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There ia war raging in nature: to gain advantages, microorganisms permanently use chemical molecules to fight against other microorganisms. Researchers at the University of Tübingen have now identified a molecule that could be used as a potent herbicide and that is harmless to humans. In the specialist journal "Nature Communications", they report on the first experiments with the new active substance.

A simple sugar stops the metabolism

The special but relatively simple sugar molecule has the chemical name 7-deoxy-sedoheptulose. The sugar produced by cyanobacteria is an antimetabolite: it replaces a chemically similar molecule in the metabolism of an organism and thus blocks the metabolic process. This can be fatal for the affected organism.

In the case of 7-deoxy-sedoheptulose, the molecule inhibits the growth of numerous plants, bacteria and fungi. The researchers from Tübingen were able to use mass spectrometry to show that the sugar blocks an enzyme from the Shikimat pathway. This metabolic pathway does not exist in animal or human cells, which is why the sugar molecule probably poses no danger to humans. The scientists have already been able to prove this in initial experiments.

Safe for humans and animals

However, the Shikimat pathway is precisely the metabolic process that is also blocked by the widespread herbicide glyphosate. “In contrast to glyphosate, the newly discovered deoxy sugar is an entirely natural product. We believed it to have good degradability and low ecotoxicity," said first author Klaus Brilisauer. The long-term goal is to replace controversial herbicides and thus also their degradation products that are harmful to health. Until then, the efficacy in the field, the degradability in the soil and the harmlessness to farm animals and humans will have to be confirmed in long-term studies.

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Wenn die Blütenknospen sprießen, ist der Frühling nicht mehr weit. Sie sind für uns Menschen das lang ersehnte Signal, dass der Winter bald zu Ende ist. Doch viele Pflanzen brauchen die Kälteperiode, um Knospen bilden und erblühen zu können. Das gilt insbesondere für ältere Pflanzen. Diesen Mechanismus haben Forscher vom Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtung in Köln genauer untersucht. Sie wollten wissen, inwiefern das Alter der Pflanzen deren Empfänglichkeit für Kälte beeinflusst.

Blühverhalten ein- und mehrjähriger Pflanzen im Visier

Wie die Forscher im Fachjournal „Science“ berichten, bestimmt die Aktivität des Proteins SPL15 das Alter, in dem mehrjährige Pflanzen in Kälte blühen. Zwar besitzen auch einjährige Gewächse das Protein. Diese sind jedoch nicht auf die Kälte angewiesen, um Knospen sprießen zu lassen. Einjährige Pflanzen keimen und blühen auch, sobald die Tage länger und wärmer werden. Um das unterschiedliche Blühverhalten bei Kälte von ein- und mehrjährigen Pflanzen zu ergründen, nahm das Team um Pflanzenforscher George Coupland die mehrjährige Alpen-Gänsekresse (Arabis alpina) und die einjährige Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) ins Visier.

Spezielles Protein kontrolliert Blütenbildung

Die Alpenkresse blüht nur nach längerer Kälte. Sie wächst in 3.000 Meter Höhe und hat das Talent, als junge Pflanze die Blüte nach der kalten Jahreszeit noch um einige Wochen zu verzögern. Hier stellten die Forscher fest: Die Blütenbildung wird eindeutig von der Aktivität des Proteins SPL15 kontrolliert – und das gleich doppelt. Zunächst übernimmt ein Protein namens PEP1 die Kontrolle und unterdrückt die Bildung des Kälteblüherproteins SPL15. PEP1 wird jedoch während einer längeren Kälteperiode blockiert, so dass SPL15 aktiv werden kann und die Knospenbildung auslöst.

Bei der jungen Alpenkresse entdeckten die Forscher noch einen weiteren Blühmechanismus. Diese Jungpflanzen bilden in hoher Konzentration eine kurze Ribonukleinsäure, die sogenannte microRNA156. Auch diese verhindert die Produktion des Kälteblüherproteins SPL15. Vergleichbares zeigte sich bei der einjährigen Ackerschmalwand, die auch als sehr junge Pflanze nach Kälte blühen kann. Im Unterschied zur Alpenkresse erfolgt hier die Knospenbildung nicht bei Kälte, sondern erst bei wärmeren Temperaturen. Der Grund: Das Kälteblüherprotein ist aktiv, weil die PEP1-Produktion weiter unterdrückt wird.

Molekulare Unterschiede bei Blütenknospenbildung

Die Studie der Kölner Pflanzenforscher belegt auch: Die Bildung der Blütenknospen bei ein- und mehrjährigen Pflanzen ist auf molekularer Ebene sehr verschieden. „Durch den Austausch eines einzigen Gens können wir eine wichtige Eigenschaft von ein- auf mehrjährige Pflanzen übertragen“, erklärt George Coupland. Das Team hatte die genetische Information des PEP-1-Proteins der mehrjährigen Alpen-Gänsekresse durch die der einjährigen Pflanzen ersetzt, so dass diese nun auch als junge Pflanze bei Kälte blühen konnte. Die Kölner Wissenschaftler haben damit einen Weg eröffnet, durch die gezielte Veränderung des Blühverhaltens Pflanzen besser an klimatische Bedingungen anzupassen.

Fett ist nicht gleich Fett

Während Algen in Japan zu den Grundnahrungsmitteln gehören, steht das Meeresgemüse hierzulande nur selten auf dem Speiseplan. Dabei sind Algen kalorienarm und liefern nicht nur viele wertvolle Vitamine, Mineralstoffe und Proteine, sondern auch die wertvollen Omega-3-Fettsäuren. Diese halten Herz und Gefäße jung, können aber von unserem Körper nicht selbst hergestellt werden.

In Deutschland populär – die Wurst

Deutschland ist bekannt für seine Vielfalt an Wurstsorten. Die Auswahl an der Metzgertheke ist groß. Im Durchschnitt verspeist jeder Deutsche jährlich etwa 30 kg Wurst und Schinken. Das Wurstmachen ist in Deutschland eine alte Handwerkskunst,. Diese hat im Laufe der Zeit über 1.500 verschiedene Wurstsorten hervorgebracht. Eine neue Variante fügte ein Unternehmen aus Schleswig-Hostein hinzu. Dort hatte man die Idee, Algen zu „verwursten". Die „Algenwurst“ enthält weder Fleisch noch Soja, sondern wird aus einer im Nordatlantik heimischen nährstoffreichen Meeresalge hergestellt.

Damit schlägt man zwei Fliegen mit einer Klappe: Zum einen werden die Menschen mit den wertvollen Nährstoffen der Alge versorgt, zum anderen können Algen eine wichtige Alternative zur Nahrungssicherung der Zukunft sein. Algen können praktisch überall angebaut werden und sie wachsen zehnmal schneller als alle anderen Pflanzen.

Marktreife

Vier Wurst-Alternativen aus Algen sind bereits erhältlich: eine Bratwurst, Currywurst, Wiener Wurst und ein Grillburger.

Glyphosat ist ein umstrittenes Unkrautvernichtungsmittel, das im Verdacht steht, krebserregend zu sein. Experten warnen zudem, dass Partikel des Pestizids auch über den Boden ins Grundwasser oder gar in Nahrungsmittel gelangen könnten. Noch darf der Unkrautvernichter hierzulande weiter genutzt werden. Im November 2017 hatte die EU-Kommission die Zulassung des Pestizids um fünf Jahre verlängert.

Pestizide einfach und schnell vor Ort aufspüren

Forscher und Unternehmen aus Dresden und Leipzig haben in den vergangenen Jahren an einem Messgerät gearbeitet, mit dessen Hilfe schnell und unkompliziert Glyphosat im Wasser und in Lebensmitteln nachgewiesen werden kann - und das obendrein kostengünstig. Die Entwicklung wurde auch vom Bundesforschungsministerium (BMBF) unterstützt. In den kommenden drei Jahren wollen die Kooperationspartner ihre bereits patentierte Technologie nun zur Markreife bringen. Mithilfe dieses biochemischen Tests sollen Pestizide schnell und einfach vor Ort aufgespürt werden können. Bisherige Nachweisverfahren sind aufwendig und teuer und können nur im Labor durchgeführt werden.

An der Entwicklung sind Forscher der Universität Leipzig, der Technischen Universität Dresden sowie die sächsischen Unternehmen Anvajo GmbH, UMEX GmbH und IfU GmbH Privates Institur für Umweltanalysen beteiligt. „Das Projekt führt die in den sächsischen Firmen und an den beiden sächsischen Universitäten vorhandenen Expertisen zusammen und bildet eine Plattformtechnologie für eine neue Art von einfach handhabbaren Vor-Ort-Analysesystemen, die in unterschiedlichen Anwendungen für einen breiten Nutzerkreis einsetzbar und wirtschaftlich vermarktbar sein soll“, sagt Kai Ostermann von der TU Dresden. Das jetzige Vorhaben, mit einem Gesamtvolumen von 1,9 Mio. Euro, wird von der UMEX GmbH Dresden geleitet und vom Land Sachsen und dem Europäischen Fond für Regionale Entwicklung (EFRE) gefördert.

Zwei Messsysteme für Diagnostik- und Verbraucherbereich

Mit der Entwicklung des Schnelltests wollen die Kooperationspartner auch zu einer sachlichen Diskussion über das Thema Glyphosat beitragen und helfen, Verunsicherungen in der Gesellschaft abzubauen. Geplant sind zwei Messsysteme für den Diagnostik- und Verbraucherbereich. Sie sollen auf dem Gebiet der Lebensmittelüberwachung, bei öffentlicher Gewässerüberwachung und Wasserversorgung wie in Umweltlaboren, Wasserwerken oder Abwasserverbänden einsetzbar sein. Darüberhinaus ist ein Messsystem geplant, das im Handel, in der dezentralen Trinkwasserversorgung, in kleinen und mittleren Unternehmen der Getränkeindustrie sowie in Einrichtungen des Gesundheitswesens Einsatz finden könnte. „Am Ende sollte ein kleines Tischgerät stehen, gegebenenfalls auch ein tragbares Handgerät, in das ein Auslesechip eingesteckt wird. Wir orientieren uns dabei an einem System unseres Projektpartners, der Firma Anvajo", erklärt Thilo Pompe vom Institut für Biochemie der Universität Leipzig. Pompe geht davon aus, dass in Zusammenarbeit mit Pilotkunden erste Geräte im Jahr 2023 auf dem Markt sein könnten.

Viele Nahrungspflanzen wie Erdbeeren sind zur Bestäubung auf Bienen und andere Insekten angewiesen. Setzen die Bauern dabei auf natürlich vorkommende Populationen, spielt der Standort des Anbaus eine große Rolle, wie Agrarwissenschaftler der Universität Göttingen im Fachjournal „Agriculture, Ecosystems & Environment“ berichten.

Hecken verbinden Lebensräume

Die Forscher haben sich dabei speziell mit Hecken auseinandergesetzt. Hecken gelten als wichtiges Landschaftselement, um die Fragmentierung von Lebensräumen zu verhindern und Insekten und Vögeln Schutzräume und Nahrung zu bieten. Wie sich Hecken auf den Ertrag angrenzender landwirtschaftlicher Produkte auswirken, war bislang wenig erforscht. In der Studie untersuchten die Forscher anhand von Erdbeeren, inwiefern die Lage des Feldes Einfluss auf die Bestäubungsleistung der Insekten hat. Dabei verglich das Team drei Szenarien des Erdbeeranbaus: inmitten einer Graslandschaft ohne Hecken, angrenzend an isolierte Hecken sowie Erdbeerfelder bei Hecken, die eine durchgängige Verbindung zu Waldflächen haben.

Standort beeinflusst Bestäubung

„Wir wollten nicht nur die positiven Effekte der Bestäuber, sondern auch mögliche negative Effekte durch schädliche Insekten untersuchen“, erläutert Denise Castle, Erstautorin der Studie. „Deshalb haben wir neben den blütenbesuchenden Fliegen und Bienen auch die in den Blüten fressenden Rapsglanzkäfer in die Studie aufgenommen.“ Das erwies sich als gute Entscheidung: Denn während die Käfer unabhängig vom Standort vergleichbare Schäden anrichteten, zeigte sich ein deutlicher Einfluss des Standorts auf die Bestäubung.

Bessere Qualität und Quantität durch verbundene Hecken

Gegenüber Erdbeerpflanzen an verbundenen Heckensystemen fiel der quantitative Ertrag bei isolierten Hecken 29% und ohne Hecken 32% geringer aus. Noch deutlicher wurde der Einfluss des zusammenhängenden Heckensystems bei der Qualität der Früchte: Bei Anbauten an waldverbundenen Hecken waren 90% der Erdbeeren vermarktungsfähig, an isolierten Hecken nur noch 75% und ohne Hecken lediglich 48%. Selbstbestäubte Kontrollpflanzen erreichten nur eine Quote von 41%.

Agrarökologe Ingo Grass bringt die wirtschaftliche Bedeutung der Hecken als Lebensräume von Agrarlandschaften auf den Punkt: „Der Marktwert der Erdbeeren war mit 14,95 Euro pro 1.000 Früchte an den mit Waldrändern verbundenen Hecken am höchsten und nahm mit zunehmender Isolation deutlich ab. 1.000 Früchte, die in den Grasstreifen geerntet wurden, erzielten nur noch einen Marktwert von 9,27 Euro.“

Phosphat in den Ausscheidungen von Nutztieren wie Schweinen und Geflügel stellt ein doppeltes Problem dar: Als Teil der Gülle belastet es zum einen Böden, zum anderen könnte es die Ernährung der Tiere bereichern, wären diese in der Lage, es bei der Verdauung aufzunehmen. Die Biotechnologie hat als Antwort auf dieses Problem Enzyme namens Phytasen gefunden: Werden diese dem Futtermittel beigemischt, setzen sie das im pflanzlichen Futter gebundene Phosphat frei und auch nicht-wiederkäuende Tiere können es verwerten. Biologen der Universität Göttingen haben nun Mitglieder dieser Enzymfamilie entdeckt, die über bislang bei Phytasen nicht bekannte Möglichkeiten verfügen. Über die Details berichten die Forscher im Fachjournal "mBio".

Vielfalt an bislang unbekannten Phytasen

Bislang waren vier Gruppen von Phytasen bekannt. Sie alle entstammen Organismen, die Forscher im Labor kultiviert und analysiert haben. Die Zahl der Organismen, die noch nicht im Labor untersucht wurden – oder bei denen es nicht gelingt, sie im Labor zu kultivieren –, ist jedoch weitaus größer. Genetiker analysieren daher direkt die gesamte DNA, die sie in bestimmten Umweltproben finden. Mithilfe der sogenannten Metagenomanalyse können sie auch Gene von Mikroorganismen analysieren, die im Labor nicht zu entdecken wären. Durch Vergleiche mit bekannten, ähnlichen Genen lassen sich dann Rückschlüsse auf deren Funktion ziehen. Auf diese Weise haben die Göttinger Forscher eine Vielfalt an Phosphatasen und Phytasen identifiziert, darunter neue Phytase-Subtypen mit bislang vollkommen unbekannten funktionellen Gruppen und neuen Eigenschaften.

Großes Potenzial für neue Prozesse

„Die derzeit kommerziell eingesetzten Phytasen stammen aus der Kultivierung einzelner Stämme von Mikroorganismen“, erläutert der Göttinger Mikrobiologe Rolf Daniel. „Dabei wird viel Potenzial zur Entwicklung neuer, effektiverer Prozesse durch den Einsatz verbesserter Enzyme verschenkt.“ Die neu entdeckten Enzyme könnten daher nicht nur die Herstellung von Futtermittelzusätzen verbessern, auch wenn die Wissenschaftler darin das größte kommerzielle Potenzial sehen. Aufgrund der neuen funktionellen Gruppen der Phytasen eröffnen diese auch große Chancen für die Entwicklung und Optimierung von Phytase-basierten Prozessen für die industrielle Anwendung, die Biotechnologie und im Bereich umweltverträglicher Technologien. Auch machen die schwindenden natürlichen Phosphor-Ressourcen und die Belastung der Phosphor-Lagerstätten mit Schwermetallen dringen neue Strategien zur Gewinnung und Wiederverwertung der Phosphate notwendig.

China ist mit 50% des Weltmarktvolumens der größte Markt für Babynahrung. Die deutsche Jennewein Biotechnologie GmbH möchte diesen Markt nun für ihre humanen Milch-Oligosaccharide erschließen und hat dazu eine Kooperationsvereinbarung mit der Inner Mongolia Yili Industrial Group geschlossen. Gemeinsam mit dem chinesischen Marktführer bei Milchprodukten will Jennewein eine Säuglingsnahrung und weitere Milchprodukte entwickeln, die speziell auf den chinesischen Markt zugeschnitten sind. Darüber hinaus soll in der Zusammenarbeit das Mikrobiom Neugeborener weiter erforscht werden.

Spezielle Zucker für eine gesunde Säuglingsentwicklung

Humane Milch-Oligosaccharide sind Bestandteile der Muttermilch, die sich wegen ihrer Komplexität auf chemischem Weg bislang nicht herstellen lassen. Deshalb enthalten die meisten heute erhältlichen Säuglingsersatznahrungen keine dieser speziellen Milchzucker. Jennewein Biotechnologie hat jedoch vor einigen Jahren ein biotechnologisches Verfahren für deren Herstellung entwickelt und damit die Weltmarktführerschaft bei humanen Milch-Oligosacchariden erlangt. Die speziellen Zucker schützen beispielsweise vor Krankheitserregern wie dem Norovirus und beeinflussen aufgrund ihrer präbiotischen Eigenschaften das Mikrobiom des Kindes, was für eine gesunde Entwicklung von großer Bedeutung ist.

Bereits in Europa und den USA aktiv

„Wir setzen uns dafür ein, dass auch chinesische Eltern und ihre Kinder von den Vorteilen humaner Milch-Oligosaccharide für die Entwicklung eines gesunden Mikrobioms der Neugeborenen profitieren können“, sagte Stefan Jennewein, Geschäftsführer und Mitgründer von Jennewein Biotechnologie, zum Abschluss der Kooperationsvereinbarung. Jennewein habe bereits in ausgewählten europäischen Ländern und den USA humane Milch-Oligosaccharide eingeführt und freue sich nun sehr auf die Zusammenarbeit mit Yili.

Seit vielen Jahren Erforschung der Muttermilch

Gerrit Smit, Managing Director des Yili Innovation Center Europe, erklärte seinerseits: „Die Yili Group engagiert sich bereits seit vielen Jahren für die Erforschung der Zusammensetzung der chinesischen Muttermilch und hat dazu unter anderem die Einrichtung einer chinesischen Muttermilch-Datenbank initiiert.“ Man freue sich daher sehr auf die künftige Zusammenarbeit mit Jennewein. Erst kürzlich hatte Jennewein eine neue Betriebsstätte erworben, um die Produktion humaner Milchzucker auszubauen.

China is the largest market for baby food with 50% of the world market volume. The German Jennewein Biotechnologie GmbH now wants to develop this market for its human milk oligosaccharides and has signed a cooperation agreement with the Inner Mongolia Yili Industrial Group. Together with the Chinese market leader in dairy products, Jennewein intends to develop an infant formula and other dairy products specifically tailored to the Chinese market. In addition, the cooperation will further research the microbiome of newborns.

Special sugars for healthy infant development

Human milk oligosaccharides are components of breast milk that cannot yet be produced chemically due to their complexity. This is why most baby substitutes available today do not contain any of these special milk sugars. However, a few years ago Jennewein Biotechnologie developed a biotechnological process for their production and thus achieved world market leadership in human milk oligosaccharides. The special sugars protect against pathogens such as the norovirus and, due to their prebiotic properties, influence the child's microbiome, which is of great importance for healthy development.

Already active in Europe and the USA

"We are committed to ensuring that Chinese parents and their children can also benefit from the advantages of human milk oligosaccharides for the development of a healthy microbiome in newborns," said Stefan Jennewein, Managing Director and co-founder of Jennewein Biotechnologie, at the conclusion of the cooperation agreement. Jennewein has already introduced human milk oligosaccharides in selected European countries and the USA and is now looking forward to working with Yili.

Many years of research into breast milk

Gerrit Smit, Managing Director of the Yili Innovation Center Europe, explained: "The Yili Group has been committed to researching the composition of Chinese breast milk for many years and has initiated, among other things, the establishment of a Chinese breast milk database for this purpose". They are therefore very much looking forward to working with Jennewein in the future. Just recently, Jennewein acquired a new plant to expand the production of human lactose.

bl/um

Es gibt Forschungsvorhaben, bei denen geht es buchstäblich um die Wurst. Eines davon ist das Projekt „BioPro: Biotechnologische Prozessentwicklung für neuartige Membranen auf Basis Kollagen“. Ein Verbund aus vier Partnern hat darin nach Wegen gesucht, Folien aus Kollagen nachhaltiger und homogener herzustellen, als es mit dem seit 125 Jahren etablierten Standardverfahren möglich ist. Die Praxistauglichkeit überprüfte das Weinheimer Unternehmen NATURIN Viscofan GmbH am Beispiel eines seiner Produkte: einer naturidentischen Hülle für Wurst.

Enzyme statt chemischer Prozessschritte

„Wir wollten den Herstellungsprozess optimieren, indem wir in der Prozessabfolge chemische Schritte durch Enzyme ersetzen“, erläutert Hans-Jörg Menger, der bei Naturin den Bereich Innovation und Diversifikation verantwortet. Die chemische Umwandlung des Kollagens sollte durch Enzyme unterstützt werden. Ziel sei es, Kollagen aus seiner natürlichen Struktur zu einer Membran zu extrudieren, die von der Lebensmittelindustrie verwendet werden kann.

Zunächst mussten geeignete Enzyme identifiziert werden. In Frage kamen sogenannte Proteasen – jedoch nicht alle. Um die Reißfestigkeit der Membran nicht zu beeinträchtigen, durften die Enzyme die Fasern nicht verkürzen. Projektpartner N-Zyme BioTec GmbH aus Darmstadt identifizierte fünf potenziell geeignete Enzyme, die Naturin im Projektverlauf erprobte. Diese Enzyme sollten die groben Makrokollagenfibrillen „auffasern“ und so die feinen Mikrokollagenfibrillen freilegen. Wie bei einem Teppich sollten diese Fibrillenfasern anschließend neu verwoben werden und eine Membran mit definierter Dicke und unterschiedlichen Durchlässigkeiten für wasseranziehende oder wasserabstoßende Substanzen bilden. Außerdem sollte das Verfahren die benötigte Kollagenrohmasse drastisch verringern, ebenso den Bedarf an Wasser, Energie und Chemikalien. Einen alternativen Weg innerhalb des Projektes verfolgte dabei die ASA Spezialenzyme GmbH. Sie sollte die Kollagenfolien in gewünschter Dicke aus Kollagen-Nanofibrillen mittels neuer Enzyme synthetisieren.

Prozessbedingungen an Enzyme anpassen

Bis es so weit war, musste Naturin jene Prozessschritte, in denen Enzyme eingesetzt werden sollten, an deren Wirkungsbereich anpassen – definiert vor allem durch Temperatur, Druck und pH-Wert. Um die bestmöglichen Voraussetzungen zu schaffen, hatten die Forscher die technisch möglichen Rahmenbedingungen der Prozesse bereits bei der Enzymauswahl berücksichtigt. „Nicht immer ließen sich die Schritte komplett anpassen“, berichtet Menger. Trotzdem konnte sein Team die Parameter sowohl im Labormaßstab als auch im halbtechnischen Maßstab so weit optimieren, dass am Ende ein wirtschaftlicher Prozess mit Enzymen möglich wäre.

Um die Ergebnisse der Enzymaktivitäten bewerten und das am besten geeignete Enzym auswählen zu können, hat Naturin gemeinsam mit dem Institut für Biologische Verfahrenstechnik an der Hochschule Mannheim eine Fasermessmethode entwickelt. Mit diesem speziellen mikroskopischen Verfahren analysierten die Projektpartner Länge, Dicke und Struktur der Fasern, wie sie nach dem Einsatz der Enzyme vorlagen. Nicht immer stimmten alle Parameter mit den Anforderungen überein, aber ein Enzym erwies sich als geeignet. „Unsere theoretischen Erwartungen haben sich in der Praxis alle bestätigt“, freut sich Menger.

The standard process for producing collagen films has been established for 125 years. Now, a consortium of four partners has been looking for ways to to this a more sustainable and homogeneous way in the project "BioPro: Biotechnological process development for novel collagen-based membranes". The Weinheim-based company NATURIN Viscofan GmbH tested the practical suitability of one of its products: a nature-identical casing for sausages.

Enzymes instead of chemical process steps

"We wanted to optimize the manufacturing process by replacing chemical steps with enzymes in the process sequence," explains Hans-Jörg Menger, who is responsible for Innovation and Diversification at Naturin. The chemical conversion of collagen was to be supported by enzymes. The aim is to extrude collagen from its natural structure into a membrane that can be used by the food industry.

First, suitable enzymes had to be identified. So-called proteases were considered - but not all of them. In order not to impair the tensile strength of the membrane, the enzymes were required not to shorten the fibres. Project partner N-Zyme BioTec GmbH from Darmstadt identified five potentially suitable enzymes that Naturin tested during the course of the project. These enzymes were to "fibrillate" the coarse macrocollagen fibrils and thus expose the fine microcollagen fibrils. As with a carpet, these fibrils were then rewoven to form a membrane with a defined thickness and different permeabilities for water-attracting or water-repellent substances. In addition, the process should drastically reduce the amount of collagen raw material required, as well as the need for water, energy and chemicals. ASA Spezialenzyme GmbH pursued an alternative path within the project. The company was to synthesise the collagen films in the desired thickness from collagen nanofibrils using new enzymes.

Adapting process conditions to enzymes

Until then, Naturin had to adapt the process steps in which enzymes were to be used to their range of action - defined primarily by temperature, pressure and pH value. In order to create the best possible conditions, the researchers had already taken the technically possible framework conditions of the processes into account when selecting the enzymes. "It is not always possible to completely adapt the steps," said Menger. Nevertheless, Menger's team was able to optimize the parameters both on a laboratory and semi-technical scale to such an extent that an economic process using enzymes would ultimately be possible.

In order to evaluate the results of enzyme activities and select the most suitable enzyme, Naturin and the Institute of Biological Process Engineering at the Mannheim University of Applied Sciences have developed a fibre measurement method. Using this special microscopic method, the project partners analyzed the length, thickness and structure of the fibres as they existed after the use of the enzymes. Not all parameters met the requirements, but one enzyme proved to be suitable. "Our theoretical expectations have all been confirmed in practice," said Menger.

Eisen ist ein lebenswichtiger Nährstoff, den Mensch und Tier auch über pflanzliche Kost aufnehmen. Nutzpflanzen beziehen das Spurenelement wiederum über die Wurzeln aus dem Boden. Doch nicht immer haben Pflanzenwurzeln Zugriff auf das durchaus reichlich gefüllte Nährstofflager in der Nachbarschaft. Der Grund: Umweltbedingungen können die Beschaffenheit des Bodens verändern und Pflanzen den Zugang zum Eisendepot erschweren. Diese Hürde meistern Nutzpflanzen offenbar problemlos: Sie passen die Wurzeleisengewinnung an den aktuellen Bedarf an. Dafür haben Pflanzen Strategien entwickelt, die es ihnen ermöglichen, sich frühzeitig auf umweltbedingte Schwankungen in der Nährstoffversorgung einzustellen.

Kalziumsignale entschlüsselt

Forschende der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) und der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) haben diesen Mechanismus anhand der Modellpflanze Ackerschmalwand genauer untersucht. Dabei entdeckte das Team eine neue Schaltzelle, welche die Reaktionen der Pflanze auf Eisenmangel steuert. Im Fokus der Untersuchung stand das Protein FIT, das in der Modellpflanze maßgeblich für die Regelung der Eisenaufnahme verantwortlich ist. „Wir konnten molekularen und zellulären Mechanismen auf die Spur kommen, die FIT mit der Entschlüsselung von Kalziumsignalen verknüpfen. Dies wiederum ist wichtig, wenn die Pflanze die Eisenaufnahme abhängig von äußeren Faktoren steuern muss“, erklären die beiden HHU-Forscherinnen Tzvetina Brumbarova und Petra Bauer. Bisher war unklar, inwiefern Eisen mit Kalzium etwas zu tun hat.

Enzym und FIT-Protein steuern Eisenaufnahme nach Bedarf

Wie das Team in der Fachzeitschrift „Developmental Cell“ berichtet, löst der Eisenmangel Kalzium-Signale aus, die ihrerseits den sogenannten FIT-Regulationsmechanismus maßgeblich beeinflussen. Der Studie zufolge kann das mit der Kalziumdetektion zusammenhängende Enzym CIPK11 mit dem FIT-Protein interagieren und dieses auch markieren. Durch die Aktivierung des FIT-Proteins kann die Pflanze demnach die Eisenaufnahme über die Wurzeln und die Speicherung des Nährstoffs in den Samen ganz nach Bedarf steuern.  

„Unsere Entdeckung hat Einfluss auf biologische und auch medizinische Fragestellungen, bei denen es um Nährstoffe, Entwicklungsprozesse und Stressverhalten geht“, erklärt WWU-Forscher Jörg Kudla. Das Team ist überzeugt, dass die Ergebnisse der Studie nicht nur für die Landwirtschaft von Bedeutung sind, sondern auch für die Züchtung neuer ertragreicher Nutzpflanzen, die dem Klimawandel trotzen.

Ob auf Gesteinen und Pflanzen, an Schiffsrümpfen oder auf Zähnen: Biofilme sind allgegenwärtig und werden nicht selten als störend empfunden. Beeindruckend ist jedoch die Kraft dahinter, mit der Zellen und Mikroorganismen auf den verschiedensten Oberflächen haften oder sich in Richtung Nahrungsquelle bewegen: Mit einer Größe von meist nur einigen Nanonewton ist sie so winzig, dass sie schwer messbar ist. Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen sowie von der finnischen Aalto University in Espoo haben nun eine Technik entwickelt, mit der diese mechanischen Kräfte präzise gemessen werden können. Im Fachjournal „Nature Protocols“ stellt das Team die neue Methode vor.

Krafteinwirkung auf Pipette direkt messbar

Bei dem neuartigen Messgerät handelt es sich um sogenannte Mikropipetten-Kraftsensoren. Die Mikropipette ist dabei eine hohle Glasnadel mit einem Durchmesser nicht größer als ein menschliches Haar. „Das Arbeitsprinzip der Mikropipetten-Kraftsensor-Technik ist eigentlich ganz einfach“, sagt Matilda Backholm, Wissenschaftlerin im Fachbereich Angewandte Physik der Aalto University. „Durch das Betrachten der Auslenkung einer kalibrierten Mikropipette können die Kräfte, welche auf die Pipette wirken, direkt gemessen werden.“

Beobachtung und Kraftmessung in einem Schritt

Die Messmethode hat gleich mehrere Vorteile: Zum einen kann sie auf eine große Bandbreite biologischer Systeme angewandt werden. Das Spektrum reicht von einer einzelnen Zelle bis zu Millimeter großen Mikroorganismen. Am Beispiel des Fadenwurms Caenorhabditis elegans und der Mikroalge Chlamydomonas reinhardtii haben die Forscher die Vielseitigkeit der Technik bewiesen. Zum anderen wird hier die Auslenkung des Sensors mit einem modernen optischen Mikroskop gemessen, wie Matilda Backholm erklärt. „Dadurch können wir die Form und die Bewegung des Mikroorganismus' genau studieren, während wir zeitgleich die Kräfte messen können.“

Breites Einsatzspektrum für neuartige Kraftmessung

Den Forschern zufolge sind Zelle oder Mikroorganismus während der Kraftmessung am Leben, so dass getestet werden kann, wie sie auf Medikamente, Nährstoffe, Temperatur oder andere Umweltfaktoren reagieren. „Die Kraftauflösung ist wirklich bemerkenswert. Durch unsere neuesten technologischen Weiterentwicklungen ist es uns gelungen, Kräfte von bis zu zehn Pikonewton zu messen. Damit ist die Technik fast genauso gut wie ein Rasterkraftmikroskop“, betont Oliver Bäumchen, Forschungsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen. Er ist überzeugt, dass diese vielseitige Technologie künftig auch in diversen anderen biologischen Systemen angewendet werden kann.

Es ist ein Schritt hin zu weniger Lebensmittelverschwendung: Das Europäische Institut für Innovation und Technologie mit Fokus auf Ernährung (EIT Food) hatte einen Wettbewerb für Master-Studenten und Doktoranden ausgeschrieben. Ziel war es, ein Produkt zu entwickeln, das auf Bananen, Brot und Kartoffeln basiert, die der Einzelhandel aufgrund abgelaufener Mindesthaltbarkeitsdaten wegwerfen würde. Gewonnen hat ein Team der Universität Hohenheim mit seinen „Banabooms“.

Produktidee für unverkäufliche Bananen, Kartoffeln und Brot

Die teilnehmenden Teams informierten sich zunächst im Handel darüber, in welcher Weise die Lebensmittel anfielen, die es zu verwerten galt. Außerdem trafen sie einen Backwarenhersteller, um seine Arbeitsweise kennenzulernen. Dann ging es daran, eine Produktidee und für diese Idee ein Geschäftsmodell zu entwickeln, einschließlich Verpackung und Vermarktung des Produkts. Partner aus der Industrie standen mit Rat und Tat zur Seite.

It is a step towards reducing food waste: The European Institute for Innovation and Technology with a Focus on Nutrition (EIT Food) has launched a competition for Master and PhD students. The aim was to develop a product based on bananas, bread and potatoes that would be thrown away by retailers due to expired best before dates. The winner was a team from the University of Hohenheim with their "Banabooms".

Product idea for unsaleable bananas, potatoes and bread

The participating teams first obtained information from retailers about how the food to be recycled was produced. They also met a bakery producer to find out how he worked. The next step was to develop a product idea and a business model for the idea, including packaging and marketing of the product. Partners from industry provided advice and support.

Pflanzen brauchen Wasser und Nährstoffe zum Wachsen. Beides gelangt über die Wurzeln aus dem Boden direkt in die Pflanzen. Die Qualität des Wurzelsystems bestimmt daher auch, wie ertragreich Gerste, Mais oder Raps sind. Das im Boden verborgene Wurzelwerk zu verbessern, war für Pflanzenzüchter bisher schwierig. Ein Forschungsteam der Angewandten Genetik am Institut für Biologie der Freien Universität in Berlin scheint diese Hürde genommen zu haben.

Hormonveränderung stärkt Wurzelsystem

Dabei konzentrierten die Forscher sich auf das Hormon Cytokinin, welches das Wurzelwachstum hemmt. Durch eine gezielte genetische Veränderung gelang es dem Team um Thomas Schmülling, den Gehalt dieses Hormons in den Wurzeln von Gerstenpflanzen zu reduzieren. Die Folge: Durch den geringeren Hormongehalt wurde das Wurzelsystem größer und die Gerstenpflanzen weniger anfällig für Wassermangel und damit resistenter gegen Trockenstress. Außerdem stellten die Forscher fest, dass Körner der veränderten Gerstenpflanzen über mehr Nährstoffe verfügten, da die Wurzeln ein größeres Bodenvolumen erschlossen. Vor allem der Gehalt an Zink war um bis zu 44 Prozent gestiegen.

Ernährung sichern und Umwelt schonen

Die Berliner Forscher sind überzeugt, dass ein solch verbessertes Wurzelsystem bei der Gerste oder anderen wichtigen Nutzpflanzen viele klimabedingte Probleme der Zukunft lösen könnte. Durch die verbesserte Wasserversorgung könnten Landwirte Wasser sparen. Eine verstärkte Nährstoffaufnahme könnte zudem dazu beitragen, den Einsatz von Düngern in der Landwirtschaft zu drosseln und damit die Umwelt weniger zu belasten. Den Zinkgehalt in den Getreidekörnern zu erhöhen, würde obendrein das Problem einer entsprechenden Mangelernährung nachhaltig lösen.

Der Einsatz von Düngemitteln ist eine wachsende Herausforderung in der Landwirtschaft, denn er sorgt dafür, dass sich Nitrat im Grundwasser ansammelt. Schon jetzt ist die Nitratbelastung in manchen Gebieten Deutschlands sehr hoch. Das Problem: Zu viel Nitrat ist schlecht für die Umwelt. Stickstoffeinträge in die Oberflächengewässer und Meere wirken eutrophierend. Das bedeutet, dass die eingetragenen Nährstoffe das Pflanzenwachstum anregen. Die Folgen sind Algenblüten und Sauerstoffmangel.

Natürliche Reinigungsprozesse im Fokus

Nun hat sich ein internationales Forscherteam unter Beteiligung von Wissenschaftlern der Universitäten Bayreuth und Leipzig den natürlichen Reinigungsprozessen im Boden gewidmet. Im Fachmagazin „PNAS“ berichten sie von einer neuen Methode, mit der sie die Vorgänge im Boden erstmals genauer messen können. Dabei stellten sie fest, dass Mikroben bei der Selbstreinigung des Bodens eine größere Rolle spielen als gedacht.

Bekannt ist bislang, dass reaktiver Stickstoff aus Düngemitteln teilweise von Pflanzen aufgenommen wird. Der Rest wird vor allem als Nitrat in tiefere Bodenschichten ausgespült und gelangt schließlich ins Grundwasser. „Die Prozesse, die sich in den tiefen Bodenschichten abspielen, werden durch unsere üblichen Messvorrichtungen jedoch kaum erfasst. Deshalb ist es meist schwer festzustellen, wie viel Stickstoff bis ins Grundwasser und die von ihm gespeisten Flüsse transportiert wird“, sagt Tamara Kolbe, Wissenschaftlerin an der schwedischen Universität für Agrarwissenschaften in Uppsala und Erstautorin der Studie.

Mikroorganismen setzen Nitrat in harmlosen Stickstoff um

Mit einer neuen Messmethode konnten die Forscher Daten zur Qualität und zum Alter des Grundwassers aus mehr als 50 Grundwasserbrunnen in Frankreich und den USA erheben. Überraschenderweise stellten sie fest, dass 80% der Brunnen Zeichen eines Abbaus von Nitrat in der Tiefe aufweisen. Dies führen sie auf die Existenz von energiereichen Mineralien und Mikroorganismen zurück, welche bei der Atmung Nitrat in harmloses Stickstoffgas umsetzen. Normalerweise nutzen Mikroben für diese Umwandlungsprozesse die Energie von organischem Kohlenstoff, etwa aus Pflanzenresten. Wie sie nun beobachten konnten, dienen den Mikroorganismen aber offenbar auch energiereiche Mineralien als Quelle, um Nitrat abzubauen.

„Dies ist auch deshalb eine gute Nachricht, weil Trinkwasser häufig aus Grundwasserleitern in großer Tiefe gewonnen wird“, erklärt der Bayreuther Forscher Stefan Peiffer, Mitautor der Studie. Allerdings bedeuten die Erkenntnisse nicht, dass stickstoffhaltiger Dünger bedenkenlos in unbegrenzter Menge auf die Ackerfläche ausgebracht werden darf. So warnt der Leipziger Mitautor Jan Fleckenstein: „Die Verfügbarkeit mineralischer Energiequellen für den mikrobiellen Nitratabbau im Untergrund ist endlich und das Schutzpotenzial des Untergrunds damit begrenzt.“

Bessere Nitratüberwachung im Grundwasser

Nach Aussage der Wissenschaftler kann auch noch dann Nitrat aus dem Grundwasser in Fließgewässer gelangen, wenn die Nitrateinträge im Grundwasser schon stark reduziert oder gestoppt wurden. Denn verschmutztes Wasser kann über längere Zeiträume im Untergrund unterwegs sein, unter Umständen ohne jemals die richtigen Bedingungen für den Nitratabbau anzutreffen, so die Forscher. Dies führt dann zu einer Zeitverzögerung zwischen einem umweltfreundlichen Management in der Landwirtschaft und einem gesunden Ökosystem. „Die Methoden, die wir im Rahmen unserer Studie entwickelt haben, lassen uns die Erholungszeiträume für kontaminierte Grundwasserleiter besser abschätzen. Dieses Wissen könnte Verantwortliche in der Umweltpolitik auch vor unrealistischen Erwartungen bewahren“, ergänzt Tamara Kolbe.

ih/sw

Das Gentechnik-Urteil des Europäischen Gerichtshofes (EuGH) war ein Paukenschlag: Im Juli vergangenen Jahres entschieden die obersten Richter, dass Organismen, die durch den Einsatz gezielter Mutagenese-Verfahren wie CRISPR-Cas gewonnen wurden, mit gentechnisch veränderten Organismen (GVO) gleichzusetzen sind, und damit unter die geltende GVO-Richtlinie fallen. Viele Umweltorganisationen haben das Urteil begrüßt, da sie der Nutzung von Gentechnik grundsätzlich kritisch gegenüberstehen und auch die neuen Technologien aus dieser Perspektive betrachten. Erst im Januar haben sich führende Nicht-Regierungsorganisationen zum „Aktionsforum Bioökonomie" zusammengeschlossen und in einer gemeinsamen Erklärung eine ökologische und sozial gerechte Bioökonomie gefordert (zur Stellungnahme als PDF). Sie kritisieren auch, dass es bislang unter dem Dach der Bioökonomie einen zu starken Fokus auf die Förderung von Gentechnik- und Biotechnologie-Verfahren gebe.

Kritik an strenger Auslegung durch das EuGH

In Wissenschaft und Wirtschaft überwiegt indes die Meinung, dass die neuen Technologien ein großes Potenzial für den Aufbau einer nachhaltigen Bioökonomie mit sich bringen. Sie sehen die strenge Einstufung der Genome-Editing-Verfahren durch das EuGH-Urteil zunehmend kritisch und sprechen sich für die Überarbeitung der GVO-Richtlinie aus. Neben wissenschaftlichen Beratern der EU forderte unlängst auch der Bioökonomierat von der Politik, das bestehende Gentechnikrecht zu modernisieren.

Doch welche Bedeutung hat die EuGH-Entscheidung aktuell für den Wissenschafts- und Wirtschaftsstandort Deutschland? Sind neue Züchtungsmethoden für die Landwirtschaft überhaupt notwendig, und wie geht es jetzt weiter? Diese und weitere Fragen rund um das Genome-Editing-Urteil haben Vertreter aus Politik, Wirtschaft, Wissenschaft und Zivilgesellschaft am 14. Februar bei der 8. Sondersitzung AGRAR in Berlin diskutiert. Auf Einladung der Agentur Genius wurde ein politisches Frühstück unter dem Motto „Heißes Eisen Grüne Biotechnologie“ organisiert, bei dem sowohl Befürworter als auch Kritiker des EuGH-Urteils zu Wort kamen.

Innovation versus Vorsorgeprinzip

René Röspel, SPD-Politiker und Mitglied des Deutschen Bundestages, verortete sich auf der Seite der Befürworter der Entscheidung der obersten Richter. „Wir müssen die Technologien im Hinblick auf die Risiken im Blick und das Vorsorgeprinzip im Auge behalten“, betonte Röspel. Aus seiner Perspektive gebe es zudem keine negativen Folgen durch das Urteil – weder für die Forschung noch für kleine und große Unternehmen. In eine ähnliche Richtung argumentierte Margret Engelhard, Fachgebietsleiterin am Bundesamt für Naturschutz: „Das sind wirkkräftige Technologien. Man muss die Spreu vom Weizen trennen.“ Sie sieht das Gentechnik-Recht dafür als geeignetes Werkzeug.

Die Definition wird ihrer Bedeutung nicht ganz gerecht: Sekundäre Pflanzenstoffe unterscheiden sich von den primären dadurch, dass sie für die Pflanze nicht lebensnotwendig sind. Dennoch haben sie vielfältige wichtige Funktionen. Sie schützen die Pflanze vor Krankheitserregern, Fressfeinden, Trockenheit oder UV-Strahlung, sie locken Bestäuber und Samenverbreiter an oder stabilisieren die Pflanze, indem sie Zellen verholzen lassen. Viele dieser chemischen Verbindungen nutzt der Mensch in der Medizin, der Lebensmittelindustrie und anderswo. Zu ihnen zählen Koffein, Nikotin und Morphin, aber auch Duftstoffe wie Menthol, Limonen und die verschiedenen roten und blauen Blütenfarbstoffe.

Untergruppe der Alkaloide

Pflanzenbiologen der Technischen Universität Braunschweig berichten nun im Fachjournal „Phytochemistry“ über die Entdeckung einer bislang unbekannten Klasse sekundärer Pflanzenstoffe, die sie Phytomodificine getauft haben. Die Arbeitsgruppe um Dirk Selmar hatte sich mit Alkaloiden des Kleinen Immergrüns Vinca minor beschäftigt, zu denen viele der sekundären Pflanzenstoffe zählen. Dabei stießen sie auf eine Gruppe von Verbindungen, die gestresste Pflanzen produzieren, indem sie andere, bereits vorhandene komplexe Naturstoffe modifizieren.

Dritte Klasse neben Phytoanticipinen und Phytoalexinen

Bislang haben Pflanzenforscher zwei Klassen von sekundären Pflanzenstoffen unterschieden: Eine Gruppe, die dauerhaft in Pflanzen gebildet wird, die sogenannten Phytoanticipine. Dazu zählen beispielsweise Gift- oder Bitterstoffe, die Fressfeinde abwehren sollen. Auch Stoffe, die automatisch aus Vorstufen entstehen, wenn eine Zelle abstirbt, zählen dazu. Bekanntes Beispiel ist die Schärfe des Radieschens: Das dafür verantwortliche Senföl entsteht erst unmittelbar im Anschluss an den Biss in die Knolle. Die zweite Gruppe sind die Phytoalexine, meist Teil des pflanzlichen Immunsystems. Sie werden erst als Reaktion auf eine Infektion komplett neu gebildet.

Funktion der Phytoanticipine noch unklar

Die Indol-Alkaloide des Kleinen Immergrüns hingegen werden unter Stress zu anderen Alkaloiden umgebaut, und zwar in lebenden Zellen. Damit erfüllen sie die Definition keiner der beiden zuvor bekannten Klassen. Welche Funktion diese neuen Alkaloide erfüllen, wollen die Braunschweiger Pflanzenforscher nun untersuchen. Bislang ist über diese Verbindungen kaum etwas bekannt – lediglich, dass ihre Vorläufer, die Indol-Alkaloide, eine wichtige Rolle in der Krebstherapie spielen.