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Rund zehn Jahre, von 1990 bis 2000, dauerte das multinationale Forschungsprojekt, das erstmals Referenzdaten zum vollständigen Genom der wichtigsten Modellpflanze, der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) erstellte. Heute kann ein individuelles Genom in wenigen Stunden dechiffriert werden, so rasant hat sich die Molekularbiologie weiterentwickelt. In vielen Fällen ist der Flaschenhals der Genomforschung nicht mehr die chemische Analyse des Erbmaterials, sondern die anschließende Datenverarbeitung und -auswertung. Um diesen Flaschenhals zu beseitigen, haben Bioinformatiker des Forschungszentrums Jülich eine Datenbank entwickelt, die – zumindest für die Pflanzenforschung – das vorhandene Wissen bündelt und aufbereitet.

Vorhandenes Wissen bislang stark fragmentiert

„Inzwischen sind viele Pflanzengenome publiziert“, berichtet Björn Usadel, Projektleiter der Pflanzenbiotechnologischen Primärdatenbank und Bioinformatiker am Forschungszentrum Jülich. „Aber diese Genome sind oft nur in den Publikationen verborgen.“ Eine gezielte Suche, um eigene Daten abzugleichen oder Vergleiche einzelner Gene mit anderen Arten zu ziehen, ist aufwendig. Zwar gab es schon Versuche, die publizierten Genomdaten mittels Text-Mining zu erschließen, „aber das funktioniert so lala“, meint Usadel. Auch der etablierte sogenannte BLAST-Algorithmus, der beispielsweise für kurze DNA-Sequenzen Übereinstimmungen in einem Genom herausfiltert, liefert nur einen begrenzten Informationsgewinn – sofern man das Vergleichsgenom überhaupt in den Publikationen ausfindig gemacht hat.

Das vom Bundesforschungsministerium von Mai 2013 bis Dezember 2016 mit 873.640 Euro geförderte Einzelprojekt der Jülicher hat all dies verbessert. „Wir hatten vorher schon eine Datenbank“, erzählt Usadel, „aber deren Pflege war aufwendige Handarbeit.“ Die neue Datenbank setzt zudem auf Open-Source-Software. „Das ist günstiger und erlaubt uns bei Bedarf direkte Eingriffe in den Code“, betont der Bioinformatiker. Ein angebundenes Content-Management-System ermöglicht die bequeme Pflege und vor allem die Nutzung der Daten, inklusive grafischer Aufbereitung. Der eigentliche Clou besteht jedoch darin, dass ein großer Teil der Aufbereitung neuer Genomdaten automatisiert erfolgen kann.

Mehr als 200 annotierte Genome in der Datenbank

Der Weg dahin war zunächst noch mühsam. Die Forscher mussten die publizierten Genome aus den diversen Publikationen zusammentragen. Die Informationen aus mehr als 200 Veröffentlichungen sind inzwischen in die Datenbank eingegangen. Zu Beginn mussten diese Genome noch in Handarbeit annotiert werden: Welche Gene gibt es darin, welche Funktion haben sie? Doch damit nicht genug: „Wir verbinden genomische und transkriptomische Daten der Pflanzen und auch die zugehörigen Phänotypen miteinander“, erläutert Usadel. Das ist ein bisschen so, als wenn man nicht nur prüfen könnte, welche Sätze in einem Buch vorkommen, sondern die Reihenfolge der Sätze weiß, wer sie vorliest und was sie bedeuten.

The multinational research project lasted about ten years, from 1990 to 2000, and for the first time produced reference data on the complete genome of the most important model plant, the thale cress (Arabidopsis thaliana). Today, an individual genome can be deciphered in just a few hours, and molecular biology has developed so rapidly. In many cases, the bottleneck of genome research is no longer the chemical analysis of the genetic material, but the subsequent data processing and evaluation. In order to eliminate this bottleneck, bioinformaticians at Forschungszentrum Jülich have developed a database that - at least for plant research - bundles and processes existing knowledge.

Existing knowledge is highly fragmented

"Many plant genomes have now been published," said Björn Usadel, project manager of the primary plant biotechnology database and bioinformatician at Forschungszentrum Jülich. "But these genomes are often only hidden in the publications." A targeted search to compare one's own data or to compare individual genes with other species is time-consuming. Although there have already been attempts to make the published genome data accessible by means of text mining, "this works so-so," says Usadel. Even the established so-called BLAST algorithm, which filters out matches in a genome for short DNA sequences, for example, only provides a limited gain in information - if you even find the comparative genome in the publications.

Jülich's individual project, funded by the Federal Ministry of Education and Research from May 2013 to December 2016 with 873,640 euros, has improved all this. "We already had a database before," says Usadel, "but its maintenance was expensive manual work." The new database also makes use of open source software. "This is cheaper and allows us to intervene directly in the code if necessary," emphasizes the bioinformatician. A linked content management system makes it easy to maintain and, above all, use the data, including graphic processing. The real highlight, however, is that a large part of the processing of new genome data can be automated.

More than 200 annotated genomes in the database

The way there was at first still laborious. The researchers had to compile the published genomes from the various publications. The information from more than 200 publications has since been entered into the database. In the beginning, these genomes had to be annotated by hand: Which genes are there, what function do they have? But that's not all: "We combine genomic and transcriptomic plant data and the associated phenotypes," explains Usadel. This is a bit like not only being able to check which sentences appear in a book, but also knowing the order of the sentences, who reads them out and what they mean.

Kunststoffe sind aus unserem Alltag kaum noch wegzudenken. Ob Folien, Kabel oder Kunstleder – PVC (Polyvinylchlorid) ist aufgrund seiner Materialeigenschaften vielseitig einsetzbar. Gemessen an seinem Produktionsvolumen, ist PVC nach Polyethylen und Polypropylen mittlerweile der drittwichtigste Kunststoff weltweit. Doch vor allem das sogenannte Weich-PVC, das häufig für Kabelisolatoren, Fußbodenbeläge oder Schläuche verwendet wird, steht immer mehr in der Kritik. Der Grund: Es enthält es bis zu 40% Weichmacher, die das Material nicht nur weich machen, sondern auch für eine bessere Temperatur- und Wetterbeständigkeit sorgen sowie Zähigkeit und Elastizität erhöhen sollen. Viele dieser Weichmacher, vor allem die sogenannten Phthalate, sind jedoch gesundheitlich bedenklich und können beispielsweise den Hormonhaushalt stark beeinflussen.

Neue biobasierte Weichmacher

Deswegen haben es sich das Institut für Technische Biokatalyse der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH), die Universität Bielefeld und die BASF SE zum Ziel gemacht, eine neuartige, biobasierte Alternative zu herkömmlichen Weichmachern in PVC zu entwickeln: Das gemeinsame Projekt „Bioweichmacher“ ist Teil des Ideenwettbewerbs „Neue Produkte für die Bioökonomie“, der vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der „Nationalen Forschungsstrategie 2030“ gefördert wird. Das Ziel des Konsortiums: Weichmachermoleküle für Produkte zu entwickeln, die Mensch und Umwelt schonen.

Der Ideenwettbewerb des BMBF ist in zwei Phasen unterteilt: In der ersten Phase, der Sondierungsphase, wurde die Idee der Bioweichmacher entwickelt und ein entsprechendes Konsortium gebildet. In der aktuellen Machbarkeitsphase, die noch bis zum 31.05.2020 laufen wird, werden Synthesemethoden für die neuartigen Weichmachermoleküle entwickelt und diese auf ihre Anwendbarkeit und Toxikologie untersucht.

Mit Enzymen zur nachhaltigen PVC-Produktion 

Im Detail streben die Forscher an, Moleküle zu entwickeln, die eine nachhaltige Alternative zu bestehenden PVC-Produkten bieten – ohne Wert- und Funktionsverlust. Zugleich sollen sie auf Basis nachwachsender Rohstoffe sowohl ökologisch als auch ökonomisch effektiv synthetisiert werden können. Die Biochemiker verwenden dazu unter anderem Enzyme, die den Energieeinsatz verringern und die Bildung von schädlichen und umweltbelastenden Nebenprodukten vermeiden sollen. Um mehr über den Prozess zu erfahren, werden die einzelnen Reaktionsschritte durch eine Infrarot-Spektroskopie analysiert. Hierbei regt die Wärme das Schwingungs- und Absorptionsverhalten von Molekülen an und gibt Aufschluss über die chemischen Prozessreaktionen.

jmr

Plastics are an integral part of our everyday lives. Whether foil, cables or artificial leather - due to its diverse material properties, PVC (polyvinyl chloride) can be used in many different ways. Measured by its production volume, PVC is now the third most important plastic in the world after polyethylene and polypropylene. Nonetheless, the so-called soft PVC, which is frequently used for cable insulators, floor coverings or hoses, is increasingly subject to criticism. This is because it contains up to 40% plasticizers, which not only soften the material, but also improve its temperature and weather resistance and increase its toughness and elasticity. However, many of these plasticizers, especially the so-called phthalates, are harmful to one's health and can severly affect the hormone balance.

New biobased plasticizers

Therefore, the Institute of Technical Biocatalysis at the Technical University Hamburg-Harburg (TUHH), the University of Bielefeld and BASF SE are looking to develop a novel, biobased alternative to conventional plasticizers for PVC. The joint project "Bioplasticizers" came about as part of the "New Products for the Bioeconomy" ideas competition funded by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF) as part of their "National Research Strategy 2030". The aim of the consortium is to develop plasticizer molecules for products that are environmentally friendly and safe for consumers.

The competition by the BMBF is divided into two parts: In the first phase, the exploratory phase, the idea of bioplasticisers was developed and a corresponding consortium formed. In the current, so-called feasibility phase, which will run until the end of May 2020, synthesising methods for the novel plasticizer molecules will be developed and their applicability and toxicology tested.

Using enzymes for a sustainable PVC production

More precisely, the researchers aim to develop molecules that offer a sustainable alternative to existing PVC products - without loss of value or function. At the same time, they should be able to be synthesized effectively, both ecologically and economically, and they should be made of renewable raw materials. Moreover, the biochemists use enzymes to reduce energy consumption and avoid the formation of harmful by-products. To learn more about the process, the individual reaction steps are analysed using infrared spectroscopy. The heat stimulates the oscillation and absorption behaviour of molecules and provides information about the chemical process reactions.

jmr

Blutgefäße wie Tiere und Menschen haben Pflanzen nicht. Doch auch sie müssen Nährstoffe in ihrem gesamten Gewebe verteilen – von der Wurzel bis in die Sprosse und Blätter. Das können sie entweder erreichen, indem sie Nährstoffe von Zelle zu Zelle weiterreichen oder indem sie die wassergefüllten Zellzwischenräume verwenden. Am Beispiel des Ammoniums haben Pflanzenforscher des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben jetzt analysiert, wann die Pflanze welchen der beiden Wege nutzt und wie leistungsfähig diese sind.

Zwei mögliche Transportwege für Ammonium

Über den Ammoniumtransport ist bereits einiges bekannt, denn er ist für die Landwirtschaft sehr bedeutsam: Ammonium bildet für Pflanzen die wichtigste Stickstoffquelle, ohne Stickstoff kann die Pflanze keine Proteine bilden – sie hungert und geht ein. So wussten die IPK-Forscher bereits, dass das Protein AMT1;3 den Transport von Ammonium in den Zellen steuert – der sogenannte symplasmatische Weg. Das Protein AMT1;2 hingegen ist für den Ammoniumtransport im Zellzwischenraum, auf dem sogenannten apoplastischen Weg verantwortlich.

Um beide Wege zu vergleichen, haben die Forscher mit gentechnischen Methoden alle weiteren Ammoniumtransporter der Pflanze ausgeschaltet und den zugeführten Stickstoff so markiert, dass sie dessen Weg durch die Pflanze nachvollziehen konnten. Wie die Pflanzenforscher im Fachjournal „PLOS Biology" berichten, leistet das Protein AMT1;2 mehr als AMT1;3 – es sei denn, Ammonium im Boden ist knapp. In diesem Fall arbeitet der symplasmatische Weg effizienter.

Wurzelwachstum hat bei Nährstoffmangel Priorität

Das Resultat ist für die Forscher plausibel, versorgt doch der symplasmatische Weg zunächst die Wurzeln. Dadurch kann die Pflanze in Zeiten knapper Nährstoffe bevorzugt ihr Wurzelwerk und damit die Nährstoffaufnahme ausbauen. In guten Zeiten hingegen beschleunigt der apoplastische Weg das oberirdische Wachstum und verbessert damit zugleich die Photosynthese.

Zwei Besonderheiten konnten die Wissenschaftler ebenfalls nachweisen. So funktioniert der apoplastische Weg nur, solange der sogenannte Casparysche Streifen die Zellzwischenräume an der Endodermis schließt. Dabei handelt es sich um eine Schicht aus Lignin, die verhindern soll, dass aufgenommene Giftstoffe in den Zentralzylinder der Pflanze gelangen. Und auch Endodermiszellen, die eine sogenannte Suberinschicht ausgebildet haben, können keine Nährstoffe mehr aufnehmen, die über den apoplastischen Weg angeliefert werden. Entsprechend bilden diese Zellen dann kein weiteres AMT1;2 mehr.

Das Verständnis dieser Zusammenhänge soll der Pflanzenzüchtung nun helfen, Wurzeleigenschaften so zu optimieren, dass die Pflanze trotz geringer Düngemengen gut mit Nährstoffen versorgt ist.

bl

Bakterien werden in der Biotechnologie für die verschiedensten Aufgaben eingesetzt. So können so etwa zur Herstellung von Plattformchemikalien genutzt werden oder um Abgase in nützliche Rohstoffe umzuwandeln. Damit die gewünschten Prozesse von den Mikroben geleistet werden können, müssen diese zuvor oft aufwendig gentechnisch verändert werden. Nun haben Jenaer Forscher eine Bakterienunterart entdeckt, die von sich aus Wasserstoff produziert und in Kombination mit einer weiteren Bakterienart sogar Naturstoffe wie Methan herstellen kann. Das Überraschende: Die Bakterienunterart zählte bisher zu einer Gruppe von Krankheitserregern.

Verwandter von Krankheitserregern produziert Wasserstoff

Diese Krankheitserreger, die sogenannten Epsilonproteobakterien, werden unter anderem mit der Entstehung von Magengeschwüren und Lebensmittelvergiftungen in Verbindung gebracht. Die Jenaer Biotechnologen forschten an der Untergruppe Sulfurospirillen, die nicht krankheitserregend ist, sondern anaerob, also unter Ausschluss von Sauerstoff in Abwässern und Flusssedimenten lebt und dort Schadstoffe umwandelt. Das Forscherteam unter der Leitung von Gabriele Diekert von der Friedrich-Schiller-Universität Jena konnte nun erstmals zeigen, dass die Sulfurospirillen auch Wasserstoff und Naturstoffe produzieren können. Sie könnten damit zur Herstellung von Arzneimitteln verwendet werden.

Wie sie in den Fachjournalen „Nature Communications“ und „ACS Chemical Biology“ berichten, haben die Forscherteams von Diekert und Lorenz Adrian vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) in Leipzig die Funktion der Proteine des Bakteriums unter verschiedenen Bedingungen untersucht. „Zu Beginn hatten wir nur sehr unsichere Hinweise auf Wasserstoff- und Naturstoffproduktion dieser Bakterien. Wir haben die Sequenz einer sogenannten Hydrogenase – das sind Enzyme, die Wasserstoff spalten oder herstellen können – im Genom von Sulfurospirillum gefunden“, erklärt Tobias Goris, Wissenschaftler und Koordinator in einer DFG-Forschergruppe, die ebenfalls an dem Projekt beteiligt war. Mithilfe einer Proteomanalyse, also der Untersuchung der Gesamtheit der Proteine, konnten die Wissenschaftler schließlich einen großen, Wasserstoff produzierenden Komplex identifizieren.

Mikroben-Kooperation verwandelt Milchsäure in Methan

Sulfurospirillen sind demnach in der Lage, Wasserstoff zu produzieren. Viele andere Mikroben „ernähren“ sich hingegen von Wasserstoff. Deshalb kombinierten die Biotechnologen im nächsten Schritt die Fähigkeiten der Sulfurospirillen mit anderen, Naturstoff produzierenden Bakterien: Sulfurospirillum multivorans wurde zusammen mit Methanococcus voltae kultiviert. Wie der Name vermuten lässt, ist M. voltae dafür bekannt, mithilfe von Wasserstoff als Energiequelle, Methan zu produzieren. Und tatsächlich: S. multivorans wandelte Milchsäure in Wasserstoff um, und M. voltae verstoffwechselte diesen anschließend zu Methan.

Wirkstoff für die Krebsbehandlung

Bei einem weiteren Sulfurospirillen-Vertreter, Sulfurospirillum barnesii, untersuchten die Jenaer zusammen mit der Arbeitsgruppe von Christine Beemelmanns am Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie ebenfalls das Genom. Das Erbgut ließ darauf schließen, dass S. barnesii einen wichtigen Naturstoff produziert, der therapeutische Wirkungen haben könnte: Das nach dem Bakterium benannte Barnesin hat eine ähnliche Wirkungsweise wie bereits in der Krebsbehandlung eingesetzte Proteasehemmer.

Die Jenaer Biotechnologen wollen auch in Zukunft die Produkte von Sulfurospirillen sowie die Interaktion dieser Bakterien mit anderen untersuchen, wobei der Fokus auf dem Abbau von Schadstoffen durch solche mikrobiellen Kooperationen liegen wird.

jmr

Ob Vollmilch oder Zartbitter: Schokoladenprodukte haben gerade zur Weihnachtszeit Hochkonjunktur. Doch ohne die Kakaofrucht gäbe es keine Schokolade. Etwa 4,5 Millionen Tonnen Kakaobohnen werden jährlich weltweit zu süßen Köstlichkeiten und anderen Lebensmitteln verarbeitet. Die dabei anfallenden Kakaoschalen wurden bisher zumeist als Abfallstoff entsorgt, oder fanden Verwendung in der Kosmetikindustrie oder für den sogenannten Kakaoschalentee. Denn die wichtigen und gesundheitsfördernden Inhaltsstoffe wie Theobromin, Flavanole oder Catechine stecken sowohl in der Bohne, als auch in der Schale der Kakaofrucht.

Mit Bakterien und Enzymen die Kakaoausbeute steigern

Im Projekt „CocoaBoost“ steht nun die effizientere Weiterverwertung der Kakaoschalen im Fokus. Unter Einsatz von Mikroorganismen und Enzymen will das Institut für Lebensmittelchemie und Lebensmittelbiotechnologie (LCB) der Justus-Liebig-Universität Gießen mit der Novis GmbH in Tübingen das verborgene Potenzial der Kakaoschalen für die Industrie besser nutzbar machen. In dem vom Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) über das Kooperationsnetzwerk „biohymed“ geförderte Vorhaben, wollen die Partner in den kommenden zweieinhalb Jahren ein biotechnologisches Verfahren zur Herstellung von Kakaopulver aus Kakaoschalen entwickeln.

Störstoffe in Kakaoschalen beseitigen  

Bisher war die Gewinnung von Kakao aus den Schalen der Frucht unrentabel und teuer. Bei der sogenannten wilden Fermentation blieben zu viele unverdaute Störstoffe zurück, die für eine industrielle Weiterverarbeitung vor allem in Lebensmitteln hinderlich waren. „Die Ausbeute des Verfahrens liegt bei circa 70% bis 80% der Schalenmasse. Denn es gibt einen gewissen Massenverlust, da störende Bestandteile der Schalen wie Schleimzellen abgebaut, anhaftender Schmutz entfernt und ein Anteil sehr feinen Pulvers verlorengeht“, erläutert Verena Grimm, Projektleiterin von biohymed bei der BioRegio STERN Management GmbH auf Nachfrage gegenüber bioökonomie.de.

Im Projekt wollen die Partner diese Störfaktoren nun biotechnologisch beseitigen. Dafür sollen ablaufende Reaktionen und Mikroorganismen für den Abbau der Störfaktoren identifiziert werden, um den Prozess zu verstehen und die Parameter gezielt mithilfe von Mikroorganismen oder durch den Einsatz von Enzymen steuern zu können. „Durch eine gezielte biotechnologische Behandlung der Schalen sollen die Störstoffe, bestehend aus Fetten und Schleimzellen, soweit abgebaut werden, dass die behandelten Schalen zu einem interessanten Ausgangsrohstoff für die Weiterverarbeitung werden können“, so Grimm. 

Effizente Verwertung des Abfallproduktes  

Eine Arbeitsgruppe um Martin Rühl vom Gießener LCB wird die Durchführung und Auswertung der Hydrolyse-Versuche im Labormaßstab übernehmen. Die Novis GmbH ist für das Scale-up sowie die Integration des neuen Prozesses in ihr bestehendes Verfahren, aber auch für die Kommerzialisierung und Markteinführung verantwortlich. „CocoaBoost ermöglicht die effiziente Verwertung eines Abfallprodukts der Kakaoernte und wird somit zur Ressourcenschonung und Einsparung von Rohstoffen beitragen“, sagt Grimm. 

bb

Die Apfelbauern waren einige der wenigen Landwirte, die vom Hitzesommer 2018 profitiert haben. Denn die Apfelernte fiel in diesem Jahr deutlich besser aus als zuletzt. Doch statt mit Hitze und Dürre haben die Landwirte mit einer anderen Bedrohung zu kämpfen: dem sogenannten Feuerbrand. Die Pflanzenkrankheit wird vom Bakterium Erwinia amylovora ausgelöst. Ist das Gewebe infiziert, stirbt es ab und zieht letztlich den gesamten Baum in Mitleidenschaft. Da die Bäume nicht mit Antibiotika behandelt werden dürfen, bleibt den Landwirten beim Befall mit dem Bakterium oft nur der Kahlschlag, um die weitere Ausbreitung des Erregers zu verhindern. Viele Apfelbauern hoffen daher auf die Züchtung neuer, resistenter Apfelbäume. Doch dafür muss zuvor der Infektionsweg genau geklärt sein.

Effektorprotein löst Kettenreaktion aus

Hier setzte ein Forscherteam aus Molekularbiologen vom Julius Kühn-Institut (JKI) in Dresden an. Zusammen mit US-amerikanischen und neuseeländischen Kollegen fanden sie heraus, dass ein bestimmtes Protein des Bakteriums ausreicht, um die Krankheitssymptome beim Apfel auszulösen. Wie das geschieht und welche Kettenreaktion die Infektion in der Frucht zur Folge hat, beschreiben die Wissenschaftler im Fachblatt „Molecular Plant-Microbe Interactions“.

Das für die Infektion verantwortliche Protein trägt den Namen AvrRpt2EA. „Mit unseren Experimenten konnten wir zeigen, dass AvrRpt2EA eine zentrale Rolle in der Wirt-Pathogen-Beziehung spielt“, berichtet Susan Schröpfer vom JKI. Von anderen solchen Effektorproteinen ist bereits bekannt, dass sie über ein spezielles Ausscheidungssystem der Bakterien in die Pflanzenzellen gelangen und dort die Zellfunktionen verändern. „Doch wie das bakterielle Effektorprotein des Feuerbrands in der Pflanze genau wirkt, hatten wir bislang nur unzureichend verstanden“, sagt Henryk Falchowsky. Er ist Leiter des JKI-Instituts für Obstzüchtung und koordinierte die Zusammenarbeit mit den Partnern in den USA und Neuseeland.

Resistenzen der Wildäpfel nutzen

Nicht alle Apfelsorten sind für den Feuerbranderreger empfänglich, einige Wildapfelarten besitzen spezielle Resistenzproteine gegen ihn. Doch wenn AvrRpt2EA in die Zellen gelangt, stirbt das Gewebe rund um den Trieb schon nach kurzer Zeit ab und die Blätter werden braun. Deshalb haben die Forscher die Reaktion der Pflanze auf das Effektorprotein genau untersucht. Das Ergebnis: Das Protein löst eine Kettenreaktion aus. Diese Salicylsäure-abhängige Antwort fördert die Entstehung von Nekrosen, also von totem Gewebe. Die Wissenschaftler gehen deshalb davon aus, dass das Feuerbrandbakterium die Zellen des Apfelbaums so „umprogrammiert“, dass diese ihm optimale Lebensbedingungen bieten – denn der Erreger ernährt sich von dem toten Baumgewebe.

Das Ziel der Molekularbiologen ist es, die anfälligen Apfelbaumarten mit den Resistenzproteinen der Wildarten auszustatten. Doch bevor sie soweit sind, müssen noch einige Fragen beantwortet werden: „Beispielsweise ist noch ungeklärt, wie es dem Bakterium-Effektorprotein in anfälligen Sorten genau gelingt, den Salicylsäure-abhängigen Abwehrweg anzustoßen und welche Wechselwirkungen es mit dem apfeleigenen Resistenzprotein FB_Mr5 in resistenten Apfelwildarten gibt“, so Flachowsky mit Blick auf künftige Forschungsprojekte. 

jmr

Der letzte Sommer hat die Folgen von Klimawandel und globaler Erwärmung für Deutschland und ganz Europa deutlich gemacht: So führte die anhaltende Dürre dazu, dass Flüsse austrocknen und nationale wie europäische Schiffslieferungen monatelang eingeschränkt waren oder ganz ausfielen.

Im Oktober veröffentlichte das Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) seinen Sonderbericht über die Auswirkungen der globalen Erwärmung. Das Fazit: Die vom Menschen verursachte globale Erwärmung liegt bereits bei 1 °C über dem vorindustriellen Niveau und steigt um etwa 0,2 °C pro Jahrzehnt. Werden die internationalen Klimaschutzmaßnahmen nicht intensiviert, könnte der globale durchschnittliche Temperaturanstieg schon kurz nach 2060 2 °C erreichen - und danach sogar weiter steigen. Dieses hätte jedoch verheerende Folgen für die Ökosysteme auf der ganzen Welt sowie für die Landwirtschaft: Überschwemmungen und Dürre, die die Ernteerträge stark minimieren, werden immer häufiger vorkommen. Kurz gesagt: Die globale Erwärmung über 1,5 °C im Vergleich zu vorindustriellen Werten würde das Überleben der Menschheit ernsthaft gefährden. Um diese Gefahren abzuwenden, beraten die Vertragsparteien des Rahmenübereinkommens der Vereinten Nationen über Klimaänderungen (COP) derzeit auf ihrem 24. Treffen, dem sogenannten COP24, im polnischen Kattowitz Strategien zur Reduzierung der Kohlenstoff- und Treibhausgasemissionen.

Langfristige Strategie für eine klimaneutrale Wirtschaft 

In Vorbereitung auf das hochrangige Treffen hat die Europäische Kommission ein offizielles Kommuniqué veröffentlicht. Darin stellt sie eine Strategie vor, um auch in Zukunft auf diesem Planeten leben zu können, und wie eine wachsende Weltbevölkerung nachhaltig bekleidet, untergebracht und ernährt werden kann. Die EU müsse hier mit gutem Beispiel vorangehen und einen langfristigen Plan für eine erfolgreiche, moderne, wettbewerbsfähige und klimaneutrale Wirtschaft entwickeln und umsetzen, heißt es. Um diese Ziele zu erreichen, werden nach Ansicht der Kommission Bioökonomie und Kreislaufwirtschaft entscheidend sein.

Die Kommission erklärt weiterhin, dass das Ziel dieser langfristigen Strategie darin besteht, das Engagement Europas für eine globale Klimaschutzaktion zu bekräftigen und eine Vision vorzulegen, wie bis zum Jahr 2050 die Treibhausgasemissionen auf Null minimiert werden können. Die vorgeschlagene Strategie ziele jedoch nicht darauf ab, neue Regulierungen und Gesetze auf den Weg zu bringen oder die Nachhaltigkeitsziele 2030 in Frage zu stellen. Die Kommission will damit wirtschaftliche und gesellschaftliche Veränderungen skizzieren, um bis 2050 den Übergang zu einer Wirtschaft mit „Netto-Null-Treibhausgasemissionen" zu erreichen.

Die Vorteile der Bioökonomie

Um diese Netto-Null-Emissionen zu erreichen, müsse vor allem das Potenzial der Kreislaufwirtschaft und der Bioökonomie ausgeschöpft werden. Nach Ansicht der Kommission könnte der Weg zu einer Wirtschaft ohne Treibhausgasemissionen demnach auf der Bündelung von sieben strategischen Hauptbausteinen beruhen: Hierzu zählen unter anderem die Maximierung der Energieeffizienz im Zusammenhang mit emissionsfreien Gebäuden, die Dekarbonisierung der Energieversorgung, die Kreislaufwirtschaft als Schlüsselfaktor zur Verringerung der Treibhausgasemissionen und die Digitalisierung zur Ermöglichung intelligenter Netzinfrastrukturen.

Für eine erfolgreiche Bioökonomie ist zudem nachhaltige Biomasse enorm wichtig: Denn Biomasse kann Wärme liefern. In Biokraftstoffe und Biogas umgewandelt kann damit Erdgas ersetzt werden. Auch Materialien, die auf fossilen Rohstoffen basieren – insbesondere im Bausektor – können durch nachhaltige biobasierte Produkte wie Biokunststoffe und Verbundwerkstoffe ersetzt werden.

Doch eine rein biobasierte Wirtschaft wird nach Ansicht der Kommission im Vergleich zum heutigen Verbrauch wesentlich mehr Biomasse erfordern. Bis 2015 wird eine Steigerung um bis zu 80% erwartet. Biomasse muss also aus mehreren Quellen stammen. Die Landressourcen sind jedoch begrenzt. Darum wird es ebenfalls wichtig sein, die Produktivität der Wasser- und Meeresressourcen zu verbessern, um die gesamte Bandbreite der Möglichkeiten der Bioökonomie zu nutzen. Dazu gehören unter anderem die Produktion und Nutzung von Algen und anderen neuen Proteinquellen, die das Potenzial haben, den Druck auf die landwirtschaftlichen Flächen zu verringern.

Auch die Bürger müssen umdenken

Die erfolgreiche Implementierung insbesondere der neuen biobasierten Produkte wird der Kommission zufolge nicht nur von der industriellen Entwicklung abhängen, sondern auch von den Bürgern: Diese müssen die neuen Technologien und Produkte akzeptieren. Darüber hinaus sind in der EU in den nächsten zwei Jahrzehnten massive Forschungs- und Innovationsbemühungen erforderlich, um kohlenstoffarme und kohlenstofffreie Lösungen wirtschaftlich rentabel zu machen und neue Produkte hervorzubringen. Dementsprechend steht das Klima auch im Mittelpunkt von „Horizon Europe", dem neuen europäischen Forschungs- und Innovationsprogramm. Die Kommission schlägt vor, 35% des fast 100 Mrd. Euro umfassenden Budgets in die Forschung zu investieren, um die Klimaziele zu erreichen.

Forschungsprojekte und neue Entwicklungen werden auch in anderen Bereichen das Wachstum ankurbeln. Bereits heute gibt es in der EU schätzungsweise vier Millionen „grüne Arbeitsplätze". Weitere Investitionen in die industrielle Modernisierung, die Energiewende, die Kreislaufwirtschaft, saubere Mobilität und die Bioökonomie werden der Kommission zufolge noch mehr hochwertige Beschäftigungsmöglichkeiten schaffen.

Mit gutem Beispiel vorangehen

Die Kommission betont in ihrem Bericht auch, dass eine solche Strategie nicht im Alleingang von der EU realisiert werden kann. Es bedürfe vielmehr weltweiter Kooperationen. Die EU geht demnach lediglich mit gutem Beispiel voran und ist offen für eine multilaterale und globale Zusammenarbeit.

Bis Ende 2018 werden nun die Mitgliedsstaaten ihre Entwürfe für nationale Klima- und Energiepläne bei der Europäischen Kommission einreichen. Darüber hinaus erarbeiten auch immer mehr Regionen, Kommunen und Wirtschaftsverbände ihre eigenen Visionen für 2050, die dazu beitragen werden, Antworten auf die globale Herausforderung des Klimawandels zu definieren.

Eines ist der Kommission zufolge jedoch sicher: Die Umwandlung der heutigen auf fossilen Ressourcen basierenden Wirtschaft hin zu einer nachhaltigen und biobasierten Gesellschaft ist im Kampf gegen den Klimawandel unerlässlich. In den Worten der Kommission: „Der Status quo ist keine Option."

jmr

The last summer has demonstrated the consequences of climate change and global warming all too vividly for Germany and all of Europe. For instance, a prolonged drought has caused rivers to fall dry and is hindering national as well pan-European shipments well into December.

In October, the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) issued its Special Report on the impacts of global warming. Their conclusion: human-induced global warming has already reached 1°C above preindustrial levels and is increasing at approximately 0.2°C per decade. Without stepping up international climate action, the global average temperature increase could reach 2°C soon after 2060 and will continue rising afterwards. This, however, will have dire consequences for ecosystems around the world, it will cause floodings and decrease the availability of arable land. In short: Global warming above 1.5°C compared to preindustrial levels will seriously endanger the survival of mankind. To avert these dangers, the Parties to the United Nations Framework Convention on Climate Change are currently discussing strategies how to reduce carbon- and greenhouse gas emissions at the COP24 in Katowice in Poland.

Long-term strategy for a climate neutral economy needed

In preparation for the high-level meeting, the European Commission has published an official communication to the European Parliament, the European Council, the Council, the European Economic and Social Committee, the Committee of the Regions and the European Investment Bank. The message of the communiqué is clear: In order to live sustainably on this planet and be able to clothe, shelter and feed a growing global population, the EU needs to lead by example and establish and implement a long-term strategy for a prosperous, modern, competitive and climate neutral economy. To that end, according to the Commission, the bioeconomy and the circular economy will play vital roles.

As stated by the Commission, the aim of this long-term strategy is to confirm Europe's commitment to lead the fight against global warming and to present a vision that can lead to achieving net-zero greenhouse gas emissions by 2050 through a socially-fair and cost-efficient transition. However, the proposed strategy does not intend to launch new policies, nor does the European Commission intend to revise the 2030 Sustainable Development Goals. Instead, the strategy outlines a vision of the required economic and societal transformations spanning all sectors of the economy and society to achieve the transition to net- zero greenhouse gas emissions by 2050.

The benefits of the bioeconomy

Reaching net-zero greenhouse gas emissions will require maximising the potential of technological and circular economy options, the large scale deployment of natural land based carbon sinks including in the agricultural and forestry sectors as well as shifts in mobility patterns. Thus, according to the Commision, the road to a net-zero greenhouse gas economy could be based on joint actions along a set of seven main strategic building blocks that include maximising energy efficiency in the context of zero emission buildings, decarbonising the energy supply, the circular economy as a key enabler to reduce greenhouse gas emissions, digitalisation to enable smart network infrastructures, and “reaping the full benefits of the bioeconomy”.  

For a successful bioeconomy the availability of sustainable biomass is of the upmost importance: Biomass can directly supply heat, be transformed into biofuels and biogas, and can be transported through the gas grid substituting natural gas. Moreover, it can substitute for carbon intensive materials, particularly in the building sector but also via new and sustainable bio-based products such as bioplastics and composites

According to the Commission, a net-zero emissions economy is built upon increasing amounts of biomass compared to today’s consumption, with highest projections seeing an increase in bio-energy consumption of around 80% until 2050. Thus, an increased biomass production will need to come from a combination of sources. However, a biomass-based transition is limited by the availability of land - which is also finite. In order to alleviate the multiple demands on the EU's land resources, improving the productivity of aquatic and marine resources will therefore also be important in capturing the full range of opportunities of the bioeconomy. This includes for instance the production and use of algae and other new sources of protein which have the potential to relieve the pressure on agricultural land.

Citizens will have to become active participants

However, the development of the options and actions explored will not only depend on the speed of their initial deployment, but also on the extent to which citizens become active participants in the transition, and the public’s acceptance of certain low and carbon-free technologies.

Moreover, a massive research and innovation effort, built around a coherent strategic research, innovation and investment agenda is needed in the EU within the next two decades to make low and zero-carbon solutions economically viable and bring about new solutions. Accordingly, climate is also at the heart of Horizon Europe, the European Commission’s proposal for the new EU's research and innovation programme. The Commission proposes to invest 35% of the near € 100 billion budget in climate objectives, through the development of innovative and cost-effective zero-carbon solutions.

This research and new inventions will subsequently also spur growth in other sectors. Already today there are an estimated 4 million 'green jobs' present in the EU. Further investment into the industrial modernisation, the energy transformation, the circular economy, clean mobility, green and blue infrastructure and the bioeconomy will create even more high quality employment opportunities.

The EU: leading by example

In its report the Commission also stresses that this long-term strategy for the EU cannot be pursued in isolation. Therefore, the EU must promote a worldwide uptake of policies and actions to halt climate change and transition to a worldwide low carbon future. Thus, the EU should continue leading by example as well as fostering multilateral and global cooperation.

By the end of 2018 the member states will submit their drafts for National Climate and Energy Plans to the European Commission. In addition, an increasing number of regions, municipalities and business associations are drawing up their own vision for 2050, which will enrich the debate and contribute to defining Europe’s answer to the global challenge of climate change.

Nevertheless, in order to achieve and implement a carbon-neutral economy, a complete transformation of the current global economies towards more sustainable and biobased economies is essential. In the words of the Commission: “The status quo is not an option.”

jmr

Ob Sojaschnitzel oder Tofubratwurst – immer mehr Verbraucher greifen im Supermarkt zu Fleischersatzprodukten. Nach Angaben des Bundes für Lebensmittelrecht und Lebensmittelkunde ist der Umsatz bei fleischlosen Waren von 2012 bis 2016 um 88% gestiegen. Auch wenn die fleischlose Kost rein äußerlich dem tierischen Vorbild sehr ähnelt, beim Kauen fällt der Unterschied dann doch auf. „Dieses Mundgefühl beruht vor allem auf der faserähnlichen Textur von Fleisch“, erklärt Azad Emin vom Institut für Bio- und Lebensmitteltechnik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT).

Die Struktur von Fleischersatz dem tierischen Produkt anpassen

Gemeinsam mit Forschern der TU Berlin und dem Deutschen Institut für Lebensmitteltechnik in Quakenbrück sucht der Verfahrenstechniker daher nach einem Weg, die Textur fleischanaloger Produkte so zu verbessern, dass sie der Struktur von Fleisch zum Verwechseln ähneln. „Wir haben einen Ansatz und eine Methode entwickelt, die es ermöglichen, den Prozess mit Fokus auf Strukturveränderungen zu untersuchen und zu kontrollieren“, sagt Emin.

Herstellungsprozess im Extruder durchleuchtet

Das Team konzentrierte sich dabei auf die Herstellung der Fleischersatzprodukte und nahm dafür die Prozesse in der Produktionsanlage, dem Extruder, unter die Lupe. Das hier angewendete Verfahren, die Nassextrusion, wird auch zur Herstellung von Erdnussflips genutzt. Die teigartige Rohstoffmasse wird dabei mit Wasser versetzt und mittels zweier rotierender Schneckenwellen durch ein Gehäuse befördert. Dort wird die Masse erhitzt und am Ende durch eine gekühlte Düse gepresst. Bisher hat sich die Produktentwicklung laut Emin nur zeitaufwendig und kostspielig empirisch, also durch Versuch und Irrtum, vorantreiben lassen.

Mit Lipiden Struktur und Mundgefühl verbessern 

Die neue Methode macht es nun möglich, Strömungssimulationen und -messungen innerhalb des Extruders durchzuführen. Gleichzeitig gibt sie Einblicke in das Zusammenspiel von Fließeigenschaften und thermomechanischen Beanspruchungen und Aufschluss über den Verfahrensprozess sowie die dadurch hervorgerufenen strukturellen Veränderungen der pflanzlichen Proteine. Nachdem die Details des Herstellungsprozesses vorliegen, können sich die Forscher der Verfeinerung der Textur fleischähnlicher Produkte widmen. „In unserer weiteren Forschung wollen wir die Struktur und das Mundgefühl unter anderem durch Hinzufügen von Lipiden und vorstrukturierten Proteinkomponenten fleischähnlicher gestalten“, erklärt Azad Emin.

Die Arbeit der Karlsruher Forscher erfolgt im Rahmen des Forschungsprojekts „Texturierungsmechanismen bei der Nassextrusion von Soja- und Erbsenprotein“ und wird seit 2015 vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert.

bb

Viel wurde schon über das sogenannte Insektensterben berichtet. Vor allem die intensive Landwirtschaft und der Einsatz von Pestiziden gelten als Hauptursache für das Verschwinden von Schmetterlingen, Bienen und Co. Nun haben Biodiversitätsforscher der Universität Osnabrück noch einen weiteren Schuldigen gefunden: das Düngen. Die damit verbundenen erhöhten Stickstoffwerte in der Pflanze dezimiert die Schmetterlingsraupenpopulation.

Kooperation von mehreren Ökologen

Bisher wurde vor allem untersucht, wie schwindender Lebensraum und schrumpfende Schmetterlingspopulationen zusammenhängen. Wie sich die Landwirtschaft auf die verbleibenden Wirtspflanzen auswirkt und wie Schmetterlinge mit diesen Veränderungen umgehen, blieb hingegen unklar. Thomas Fartmann von der Universität Osnabrück hat daher zusammen mit Susanne Kunze von der Universität Bayreuth und Thilo Heinken von der Universität Potsdam die Auswirkungen der Düngeraten in der Landwirtschaft auf die Physiologie der Schmetterlinge untersucht.

Erhöhte Stickstoffwerte setzen Schmetterlingen zu

Wie die Forscher im Fachjournal „Oecologia“ berichten, haben sie die Überlebensraten von sechs weit verbreiteten Tag- und Nachtfalterarten im Zusammenhang mit verschiedenen Düngeszenarien untersucht. Dabei haben die Ökologen die Stickstoffmengen den in Mitteleuropa üblichen Düngemengen angepasst. „Die Düngung hat dabei zu einer Zunahme des Stickstoffgehalts in den Wirtspflanzen und gleichzeitig zu einer deutlich erhöhten Mortalitätsrate der Schmetterlingsraupen aller Modellarten geführt", so Fartmann. Die Ergebnisse belegen, dass die in der Landwirtschaft übliche Düngemenge zu einem erhöhten Stickstoffgehalt in den Pflanzen führt und das schadet den Schmetterlingen.

jmr

Chemische Industrie und Umweltschutz – das war bis in die 1970er Jahre ein Thema mit viel Konfliktpotenzial. Auch heute ist es nicht immer einfach, chemische Prozesse umweltfreundlich zu gestalten. Doch die Branche hat die Herausforderung angenommen. Mit „Chemie 4.0“ will das Transferzentrum Chemie- und Biosystemtechnik im Großraum Halle-Leipzig die Nachhaltigkeit der Branche auf ein neues Niveau heben. Das gaben Vertreter des 2016 gegründete Netzwerks auf dem Zukunftsdialog 2018 in Quedlinburg bekannt. Mehr als 70 Gäste aus Wirtschaft, Wissenschaft und Politik tauschten sich dort zu ressourcenschonenden und energieeffizienten Prozessen, den Potenzialen der Chemie 4.0 und Möglichkeiten zur Zusammenarbeit aus. Das Transferzentrum besteht aus zahlreichen Einrichtungen der angewandten Forschung, Hochschulen und Universitäten sowie Forschungscluster und mehr als 60 Industrieunternehmen aus Mitteldeutschland. Durch das Zusammenführen von erneuerbaren Ressourcen, Digitalisierung und Kreislaufwirtschaft sollen sich hier insbesondere für das mitteldeutsche Chemiedreieck neue Chancen ergeben.

Kreislaufwirtschaft durch Digitalisierung

Wie eine Chemie 4.0 aussehen könnte, erläuterte Ralf Wehrspohn, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in Halle (Saale) und einer der Direktoren des Leistungs- und Transferzentrums: „Die Digitalisierung ermöglicht in der Kunststoff verarbeitenden, chemischen, biotechnologischen und der biomedizinischen Industrie die Umsetzung einer Kreislaufwirtschaft, die auf erneuerbaren Ressourcen beruht.“ Was im Unternehmen als Reststoff anfalle, könne im anderen Unternehmen zum wertvollen Rohstoff werden und Plastikmüll, so Wehrspohn weiter, könne beispielsweise mit neuen Technologien als Kohlenstoffquelle für die Chemieindustrie erschlossen werden.

Reststoffe werden zu Wertstoffen

Natürlich ist es schon heute normal, dass ein Chemieunternehmen einen Reststoff nicht einfach entsorgt, wenn es ihn auch verkaufen kann. Doch das Netzwerk soll helfen, dass sich solche nachhaltigen Paarungen leichter finden und umsetzen lassen. Das eigentliche Ziel ist aber weit größer: Angestrebt wird eine CO₂-neutrale Wertschöpfung in der chemischen Industrie. So sollen Wiederverwertung, Recycling, energetische Verwertung und biologischer Abbau dazu beitragen, Stoffkreisläufe zu schließen. Wie das gelingen kann? „Antworten darauf finden wir am besten, wenn wir Grundlagenforschung, anwendungsorientierte Forschung und industrielle Entwicklung zusammenführen“, sagte Frank Emmrich, Institutsleiter am Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie IZI in Leipzig und ebenfalls Mitglied des Direktoriums im Leistungs- und Transferzentrum.

Wirtschaftlicher Impuls für Mitteldeutschland 

Profitieren soll neben der Umwelt und den beteiligten Partnern die gesamte Region Mitteldeutschland, in der Rohstoff-, Energie- und Chemiewirtschaft eine lange Tradition haben. „Wir wollen lokale Rohstoffe für die regionale Industrie erschließen, um die dabei entstehenden Lösungen überregional verwertbar zu machen“, resümiert Christian Growitsch, stellvertretender Leiter des Fraunhofer IMWS und Sprecher des Direktoriums des Leistungs- und Transferzentrums. „So stärken wir die Innovationskraft und Wettbewerbsfähigkeit insbesondere von kleinen und mittelständischen Unternehmen.“

bl