Aktuelle Veranstaltungen

Ohne Tenside wäre die Welt um einiges schmutziger: Die oberflächenaktiven Moleküle bilden die Grundlage für Spülmittel, Waschmittel, Haushaltsreiniger und Körperpflegeprodukte. Ihre einfachste Form, die Seife, stellen Menschen schon seit Jahrtausenden her. Lange dominierten den Markt synthetische Tenside, die jedoch meist wenig hautfreundlich sind, auf Erdöl basieren und nicht biologisch abgebaut werden können. Letzteres konnten Forscher zwar in neueren Produkten lösen, doch die Zukunft, da sind sich Experten einig, gehört den sogenannten Biotensiden.

Biologisch abbaubare Biotenside

Biotenside werden von Mikroorganismen aus nachwachsenden Rohstoffen produziert. Sie sind biologisch abbaubar, unempfindlich gegen Wasserhärte und sanft zur Haut. Doch erst in den vergangenen Jahren kamen die ersten kommerziellen Produkte auf den Markt. Einen wichtigen Beitrag dazu hat nun das vom Bundeslandwirtschaftsministerium geförderte Verbundprojekt „Rhamnolipide dritter Generation – hergestellt auf Basis von Xylose“ geleistet.

Rhamnolipide, Verbindungen aus einer Fettsäure und einem Zuckerbaustein, eignen sich gut als Biotenside. Bekannt ist außerdem, dass das Bakterium Pseudomonas aeruginosa diese natürlicherweise produziert. Der Haken ist jedoch nicht nur, dass dies nur unter bestimmten, wachstumslimitierenden Bedingungen geschieht. Viel größer ist das Problem, dass P. aeruginosa ein Krankheitserreger ist, der wegen seiner multiresistenten Eigenschaften in Krankenhäusern gefürchtet wird.

Nebenprozess zur Lignocelluseherstellung

Wissenschaftlerteams der Universitäten Hohenheim und Ulm sowie der TU Braunschweig haben daher den Stoffwechselweg identifiziert, auf dem P. aeruginosa Rhamnolipide produziert und diesen mit gentechnischen Methoden in das harmlose Bakterium Pseudomonas putida übertragen. Zusätzlich ist es gelungen, dass die Mikrobe als Nährstoffe Xylose und weitere Zuckerfraktionen verwendet, die bei der Gewinnung von Lignocellulose aus Holz anfallen. Auch den Fermentationsprozess konnte das Team gemeinsam mit Industriepartner Evonik Industries AG optimieren.

Wertschöpfung für Holzwirtschaft

In Realversuchen bei Evonik wurde der neue Prozess mit den modifizierten Bakterien bereits erfolgreich getestet. Nun besteht die Hoffnung, durch die Kombination mit der Herstellung von Rhamnolipiden eine neue Wertschöpfung für die Lignucelluloseproduktion aus deutschen Wäldern zu generieren.

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Die Transportwege vom Anbau bis zum Verbraucher zu verkürzen, ist eine der zentralen Motivationen für die urbane Landwirtschaft. Weitere Punkte sind Ressourceneffizienz im Anbau und vor allem auch die Kreislaufführung wertvoller Ressourcen. Vertikale hydroponische Farmen verkörpern diesen Ansatz mustergültig: Darin wachsen die Pflanzen in flüssiger Nährlösung statt in Erde, und mehrere Ebenen dieser Anbauflächen können problemlos übereinandergestapelt werden, was den Grundflächenbedarf minimiert. In Berlin testen Forscher nun, ob solche Farmen auch mit aufbereitetem Grauwasser versorgt werden können.

Salat an der Duschrückwand

In der Beachvolleyballanlage „Beach 61“ im Gleisdreieckpark hat das Team der TU Berlin an der Rückseite der Duschen acht zwei Meter hohe Vierkantsäulen als vertikale Farmen installiert – der „Shower Tower 61“. Mit üblichen Methoden wird das Abwasser der Duschen aufbereitet und dient dann zur Berieselung der Pflanzenwurzeln in den hydroponischen Farmen. Salate, Kräuter, Kohl, Rüben und essbare Blüten wachsen dort in jeweils 16 Pflanzrohren je Vierkantsäule. Gefördert wird das Projekt vom Bundesministerium für Bildung und Forschung.

Projekt als Machbarkeitsstudie

„Vier Fragen sind es, die wir mit unserer Farm analysieren wollen“, erläutert Grit Bürgow, Leiterin des Projekts. „Erstens: Gelingt es, Duschwasser mit gängigen Technologien so aufzubereiten, dass es für die Nahrungsmittelproduktion verwendet werden kann und die Salate und Kräuter für den Verzehr völlig unbedenklich sind? Zweites: Eignet sich eine solche vertikale hydroponische Farm für die lokale kommerzielle wie nichtkommerzielle Lebensmittelproduktion in einem städtischen Umfeld wie Berlin? Drittens: Gelingt es, die Bevölkerung in ein solches Projekt dauerhaft einzubinden mit dem Ziel, dass solche blau-grünen Infrastrukturen von den Menschen künftig eigenverantwortlich betrieben und genutzt werden? Viertens: Welche Auswirkungen hat eine solche Hydroponik-Farm kombiniert mit verdunstungswirksamen Schilf-Hochbeeten auf das städtische Mikroklima?“

Beachbar als künftiger Nutzer?

Sollte sich bestätigen, dass das gebrauchte Duschwasser so aufbereitet werden kann, dass es die DIN-Norm für Bewässerungswasser erfüllt und damit gesundheitlich unbedenklich für den Einsatz mit Nahrungsmitteln ist, geht es als nächstes um die Frage der weiteren Verwendung des Reallabors. Ein zukünftiger Nutzer der Kräuter und Salate aus dem „Shower Tower 61“ könnte nämlich die benachbarte Beachbar sein, mit deren Betreibern die Forscher bereits in engem Austausch stehen. „Dieser Austausch ist wichtig, um herauszufinden, auf welche Akzeptanz solche innovativen Ideen für die städtische Nahrungsmittelproduktion in der Bevölkerung stoßen, ob die Betreiber Interesse daran haben, die Salate und Kräuter in ihrer Beachbar zu verwerten, und es ein realistisches Szenario wäre, dass sie nach Ablauf der Reallaborforschung eine solche Farm mit oder gar in eigener Regie bewirtschaften würden.“

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Um die Bioökonomie voranzutreiben, braucht es neben Innovationen auf breiter Ebene vor allem das Wissen um das Potenzial biobasierter und nachhaltiger Entwicklungen. Dazu gehört die Ausbildung von Studenten auf dem Gebiet der Bioökonomie und sie dabei zu fördern, biobasierte Geschäftsideen umzusetzen. Dieses Ziel verfolgt die Initiative Bio Innovation Growth mega Cluster kurz BIG-Cluster. Gefördert vom Bundesforschungsministerium sollen die Region Flandern in Belgien, die Niederlande und das Bundesland Nordrhein-Westfalen zum Weltmarktführer für biobasiertes Innovationswachstum werden.

Unternehmertum und Innovationskraft von Studenten fördern

Im Rahmen des BIG-Cluster-Projektes CROSS-border Bio-Economy Education wurde nun eine neue Runde des internationalen Studentenwettbewerbs "Global Biobased Businessplan Competition - G-BiB" ausgerufen. Das Finale findet im Rahmen der CLIB International Conference am 4. und 5. Februar 2021 vor internationalem Publikum statt. Der Wettbewerb soll Unternehmertum und Innovationsfähigkeit unter Studenten auf der ganzen Welt fördern und die Potenziale ihrer wissenschaftlichen Arbeit unterstützen.Teilnehmer aus Deutschland, Finnland und dem Vereinigten Königreich treffen beim finalen Ausscheid auf Experten und Berater, die sie für Gründungen fit machen und die beste Idee für ein nachhaltiges Produkt prämieren. 

Länderteams beim nationalen Halbfinale gekürt

Studenten - vom Bachelorstudenten bis zum Doktoranden - können sich bis zum 10. Oktober 2020 mit ihren Geschäftsideen zu biobasierten Prozessen und Produkten zur Teilnahme anmelden. Gesucht sind Teams mit Studenten aus den verschiedensten Bereichen, deren Ideen einen multidisziplinären Ansatz verfolgen. Gefragt sind beispielsweise Geschäftsideen, die auf der Entwicklung eines nachhaltigen, biologisch erneuerbaren Produkts wie Biotreibstoffe und Biomaterialien oder Teillösungen und Verfahren basieren. Bei der Erstellung eines Businessplans, bei der Vorbereitung der Präsentation sowie im Umgang mit der Presse erhalten die Teilnehmer Unterstützung. Die besten Teams der drei Länder werden jeweils im November bei einem nationalen Halbfinale von einer Fachjury aus Investoren und Wissenschaftlern gekürt.

Die G-BiB 2020/2021 wird vom Smart Chemistry Park organisiert und vom Wissenschaftspark Turku in Finnland, dem Cluster industrielle Biotechnologie in Deutschland und dem THYME-Projekt in Großbritannien betrieben.

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Plastik ist aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. Doch die Herstellung und Entsorgung von Kunststoffen belastet zunehmend die Umwelt, da sie zu großen Teilen aus Erdöl bestehen und nur schwer abbaubar sind. Die Bioökonomie setzt daher auf Biokunststoffe, die aus nachwachsenden Rohstoffen oder Rest- und Abfallstoffen bestehen. Um Biokunststoffe herzustellen sind keinesfalls nur hochmoderne Technologien und Verfahren nötig. Die Zutaten für einen umweltfreundlichen Kunststoff sind auch in jedem Haushalt zu finden.

Kreatives aus selbstgemachten Biokunststoffen 

Um Bioplastik herzustellen, braucht es vor allem drei Dinge: Milch oder Speisestärke und Zucker. Wie aus diesen gewöhlichen Backzutaten ein biobasierter Kunststoff entsteht, verraten die Rezepte für den bundesweiten Wettbewerb "Mein(e) Plastik ist Bio", der nun im Rahmen des Wissenschaftsjahres zur Bioökonomie gestartet ist. Mit dem Event lädt das Bundesforschungsministerium dazu ein, die eigene Küche zum Kreativlabor zu machen und aus selbst hergestellter Bioplastik Alltags- und Designgegenstände zu kreieren. Eine detailierte Anleitung zeigt, wie Bioplastik schnell und unkompliziert zu Hause hergestellt werden kann.

Wettbewerb lockt mit tollen Preisen

Die Mitmach-Aktion "Mein(e) Plastik ist Bio" wird von einem bundesweiten Wettbewerb flankiert, in dem die kreativsten Ideen ausgezeichnet werden. Interessierte können sich bis 30. November 2020 über die Projektseite beim Wissenschaftsjahr als Teilnehmer registrieren und Fotos oder Videos einreichen.  Die Aufnahmen sollten entweder den Gestaltungsprozess und/oder das Endergebnis abbilden und eine kurze Beschreibung enthalten. Eine Fachjury aus Wissenschaflern, Künstlern und Designern wird abschließend über die Preisvergabe entscheiden.

Die Auszeichnungen werden dabei in verschiedenen Kategorien und Altersgruppen vergeben. Zu gewinnen sind ein hochwertiges Fahrrad, ein fair produziertes Smartphone sowie eine ECOlunchbox und ein Klimakochbuch. Darüberhinaus wird ein Publikumspreis vergeben, der wiederum mit einer zweitägigen Reise nach Berlin für zwei Personen oder eine Übernachtung in einem luxuriösen Baumhaus belohnt wird.
 

It is impossible to imagine everyday life without plastic. However, the production and disposal of plastics is increasingly polluting the environment because they consist largely of petroleum and are difficult to break down. The bioeconomy therefore focuses on bioplastics that consist of renewable raw materials or residual and waste materials. Producing bioplastics requires by no means only state-of-the-art technologies and processes. The ingredients for an environmentally friendly plastic can also be found in every household.

Creative from self-made bioplastics

To produce bioplastics, three things are needed above all: milk or cornstarch and sugar. How these common baking ingredients are turned into a bio-based plastic is revealed in the recipes for the nationwide competition "Mein(e) Plastik ist Bio", which has now been launched as part of the Wissenschaftsjahr, which this year is dedicated to the bioeconomy. With this event, the Federal Ministry of Education and Research invites people to turn their own kitchen into a creative laboratory and create everyday and design objects from self-made bioplastics. Detailed instructions show how bioplastics can be produced quickly and easily at home.

Competition attracts with great prizes

The join-in campaign "Mein(e) Plastik ist Bio" is flanked by a nationwide competition in which the most creative ideas are awarded. Interested parties can register as participants and submit photos or videos until 30 November 2020 via the project page of the Wissenschaftjahr. The photographs should depict either the design process and/or the final result and include a brief description. An expert jury of scientists, artists and designers will make the final decision on the award.

The awards are presented in various categories and age groups. The prizes are a high-quality bicycle, a fairly produced smartphone, an ECOlunchbox and a climate cookbook. In addition, a public prize will be awarded, which in turn will be rewarded with a two-day trip to Berlin for two people or an overnight stay in a luxurious tree house.

Ob Minifarmen im Supermarkt oder Gemüseanbau auf Dachterrassen: Die urbane Landwirtschaft hat viele Gesichter und ist vor allem in Millionenstädten gefragt, wo Anbauflächen knapp sind. Gerade mit Blick auf die Ernährung einer stetig wachsenden Bevölkerung und den Folgen des Klimawandels gerät die Landwirtschaft schon heute unter Druck. Eine nachhaltige und umweltschonende Lösung kann das sogenannte Vertical Farming sein. Nicht nur Start-ups, auch Großunternehmen haben das Potenzial des mehrstöckigen Anbaus mittlerweile erkannt.

Spezielle Gemüsesorten für Vertical Farming entwickeln

So hat das Leverkusener Unternehmen Bayer mit der Investment-Firma Temasek aus Singapur soeben ein Start-up gegründet mit dem Ziel, im Vertical Farming neue Maßstäbe bei Qualität, Effizienz und Nachhaltigkeit zu setzen. Das Unternehmen namens Unfold will gezielt neue Saatgutsorten aus den Genen von Gemüsepflanzen für den Anbau in mehrstöckigen Gewächshäusern entwickeln. Dafür stehen Unfold 30 Mio. US-Dollar aus einer ersten Finanzierungsrunde als Startkapital zur Verfügung. Außerdem erhält das junge Unternehmen bestimmte Rechte am Bayer-Portfolio für Gemüsesaatgut.

„Die Investition in Unfold ist ein hervorragendes Beispiel für eine transformative, kreative Entwicklung von Agrarprodukten, die genau auf die Bedürfnisse der Verbraucher und der Landwirte sowie den Schutz der Umwelt abgestimmt sind“, erklärt Jürgen Eckhardt, Leiter der Investment-Einheit „Leaps by Bayer“. „Wir verbessern so den Zugang zu frischem Obst und Gemüse, fördern eine nachhaltige und lokale Produktion und tragen zu einer sicheren Versorgung einer wachsenden Stadtbevölkerung mit Nahrungsmitteln bei.“

Metropolen mit regionalem Obst und Gemüse versorgen

Mit der Gründung des Start-ups wollen Bayer und Temasek auch die steigende Nachfrage nach regionalen Obst- und Gemüsesorten in den Großstädten bedienen und damit die Ökobilanz der Lebensmittel verbessern. „Die globalen Herausforderungen der Ernährungssicherung nehmen zu“, sagt John Vaske, Leiter des Bereichs Agribusiness bei Temasek, das seinen Hauptsitz in der Megametropole Singapur hat. „Deshalb ist es notwendig, dass wir unsere herkömmlichen Anbaumethoden über- und auch weiterdenken. Wir müssen für sichere Lieferketten vom Erzeuger zum Verbraucher in den Städten sorgen und gleichzeitig die Umweltbelastung durch die Landwirtschaft verringern.“

Start-up bekommt Hauptsitz in den USA

Seinen Hauptsitz wird das neu gegründeten US-Unternehmens im kalifornischen Davis haben und darüber hinaus Vertriebs-, Forschungs- und Entwicklungsstandorte sowohl in Kalifornien als auch in Singapur unterhalten.

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Den Kohlendioxid-Ausstoß zu drosseln ist eines der zentralen Ziele, die auch die Bundesregierung mit ihrer Klimapolitik verfolgt, denn das Treibhausgas ist wesentlich für die Erderwärmung verantwortlich. Ein vielversprechender Ansatz, um CO₂-Emissionen zu reduzieren, ist die Nutzung von Kohlendioxid als Rohstoffquelle. Das Klimagas für die Herstellung von Chemikalien zu verwenden, stand auch im Fokus des EU-Projektes CELBICON, an dem Forscher des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB maßgeblich beteiligt waren.

Dreistufige Prozesskette etabliert

Darin verfolgte das Team um IGB-Projektkoordinator Lénárd-István Csepei einen völlig neuen Weg, um einen klimaneutralen und wirtschaftlich effektiven Produktionsprozess zur Chemikalienproduktion zu etablieren. Es entwickelte eine dreistufige Prozesskette, die Adsorption, Elektrochemie und Biotechnologie verbindet. Durch die Kombination von elektrochemischer und biotechnologischer Umwandlung gelang es, aus dem aus Luft adsorbiertem Treibhausgas CO₂ einen terpenoiden Farbstoff herzustellen. „Indem wir – neben CO₂-Adsorption und elektrochemischer Umwandlung – auch die Syntheseleistung von Bakterien aus der Natur nutzen, können wir komplexere Moleküle herstellen und damit wertschöpfende Produkte, die das neue Verfahren wirtschaftlich machen“, erklärt Projektkoordinator Lénárd-István Csepei.

Mit atmosphärischem CO₂ Ameisensäure hergestellt

Um atmosphärisches CO₂ verwerten zu können, muss das Team zunächst das Treibhausgas aus der Luft adsorbieren. Hierfür wurde vom Schweizer Projektpartner Climeworks auf dem Gelände des IGB in Straubing eine Demonstrationsanlage errichtet, die mit Hilfe von CO₂-Kollektoren Luft ansaugt, woraufhin das Gas von einem speziellen Filtermaterial im Inneren gebunden wird. In sogenannten Elektrolysezellen, die mit Strom betrieben werden, wurde CO₂ über elektrochemische Reaktionen zu einfachen C1- und C2-Verbindungen wie Ameisensäure umgewandelt. „Wirtschaftlich wird die elektrochemische Produktion erst dann, wenn es gelingt, die Verbindungen weiter in höherwertige Produkte umzusetzen“, sagt Csepei.

Mit Bakterien zum roten Farbstoff

Das gelang den Forschern im nächsten Schritt. Bei der biotechnologischen Umwandlung wurden mit Hilfe des Bakteriums Methylobacterium extorquens einfache Kohlenstoffverbindungen wie Ameisensäure in einen komplexen roten Farbstoff umgewandelt. „Wir konnten zeigen, dass die in der Fermentation eingesetzte Ameisensäure zu 14 Prozent in den terpenoiden Farbstoff überführt wird“, erklärt Jonathan Fabarius, der die Arbeiten zur Fermentation am IGB leitete. Fabarius zufolge wird der Farbstoff über den mikrobiellen Terpenstoffwechsel gebildet. Andere Bakterien hatten weniger effektiv gearbeitet, weil sie energiereichere Zuckermoleküle anstatt Ameisensäure oder Methanol als Energiequelle benötigen.

Erfolgreicher Test in Pilotanlage

Die von den Forschern im Labor entwickelte dreistufige Prozesskette wurde abschließend in die automatisierte Elektrolyseur-Demonstrationsanlage integriert und das System aus CO₂-Adsorber und Elektrolyseur im kontinuierlichen Betrieb validiert. „Mit unserer neuen Technologie lässt sich CO₂ elektrochemisch in C1-Zwischenprodukte und diese dann mit einer kombinierten Fermentation zu wertschöpfenden Verbindungen umwandeln“, fasst Projektleiter Csepei zusammen. Derzeit sind die Forscher dabei, die genaue Struktur des Farbstoffes aufzuklären.

Kombiverfahren für Produktion kleiner Mengen geeignet

Zudem könnten durch die Optimierung der Organismen und des Fermentationsschrittes auch Basischemikalien wie Milchsäure, Isopren oder das Biopolymer Polyhydroxybuttersäure klimaneutral hergestellt werden. Da Kohlendioxid vor allem dezentral anfällt, könnten mithilfe des neuen Kombiverfahrens auch kleinere Mengen hochwertiger Chemikalien nun wirtschaftlich effektiv hergestellt werden.

Das Projekt "Cost-effective CO₂ conversion into chemicals via combination of Capture and ELectrochemical and BIochemical CONversion technologies – CELBICON" wurde im Rahmen des EU-Forschungsprogrammes Horizon 2020 von der Europäischen Union gefördert.

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Die Artenvielfalt der Natur beherbergt einen schier unermesslichen Schatz an biologisch aktiven Substanzen, die dem Menschen von Nutzen sein können. Ein bekanntes Beispiel ist das aus dem Schimmelpilz Penicillium chrysogenum gewonnene Antibiotikum Penicillin. Weniger bekannt ist das Antibiotikum Erogorgiaene. Es wird in geringer Menge von der Hornkoralle Antillogorgia elisabethae produziert. Einem Team der TU München ist es nun mit internationalen Partnern gelungen, diesen Wirkstoff in Bakterien herzustellen.

Beim Tauchgang entdeckt

Für den TU-Forscher Thomas Brück ist die Hornkoralle keine Unbekannte. Schon vor 17 Jahren faszinierte ihn die Riffbewohnerin während eines Tauchgangs auf den Bahamas. Seitdem interessiert sich der Wissenschaftler für Antillogorgia elisabethae und die zahlreichen von ihr gebildeten biologisch aktiven Substanzen.

Eine einfache Ernte der Korallen, um ihre Wirkstoffe zu gewinnen, ist jedoch nicht möglich. Denn obwohl die Korallen unter Schutz stehen, ist ihr Bestand bereits gefährdet. Das von ihnen produzierte entzündungshemmende Molekül Pseudopterosin ist in der Kosmetikindustrie begehrt und der Verkauf der Hornkoralle entsprechend lukrativ. „Korallenriffe speichern das Klimagas Kohlendioxid und schaffen eine sehr hohe Biodiversität“, warnt Brück. „Wenn wir die Riffe der Welt schützen wollen, müssen wir solche biologisch aktiven Naturstoffe, die medizinisch nutzbare Aktivitäten besitzen, auf nachhaltige Weise herstellen.“

Umweltfreundlich und günstiger

Das wäre grundsätzlich auf einem chemisch-synthetischen Weg möglich, doch dann würde ein Kilo des gegen multiresistente Tuberkulose-Erreger wirksamen Antibiotikums Erogorgiaene 21.000 Euro kosten. Hinzu kämen im Prozess entstehende giftige Abfälle. Die Wissenschaftler haben deshalb den Stoffwechselweg, auf dem eine Vorstufe des Antibiotikums in den Korallen gebildet wird, in Kolibakterien übertragen. Diese verwenden als Substrat sogar Glycerin und damit einen Reststoff aus der Biodieselproduktion. Mithilfe weiterer Enzyme wird dann in einem zweiten Schritt auf der Vorstufe das fertige Antibiotikum – ohne jeden Abfall und günstig: „Die Produktionskosten pro Kilo würden mit diesem Verfahren nur noch bei etwa 9.000 Euro liegen“, betont Brück. Details berichten die Forscher im Fachjournal "Green Chemistry".

Weitere Moleküle im Blick

Das Verfahren wurde inzwischen zum Patent angemeldet, und die Forscher haben bereits die nächste Aufgabe in den Blick genommen: Das Molekül Erogorgiaene wollen sie weiter umwandeln in den entzündungshemmenden Wirkstoff Pseudopteropsin.

Gefördert wurde das bisherige Forschungsvorhaben im Rahmen der Fördermaßnahme „Bioökonomie International“ durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Projekt „Optimized microbial conversion of biomass residues for sustainable production of high value diterpene bio-actives“ (OMCBP) sowie durch die Werner-Siemens-Stiftung.

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Enzyme sind in lebenden Zellen das, was Katalysatoren in der synthetischen Chemie sind: Sie machen die jeweilige Reaktion thermodynamisch erst möglich oder beschleunigen sie auf eine relevante Geschwindigkeit. Im Gegensatz zur klassischen Chemie benötigen Enzyme jedoch so gut wie nie teure Edelmetalle zur Katalyse, sondern besitzen in ihrem reaktiven Zentrum gut verfügbare Nichtedelmetalle. Das macht Enzyme für viele industrielle Anwendungen interessant. Einen Haken hat die Sache jedoch: Viele Enzyme reagieren empfindlich auf Sauerstoff.

Hochempfindliche Katalysatoren

„Solche hochempfindlichen Katalysatoren für Biobrennstoffzellen zu nutzen, ist nach wie vor eine der größten Herausforderungen bei der nachhaltigen Energieumwandlung“, sagt Wolfgang Schuhmann, Leiter des Zentrums für Elektrochemie an der Ruhr-Universität Bochum und Mitglied im Exzellenzcluster „Ruhr Explores Solvation“, kurz: Resolv. Gemeinsam mit zwei weiteren Forschungseinrichtungen haben die Bochumer ein Verfahren entwickelt, um zwei wichtige Enzyme trotz der eigentlich widrigen Reaktionsbedingungen höchst effektiv einzusetzen.

Hydrogenase für Biobrennstoffzelle

Im Fachjournal „Angewandte Chemie“ berichtet das Team um Schuhmann zusammen mit Kollegen vom Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion in Mülheim an der Ruhr von einer Biobrennstoffzelle, in der die Forscher das Enzym Hydrogenase aus dem Bakterium Desulfovibrio desulfuricans nutzen konnten. Die Lösung bestand in einem sogenannten Redoxpolymer, in das das Enzym eingebettet wurde. Die Matrix aus dem Polymer verhindert den schädlichen Kontakt mit Sauerstoffmolekülen, ermöglicht aber den elektrischen Kontakt zwischen Enzym und Elektrode. Auf diese Weise gelang es, für Biobrennstoffzellen eindrucksvolle Leistungsdaten zu erzielen: Stromdichten von 14 Milliampere pro Quadratzentimeter und Leistungsdichten von 5,4 Milliwatt pro Quadratzentimeter.

Nitrogenase für Bioelektrosynthese

Ebenfalls im Fachjournal „Angewandte Chemie“ schildern die RUB-Forscher zusammen mit Kollegen der US-Universität in Salt-Lake City ein biobasiertes Verfahren für die Ammoniakproduktion. Die traditionelle Methode, um Ammoniak herzustellen, ist das Haber-Bosch-Verfahren – alt, bewährt, aber aufgrund des nötigen Drucks und der nötigen Temperatur sehr energieintensiv. Das Enzym Nitrogenase beherrscht ebenfalls den dazu nötigen Trick, um die außergewöhnlich starke Doppelbindung aufzubrechen, die zwischen zwei Stickstoffatomen besteht. Allerdings kann die Nitrogenase das bei Normaldruck und Raumtemperatur. Dazu benötigt sie jedoch ebenfalls für Zellen viel Energie in Form des Speichermoleküls ATP. Die Forscher haben nun auch hier mittels eines Redoxpolymers das Enzym fixiert und eine Verbindung zu einer Elektrode hergestellt, über die die nötige Reaktionsenergie von außen zugeführt werden kann. Damit hat das Team einen wichtigen Meilenstein erreicht, um die Bioelektrosynthese von Ammoniak durch Nitrogenasen zu ermöglichen.

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Welche Macht üben wir auf die Natur aus? Wie viel Macht hat Natur über uns? Und was sind die Rahmenbedingungen für unser Leben von morgen? Diesen grundsätzlichen Fragen in Bezug auf Natur und Technik widmete sich in dieser Woche die Veranstaltungsreihe Wissenschaft kontrovers. Auf der Paneldiskussion „Fortschritt – Macht – Verantwortung" diskutierten der Insektenbiotechnologe Marc Schetelig von der Universität Gießen mit dem Technikphilosophen Thomas Hilgers (Universität Potsdam) und der ökologischen Landwirtin Katrin Rust vom VERN e.V. im STATE Studio in Berlin Schöneberg über Macht und Verantwortung in einem zukünftigen Leben mit der Bioökonomie.

Den Diskurs über neue Technologien suchen

„Wir haben wirkmächtige technische Werkzeuge, die Auswirkungen auf alle Lebewesen haben, hierfür ist ein gesellschaftlicher Diskurs notwendig“, leitete Jannis Hülsen, Initiator der Veranstaltung, die Runde ein. „Mit dem Projekt Farming the Uncanny Valley wollen wir ergründen, wie wir diesen Diskurs führen können.“ Die Diskussionsrunde ist Teil des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekts, welches das Unbehagen ergründet, das viele Menschen in Bezug auf biotechnologische Entwicklungen hegen. Das Projekt wird von der Universität der Künste Berlin, Fraunhofer UMSICHT, der Kunst & Wissenschaftsgalerie STATE Studio und dem Marktforschungsunternehmen YOUSE umgesetzt.

Die Notwenigkeit einer Technikfolgenabschätzung

Mit Hilfe der Sterilen Insektentechnik (SIT) forscht der Insektenbiotechnologe Marc Schetelig an einer Technologie, die nicht selten ein solches Unbehagen hervorruft. Mittels Gentechnik werden sterile Insekten erzeugt, die nicht mehr fortpflanzungsfähig sind. Bringt man diese Tiere ins Freiland aus, sorgen sie dafür, dass sich die jeweilige Insektenpopulation allmählich dezimiert. Die Technologie ist ein vielversprechendes biologisches Schädlingsbekämpfungsmittel, welches zukünftig im Kampf gegen von Insekten übertragenen Krankheiten wie Malaria eingesetzt werden kann. Da die Technologie im Unterschied zu chemischen Mitteln auf eine bestimmte Insektenarten abzielt und nicht unspezifisch alle Insekten angreift, trägt sie auch zum Schutz der Biodiversität bei. „Solche Systeme sollten natürlich nicht unerforscht eingesetzt werden“, so Schetelig. „Für die Technikfolgenabschätzung sind belastbare Daten aus Studien unabdingbar.“

Zeitdruck beim Entwickeln von Lösungen

Die ökologische Landwirtin Katrin Rust arbeitet bei VERN e.V. daran, historisches Saatgut zu erhalten und zu rekultivieren. Dieses alte Saatgut sieht sie als wichtige genetische Ressource für die Zukunft. Den modernen Züchtungstechnologien steht sie kritisch gegenüber, ihr bereitet es Unbehagen, dass durch diese Technologien Merkmale so schnell verändert werden. „Der Faktor Zeit ist ein wichtiger Aspekt, denn heute herrscht bei solchen Technologien ein großer Innovationsdruck“, ergänzte der Technikphilosoph Thomas Hilgers. Marc Schetelig gab allerdings zu bedenken, dass „in der Geschwindigkeit, in der der Mensch die Natur zerstört, keine Zeit bleibt, auf natürliche Technologien zu warten".

Abschließend stellte sich in der Diskussionsrunde die Frage, ob Gentechnik mit Biodiversität zu vereinen sei. „Man muss jeden Fall einzeln anschauen. Das Tool allein ist nicht gut oder schlecht. Es kommt darauf an, wie man es nutzt“, resümierte der Marc Schetelig.

Ausstellung präsentiert Projektergebnisse

Aus dem Projekt Farming the Uncanny Valley ist außerdem die Ausstellung MACHT NATUR hervorgegangen. Sie präsentiert Ergebnisse aus Workshops, die Gefühle des Unbehagens, die sich im Kontext von biotechnologischen Entwicklungen in der Gesellschaft abzeichnen. Für die Workshops wurden Orte im ländlichen und städtischen Raum ausgewählt und inszeniert, um Widersprüche zwischen dem Verständnis und dem Umgang mit Natur aufzudecken.

Beispiele aus der aktuellen Forschung wurden in Szenerien übersetzt, um Aspekte für ein zukünftiges Leben mit Bioökonomie in der Lebenswelt erfahrbar und diskutierbar zu machen. Die Ausstellung zeigt, wie sich Teilnehmer diesen Szenerien näherten, eigene Positionen dazu entwickelten und öffnet für die Besucher einen Diskursraum zum Mitgestalten. Die Ausstellung findet im Rahmen des Wissenschaftsjahres Bioökonomie statt und ist noch bis zum 12.09.2020 im STATE Studio in Berlin zu sehen.

ih

Sandelholzöl wird gewöhnlich aus dem Holz und den Wurzeln des weißen Sandelholzbaumes gewonnen. Er wächst vor allem in tropischen Regionen wie Indien und benötigt 30 Jahre bis zur vollen Reife. Doch das Gewächs ist durch massiven Raubbau bedroht und steht bereits auf der Roten Liste der Weltnaturschutzunion. Mit Santalol bringen BASF und Isobionics nun eine Alternative zum Sandelholzöl auf den Markt.

Der neue Duftstoff wird biotechnologisch mit Hilfe von Bakterien erzeugt. Als Ausgangsstoff für die Fermentation dient Maisstärke, die nach Angaben der Unternehmen aus gentechnikfreiem Mais, der in Europa angebaut wird, gewonnen wird. Santalol ist vor allem für die Anwendung in Parfümen und exklusiven Körperpflegeprodukten geeignet, heißt es.

Natürliche Ressourcen schonen

„Mit unserer Neuentwicklung reagieren wir auf die Bedürfnisse unserer Kunden, die Zuverlässigkeit bei der Rohstoffversorgung fordern. Isobionics Santalol ist im höchsten Maße verfügbar und schont die natürlichen Ressourcen. Es bietet für unsere Kunden eine gleichbleibende hohe Qualität und ist unabhängig von Wetter- und Erntebedingungen“, sagt Steffen Goetz, Leiter des Geschäftsbereiches Aroma Ingredients der BASF.

Santalol erweitert Produktportfolio

Santanol ist das erste gemeinsame Produkt, das der Leverkusener Chemiekonzern und der niederländische Aromahersteller auf den Markt bringen. Im September vergangenen Jahres hatte BASF das auf die biotechnologische Herstellung von Riech- und Geschmacksstoffen spezialisierte Unternehmen gekauft, um sein Portfolio an natürlichen Inhaltsstoffen zu erweitern. Zu Isobionics Produkten zählen vor allem Zitrusölkomponenten wie Nootkaton (Grapefruitaroma) und Valencen (Orangenaroma). „Echtes Sandelholzöl zu ersetzen, ist eine Herausforderung, die uns mit Isobionics Santalol geglückt ist“, so Toine Janssen, Gründer von Isobionics.

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Sandalwood oil is usually extracted from the wood and roots of the white sandalwood tree. It grows mainly in tropical regions like India and needs 30 years to reach full ripeness. But the plant is threatened by massive overexploitation and is already on the Red List of the World Conservation Union. With Santalol, BASF and Isobionics are now launching an alternative to sandalwood oil.

The new fragrance is produced biotechnologically with the help of bacteria. The starting material for the fermentation process is corn starch, which according to the companies is obtained from GMO-free corn grown in Europe. Santalol is particularly suitable for use in perfumes and exclusive body care products, they claim.

Conserve natural resources

"With our new development, we are responding to the needs of our customers, who demand reliability in the supply of raw materials. Isobionics Santalol is highly available and conserves natural resources. It offers our customers consistently high quality and is independent of weather and harvesting conditions," said Steffen Goetz, head of BASF's Aroma Ingredients division.

Santalol extends product portfolio

Santanol is the first joint product to be launched by the Leverkusen chemicals group and the Dutch flavor manufacturer. BASF bought the company, which specializes in the biotechnological production of fragrances and flavors, in September last year to expand its portfolio of natural ingredients. Isobionics products include above all citrus oil components such as nootkatone (grapefruit aroma) and valencen (orange aroma). "Replacing genuine sandalwood oil is a challenge that we have succeeded in meeting with Isobionics Santalol," says Toine Janssen, founder of Isobionics.

Nature's biodiversity harbors an almost immeasurable treasure of biologically active substances that can be of benefit to humans. A well-known example is the antibiotic penicillin, which is extracted from the mold Penicillium chrysogenum. Less known is the antibiotic Erogorgiaene. It is produced in small quantities by the horn coral Antillogorgia elisabethae. A team from the TU Munich has now succeeded with international partners in producing this active ingredient in bacteria.

Discovered during the dive

For the TU-researcher Thomas Brück the horn coral is no unknown. Already 17 years ago, the reef inhabitant fascinated him during a dive in the Bahamas. Since then the scientist has been interested in Antillogorgia elisabethae and the numerous biologically active substances it produces.

However, it is not possible to simply harvest the corals to extract their active ingredients. Because although the corals are under protection, their existence is already endangered. The anti-inflammatory molecule pseudopterosin produced by them is sought after in the cosmetics industry and the sale of the horn coral is correspondingly lucrative. "Coral reefs store the climate gas carbon dioxide and create a very high biodiversity," warns Brück. "If we want to protect the world's reefs, we have to produce such biologically active natural substances, which have medically useful activities, in a sustainable way".

Environmentally friendly and cheaper

In principle, this would be possible by a chemical-synthetic route, but then one kilogram of the antibiotic Erogorgiaene, which is effective against multi-resistant tuberculosis pathogens, would cost 21,000 euros. On top of this would be the toxic waste produced in the process. The scientists have therefore transferred the metabolic pathway by which a precursor of the antibiotic is formed in the corals to E. coli bacteria. These even use glycerine as a substrate and thus a residue from biodiesel production. With the help of further enzymes, the finished antibiotic is then produced in a second step in the preliminary stage - without any waste and at low cost: "The production costs per kilo would only be around 9,000 euros with this process," emphasizes Brück. The researchers report details in the journal "Green Chemistry".

Further molecules in sight

A patent application has been filed for the process, and the researchers have already set their sights on the next task: They want to further convert the molecule Erogorgiaene into the anti-inflammatory active substance pseudopteropsin.

The previous research project was funded by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF) in the project "Optimized microbial conversion of biomass residues for sustainable production of high value diterpene bio-actives" (OMCBP) as well as by the Werner-Siemens-Stiftung.

Die deutsche Pflanzenforschung kann einen signifikanten Beitrag zur Steigerung des landwirtschaftlichen Ertrags und zur Anpassung von Nutzpflanzen an veränderte Klima- und Umweltbedingungen leisten. Sie nimmt im weltweiten Vergleich eine führende Position ein. Zu diesem Erfolg trägt neben einer innovativen, angewandten Züchtungsforschung insbesondere eine effektive und produktive Grundlagenforschung in den Pflanzenwissenschaften erheblich bei. Mit der im Jahr 2020 gestarteten Fördermaßnahme „Epigenetik – Chancen für die Pflanzenforschung“ will das Bundesforschungsministerium neue Impulse setzen.

Das Thema: Die Epigenetik ist eine der aufstrebenden Forschungsdisziplinen, die sich in der letzten Dekade rasant entwickelt hat. Epigenetik untersucht vererbbare Änderungen der Genaktivität, die nicht auf Veränderungen der primären DNA-Sequenz be­ruhen. Einige grundlegende molekulare Mechanismen in der Epigenetik wurden bereits aufgeklärt - dazu zählen die DNA-Methylierung, RNA-Interferenz oder Modifikationen von Histonenproteinen. In der Medizin hat das Wissen um epigenetische Prozesse bereits zu einem besseren Verständnis von Krankheiten und Therapiemöglichkeiten geführt. In der Pflanzenforschung spielte dieses Forschungsfeld bisher nur eine untergeordnete Rolle. Da epigenetische Mechanismen auch phänotypische Merkmale beeinflussen können, birgt die Epigenetik auch für Pflanzenzüchtung und Agrarwirtschaft ein erhebliches Potenzial.

Das Ziel: Mithilfe moderner DNA-Sequenzierungstechniken wie sie in der Pflanzengenetik etabliert sind, sollen im Rahmen der Fördermaßnahme epigenetische Prozesse ins Visier genommen werden und die Pflanzenforschung weiter voranbringen. Ziel ist es, das Verständnis von Prozessen der Epigenetik auf breiter Ebene zu verbessern. Im Fokus der Aufklärung stehen dabei molekulare epigenetischen Mechanismen und Komponenten, wie die Regulierung der Aktivität von Transposons, die Bedeutung von small RNAs in der Epigenetik, der Prozess der Histon-Modifikation sowie die Zusammenhänge zwischen epigenetischen Modifikationen und spezi­fischen Merkmalsausprägungen in Pflanzen. Darunter fällt auch die Entwicklung neuer und damit kostengünstigerer Methoden zur Epigenom-Sequenzierung sowie die Etablierung von Algorithmen zur Datenanalyse.

Zudem sollen konkrete Herausforderungen der Epigenetik in den Pflanzenwissenschaften formuliert werden, wie etwa die Rolle der Epigenetik bei der pflanzlichen Entwicklung sowie der Interaktion von Pflanzen mit ihrer Umwelt. Daneben soll die Förderinitiative dazu beitragen, neue Erkenntnisse über das epigenetische (Langzeit-)Gedächtnis zu erlangen und bestehende Wissenslücken auf diesem Gebiet zu schließen.

Die Förderung: Im Rahmen der Fördermaßnahme werden Vorhaben der Grundlagenforschung sowie der industriellen Forschung insbesondere mit einem konkreten Anwendungsbezug unterstützt. Gefördert werden Einzelvorhaben aber auch Verbundprojekte mit maximal drei Partnern. Die Laufzeit der Projektförderung beträgt bis zu drei Jahre. Antragsberechtigt waren neben Hochschulen und außerhochschulischen Forschungs- und Wissenschaftseinrichtungen auch kleine und mittlere Unternehmen (KMU), die ihren Sitz in Deutschland haben. Frist für die Einreichung von Projektskizzen war der 15. September 2020.