchip passen und für den Massenmarkt attraktiv sein.

Informatikprofessor Tim Landgraf und der Software-Architekt Hai Nguyen widmen sich einem Problem der Intensivmedizin: Die medizinischen Leitlinien für einzelne Therapien sind teils mehr als 200 Seiten lang. In zeitkritischen Situationen, etwa beim Entwöhnen eines Patienten von künstlicher Beatmung, müssen jedoch auch Assistenzärzt*innen dieses spezialisierte Wissen ohne Verzögerungen anwenden. Dabei kann es passieren, dass sie nicht immer die optimale Behandlung wählen – gefährlich für die Patient*innen und teuer für die Krankenhäuser.

Abhilfe soll L4RA schaffen, eine KI-Software, die aus statischen PDF-Dokumenten mit den Leitlinien einen dialogfähigen Experten macht. Mit einem „Hybrid-Retrieval“-Verfahren erfasst das System komplexe Entscheidungslogiken, Tabellen und Querverweise präzise. Innerhalb von Sekunden liefert es leitlinienkonforme Antworten samt Quellenangabe. Validierungspartner ist die Uniklinik Leipzig, deren Leitlinien-Koordinator PD Dr. Sven Laudi den medizinischen Goldstandard definiert.

Und wie geht es nach einem Jahr weiter? Spätestens zur Halbzeit sollten sich die Teams darüber Gedanken machen, betont Suvrat Chowdhary-Fouquet – denn bei vielen forschungsbasierten Innovationen kann der Weg zum Markt mehrere Jahre in Anspruch nehmen.

Hierfür kommen verschiedene Anschlussformate in Frage: Die Förderlinie exist – from science to business begleitet Forschende bei der Vorbereitung einer technologieorientierten und wissensbasierten Existenzgründung. Eine Alternative bietet das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM), das den marktorientierten Technologietransfer gemeinsam mit kleinen und mittleren Unternehmen fördert.

Ehemalige ProValid-Teams auf Erfolgskurs

Der Innovationsmanager verweist auf mehrere Erfolge ehemaliger ProValid-Teilnehmer*innen: Das Projektteam von StemGel aus der Arbeitsgruppe von Rainer Haag hat ein vollsynthetisches Hydrogel für die Stammzellforschung und -therapie entwickelt und bereitet – finanziert über das exist Gründungsstipendium – derzeit die Ausgründung vor. Den Wissenschaftlern Jan-Niklas Dürig und Alexander Weng sowie Tom Haltenhof und Florian Heyd gelang es, für die Weiterentwicklung ihrer lebenswissenschaftlichen Innovationen Bundesmittel aus der Förderlinie GO-Bio initial des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) einzuwerben. Für Luis Paniagua Voirol und Mitja Remus-Emsermann wiederum war die ProValid-Förderung der Ausgangspunkt für die Konzeption eines bakteriellen Pflanzenschutzmittels für die Agrarwirtschaft – ein Vorhaben, das gegenwärtig über den BMFTR-Ideenwettbewerb Neue Produkte für die Bioökonomie gefördert wird.

„Die wissenschaftliche Grundlage stimmt“, sagt Suvrat Chowdhary-Fouquet, der selbst in Chemie an der Freien Universität Berlin promoviert hat. Jetzt komme es darauf an, ob die Ideen auch wirtschaftlich tragfähig sind und ihren Platz im Alltag finden. „Wir dürfen gespannt sein!“