Biotechnology

Innovation is crucial to fulfil the potential of industrial biotechnology for sustainable production of fuels, chemicals, materials, food and feed. Similarly, scientific and technological advances in environmental biotechnology are needed to enable novel approaches to water purification, and ‘waste-to-product’ processes thus contributing to a circular economy. Increased fundamental knowledge encompassing enzymes, microorganisms and processes are essential for progress in this field. The Department of Biotechnology covers this research area and, based on new insights, selects, designs and tests new biobased catalysts, micro-organisms, and processes.

The department encompasses five research sections:

News

15 december 2020

Five 20k grants for cross-campus bioengineering research projects

In response to the first call for bioengineering research proposals, Delft Bioengineering Institute received a stunning amount of thirteen interfacultary proposals. After a thorough peer review process, eight very good to excellent proposals surfaced. From these, MT BEI has selected the five winning projects listed below. We want to thank all BEI PIs for submitting proposals and all reviewers for their efforts, knowing they were all quite busy already. We hope that 2021 will see the start of a second five-year term for the institute, so we can continue to support these promising cross-campus collaborations! >> Biochars for reducing methane emissions Methane has a high global warming potential, and landfill is one of the largest contributors of global human-caused methane emissions. Methane treatment using engineered microbial oxidation systems is one of the ways to reduce these emissions. Biochars, carbon-rich materials produced from sources such as municipal solid wastes, wastewater sludge and wood, have gained interest in the waste management industry as media to enhance control of landfill gas emissions. In this project, led by Julia Gebert of Geoscience & Engineering (CiTG), BEI PIs of four TU Delft faculties team up to investigate the potential of biochars for enhancing microbial methane oxidation in biofilters. Project title: Effects of biochar on the performance of microbial CH4 oxidation in biofilters to reduce landfill gas emissions. BEI PIs: Julia Gebert (CiTG/GSE), Wiebren de Jong (3mE/P&E), Aljoscha Wahl (TNW/BT), Martin Pabst (TNW/BT), Thomas Abeel (EWI/Bioinformatics) >> Regenerating neuronal circuits using ultrasound People suffering from neurodegenerative disorders such as Alzheimer’s, Parkinson’s Disease and Multiple Sclerosis, have impaired neuronal circuits. Generation of new neuronal circuits by using a patient’s own stem cells may prove helpful in treating the disease. One of the difficulties in inducing neurons from stem cells, is the low efficiency rate we are able to achieve so far. In this project, BEI PIs Tiago Costa of Microelectronics (EWI) and Dimphna Meijer of Bionanoscience (TNW) join forces to explore the use of ultrasound for effectively building active neuronal networks from stem cells. Project title: SoundCircuit: Regeneration of neuronal circuits using ultrasound BEI PIs: Tiago Costa (EWI/ME), Dimphna Meijer (TNW/BN) >> Medical implants to investigate cell mechanobiology In order to study the cell’s behaviour and differentiation, we need to be able to measure the mechanical, electrical and biochemical signals that are dynamically transmitted throughout the cells. This requires the creation of biomaterial models equipped with different sensor types. In this project, BEI PIs Mohammad J. Mirzaali of Biomechanical Engineering (3mE) and Massimo Mastrangeli of Microelectronics (EWI) will team up to design, fabricate and test the proof-of-concept for medical implants equipped with force sensors that can reach a sensitivity level of one micronewton, so the mechanobiology of cells can be effectively investigated. Project title: Sixth Sense Biomaterials BEI PIs: Mohammad J. Mirzaali (3mE/BM), Massimo Mastrangeli (EWI/ME) >> Advanced cellular nanoimaging Structural biology has been essential in understanding the cell. Studying the dynamics of biological systems requires advanced imaging tools, particularly those that can bring both high spatial and temporal resolutions. In this project, BEI PIs Chirlmin Joo of Bionanoscience (TNW) and Carlas Smith of Delft Centre for Systems and Control (3mE) will join forces to develop a novel methodology for fast absolute FRET distance measurement, taking advantage of smFRET (fast but biased molecular dynamics) and localization microscopy (unbiased but static localization). Project title: New structural biology by integrating nanoscopy and single-molecule Forster resonance energy transfer BEI PIs: Chirlmin Joo (TNW/BN), Carlas Smith (3mE/DCSC) >> 3D-printing bacterial electrodes for CO2 conversion In order to achieve a sustainable future, we need to use abundant molecules such as CO2, water and renewable electricity to create our organic chemicals and fuels. Microorganisms have the ability to enable upgrading of CO2 by microbial electrosynthesis. In this project, Ludovic Jourdin of Biotechnology (TNW) and Kunal Masania of the Shaping Matter Lab (LR) will team up to explore strategies to shape carbon electrodes into hierarchical porous electrodes for microbial electrosynthesis and study the role of hierarchical porosity on microbial and electrochemical activity. Project title: BACTRODE: Hierarchical 3D-printing of bacterial electrodes for breakthrough in CO2 conversion BEI PIs: Ludovic Jourdin (TNW/BT), Kunal Masania (LR/SML)

04 december 2020

In Memoriam: Prof.dr.ir. Herman van Bekkum (1932 – 2020)

Met droefheid moet ik je mededelen dat op 30 november 2020 onze zeer gewaardeerde emeritus hoogleraar Herman van Bekkum is overleden. Herman van Bekkum was van 1975-1976 Rector Magnificus van de Technische Universiteit Delft. In de periode van 1955-1998 was hij werkzaam voor de TU Delft. Daarbinnen heeft hij een korte periode bij Shell gewerkt, tussen 1959 en 1961, maar koos uiteindelijk toch definitief en met veel succes voor de TU Delft. Na zijn emeritaat in 1998 is hij nog vele jaren actief gebleven voor onze faculteit, zowel binnen Chemical Engineering als de katalysegemeenschap. Hij betekende veel voor de universiteit, in het bijzonder voor de faculteit Technische Natuurwetenschappen. Herman van Bekkum was een veelzijdig chemicus met een grenzeloze werklust. Hij heeft belangrijke wetenschappelijke bijdragen geleverd vooral met betrekking tot katalytische toepassingen van zeolieten en geordende mesopore materialen en non-food toepassingen van suikers. Daarnaast heeft hij door zijn aanstekelijke enthousiasme bij zijn medewerkers en studenten zijn liefde voor de organische chemie overgebracht en heeft hij hen tot grote prestaties weten te brengen. Terecht is hij daarvoor in 1996 beloond met de TU Delft Leermeesterprijs. Herman van Bekkum heeft altijd samenwerking met de industrie nagestreefd en hij slaagde erin om veel fondsen te verwerven en kon daarmee zijn grote creativiteit en nieuwsgierigheid bevredigen. Hij heeft diverse bestuurlijke functies verricht binnen en buiten de TU Delft. Binnen de TU Delft was hij Rector Magnificus van 1975-1976, en buiten de TU Delft vervulde hij rollen als voorzitter van de Koninklijke Nederlandse Chemische Vereniging (KNCV), en sinds 1995 was hij lid van de KNAW, een belangrijke wetenschappelijke onderscheiding. In 1980 werd hij benoemd tot erelid van de studievereniging het Technologisch Gezelschap (TG). Zijn unieke persoonlijkheid werd gekenmerkt door enthousiasme, grote betrokkenheid, efficiëntie in een soms chaotische omgeving, en een enorme snelheid van bewegen en denken. Medewerkers van TNW hadden soms letterlijk moeite om hem bij te houden in de wandelgangen. Ook wist hij altijd feilloos in zijn volle werkkamer de juiste documenten terug te vinden. Herman van Bekkum zal altijd in onze herinnering blijven en iedereen op de faculteit die het genoegen had hem te ontmoeten en met hem samen te werken koesteren die ervaring. Wij wensen zijn familie veel sterkte toe bij dit grote verlies. Paulien Herder, Afdelingsvoorzitter ChemE

01 december 2020

Best Bioengineering MSc Graduate 2020: Nemo Andrea!

“An outstandingly talented biophysicist who seamlessly combines deep biological knowledge with a strong ability for physical abstraction and numerical analysis.” This is how supervisors Marileen Dogterom and Arjen Jakobi (Applied Sciences, Bionanoscience) describe MSc Applied Physics graduate Nemo Andrea. With his thesis “Actin-Microtubule crosstalk studied by cryo electron microscopy” (graded 9.5), Nemo has won Delft Bioengineering Institute’s BEI MSc Graduate Award 2020, comprising of a €1000 personal cash prize. Runners up are MSc Nanobiology graduate Christos Gogou (second prize, €500) and MSc Life Science and Technology graduate Allison Wolder (third prize, €250). Cytoskeleton ‘Actin-microtubule crosstalk’ refers to the functional interactions that exist between these two cytoskeletal systems in living cells. An increasing number of molecular crosslinkers responsible for these interactions are being identified, but detailed mechanistic knowledge on how they connect cytoskeletal filaments is missing. Such knowledge is of great importance for efforts that aim to engineer artificial cells with active cytoskeletal networks from the bottom up. Cryo-EM Taking advantage of recent advances in cryo-electron microscopy, Nemo set out to visualize the architecture of microtubule-actin filament interactions in the presence of an engineered crosslinker. These high-resolution images give valuable insight into how these two filaments affect each other’s dynamic properties, something that was phenotypically observed before with fluorescence microscopy, but not understood at the structural level. In addition, Nemo explored new artificial intelligence methods to reduce the noise level of his cryo-EM images, and independently adapted the algorithm to improve its performance. While the data are too preliminary in terms of statistics to be immediately publishable, the results obtained are completely novel and important for future research in this field. Runners-up Excellent Master thesis work was done as well by runners-up Christos Gogou and Allison Wolder. A short description of their research can be found below. Overall, Delft Bioengineering Institute was impressed by the quality of the ten reports that were submitted, and had a very hard time making a selection. We want to thank all students for their outstanding efforts, and their supervisors for composing their nominations. We hope 2021 will see the start of a second five-year term for the institute, so we can continue to stimulate promising research in the field of bioengineering. BEI Best MSc Graduate Awards 2020 Nemo Andrea – “Actin-Microtubule crosstalk studied by cryo electron microscopy” Supervisors: Marileen Dogterom and Arjen Jakobi (Applied Sciences, Bionanoscience) Taking advantage of recent advances in cryo-electron microscopy, Nemo set out to visualize the architecture of microtubule-actin filament interactions in the presence of an engineered crosslinker. In addition, Nemo explored new artificial intelligence methods to reduce the noise level of his cryo-EM images, and independently adapted the algorithm to improve its performance. Christos Gogou – “Constructing a cryo-EM assay for molecular voltage-sensitivity of liposome-reconstituted membrane proteins” Supervisor: Dimphna Meijer (Applied Sciences, Bionanoscience) Christos bioengineered a novel assay to test if neuronal proteins are sensitive to voltage fluctuations. More specifically, he designed lipid-based vesicles that can be tuned to any membrane potential of choice. Neuronal membrane proteins can then be inserted in these vesicles and visualized at high resolution by cryo-electron microscopy. This assay mimics the action potential of neurons in vitro. Allison Wolder – “Scaling up ene reductase-catalysed selective asymmetric hydrogenation” Supervisor: Caroline Paul (Applied Sciences, Biotechnology) Allison worked on scaling up an incredible enzymatic reaction: hydrogenation. This is notoriously difficult to do, and it requires exploration of the mechanism of the enzyme and its stability. She carried out her thesis in the front seat, thinking outside of the box, suggesting new approaches, making new connections with external companies. The presentation and report were of excellent quality. If you would like to read a thesis, please send a message to N.vanBemmel@tudelft.nl and you will receive a copy.

News

07 april 2016

Twee ERC Advanced Grants voor Delftse onderzoekers

Twee wetenschappers van de TU Delft hebben een ERC Advanced Grant ontvangen. Yuli Nazarov en Jack Pronk krijgen deze Europese subsidie voor vijfjarige projecten van internationaal vooraanstaande onderzoeksleiders. Higher-dimensional topological solids realized with multi-terminal superconducting junctions Prof. Yuli Nazarov van het Kavli Institute of Nanoscience (TNW) een ERC Advanced Grant van 1,5 miljoen euro voor zijn onderzoeksvoorstel HITSUPERJU (Higher-dimensional topological solids realized with multi-terminal superconducting junctions). Het project draait om topologische materialen; dit zijn materialen die in bepaalde toestanden zowel eigenschappen van geleiders als van isolatoren bezitten. Topologische materialen zijn relatief recent ontdekt en een hot topic in de vastestof-fysica. Deze exotische materialen zijn fundamenteel gezien interessant en houden tevens de belofte in zich van concrete toepassingen (zoals een kwantumcomputer gebaseerd op Majorana fermionen). Ze zijn echter zeer moeilijk te prepareren en te controleren. Maar bepaalde eigenschappen van topologische materialen kunnen wel uitstekend worden nagebootst door een meervoudige supergeleidende junction. Nazarov vormt een team van theoretici om dit te onderzoeken en met concrete suggesties voor experiment en toepassingen te komen. Eliminating Oxygen Requirements in Yeasts Prof. Jack Pronk van de afdeling Biotechnologie (TNW) heeft een ERC Advanced Grant van 2,5 miljoen euro gekregen van de European Research Council om onderzoek te doen aan de zuurstofbehoeften van gisten en schimmels. Het project, getiteld ELOXY (‘Eliminating Oxygen Requirements in Yeasts’), gaat over het ophelderen van de nog onbegrepen behoefte van veel gisten en schimmels aan moleculaire zuurstof. Zelfs wanneer deze micro-organismen volop energie kunnen halen uit gistingsprocessen die geen zuurstof vereisen, hebben ze toch kleine hoeveelheden zuurstof nodig – en niemand weet waarom. Deze puzzel is niet alleen interessant voor de wetenschap, maar ook voor het inzetten van gisten en schimmels in grootschalige, zuurstofloze processen.

03 maart 2016

Een duurzaam, goed en betaalbaar Hib vaccin voor ieder kind

TU Delft promovenda Ahd Hamidi leverde met haar promotieonderzoek een belangrijke bijdrage aan de ontwikkeling van een innovatieve, opschaalbare en betaalbare variant van het Haemophilus-influenzae (Hib) vaccin, door Intravacc ontwikkeld. Met dit ‘low-cost’ vaccin zijn inmiddels 200 miljoen kinderen wereldwijd beschermd tegen Hib-ziekten als hersenvliesontsteking, longontsteking, bloedvergiftiging en middenoorontsteking. Op donderdag 3 maart verdedigt Hamidi haar proefschrift aan de TU Delft. Gramkleuring van het Haemophilus influenzae type b bacterie In ‘hoge-inkomenslanden’ worden kinderen al vanaf de jaren 90 op grote schaal gevaccineerd met het Hib vaccin, dat kinderen beschermt tegen Hib-ziekten als hersenvliesontsteking. Sinds 1993 maakt het Hib vaccin ook deel uit van het Nederlandse Rijksvaccinatieprogramma. ‘De introductie van het vaccin in ontwikkelingslanden is echter achterwege gebleven, de relatieve hoge prijs van het vaccin en de voor lokale producenten ontoegankelijke noodzakelijke productietechnologie zijn daarvoor de voornaamste redenen’, zegt Hamidi. In het Hib-project van Intravacc leverde zij op het gebied van procesontwikkeling een belangrijke wetenschappelijke en maatschappelijke bijdrage aan het beschikbaar maken van een geregistreerd ‘low-cost’ Hib vaccin. Daarnaast worden in haar proefschrift mogelijkheden besproken om het proces verder te optimaliseren en dus de kostprijs, indien gewenst door huidige of toekomstige partners, nog verder te reduceren. Kennisoverdracht en prijsreductie Hamidi richtte zich in haar onderzoek op procesontwikkeling en op kennisoverdracht naar vaccinproducenten in ontwikkelingslanden. Tevens zijn wiskundige modellen gebruikt om proceskennis te vergroten en om te onderzoeken of verdere procesoptimalisatie (kostenverlaging) mogelijk is. Een van Intravacc’s partners heeft in 2013 het Hib vaccin, verwerkt in een combinatievaccin met vier andere vaccins, op de markt gebracht via UNICEF tegen een driemaal lagere prijs dan bestaande Hib vaccins. Hiermee is het vaccin binnen bereik gekomen van een grote groep kinderen. De mogelijkheid van verdere prijsreductie zou betekenen dat deze landen het vaccin in de toekomst ook zelf kunnen bekostigen. De kennis uit het Hib project is inmiddels succesvol overgedragen aan lokale producenten in Indonesië, China (via Korea) en India. UNICEF en GAVI (Global Alliance for Vaccines and Immunization) spelen beide een rol in de distributie van het vaccin. Wiskundige modellen Hamidi werkte nauw samen met ervaren procesontwerpers en vaccinexperts bij onder meer Intravacc (voorheen NVI en RIVM), en met diverse vaccinfabrikanten in Indonesië, China, Korea en India. Voor het ontwikkelen van de wiskundige modellen voor procesontwerp is gebruik gemaakt van de Delftse methode en van de kennis van experts werkzaam bij de TU Delft. Hierdoor was het mogelijk om voorspelbare wiskundige modellen te ontwikkelen voor het Hib proces en gevoeligheidsanalyses los te laten op het vaccinmodel. Zo werd de impact van bepaalde keuzes op de kostprijs bestudeerd. ‘Deze benadering kan zowel huidige Hib partnes als toekomstige partners helpen om keuzes te maken, bijvoorbeeld tussen het gebruik van bestaande productiefaciliteiten versus het bouwen van nieuwe productiefaciliteiten, of over de meest optimale productieschaal’, aldus Hamidi. Andere vaccins Deze rationele Delftse methode voor procesontwerp kan volgens de promovenda ook heel efficiënt gebruikt worden bij het ontwikkelen van (andere) vaccins. Tijdens de procesontwikkeling is voor patentbescherming gekozen, partners krijgen licenties en hun productiemethode is beschermd. Meer informatie Hamidi studeerde Scheikundige Technologie (ir.) en Bioprocess Design (PDEng) aan de TU Delft, waarna ze startte bij de voorlopers van Intravacc als procestechnoloog en later als projectmanager en technology transfer expert. In haar proefschrift deelt Hamidi de ‘lessons learned’ tijdens het Hib project zodat vergelijkbare technology transfer projecten kunnen profiteren van de opgedane ervaringen. Het Hib project draagt bij aan het reduceren van kindersterfte, een van de Millennium Doelstellingen van de VN. Hamidi publiceerde in januari 2016 in het gerenomeerde journal ‘ Biotechnology Proces ’; ‘Process development of a new Haemophilus influenzae type b conjugate vaccine and the use of mathematical modeling to identify process optimization possibilities’. Contact Voor meer informatie over het proefschrift ‘Towards a sustainable, quality and affordable Haemophilus influenzae type b vaccine for every child in the world’ neemt u contact op met mevrouw ir. A. Hamidi, A.Hamidi@tudelft.nl / Ahd.Hamidi@intravacc.nl tel. 030 2742066 of met Claire Hallewas (persvoorlichter TU Delft), c.r.hallewas@tudelft.nl , +31 (0)6 4095 3085.