Aktuelle Veranstaltungen

The use of pesticides in agriculture has long been controversial because they are both a blessing and a curse. On the one hand, they protect plants from pests and diseases, but on the other hand they are proven to harm the environment: soils are poisoned and biodiversity is decimated. As a result of climate change, plants are becoming even more susceptible to pests, driving up the use of pesticides. But it is also a fact that crop protection products are in some cases indispensable to ensure that the world's population can continue to be fed in the future. Sustainable solutions for crop protection are therefore urgently needed.

A German-Brazilian research team has now found a solution: Under the management of RWTH Aachen University, scientists led by Ulrich Schwaneberg developed a new fertilizer system over the past three years that significantly reduces the use of pesticides in agriculture and protects the environment. The ProPlanta joint project focused on the development of an intelligent system for the delivery of active ingredients to plants. Since 2007, the work of the German researchers has been supported by the German Federal Ministry of Education and Research with about 500,000 euros as part of the "Bioeconomy International" funding programme.

Fewer pesticides for more plant protection

Background to the project is the increasingly precarious situation on the orange plantations near São Paulo in Brazil. Xanthomonas citri, the pathogen of the citrus crab, has been raging here for some time. To combat the bacterium, fruit farmers are extensively using copper-based pesticides. "The soils are now highly contaminated with heavy metals," reports project coordinator Ulrich Schwaneberg. This method, which has been practiced for years, not only harms the environment, it is also expensive. Experts predict that in the future, around 1 billion US dollars will be needed over a period of ten years to keep citrus cancer in check.

"Our goal was to achieve greater effectiveness with fewer pesticides that are also readily biodegradable and have a specific effect on the pathogen," says Schwaneberg. To achieve this, the ProPlanta team developed two technology platforms: a system consisting of so-called bifunctional fusion proteins that combines an antimicrobial and a leaf-binding functional unit. In order for the molecules that act against bacteria and fungi to bind to the leaf and develop their effect, an anchor peptide was used that binds specifically and rainproof to the wax layer of leaves.

The treasury of plant health

"Like pins, the bifunctional peptides cover the wax layer with a dense molecular layer and can cover a surface of approximately 250 m2 with just one gram of bifunctional peptide," explains Schwaneberg. In a recent article published in the journal Science, this technology platform has already been praised as a "treasury of possibilities" for plant health.

Microgel containers release pesticides as required

The second system was to develop biodegradable microgel containers. These can be loaded with large quantities of a pesticide and, due to their cross-linking density, can release the active ingredient contained in them slowly and only as required. The microgel containers were provided with an anchor peptide so that these soft particles bind to the leaf surface.

Anchor peptides ensure better binding of active ingredients

The task of Schwaneberg’s working group was to tailor the so-called adhesion promoters for the two application systems.  The researchers' challenge was to find an anchor peptide that bound so tightly to the wax layers of the leaves that it literally floats along in the wax, even when the leaf is growing, and is not washed away by rain. The researchers have solved this problem. "The binding is achieved via a three-dimensional structure of the adhesion promoters, which thus binds significantly stronger than linear molecules currently used. Also, the soft microgel containers nestle against the leaf surface like a fried egg in a pan and form a film," explains Schwaneberg.

Vanillin gibt der Vanilleschote das charakteristische Aroma. Bei der Lebensmittel- und Parfümherstellung, aber auch in der Arzneimittelproduktion ist er einer der am häufigsten eingesetzten Aromastoffe. Mehrere zehntausend Tonnen werden dafür jährlich verwendet. Bisher wird künstlich erzeugtes Vanillin jedoch aus Erdöl hergestellt, wobei giftige Abfälle entstehen. Forscher der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ist es nun gelungen, eine nachhaltige Methode zur Gewinnung des begehrten Aromastoffes zu entwickeln. Ein Team um Siegfried Waldvogel nutzte dafür das Biopolymer Lignin – einen Holzbestandteil, der in großen Mengen als Reststoff bei der Herstellung von Zellstoff in der Papierindustrie anfällt.

Hochwertig und natürlich

Die Forscher gaben Lignin in Natronlauge, erhitzten das Gemisch auf 160 Grad Celsius und setzten es in einer einfachen Elektrolysezelle mithilfe von Nickel-Elektroden unter Strom. Bei der Elektrolyse wurde das Lignin oxidiert und zersetzt, es entstand Vanillin. Wie das Team im Fachjournal ACS Sustainable Chemistry & Engineering berichtet, ist der Aromastoff so hochwertig, dass er als „natürliches Vanillin“ deklariert werden darf. „Nach jahrelanger intensiver Forschung ist uns damit ein echter Durchbruch gelungen“, so Waldvogel.

Nachhaltig und wirtschaftlich

Vanillin wird auf verschiedene Weise gewonnen. Es kann direkt aus der Vanilleschote extrahiert werden oder biotechnologisch mithilfe von Mikroorganismen aus der Ferulasäure. Es gibt auch Vanillin, das bereits chemisch-synthetisch aus Lignin gewonnen wird (mehr dazu im Dossier Biobasierte Kosmetik). Die Mainzer Forscher sind jedoch überzeugt, dass ihre Methode zur Vanillin-Gewinnung signifikant besser ist, weil dabei kein giftiger Abfall entsteht. Auch wirtschaftlich sei die Methode der bisherigen überlegen, schreiben die Wissenschaftler. „Weil unsere Methode einen Vanillinertrag von rund vier Prozent des eingesetzten Lignins hat, könnte man damit theoretisch sehr leicht den weltweiten Vanillinbedarf decken“, sagt Waldvogel. Gespräche mit Industriepartnern laufen bereits.

Pilotanlage in Norwegen geplant

Im Rahmen des EU-Projekts Liberate wollen die Mainzer Forscher nun in Norwegen eine Pilotanlage errichten und das neuartige Verfahren in größerem Maßstab testen. Neben Vanillin sollen auch Chemikalien wie Antioxidantien oder Polyamid aus Lignin hergestellt werden.

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Vanillin gives the vanilla bean its characteristic flavor. It is one of the most frequently used flavoring substances in food and perfume production, but also in the production of pharmaceuticals. Several tens of thousands of tons are used annually. Until now, however, artificially produced vanillin has been made from petroleum, creating toxic waste. Researchers at the Johannes Gutenberg University in Mainz (JGU) have now succeeded in developing a sustainable method for obtaining the coveted aroma substance. A team led by Siegfried Waldvogel used the biopolymer lignin - a wood component that is produced in large quantities as a residual material in the production of cellulose in the paper industry.

High quality and natural

The researchers added lignin into caustic soda, heated the mixture to 160 degrees Celsius, and energized it in a simple electrolysis cell using nickel electrodes. During electrolysis, the lignin was oxidized and decomposed, producing vanillin. As the team reports in the trade journal ACS Sustainable Chemistry & Engineering, the flavoring agent is of such high quality that it can be declared as "natural vanillin".  "After years of intensive research, we have achieved a real breakthrough," says Waldvogel.

Sustainable and economical

Vanillin is obtained in various ways.  It can be extracted directly from the vanilla bean or biotechnologically from ferulic acid using microorganisms. There is also vanillin, which is already extracted chemically-synthetically from lignin. However, the researchers from Mainz are convinced that their method for obtaining vanillin is significantly better because it does not produce toxic waste. Economically, the method is superior to the previous one, the scientists write. "Because our method has a vanillin yield of approximately four per cent of the lignin used, it could theoretically very easily cover the worldwide demand for vanillin," said Waldvogel. Conversations with industrial partners are already in progress.

Pilot plant planned in Norway

As part of the EU project Liberate, the Mainz researchers now want to set up a pilot plant in Norway and test the novel process on a larger scale.

Buche, Eiche, Fichte und Kiefer: Trockenheit und Schädlingsbefall haben den Baumbestand in unseren Wäldern in den vergangenen 35 Jahren deutlich dezimiert, wie der Waldzustandsbericht im April darlegte. Wie es weltweit um alte Wälder steht, fasst nun eine internationale Studie zusammen, an der auch Forscher der Technischen Universität München beteiligt waren. Gemeinsam mit Wissenschaftlern aus den USA, Großbritannien, Panama, Österreich und der Schweiz ging ein Team um Rupert Seidl der Frage nach, wie der globale Wandel die Wälder in Zukunft verändern könnte.

In der Studie wurden Satellitenaufnahmen und 150 Studien verglichen, um das Wissen zum globalen Waldzustand zu bündeln. Dabei berücksichtigte das Team Faktoren wie Temperatur, CO₂, Luftfeuchtigkeit, Dürre, Waldbrände, Windwurf, Insekten und die Landnutzung. Das Ergebnis ist ein eher düsteres Bild: Der globale Wandel wirkt sich demnach sowohl auf das Wachsen als auch auf das Sterben von Bäumen aus. „Unsere Analysen zeigen, dass wir gerade einen Wechsel von überwiegend positiven Effekten des globalen Wandels hin zu einer Periode der wachsenden Limitierungen für Bäume erleben“, so Waldexperte Seidl.

Globales Baumsterben geht weiter

Danach ist der Anteil von Wäldern, die älter sind als 140 Jahre, seit 1900 von 89 auf 66 Prozent gesunken. Ursachen dafür sind Abholzung, verstärkter Holzeinschlag, Trockenheit sowie Stürme und Brände. Davon betroffen sind vor allem Tropenwälder, aber auch Wälder in Mitteleuropa. Nach Ansicht der Wissenschaftler wird sich das globale Baumsterben in Zukunft fortsetzen. Seidl zufolge werden vor allem große Bäume vom Aussterben bedroht sein, weil sie beispielsweise „dem Wind stärker ausgesetzt sind und es für sie schwerer ist, ihre Blätter kontinuierlich mit Wasser aus dem Boden zu versorgen“.

Negative Folgen für das Klima

Der Wald der Zukunft wird daher von kleinen Bäumen, offenen Beständen und weniger Biomasse bestimmt sein, wie die Wissenschaftler im Fachjournal "Science" schreiben. Diese Entwicklung wird sich wiederum negativ auf das Klima auswirken, weil dadurch weniger Kohlendioxid aus der Luft aufgenommen werden kann, was die Erderwärmung vorantreibt. Eine weitere Folge des Baumsterbens ist der Verlust der Biodiversität. Doch gerade die Diversität macht Wälder zu guten CO₂-Speichern, wie frühere Studien ergaben. Auch andere, für den Menschen wichtige Dienstleistungen des Ökosystems wie die Filterung von Trinkwasser und der Schutz vor Naturgefahren könnten darunter leiden.

Nachhaltiges Waldmanagement gefordert

Wie empfindlich Wälder auf Klimaextreme reagieren können, zeigten in Deutschland die beiden trockenen Hitzesommer 2018 und 2019. Eine Fläche so groß wie das Saarland wurde in diesen Jahren vernichtet. Den Forschern zufolge ist ein nachhaltiges Waldmanagement gefragt, um diesen Negativtrend zu stoppen.

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Beech, oak, spruce and pine: Drought and pest infestation have significantly decimated the tree population in our forests over the past 35 years, as the forest condition report in April showed. An international study, in which researchers from the Technical University of Munich were also involved, now summarizes how old forests stand worldwide. Together with scientists from the USA, Great Britain, Panama, Austria and Switzerland, a team led by Rupert Seidl explored the question of how global change could change forests in the future.

In the study, satellite images and 150 studies were compared in order to concentrate the knowledge on the global forest condition. The team considered factors such as temperature, CO2, humidity, drought, forest fires, windthrow, insects and land use. The result is a rather gloomy picture: global change thus affects both the growth and the death of trees. "Our analyses show that we are currently experiencing a shift from predominantly positive effects of global change to a period of growing limitations for trees," says forest expert Seidl.

Global tree loss continues

According to the study, the proportion of forests older than 140 years has fallen from 89 to 66 percent since 1900. The causes are deforestation, increased logging, drought and storms and fires. This mainly affects tropical forests, but also forests in Central Europe. According to the scientists, the global death of trees will continue in the future. According to Seidl, large trees in particular will be threatened with extinction, for example because they are "more exposed to the wind and it is more difficult for them to continuously supply their leaves with water from the soil".

Negative consequences for the climate

The forest of the future will therefore be dominated by small trees, open stocks and less biomass, as the scientists write in the journal "Science". This development will in turn have a negative impact on the climate because it means that less carbon dioxide can be absorbed from the air, which is driving global warming. Another consequence of tree death is the loss of biodiversity. But it is precisely this diversity that makes forests good CO₂ reservoirs, as previous studies have shown. Other ecosystem services that are important for humans, such as filtering drinking water and protection against natural hazards, could also suffer.

Sustainable forest management required

Just how sensitive forests can react to climate extremes was demonstrated in Germany by the two dry hot summers of 2018 and 2019. An area as large as the Saarland was destroyed during these years. According to the researchers, sustainable forest management is needed to stop this negative trend.

Wissenschaftlern der Universität Bielefeld ist es erstmals gelungen, 12-Oxophytodiensäure (12-OPDA) enzymatisch herzustellen, eine zentrale Vorstufe des Pflanzenhormons Jasmonsäure. Aus der Säure leiten sich die Jasmonate ab, mittels derer Pflanzen auf Verletzungen reagieren, sich gegenseitig vor Schädlingen warnen oder auch die Fruchtreifung steuern: „Jasmonsäure kann zum Beispiel die Freisetzung von giftigen Stoffen wie Nikotin in den Blättern anstoßen, die den Angreifern schaden“, erläutert der Biologe Karl-Josef Dietz. „Jasmonsäure wirkt auch heilend und kann in Gang setzen, dass sich beschädigte Blätter regenerieren.“

Chemische Synthese ist aufwendig

Pflanzenforscher interessieren sich sehr für Jasmonsäure und deren Vorstufen, um damit auf züchterischem Weg verbesserte Sorten zu erzeugen. Sollten beispielsweise bestimmte Fraßinsekten infolge des Klimawandels häufiger auftreten, könnten Pflanzen sich durch eine erhöhte Produktion der Jasmonsäure besser dagegen wehren. Doch nur wenige Milligramm 12-OPDA kosten schon mehrere Hundert Euro. „Der hohe Preis kommt durch die arbeitsintensive Herstellung zustande, da auf klassisch-chemischen Wege die Herstellung von 12-OPDA äußerst aufwendig und mit vielen Reaktionsstufen verbunden ist“, erklärt der ebenfalls am Forschungsprojekt beteiligte Chemiker Harald Gröger.

Enzymschritte der Pflanze nachgebildet

Gemeinsam haben die Bielefelder Forscher nun den Weg der Pflanze zur Bildung des Hormons nachgebaut, um 12-OPDA biotechnologisch herzustellen: „Wie die Pflanzen verwenden wir die einfach zugängliche Linolensäure in Kombination mit lediglich drei Enzym-Reaktionen“, erklärt Jana Löwe, Erstautorin der im Fachjournal „Advanced Science“ veröffentlichten Studie. Während die Linolensäure unproblematisch aus Rapsöl gewonnen werden kann, müssen die drei Reaktionsschritte der Enzyme genau abgestimmt sein. „Die Schwierigkeit war bisher die empfindliche, kurzlebige Zwischenstufe, die durch das zweite Enzym entsteht“, erklärt Gröger. „Wenn hier nicht sofort das dritte Enzym hinzugefügt wird, entstehen nicht brauchbare Produkte.“

Die Lösung des Problems bestand darin, das Bakterium Escherichia coli so zu optimieren, dass es die Enzyme für die Schritte zwei und drei in der richtigen Menge produziert. „Sobald die labile Zwischenstufe gebildet wird, ist das benötigte Enzym sofort zur Stelle und sorgt für die Herstellung von 12-OPDA“, erläutert Löwe den Trick. Der erste Schritt erfolgt unkompliziert durch ein kommerziell verfügbares Enzym aus Sojabohnen.

Günstiges Material für weitere Forschung

Das so erzeugte 12-OPDA kann nun direkt für die Forschung genutzt oder in weitere Produkte umgewandelt werden, die für Pflanzen relevant sind. „Damit steht uns eine Bibliothek von Abkömmlingen von 12-OPDA für pflanzenphysiologische Untersuchungen zur Verfügung“, freut sich Dietz. Und noch einen weiteren Einsatzzweck für das neue und günstige Verfahren sehen die Wissenschaftler: „Durch weitere Reaktionen könnte mit dem 12-OPDA zukünftig in effizienter Weise unter Umständen sogar Methyldihydrojasmonat hergestellt werden“, hofft Gröger. „Das ist eine Substanz, die als Inhaltsstoff für viele bekannte Parfüms benötigt wird.“

Das Vorhaben wurde über die Initiative „Nächste Generation biotechnologischer Verfahren – Biotechnologie 2020+“ des Bundesforschungsministeriums gefördert.

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Scientists at Bielefeld University have succeeded for the first time in enzymatically producing 12-oxophytodienoic acid (12-OPDA), a central precursor of the plant hormone jasmonic acid. The jasmonates are derived from the acidity, by means of which plants react to injuries, warn each other of pests or also control fruit ripening: "For example, jasmonic acid can trigger the release of toxic substances such as nicotine in the leaves, which harm the attackers", explains biologist Karl-Josef Dietz. "Jasmonic acid also has healing properties and can induce damaged leaves to regenerate."

Chemical synthesis is complex

Plant researchers are very interested in jasmonic acid and its precursors in order to produce improved varieties through breeding. For example, if certain feeding insects become more frequent as a result of climate change, plants would be better able to defend themselves against them by increasing their production of jasmonic acid. But just a few milligrams of 12-OPDA already cost several hundred euros. "The high price is due to the labour-intensive production process, since the production of 12-OPDA is extremely complex and involves many reaction stages using classical chemical methods", explains chemist Harald Gröger, who is also involved in the research project.

Enzyme steps of the plant reproduced

Together, the Bielefeld researchers have now reconstructed the plant's path to the formation of the hormone in order to produce 12-OPDA biotechnologically: "Like the plants, we use the easily accessible linolenic acid in combination with only three enzyme reactions" explains Jana Löwe, first author of the study published in the journal "Advanced Science". While linolenic acid can be easily extracted from rapeseed oil, the three reaction steps of the enzymes must be precisely coordinated. "The difficulty so far has been the sensitive, short-lived intermediate stage that is created by the second enzyme," explains Gröger. "If the third enzyme isn't added here immediately, it creates useless products."

The solution to the problem was to optimise the bacterium Escherichia coli so that it produced the enzymes for steps two and three in the right quantities. "As soon as the labile intermediate is formed, the required enzyme is immediately available and ensures the production of 12-OPDA" Löwe explains the trick. The first step is a simple one using a commercially available enzyme from soybeans.

Inexpensive material for further research

The resulting 12-OPDA can now be used directly for research or converted into other products that are relevant for plants. "This provides us with a library of descendants of 12-OPDA for plant physiological studies", Dietz is pleased. And the scientists see yet another purpose for the new and inexpensive process: "Through further reactions, the 12-OPDA might even be able to efficiently produce methyl dihydrojasmonate in the future," hopes Gröger. "This is a substance required as an ingredient in many popular perfumes."

The project was funded through the initiative "Nächste Generation biotechnologischer Verfahren – Biotechnologie 2020+" of the Federal Ministry of Education and Research.

Die Corona-Pandemie hat auch das Wissenschaftsjahr 2020 zur Bioökonomie getroffen. Zahlreiche Veranstaltungen im Rahmen des Wissenschaftsjahres mussten abgesagt werden. So wurde im April die Citizen-Science-Aktion „Expedition Erdreich“ um ein Jahr verschoben. Gleichzeitig scheint gerade die Corona-Krise immer mehr Menschen hierzulande für Nachhaltigkeit und Klimaschutz zu sensibilisieren, wie kürzlich eine Umfrage des Meinungsforschungsinstituts Civey im Rahmen des Wissenschaftsjahres offenbarte. Das Bundesminsterium für Bildung und Forschung (BMBF) will das Thema Bioökonomie noch breiter in die Gesellschaft tragen und hat das Wissenschaftsjahr zur Bioökonomie um ein Jahr bis Ende 2021 verlängert.

Wandel gemeinsam vorantreiben

„Ich freue mich auf ein verlängertes Wissenschaftsjahr zur Bioökonomie und damit verbunden auf eine Vielzahl an spannenden Veranstaltungen", sagte Bundesforschungsministerin Anja Karliczek anlässlich des Weltumwelttags. „Für eine lebenswerte Zukunft brauchen wir Innovationen, die Umweltaspekte mit wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Interessen in Einklang bringen. Die Bioökonomie ist ein wichtiger Treiber für den Wandel hin zu einem nachhaltigeren Wirtschaftssystem. Denn mit ihrer Fokussierung auf nachwachsende Rohstoffe und die effiziente Nutzung biologischen Wissens liefert sie vielversprechende Lösungsansätze für ein umwelt- und klimaverträglicheres Wirtschaften.“

Bis Ende 2021 wird das Wissenschaftsjahr nun die Bioökonomie ins Rampenlicht stellen, um die Öffentlichkeit von ihrem Potenzial zu überzeugen. „Mir ist wichtig, dass wir im Dialog mit den Menschen aufzeigen, was die Forschung hierzu bereits alles bereithält – von Energieerzeugung aus Biomasse, Autositzen aus Pflanzenfasern bis hin zu chemischen Grundstoffen pflanzlichen Ursprungs. Ein flächendeckender Wandel hin zur Bioökonomie kann aber nur gelingen, wenn wir ihn als Gesellschaft gemeinsam vorantreiben“.

Mitmach-Aktionen zu Bioplastik und nachhaltiger Mode

Das Wissenschaftsjahr ist die ideale Plattform, um den Dialog zum Thema Bioökonomie zu beleben. Karliczek läd daher alle Bürgerinnen und Bürger zum Mitmachen ein und kündigte neue spannende Aktionen an. So wird es ein neues Mitmach-Format mit Wettbewerb rund um die Herstellung und Nutzung von Biokunststoffen geben sowie Podcasts, die spannenden Einblicke in die Welt der Bioökonomie bieten. Auch ist ein Hackathon geplant, das einläd, Lösungsansätze für eine nachhaltige Mode zu entwickeln.

Auch 2020 noch viel geboten

Obwohl eine Vielzahl von Veranstaltungen und Aktionen aufgrund der Corona-Krise in das kommende Jahr verschoben werden muss, hält das verlängerte Wissenschaftsjahr 2020/21 auch in den kommenden Monaten spannende Beteiligungsmöglichkeiten bereit. Den technologischen Innovationen der Bioökonomie kommt hierbei ein besonderer Stellenwert zu. Auch die Förderprojekte des Wissenschaftsjahres 2020/21 bieten Bürgerinnen und Bürgern – unter anderem mit vielfältigen Online-Formaten – interessante Einblicke in die Bioökonomie.

Seit dem Start der Wissenschaftsjahr-Reihe im Jahr 2000 hat es bisher erst einen Doppelpack gegeben: 2016 und 2017 standen Meere und Ozeane im Fokus.

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Enzyme sind die treibenden Kräfte hinter den chemischen Reaktionen in lebenden Zellen. Sie werden deshalb auch als Biokatalysatoren bezeichnet und in biotechnologischen Prozessen eingesetzt, um Reaktionen zu ermöglichen. Wissenschaftler der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) und der Universität Pavia haben nun ein Enzym entdeckt, das einen in dieser Kombination bislang unbekannten Mechanismus besitzt: Zusätzlich zu seiner normalen Funktion kann durch blaues Licht eine weitere Reaktion ausgelöst werden, die jedoch die Anwesenheit eines bestimmten Moleküls erfordert, wie das Team im Fachjournal „Nature Communications“ berichtet.

Unterschiedliche Anwendungen denkbar

Durch Licht aktivierte, sogenannte fotoaktive Enzyme sind für eine Reihe von Anwendungen relevant. Sie ermöglichen beispielsweise die schrittweise Aktivierung von Reaktionen in einem mehrstufigen Prozess innerhalb eines Reaktionsgefäßes. Auch können auf diese Weise ausschließlich definierte, begrenzte Bereiche einer Oberfläche für eine Reaktion angeschoben werden. Nicht zuletzt erlaubt es dieser Mechanismus, pharmakologische Wirkstoffe so zu designen, dass sie erst infolge der Verstoffwechselung im Körper ihre Wirkung entfalten.

Cofaktor und Cosubstrat erforderlich

Im konkreten Fall stammt das fotoaktive Enzym namens PqsL aus dem Bakterium Pseudomonas aeruginosa und ist eigentlich an Reaktionen beteiligt, die unabhängig von Licht ablaufen. Wird jedoch der am Enzym angeheftete Cofaktor Flavin von Licht getroffen und ist ein sogenanntes NADH-Molekül als Elektronenspender anwesend, nimmt das Flavin zweimal ein Elektron auf und versetzt als Flavinradikal das Enzym PqsL in die Lage, ein Sauerstoffatom auf einen Reaktionspartner zu übertragen.

Weitere lichtaktivierte Enzyme wahrscheinlich

„Das von uns identifizierte Enzym ist Teil einer sehr großen Enzymfamilie, und es ist möglich, dass sich durch genetische Manipulationen weitere lichtschaltbare Enzyme erzeugen lassen, die in unterschiedlichen Anwendungen einsetzbar wären“, betont Studienleiter Steffen Drees vom Institut für Molekulare Mikrobiologie und Biotechnologie der WWU. Gleichzeitig ist es auch denkbar, dass das Enzym so verändert werden kann, dass es andere Reaktionen lichtabhängig ermöglicht, denn sein Flavinradikal weist ein sehr negatives Redoxpotenzial auf, kann also sehr gut Elektronen auf einen Reaktionspartner übertragen: „Aufgrund dieser Eigenschaft vermuten wir, dass auch zusätzliche Reaktionen möglich wären, die das katalytische Potenzial des Enzyms und möglicherweise auch weiterer Flavin-abhängiger Enzyme erweitern“, resümiert Susanne Fetzner, Leiterin der WWU-Forschergruppe.

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Enzymes are the driving forces behind chemical reactions in living cells. They are therefore also called biocatalysts and are used in biotechnological processes to enable reactions. Scientists at the Westfälische Wilhelms-Universität Münster (WWU) and the University of Pavia have now discovered an enzyme that has a mechanism that is so far unknown in this combination: In addition to its normal function, blue light can trigger another reaction, but this requires the presence of a specific molecule, as the team reports in the technical journal "Nature Communications".

Different applications conceivable

Photoactive enzymes activated by light are relevant for a number of applications. They enable, for example, the stepwise activation of reactions in a multi-step process within a reaction vessel. In this way, only defined, limited areas of a surface can be stimulated for a reaction. Last but not least, this mechanism allows pharmacological agents to be designed in such a way that they only develop their effect as a result of metabolism in the body.

Cofactor and cosubstrate required

In this specific case, the photoactive enzyme called PqsL comes from the bacterium Pseudomonas aeruginosa and is actually involved in reactions that occur independently of light. However, if the cofactor flavin attached to the enzyme is hit by light and a so-called NADH molecule is present as an electron donor, the flavin takes up an electron twice and as a flavin radical enables the enzyme PqsL to transfer an oxygen atom to a reaction partner.

Further light-activated enzymes probable

"The enzyme we have identified is part of a very large family of enzymes, and it is possible that genetic manipulation could produce further light-switchable enzymes that could be used in different applications", emphasizes Steffen Drees from the Institut of Molecular Microbiology and Biotechnology at the WWU Münster. At the same time, it is also conceivable that the enzyme can be modified in such a way that it enables other reactions depending on light, because its flavin radical has a very negative redox potential, which means that it can very well transfer electrons to a reaction partner: "Based on this property, we suspect that additional reactions would also be possible, which would extend the catalytic potential of the enzyme and possibly also of other flavin-dependent enzymes," concludes Susanne Fetzner, head of the WWU research group.

Mikroorganismen säubern Abwasserrohre

Die Sofidel-Gruppe hat ein Toilettenpapier entwickelt, das auch nach dem eigentlichen Zweck noch nützlich ist. Denn die Reinigungskraft von natürlichen, auf der Haut lebenden Bakterien lässt sich auch in heimischen Toiletten gezielt nutzen: Bakterien können die vielfältigsten organischen Stoffe abbauen. Auf diese Fähigkeit setzten die Entwickler des bioaktiven Toilettenpapiers. Wenn es mit Wasser in Berührung kommt, keimen die Bakteriensporen der Art Bacillus subtilis aus, vermehren sich und bauen die in Abwasserleitungen und Rohren vorhandenen organischen Substanzen ab. Krankheitserregenden Bakterien wird die Nahrung entzogen, sodass sie absterben, gleichzeitig werden Abwasserrohre von ihren Ablagerungen befreit.

Kanalisation wird entlastet

Das bioaktive Toilettenpapier trägt so zur Instandhaltung der Anlagen bei. Es verringert die Verstopfungsgefahr und mindert die Geruchsbildung. Da auch die Zellstoffstrukturen aus dem Papier aufgelockert werden, entlastet das Toilettenpapier zusätzlich die Kanalisation. Langfristig angewendet, sind weniger Wartungsarbeiten in Klärgruben notwendig.

Marktreife

Das Toilettenpapier ist im Handel erhältlich.

Die fossilen Ressourcen sind begrenzt, doch die Menschen verbrauchen immer mehr: Seit Jahren rückt der globale Erdüberlastungstag weiter vor. In diesem Jahr fällt der Stichtag, ab dem die Menschheit auf Pump lebt, auf den 22. August. Deutschland hatte seinen Anteil an den weltweit zur Verfügung stehenden Ressourcen bereits Anfang Mai aufgebraucht. „Langfristig wollen wir von der Nutzung begrenzter fossiler Ressourcen wegkommen – hin zu einer Wirtschaftsweise, die biologische Ressourcen und Prozesse nutzt“, sagte kürzlich Bundesforschungsministerin Anja Karliczek. Vor allem das Prinzip der Kreislaufwirtschaft birgt das Potenzial, durch eine Weiterverwertung Ressourcen und damit Umwelt und Klima gleichermaßen zu schonen. „Doch dafür müssen wir noch besser wissen, was wirklich nachhaltig ist“, so die Ministerin weiter.

Antworten liefert nun ein Forscherkonsortium, das in den vergangenen Jahren die Bioökonomie vermessen hat. Unter Leitung von Stefan Bringezu, Direktor des Center for Environmental Systems Research der Universität Kassel, entstand der erste Bericht zum Bioökonomie-Monitoring. Er zeigt, wie Bioökonomie in Deutschland funktioniert und welchen Einfluss biobasiertes Wirtschaften national und international auf Klima und Umwelt hat.

Mehr Rohstoffe importiert als exportiert

Im Bericht wurden biobasierte Rohstoffe aus Forst- und Landwirtschaft, Fischerei sowie Garten- und Landschaftsbau und Abfallwirtschaft unter die Lupe genommen. Rund 185 Millionen Tonnen Biomasse wurden 2015 in diesen Bereichen erzeugt. Sie werden vielfältig genutzt wie etwa für Nahrungs- und Futtermittel, zur Herstellung von Holzwaren aber auch für Dienstleistungen, zur Energiegewinnung sowie Forschung und Entwicklung. Mit 72 Millionen Tonnen werden jedoch noch immer mehr Rohstoffe importiert als exportiert.

Mit Blick auf eine biobasierte Kreislaufwirtschaft sehen die Autoren die Forst- und Holzwirtschaft bereits heute gut aufgestellt. Sie sei schon heute vergleichsweise nachhaltig auch weil Holz mehrfach verwendet werde, so die Autoren. Gerade die Holzwirtschaft würde wesentlich zur Kreislaufwirtschaft beitragen, da über die Hälfte der genutzten Holzfasern bereits aus Recycling und Reststoffen stamme. Auch seien die Holzvorkommen in Deutschland größer als der Bedarf. „Würden wir dieses Potenzial nutzen, könnte Deutschland seinen Holzbedarf selbst decken. Das ließe den Forstfußabdruck im Ausland erheblich sinken“, so ein Fazit des Berichts.

Der Bedarf an Fein- und Bulkchemikalien wie Zuckerderivaten, Aromaten, Alkoholen, organischen Säuren oder Enzymen in der Industrie ist hoch. Sie werden genutzt, um Pharmaka, Kosmetika, Lebensmittel, aber auch Chemikalien herzustellen. Enzyme finden in Waschmitteln oder in der chemischen Synthese eine wichtige Anwendung. Derzeit werden viele dieser Substanzen noch auf der Basis fossiler Ressourcen erzeugt. Doch es gibt biobasierte Alternativen: Die industrielle Biotechnologie erzeugt bereits heute viele dieser Substanzen mithilfe von Mikroorganismen. Nicht ohne Grund verzeichnet die Biotech-Branche kontinuierliche Steigerungen in Umsatz und Mitarbeiterzahlen. Die biotechnologische Produktion hat viele Vorteile: Sie ist effizient und vor allem nachhaltig.

Bioprozesse sind hochkomplex

Doch die Entwicklung neuer biotechnologischer Produktionsprozesse ist im Vergleich zu anderen Industriebranchen hochkomplex. Der Biotechnologe hat schier unfassbare Möglichkeiten, die Bedingungen zur Herstellung einer Substanz zu wählen. Schon kleinste Veränderungen bei der Produktion können enorme Auswirkungen auf Quantität und Qualität des Produktes haben. Denn Mikroorganismen sind Lebewesen. Jede dieser kleinen Biofabriken benötigt andere Bedingungen, um effizient zu arbeiten. Die Komplexität dieser Suche zeigt folgendes Zahlenspiel: Ausgehend von etwa zehn sogenannten Plattform-Stämmen können mit modernen genetischen Methoden große Stammbibliotheken mit mehreren Millionen Varianten erstellt werden. Wenn dann in dem Bioprozess noch Einflussgrößen wie pH-Wert, Sauerstoff oder Nährstoffe variiert werden, steigt die Zahl der Kombinationsmöglichkeiten schnell in eine Größenordnung von 600 Trilliarden an. Selbst mit den heute zur Verfügung stehenden Technologien ist das für den Menschen nicht zu bewältigen.

Digitalisierung macht Entwicklungen schneller und effizienter

Entwicklungszyklen in der Biotechnologie sind daher meist lang und zudem schwer vorhersagbar. Hier setzt das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit rund 2,8 Mio. Euro geförderte Verbundprojekt „Digitalisierung in der Industriellen Biotechnologie“ (DigInBio) an. Seit Anfang 2018 haben drei Partner das Ziel, die Möglichkeiten der Digitalisierung, Automatisierung und Miniaturisierung für die industrielle Biotechnologie zu erschließen. Dazu gehören Wissenschaftler vom Forschungszentrum Jülich, der Technischen Universität München und der Leibniz-Universität Hannover.

Marco Oldiges vom Forschungszentrum Jülich ist Koordinator des Verbundes und überzeugt: „Mithilfe der Digitalisierung können wir die Biotechnologie in Forschung und Entwicklung schneller und effizienter machen. Das gilt sowohl für die Wissenschaft als auch für die Industrie. Dabei ist es wichtig zu verstehen, dass es sich bei der konsequenten Anwendung von Digitalisierung und Miniaturisierung um nicht weniger als einen Paradigmenwechsel handelt. Der technische Mitarbeiter und der Wissenschaftler sind aktuell mit vielen zeitraubenden Routinetätigkeiten im Labor befasst. Digitale Workflows ermöglichen jetzt, dass diese wieder die Position des Wissenschaftlers und Entscheiders übernehmen können. Digitalisierung führt also nicht zu einem Wegfall von Arbeitsplätzen. Wir können vielmehr unsere Forschungskapazitäten steigern, das vorhandene Personal besser nutzen und so schneller zu Ergebnissen kommen. Für mich scheint das ein Schlüssel für die zukünftige Wettbewerbsfähigkeit zu sein.“

Die Entwicklung eines Impfstoffes gegen den Covid-19-Erreger läuft auf Hochtouren. Mit dabei sind auch deutsche Biotechnologie-Unternehmen wie die CureVac AG. Das Tübinger Unternehmen ist auf die Entwicklung von Arzneimitteln und Impfstoffen auf Basis des Nukleinsäuremoleküls Messenger-RNA (mRNA) spezialisiert. Am 15. Juni kündigte die Bundesregierung an, mit einer Minderheitsbeteiligung von 300 Mio. Euro bei CureVac einzusteigen.

Impfstoffentwicklung beschleunigen

„Die Technologie von CureVac hat das Potenzial, neue Impfstoffe und therapeutische Behandlungsmöglichkeiten für viele Menschen zu entwickeln und über den Markt zur Verfügung zu stellen. Die Bundesregierung beteiligt sich an diesem vielversprechenden Unternehmen, weil sie erwartet, damit Entwicklungen zu beschleunigen, und es CureVac finanziell zu ermöglichen, das Potenzial seiner Technologie ausschöpfen zu können“, so Bundeswirtschaftsminister Peter Altmaier. Laut Altmaier ist das Investment ein erster Schritt zur Umsetzung des Corona-Wirtschaftsförderungs- und Zukunftstechnologiepakets der Bundesregierung. Er stellt jedoch auch klar, dass der „Bund keinen Einfluss auf geschäftspolitische Entscheidungen von CureVac nehmen wird".

Erste klinische Test beginnen im Sommer

Das Investment wird durch die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) getätigt. Einzelheiten der Investition des Bundes sind laut Dietmar Hopp, Hauptinvestor von CureVac, Interims-CEO Franz-Werner Haas und Minister Altmaier in einem bereits abgesegneten Vertragsentwurf festgelegt. Die Mittel aus der Kapitalerhöhung will CureVac laut Haas für die Weiterentwicklung der Pipeline und mRNA-Plattformtechnologie einsetzen. Noch in diesem Sommer wollen die Tübinger Impfstoffspezialisten mit klinischen Tests eines Covid-19-mRNA-Vakzins beginnen. Am 17. Juni kam dafür grünes Licht vom Paul-Ehrlich-Institut, der zuständigen Behörde. 

"Ich freue mich, dass die Bedeutung der Biotechnologie auch von der Regierung erkannt wird und dass diese Schlüsselindustrie nun über die frühe Forschung hinaus gefördert wird“, so Hopp. Der frühere SAP-Gründer und Curevac-Hauptaktionär macht zugleich deutlich, dass die mRNA-Technologie  „nur eines der frühen und herausragenden Beispiele für visionäre unternehmerische Biotech-Innovationen aus Deutschland“ sei.

Die internationale Staatengemeinschaft und auch Hopp hatten stets betont, Covid-19-Vakzine müssten zur Versorgung aller Menschen dienen. Auf Gerüchte, wonach die US-Regierung einen Kauf oder eine Abwerbung von Führungspersonal erwogen habe, sagte Altmaier: "Germany is not for sale. Wir verkaufen nicht unser Tafelsilber."

Wie der Impfstoff funktioniert

CureVac verwendet für seine Impfstoffe den natürlichen Botenstoff mRNA als Überbringer für die Bauanleitungen von Proteinen. Injiziert man ein RNA-Präparat, so wird das Erbmolekül von einigen Körperzellen aufgenommen. Anhand dieser genetischen Bauanleitung beginnen die Zellen, Eiweißmoleküle zu synthetisieren. Sie stellen Antigene eines Krankheitserregers - im aktuellen Fall SARS-CoV-2 her, die in der Folge das Immunsystem stimulieren. Der Clou ist also, dass der Körper den Impfstoff selbst herstellt. Ein weiterer Vorteil - die RNA-Impfstoffe sind stabil und temperaturunempfindlich - sie müssen nicht kühl gelagert werden.

CureVac wurde bereits vielfach in seinen Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützt, darunter im Rahmen der Mittelstandsförderinitative "KMU-innovativ: Biotechnologie - BioChance".

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Insekten sind reich an Proteinen. Mit einem durchschnittlichen Proteingehalt zwischen 35% und 77% könnten die nährstoffreichen Kerbtiere vor allem in der Futtermittelindustrie Fischmehl und Soja ersetzen, die teuer importiert werden müssen. Seit 2017 sind in der EU sechs Insektenarten für die Tierernährung zugelassen, darunter die Schwarze Soldatenfliege. Start-ups wie FarmInsect sind seither dabei, die Insektenzucht in Deutschland aus der Nische zu holen. Das Münchner Start-up hat dabei aber nicht nur die Vermehrung der Insekten im großen Maßstab im Blick. Das Team um Geschäftsführer Thomas Kuehn will die Landwirtschaft revolutionieren.

Tierfutter aus Insekten selbst herstellen

Die Idee: Landwirte sollen ihr eigenes Proteinfutter aus regionalen Reststoffen mithilfe von Insekten herstellen. Auf diese Weise könnten sich Landwirte nicht nur von Importen wie Soja unabhängig machen. Durch die Nutzung von Agrarreststoffen zur Aufzucht der Insekten wird gleichzeitig ein Beitrag zur regionalen Kreislaufwirtschaft geleistet – denn Ressourcen werden effizienter genutzt sowie Kosten und CO₂ eingespart. Für diese nachhaltige Geschäftsidee konnte FarmInsect nun neue finanzkräftige Investoren gewinnen. Hilfe kommt von drei Business Angels, die das Münchner Start-up mit einem sechsstelligen Betrag bei der Kommerzialisierung unterstützen. Das frische Kapital wurde im Rahmen einer Seedfinanzierungsrunde eingeworben.

IT-Plattform lotst Landwirte durch die Insektenproduktion

Damit Landwirte Futter aus Insekten herstellen können, entwickelte FarmInsekt eine IT-Plattform, die mit zahlreichen Sensoren verbunden ist und den Landwirt automatisch durch den gesamten Prozess der Insektenproduktion führt. Vorkenntnisse zur Insektenzucht seien nicht nötig, erklärt Geschäftsführer Thomas Kuehn in einem Gespräch mit bioökonomie.de. Von einer Mühle zur Reststoffzerkleinerung bis hin zu einer Klimakammer für die Insektenhaltung decke die Anlage alle Produktionsschritte ab. 

Zum Einsatz kommt die Schwarze Soldatenfliege. „Sie hat ein sehr breites Futterspektrum und ist daher bestens geeignet, Reststoffe zu verwerten“, erläutert Kuehn. Fallobst, Grasschnitt, Kartoffeln, aber auch Biertreber, die als Reststoffe beim Bierbrauen anfallen, können Kuehn zufolge für die Insektenzucht genutzt werden. Aber nicht nur das: „Die Körper der Insekten können wieder als Dünger aufs Feld gebracht werden.“

Pilotanlage in Aquakultur-Betrieb geplant

Mit dem frisch eingeworbenen Kapital will das junge Unternehmen nun östlich von München eine Pilotanlage aufstellen. Nicht der Bauerhof wird hier zum Testfeld für FarmInsect, sondern die Fischzucht. Dafür hat das Start-up bereits mit einem der größten Fischzuchtbetriebe in Bayern einen Vertrag geschlossen. „Die Aquakultur ist ein sehr interessanter Bereich, weil wir dort Fischmehl durch Insekten ersetzen können“, so Kuehn.

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