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Elektronen, die sich in einer flüssigen Lösung befinden, sind hoch reaktiv und können Moleküle aufspalten. Sie dienen beispielsweise dem Abbau von Schadstoffen im Wasser. Um diese sogenannten hydratisierten Elektronen zu erzeugen, waren bislang hochenergetische Laserimpulse notwendig. Chemiker der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) haben nun ein Verfahren entwickelt, das hydratisierte Elektronen unkompliziert und kostengünstig erzeugt und lediglich Vitamin C verbraucht. Details beschreiben sie im Fachjournal „Angewandte Chemie“.

Bisheriges Verfahren teuer und aufwendig

Die bislang benötigten Lasersysteme waren nicht nur sehr teuer, sondern unterlagen auch strengen Sicherheitsvorkehrungen. „Unser System besteht aus einer handelsüblichen grünen Leuchtdiode, Spuren eines Metallkomplexes als Katalysator und Vitamin C. Dieses Verfahren können Studierende zum Beispiel schon im Anfängerpraktikum umsetzen“, schildert der Chemiker Martin Goez die Vorteile der neuen Methode.

„Die Idee ist, dass das Licht in ein Molekül eindringt und dort eine Reaktion auslöst“, erläutert der MLU-Forscher. Die Lichtenergie der grünen LED löst Elektronen aus den Vitamin-C-Molekülen. Die gelösten Elektronen reagieren im Wasser selbst mit sehr stabilen Stoffen und zersetzen diese. „Der Vorteil gegenüber anderen Stoffen ist, dass die Elektronen nach der Reaktion vollständig verschwunden sind, also keine schädlichen Reste zurücklassen“, erklärt Goez.

Vergleichbare Effektivität

Die Arbeitsgruppe testete die neue Methode an der Chloressigsäure, einer extrem giftigen und sehr stabilen Substanz. Mit ihrem System konnten die Chemiker die Verbindung in ihre unschädlichen Bestandteile zerlegen. Die Effektivität war dabei vergleichbar mit der aufwendigen Lasermethode, denn die LED generierte ähnlich viele hydratisierte Elektronen. Die Kosten betrugen jedoch nur einen Bruchteil.

Die Entwicklung der Arbeitsgruppe an der MLU eignet sich nicht nur dazu, schädliche Chloride oder Fluoride abzubauen. Der Ansatz lässt sich auf viele weitere photochemische Reaktionen übertragen, die mit anderen Mitteln nur schwierig in Gang zu setzen sind. Die Hallenser Forscher gehen zudem davon aus, dass es unschwer möglich sein sollte, die LED-Technik im industriellen Maßstab anzuwenden.

Nachhaltigkeit genießt bei vielen Menschen einen hohen Stellenwert. Doch viele Innovationen, die durch Forscher aus Wissenschaft und Wirtschaft in der Bioökonomie erzeugt werden, sind für die breite Öffentlichkeit zu wenig sichtbar. Zu diesem Schluss kommt das europäische Konsortium BioSTEP, dessen Abschlusskonferenz mit 100 Bioökonomie-Experten am 22. Februar in Brüssel stattfand. Neun Partner aus fünf Ländern haben sich bei BioSTEP in den letzten drei Jahren nicht nur mit den politischen Bioökonomie-Strategien in Europa sowie auf nationaler und regionaler Ebene beschäftigt, sondern die Bioökonomie auch direkt zu den Bürgern gebracht.

Rund 4.000 Menschen über Ausstellungen zur Bioökonomie erreicht

Mit allgemein verständlichen und anschaulichen Ausstellungen zu innovativen biobasierten Produkten in Italien, Bulgarien und Schottland konnten mehr als 4000 Menschen erreicht werden, heißt es bei BioSTEP. Parallel wurden 14 sogenannte Living Labs auf regionaler Ebene durchgeführt, die jeweils dortige Bioökonomie-Experten und Bürger zusammengebracht haben, um über den Aufbau von regional angepassten Bioökonomie-Strategien zu diskutieren. Die Ergebnisse wurden schließlich in vier Politik-Workshops eingebracht, die im Jahr 2017 in Utrecht, Glasgow, Graz und Brüssel veranstaltet wurden.

BioSTEP stellt Handlungsempfehlungen in Brüssel vor

In Brüssel hat das Konsortium seine zentralen Ergebnisse und Handlungsempfehlungen für die Politik vorgestellt. “Wir hoffen, dass sie Inspiration für die weitere Entwicklung von innovationen Partizipationsinstrumenten in der Bioökonomie ermöglicht”, betonte BioSTEP-Projektleiter Holger Gerdes vom Ecologic Institute in Berlin. Dass hier noch Nachholbedarf besteht, ist eines der zentralen Ergebnisse des Projekts. „Unsere Erfahrung mit den Ausstellungen und Living Labs hat gezeigt, dass sich viele Menschen für Nachhaltigkeit und Ökologie interessieren, sie aber oftmals keine Verbindung zum politischen Konzept der Bioökonomie herstellen“, berichtet Boris Mannhardt von der BIOCOM AG, die bei BioSTEP federführend für die Kommunikation zuständig war. Langfristig müsse die Bioökonomie häufiger ihren direkten Weg zu den Bürgern finden, so lautet eine wichtige Empfehlung. Dafür müssen politische Entscheidungsträger die Einbindung der Zivilgesellschaft aktiver angehen, nicht nur auf nationaler, sondern auch auf regionaler Ebene.

EU-Kommission stellt Roadmap für europäische Bioökonomie-Strategie vor

„Wir müssen den sozialen, umweltpolitischen und ökonomischen Nutzen miteinander verbinden und an die lokalen Bedürfnisse anpassen“, betonte auch Waldmar Kütt, Leiter der Bioökonomie-Abteilung in der Europäischen Kommission. Er begrüßte die BioSTEP-Ergebnisse und stellte auf der Konferenz die lang erwartete Roadmap für die Überarbeitung der europäischen Bioökonomie-Strategie vor. Demnach ist für das dritte Quartal 2018 eine Konferenz geplant, auf der der neue Aktionsplan im Detail vorgestellt wird. Die Roadmap setzt aber bereits einen groben Rahmen. Wichtiges Ziel ist insbesondere, die Aktivitäten der Bioökonomie stärker mit parallel laufenden Themen zu vernetzen: Kreislaufwirtschaft, Biodiversität, Umwelt- und Naturschutz sowie Nachhaltigkeit werden hier vor allem genannt. Auch die Notwendigkeit einer systemischen Herangehensweise zum Aufbau zukunftsfähiger Ernährungssysteme wird genannt.

Noch immer sterben jährlich etwa 650.000 Menschen an Malaria. Vor allem Kinder sind betroffen, obwohl die Krankheit mittlerweile gut zu behandeln ist. Doch die Medikamente sind teuer und daher für viele Infizierte unerschwinglich. Das könnte sich bald ändern. Max-Planck-Forschern aus Magdeburg und Potsdam ist es gelungen, den aufwendigen und kostspieligen Produktionsprozess für den wichtigsten Anti-Malaria-Wirkstoff Artemisinin noch effektiver, kostengünstiger und umweltschonender zu machen. Das Besondere: Sie nutzen Substanzen aus Pflanzenabfällen für die Herstellung von Artemisinin. „Unser Durchbruch bei der Produktion schafft die Möglichkeit, Millionen von Menschenleben zu retten. Da sich jetzt die Kosten für Anti-Malaria-Medikamente deutlich senken lassen, können viel mehr an Malaria Erkrankte davon profitieren", sagt Peter Seeberger, Direktor der Abteilung Biomolekulare Systeme am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung.

Chlorophyll als Katalysator genutzt

Bereits 2012 sorgten die Potsdamer Max-Planck-Forscher weltweit für Aufsehen, als sie erstmals zeigten, wie der Wirkstoff durch ein photochemisches Verfahren leichter herzustellen ist. Bis dato wurden Extrakte aus einer krautigen Pflanze, dem Einjährigen Beifuß (Artemisia annua), gewonnen. Nunmehr erzeugte das Team den Wirkstoff aus einer Vorläufersubstanz - der in der Pflanze enthaltenen, aber bislang ungenutzten Artemisininsäure. Dafür entwickelten die Forscher einen sogenannten kontinuierlichen Durchflussreaktor, der relativ simpel aufgebaut ist. Im Fachjournal „Angewandte Chemie“ berichten die Forscher um Kerry Gilmore vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung nun, wie sie dieses Verfahren noch einmal deutlich verbessern konnten. Der Clou: Um die Artemisininsäure umzuwandeln, setzten sie das pflanzeneigene Chlorophyll als Katalysator für die chemische Umsetzung ein. Bisher waren dafür teure und umweltschädliche Fotoaktivatoren notwendig.

Schneller und effektiver zum Malaria-Wirkstoff

Mithilfe des pflanzlichen Katalysators kann der Ausgangsstoff nun direkt, ohne teure Aufreinigung, und somit schneller zur Herstellung von Artemisinin genutzt werden. Wofür die Pflanze drei Wochen braucht, gelang den Forschern in weniger als 15 Minuten. Auch ist die Methode so effektiv, dass sich damit das 50 bis 100-fache der natürlichen Konzentrationen an Artemisininsäure verarbeiten lasse, wie die Wissenschaftler berichten. Für Seeberger stellt das neue Verfahren daher einen „konzeptionellen Sprung in der Naturstoffsynthese dar“. „Er bietet die Chance, nicht nur die Herstellung von Malariamedikamenten zu revolutionieren, sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten für andere Arzneistoffe, die ähnlich hergestellt werden.“

Start-up baut Produktion in den USA auf

Mittlerweile wird das neue Herstellungsverfahren in dem von Seeberger und Gilmore gegründeten Spin-off-Unternehmen ArtemiFlow großtechnisch umgesetzt. Erste Gespräche mit möglichen Partnern wie die Bill & Melinda Gates Foundation hat das im US-Bundesstaat Kentucky ansässige Start-up bereits geführt.

Proteine machen etwa die Hälfte des Trockengewichts aller lebenden Zellen aus. So häufig, wie die umgangssprachlich oft als Eiweiße bezeichneten Moleküle sind, so vielseitig sind sie auch. Sie bilden Strukturen mit teils erstaunlichen Eigenschaften, von extrem hoher Festigkeit bis zu antibakterieller Wirksamkeit. Materialforschern der Friedrich-Schiller-Universität Jena ist es nun gelungen, zwei Sorten von Proteinen kontrolliert zu einer Nanofaser zu vereinigen. So könnten künftig funktionelle Naturstoffe für medizinische, elektronische und weitere Anwendungen entstehen, berichten die Wissenschaftler im Fachjournal „ACS Nano“.

Natürlicher Prozess schwer nachzubauen

„Die Natur baut diese Nanomaterialien, die einen Durchmesser von etwa einem Tausendstel eines menschlichen Haares aufweisen, durch Selbstorganisationsprozesse“, erläutert der Jenaer Materialforscher Klaus Jandt. Der Nachbau dieser Proteinfasern hat sich bislang jedoch als schwierig erwiesen. Für die natürlichen Proteine Fibrinogen und Fibronektin war das Jandt und seiner Gruppe bereits gelungen. Sogar ob sich die Fasern linear oder verzweigt entwickeln, konnte die Jenaer steuern.

Jetzt sind sie einen Schritt weitergegangen und haben einen Prozess entwickelt, der Proteinnanofasern aus unterschiedlichen Proteinen erzeugt. Das Ziel der Materialforscher: Später einmal sollen so Fasern mit vorgegebenen Eigenschaften entstehen, die dann Bausteine in Biosensoren, Wirkstofftransportpartikeln, optischen Sonden oder Knochenzementen bilden.

Machbarkeit nachgewiesen

Den Machbarkeitsnachweis erbrachten die Wissenschaftler mit dem Protein Albumin, das für den osmotischen Druck im Blut verantwortlich ist, und dem Protein Hämoglobin, das zum Sauerstofftransport im Blut dient. Zunächst lösten die Jenaer die Proteine in Ethanol und erwärmten dann die Lösung auf 65 Grad Celsius. Natürliche Mechanismen sorgten anschließend dafür, dass sich die unterschiedlichen Proteine zu einer gemeinsamen Faser verbanden.

Wie das funktioniert, enträtselten die Jenaer gemeinsam mit Wissenschaftlern des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien in Jena. Sie wiesen mittels Spektroskopie nach, dass die aus Aminosäuren aufgebauten Proteine sich dort verbunden hatten, wo die Abfolge der Aminosäuren bei beiden Proteinen große Ähnlichkeiten aufwies. Angetrieben wird der selbstorganisierte Prozess von elektrostatischen und hydrophoben Wechselwirkungen.

Künftige Anwendungsmöglichkeiten

Die Jenaer Forscher sind zuversichtlich, dass dieser neue Selbstorganisationsansatz erfolgreich auf andere Proteine übertragen werden kann, wenn diese in Teilen die gleichen Aminosäuresequenzen aufweisen. Jandt ist zuversichtlich: „Dadurch ist das Tor aufgestoßen für eine ganz neue Generation von funktionellen Materialien für die Medizintechnik, die Nanoelektronik, Sensorik oder die Optik, die auf natürlichen Stoffen und Bauprinzipien basieren."

Rund 300 Bodenforscher sind vom 26. bis 28. Februar in Berlin zusammengekommen, um sich über neueste Erkenntnisse zum Thema Boden auszutauschen. Vor allem aktuelle Ergebnisse aus den zehn Projekten des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) finanzierten Bodenforschungsnetzwerks BonaRes - Boden als nachhaltige Ressource für die Bioökonomie standen im Fokus der dreitägigen Konferenz. Bislang sind 42 Mio. Euro in die Initiative geflossen, bis zu 100 Mio. Euro sollen es bis zum Jahr 2019 sein.

Komplexe Themen brauchen systemischen Ansatz

Zum Auftakt der Veranstaltung zog Andrea Noske, Referatsleiterin Bioökonomie im BMBF, ein erstes Fazit der ersten dreijährigen Förderphase. „Die Evaluation durch internationale Gutachter ist sehr positiv ausgefallen und alle Projekte können in die zweite Phase übergehen“, berichtete sie in Berlin. Mit der Förderung wächst auch die Hoffnung, auf diese Weise eine wichtige Basis für den weiteren Ausbau der Bioökonomie zu schaffen. Noske dazu: „Wir brauchen einen systemischen Ansatz zur Erforschung der Bodenfunktionalitäten, um die Komplexität des Bodens und seines Einflusses auf das Ökosystem zu verstehen.“

An estimated 300 soil researchers came together in Berlin for the BonaRes conference from February 26 to 28 to discuss their newest findings regarding the soil. The main focus of the three-day event, however, was on the newest results from the ten projects of the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) financed soil research network “BonaRes - soil as a sustainable resource for the bioeconomy”. To date, €42 million have been invested in the initiative, by the year 2019 the total sum will amount to €100 million.

Complex topics require a systemic approach

At the beginning of the event, Andrea Noske, Head of BMBF unit Bioeconomy, summarised the first three-year funding period. "The evaluation by international experts was very positive and all projects can move into the second phase," she was glad to report. The funding also raises the hope of creating an important basis for the further development of the bioeconomy. Noske said, "We need a systemic approach to studying soil functionalities to understand the complexity of the soil and its impact on the ecosystem."

Die stoffliche und energetische Nutzung von Biomasse wie Holz oder Stroh noch nachhaltiger und effektiver zu machen, ist das Ziel des Deutschen Biomasseforschungszentrums (DBFZ) in Leipzig. Eine Option ist die sogenannte Festbettvergasung, bei der die Brennstoffe in recht grober Form, wie in einem Feuerofen auf einer Gitterrost ähnlichen Unterlage liegen, und mithilfe von Luft, Sauerstoff, Kohlendioxid oder Wasserdampf durch Verschwelung in Brenngas oder andere Produkte verwandelt werden. Eine solche Vergasungsanlage hat auf dem Gelände des DBFZ nun seine Arbeit aufgenommen.

Pferdemist-Pellets aus Biomasse nutzen

„Das Ziel der neuen Anlage ist, so viele feste Brennstoffe wie möglich zu untersuchen und ihre Eignung zu vergleichen“, sagt Marko Klemm vom DBFZ in einem Gespräch mit bioökonomie.de. Bei 750 bis 1.000 Grad Celsius können hier verschiedene feste Reststoffe in Mengen bis zu drei Liter thermisch-chemisch in Gas und andere Nebenprodukte umgewandelt werden.

„Der Festbettvergaser hat den Vorteil, dass nicht nur die Spannbreite der einsetzbaren Biomasse, sondern auch der Maßstab für die technische Realisierung breiter ist“, sagt Klemm. Nach ersten Versuchen mit Holzspellets sind die Leipziger Biomasseforscher nun dabei, Stroh und thermisch behandeltes Holz in der neuen Anlage zu testen. Klemm zufolge sind auch Versuche mit Pellets aus Pferdemist geplant.

Biomassevergasung Schwung geben

Mit der Inbetriebnahme der Versuchsanlage hoffen die Forscher, der Biomassevergasung neuen Schwung zu geben. Erstmals ist es nun möglich, den Vergasungsprozess kontinuierlich zu beobachten und so bestehende Lücken zwischen Grundlagenforschung und Anwendung zu schließen. So können grundlegende Vorgänge der thermochemischen Umwandlung in Schüttungen wie etwa Temperaturprofile erfasst werden. Auch sind Messungen der Gaszusammensetzung und Proben der Kondensate möglich. Eine weitere Besonderheit: Unter den Versuchsbedingungen kann sowohl mit einem Betriebsdruck von bis 20 bar gearbeitet werden, als auch Luft, Wasserdampf, Sauerstoff und Kohlendioxid relativ frei gemischt und als Vergasungsmittel eingesetzt werden.

Ohne Meeresalgen wäre die Kohlendioxidbelastung in der Atmosphäre wesentlich höher. Denn sie binden das CO₂ und verfrachten es buchstäblich in die Tiefe, wo es als abgestorbene Algenmasse lagert. Neben ihrer Bedeutung als Klimaschützer sind die marinen Algen aber auch für das Ökosystem Meer eine wichtige Nahrungs- und Energiequelle: beim Speichern von Kohlenstoff produzieren sie große Mengen an Kohlenhydraten. Dieser Algenzucker wird dann mithilfe von Bakterien abgebaut. Wie diese mikrobielle Zersetzung genau von statten geht, haben Wissenschaftler der Universitäten Greifswald und Bremen und des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie (MPIMM) in Bremen nun herausgefunden.

Kohlenstoffkreislauf im Meer besser verstehen

Wie die Forscher im Fachjournal „Nature Chemical Biology“ berichten, kamen sie dabei zugleich einer neuen Klasse von Biokatalysatoren auf die Spur, die für den Abbau der marinen Kohlenhydrate verantwortlich sind. Dabei handelt es sich um spezielle bakterielle Enzyme, die mit Hilfe von Sauerstoff die Verarbeitung des Zuckers katalysieren. „Diese Enzyme sind für unser Verständnis des Kohlenstoffkreislaufs im Meer sehr wichtig. Sie zeigen uns, wie marine Bakterien mit besonders stabilen Kohlenstoffquellen umgehen, um sie zu verstoffwechseln“, sagt Jan-Hendrik Hehemann, Emmy Noether-Gruppenleiter am MPIMM.

Neue Enzymgruppe nutzt Sauerstoff zum Algenzucker-Abbau

Mit Hilfe modernster bioinformatischer Analysen hatte das Team um Hehemann jene Genome von Meeresbakterien untersucht, die Kohlenhydrate verwerten. Erste Untersuchungen deuteten bereits darauf hin, dass sogenannte oxidative Enzyme namens P450-Monooxygenasen maßgeblich an dem Verwertungsprozess beteiligt sind. Die detaillierte Charakterisierung dieser Enzyme brachte schließlich den Beweis, dass P450-Enzyme tatsächlich mit Hilfe von Sauerstoff einen spezifischen Zuckerrest umsetzen können und dass es sich dabei um eine neue Unterklasse von Biokatalysatoren handelt.

Neues Werkzeug für Biotechnologen

Die Forscher sind überzeugt, dass die neuen Enzyme für die Biotechnologie interessant sein könnten: „Man könnte sie zum Beispiel verwenden, um bestimmte Zucker in Biokraftstoffe umzuwandeln. Somit unterstreicht diese Studie, wie sehr es sich nicht nur aus biotechnologischer, sondern auch aus ökologischer Sicht lohnt, die molekularen Aspekte des marinen Kohlenhydratkreislaufs im Detail zu untersuchen“, sagt Hehemann.

Die Untersuchungen wurden im Rahmen des Projektes „Proteogenomics of Molecular Polysaccharid Utilization (POMPU)“ durchgeführt und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Tabak wird im Allgemeinen für eine Vielzahl von Krankheiten wie Krebs oder Herz-Kreislauf-Beschwerden verantwortlich gemacht. Über Jahrtausende wurden Tabakpflanzen jedoch als Heilmittel genutzt. Diese in Tabakblättern schlummernden gesunden Inhaltstoffe stehen jetzt wieder im Fokus der Forschung. Im Rahmen des EU-Projektes „NEWCOTIANA“ will ein internationales Forscherteam unter Beteiligung von Münchner Pflanzenpsysiologen in den kommenden 4,5 Jahren die neuesten molekularbiologischen Züchtungsmethoden nutzen, um aus Tabak und seinem wilden Verwandten Nicotiana benthamiana neue Sorten mit gesundheitsfördernden Substanzen zu entwickeln, die für die nachhaltige Produktion von Arzneimitteln und Kosmetika geeignet sind.

Impfstoffe und Anti-Aging-Produkte aus Tabakblättern

„Unser Ziel ist es, neue Tabaksorten zu züchten, die als hocheffiziente Biofabriken arbeiten“, erklärt Ralph Bock, Direktor am Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie (MPI-MP) und führender Wissenschaftler in dem Projekt. Er ist überzeugt, dass „die Nutzung dieser Pflanzen als sichere Produktionsstätte für das sogenannte Molecular Farming“ es künftig ermöglichen wird, „hochwirksame medizinische Substanzen aus Pflanzen zu gewinnen“. So könnten in den Tabakblättern Impfstoffe, Antikörper aber auch Stoffe für Anti-Aging-Produkte oder Entzündungshemmer hergestellt werden.

Mit neuen Züchtungsmethoden zu gesundem Tabak

Die Potsdamer Wissenschaftler wollen unter anderem mithilfe des horizontalen Genomtransfers zu neuen Tabaksorten gelangen. Bei der Züchtungsmethode werden komplette Genome von einer Pflanzenart auf eine andere übertragen. Der Prozess findet in gepfropften Pflanzen statt und wurde von den Max-Planck-Forschern 2014 entdeckt. Mit der Genschere CRISPR-Cas9 kommt ein weiteres modernes Werkzeug der Pflanzenzüchtung zum Einsatz. „Wir werden im Rahmen von NEWCOTIANA Untersuchungen durchführen, die eine Einschätzung der Effizienz und Sicherheit der eingesetzten Züchtungsmethoden ermöglichen und werden für Industrie, politische Entscheidungsträger und Verbraucher Grundlagen liefern, um die Entscheidungsprozesse zur Einführung dieser Methoden in Europa zu unterstützen“, ergänzt Diego Orzaez vom CSIC und Koordinator des NEWCOTIANA Projekts.

Mit den neuen Züchtungen wollen die Forscher dazu beitragen, dass künftig die gesundheitsfördernden Eigenschaften der Tabakpflanze wieder mehr in den Vordergrund rücken. Das Verbundvorhaben NEWCOTIANA wird von der Europäischen Union im Rahmen des Horizon-2020-Programms mit insgesamt 7,2 Mio. Euro gefördert. Daran beteiligt sind insgesamt 19 Partner aus acht europäischen Ländern und Australien. Aus Deutschland sind neben dem Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie, das Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie in Halle und das Karlsruher Institute of Technology (KIT) beteiligt.

Kranke Pflanzen sind schwer zu heilen. Das Zusammenspiel von krankheitserregenden Bakterien und Pflanzen ist ein Thema, mit dem sich die Hallenser Arbeitsgruppe um die Pflanzengenetikerin Ulla Bonas seit Langem beschäftigt. Dabei konzentrieren sich die Wissenschaftler auf Xanthomonas-Bakterien, die vor allem Tomaten- und Paprikapflanzen befallen. Frühere Untersuchungen ergaben, dass diese Bakterien viele schädliche Proteine, sogenannte Effektoren, mithilfe einer molekularen Spritze in Pflanzenzellen einschleusen.

Proteincocktail fördert Vermehrung der Bakterien

„Dieser Proteincocktail schwächt die Abwehr der Pflanze und erlaubt es den Bakterien, sich ungehindert in den Pflanzen zu vermehren. Die Pflanzen altern schneller, werfen ihre Blätter ab und produzieren weniger Früchte", sagt Ulla Bonas von der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg. Nun haben die Wissenschaftler gemeinsam mit Forscherkollegen der Universität Bonn, der Universität Freiburg und des Leibniz-Instituts für Pflanzenbiochemie (IPB) in Halle eines dieser schädlichen Proteine auf ihre Wirkweise genauer unter die Lupe genommen. Dabei handelt es sich um das Protein XopH.

HopH-Eiweiß attackiert zentralen Nähstoffspeicher

Wie die Forscher im Fachjournal „Nature Communications“ berichten, greift das schädigende Eiweiß gezielt einen der Hauptphosphorspeicher in den Pflanzenzellen an und zersetzt ihn. "Wenn XopH diesen Speicher zersetzt, nimmt es der Pflanze wahrscheinlich nicht nur die Nährstoffe weg, es bereitet diese gleichzeitig für die schädlichen Bakterien auf", erklärt Bonas. Die Forscher vermuten, das HopH dabei die Abwehrkräfte der Pflanze schwächt und deren Hormonhaushalt verändert. Ein Zeichen dafür ist, dass die Pflanzen nicht mehr so gut wachsen.

Pflanze stellt sich auf Bakterien-Befall ein

Einmal befallen, gewöhnt sich die Wirtspflanze offenbar an die Eindringlinge. Sie stellen sich auf den Befall durch die Xanthomonas-Bakterien ein und erkennen sogar, wie HopH die Pflanzenzellen manipuliert. "Wie das genau passiert, ist noch nicht geklärt. Die Folge ist aber immer die gleiche: Das mit den Pathogenen befallene Gewebe stirbt ab, um den infizierten Bereich abzuriegeln und so die weitere Verbreitung der Bakterien in der Pflanze einzudämmen", sagt Bonas.

Noch sind zwar viele Fragen zur Wirkweise von Bakterien und Pflanzen unbeantwortet. Denn XopH ist nur eines von mehr als 35 Effektor-Proteinen, die die Bakterien in die Pflanzen spritzen, um sie zu besiedeln. Mit der aktuellen Studie liefern die Forscher aber erstmals Antworten auf die entscheidenen Fragen, wie Bakterien Pflanzen schädigen und wie diese darauf reagieren.

Neue Konzepte zum Anbau von Nahrungsmitteln sind gefragt, um die Ernährung auch in Zukunft zu sichern. Unter dem Begriff „Urban Farming“ haben sich hier Methoden wie „Aquaponik“ als vielversprechende Alternative herausgestellt. Die Kombination von Fischen und Pflanzen, die in einem Kreislaufsystem sich gegenseitig nutzen, um beispielsweise Tomaten und Salat anzubauen, spart nicht nur Ackerflächen, sondern vor allem Düngemittel und Wasser. Das Prinzip: Was die Fische ausscheiden, wird durch Bakterien zu Pflanzendünger aufbereitet. Im Gegenzug reinigen die in Hydrokultur wachsenden Pflanzen das Wasser der Fische im Aquarium.

Salate mit Karpfen zum Wachsen bringen

Auch der Düngemittelspezialist K+S will seine Forschungspipeline in Richtung Aquaponik ausbauen. Zu diesem Zweck wurde am Hauptsitz in Kassel ein gläserner Forschungscontainer aufgestellt. Hier werden Karpfen Salate zum Wachsen bringen. „Wir beschäftigen uns auch abseits unserer bisherigen Produkte mit neuen Geschäftsfeldern auf denen wir noch nicht aktiv sind, aber über grundlegende Fähigkeiten verfügen“, erklärt Alexa Hergenröther die Idee, sich intensiver mit Aquaponik auseinanderzusetzen. „Schon heute haben wir sehr gute Kenntnisse und Fähigkeiten im Bereich der Flüssigdüngung. Ein Blick über den Tellerrand ist wesentlich, um auch zukünftig erfolgreich zu sein.“

Aquaponik-Container für die Öffentlichkeit

Der verglaste Container steht aber nicht nur den K+S-Forschern zur Verfügung. Auch Interessierte haben hier die Möglichkeit, sich die Versuchsanlage von außen anzuschauen und einen Blick auf die Pflanzetagen im Inneren des Containers zu erheischen. Dass der Container vor dem Firmensitz steht hat seinen Grund: „Wir wollen damit auch den Dialog mit den Kasseler Bürgern nicht abreißen lassen“, erklärt der Vorstandsvorsitzende der K+S, Burkhard Lohr.

New concepts for the cultivation of food in urban environments are in demand to ensure food security for future generations. Under the umbrella term"urban farming", methods like aquaponics have proven to be a promising alternative. The combination of fish and plants, which use each other in a recirculation system to grow tomatoes and lettuce, not only saves arable land, but above all fertilizer and water. Fish excretion is processed into plant fertilizer by bacteria. In return, the hydroponic plants purify the water of the fish in the aquarium.

Growing salad with carp

Fertilizer specialist K+S also intends to expand its research pipeline in aquaponics. For this purpose, a glass research container was recently set up at its headquarters in Kassel. Here carp will make lettuce grow. "We are also looking at new business sectors in which we are not active yet but for which we have the necessary basic skills," Alexa Hergenröther explains the idea of dealing more intensively with aquaponics. “We already possess very sound knowledge and skills in the area of liquid fertilization. It is essential to view things from a broader perspective in order to continue being successful in the future as well.”

Aquaponics for the public

However, the container is not only available to K+S researchers. Interested partiescan view the pilot plant from outside. There is a reason for the container standing in front of the company headquarters: “In this way, we want to keep on engaging in a dialogue with the citizens of Kassel,” explains Burkhard Lohr, Chairman of the Board of Executive Directors of K+S.

Start-up Cooperation

In addition, K+S has set up its own InnovationLab in Kassel to drive innovations forward. Here, the fertilizer specialist relies in particular on cooperation with start-ups and their promotion.

siw

Der Weg in eine Bioökonomie, also eine biobasierte Wirtschafts- und Lebensweise, wird nicht allein von innovativen Technologien bestimmt. Es gehen damit zahlreiche Änderungsprozesse auf gesellschaftlicher, politischer und wirtschaftlicher Ebene einher, die verstanden und gestaltet werden müssen.

Neue Projekte und Verbünde gefördert

Hier setzt die Maßnahme „Bioökonomie als gesellschaftlicher Wandel“ an. Sie wurde 2014 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der „Nationalen Forschungsstrategie BioÖkonomie 2030“ erstmals aufgelegt. Das Ziel: eine Forschung zu fördern und zu etablieren, die den Weg zur Bioökonomie aus dem Blickwinkel der Sozial-, Politik- und Wirtschaftswissenschaften betrachtet, aber auch Kultur- und Geisteswissenschaften miteinbezieht. Die Maßnahme umfasst vier Module, darunter Nachwuchsgruppen, Einzel- und Verbundprojekte und ein umfassendes Monitoring.

Natur, Technik und Gesellschaft als Einheit betrachten

Nun hat das BMBF für das Modul II - die Einzel- und Verbundprojekte – eine zweite Ausschreibungsrunde gestartet. Gefördert werden demnach Forschungsvorhaben, die sich sozioökonomisch mit der Entwicklung neuer Technologien sowie der Gestaltung bioökonomischer Prozesse befassen. Das Spektrum der Themen ist breit: Mögliche Forschungsfelder ergeben sich beispielsweise aus den UN-Nachhaltigkeitszielen (SDGs) und der Agenda 2030, deren Umsetzung auf nationaler und internationaler Ebene potenzielle Konflikte mit sich bringen kann. Auch hinsichtlich der Nutzung biologischer Ressourcen ergeben sich Fragen sowohl für regionale Bioökonomie-Modelle oder Entwicklungsstrategien. Ein mögliches Forschungsfeld sind auch der industrielle Strukturwandel sowie Entwicklungschancen für ländliche Räume vor dem Hintergrund sozioökonomischer Verteilungseffekte. Auch welche Potenziale und Nachhaltigkeitseffekte sich durch Kreislaufwirtschaft und Kaskadennutzungen ergeben, ist bisher unzureichend erforscht.

Förderung bis zu 100%

An der neuen Ausschreibung können sich staatliche und nicht staatliche Hochschulen, außeruniversitäre Forschungs- und Wissenschaftseinrichtungen sowie kleine und mittlere Unternehmen (KMU), die ihren Sitz in Deutschland haben, beteiligen. Es werden sowohl Einzel- als auch Verbundprojekte gefördert. Auch internationale Kooperationen sind ausdrücklich gewünscht. Entsprechende Projekte können über einen Zeitraum von bis zu drei Jahren gefördert werden. Dabei erhalten Unternehmen eine Förderung von 50%. Forschungsvorhaben von Hochschulen und Forschungseinrichtungen werden bis zu 100% unterstützt.

Ausschreibung endet im Juni 2018

Der Stichtag für die Einreichung der Projektskizzen ist der 13. Juni 2018. Die Vorschläge können über „easy-Online“ eingereicht werden. Mit der Abwicklung der Fördermaßnahme wurde der Projektträger Jülich betraut.

Spinnenseide ist ein Naturstoff mit herausragenden Eigenschaften. Spinnenseide-Fäden sind hauchdünn aber extrem elastisch und zugleich so zugfest wie Stahl. Die Biotechnologie-Firma AMSilk GmbH aus Martinsried stellt das Material im Bioreaktor her: dafür wurden Bakterien zu winzigen Fabriken für das Spinnenseideprotein umfunktioniert. Mithilfe der Mikrobe Escherichia coli kann der begehrte Eiweißstoff in großen Mengen hergestellt werden. Das so gewonnene weiße Pulver kann zu verschiedenartigen Produkten verarbeitet werden, es lässt sich sogar zu Hightech-Fasern spinnen.

Erstmals Brustimplantat-Beschichtung aus Spinnenseide-Proteinen

Die Hochleistungsbiopolymere werden bereits in Textilien wie Sportschuhen aber auch in Kosmetikartikeln wie Nagellack eingesetzt. Wegen seiner antibakteriellen Eigenschaften sind diese Spinnenseide-Proteine auch für den Einsatz in Medizinprodukten geeignet. So haben Biotechnologen erst kürzlich daraus Ersatzgewebe hergestellt, um infarktgeschädigte Herzmuskel zu heilen. Nun werden die ersten Silikon-Brustimplantate mit den Spinnenseiden-Proteinen beschichtet. Dafür kooperiert AMSilk mit dem in Dieburg bei Frankfurt ansässigen Implantathersteller Polytech Health & Aesthetics. „Durch die langjährige Partnerschaft mit den Fachleuten von Polytech haben wir ein neues, bahnbrechendes Medizinprodukt entwickelt. Die Polytech-Implantate sind Vorreiter und setzen als erste unsere Seidenbeschichtung ein“, sagt AMSilk-Geschäftsführer Jens Klein.

Internationale Studie zur Verträglichkeit gestartet

Gemeinsam mit dem Dieburger Unternehmen hat AMSilk nun die erste internationale klinische Studie zu den neuartigen Brustimplantaten gestartet. Nach ersten Studien an Patientinnen in Österreich wird die Sicherheitsprüfung damit auf weitere europäische Länder ausgedehnt. „Mit den neuen seidenbeschichteten Implantaten planen wir bei Polytech Health & Aesthetics, die hohen Standards hinsichtlich Sicherheit und Verträglichkeit unserer Produkte weiter zu steigern“, sagt deren Geschäftsführer Wolfgang Steimel.

Hohe Verträglichkeit der Seidenprotein-Beschichtung

Die Seidenprotein-Beschichtung wird hierbei auf die Silikonoberfläche der Brustimplantate aufgetragen und ist die Schnittstelle zu dem umliegenden Gewebe. Das Biomaterial hat den Vorteil, dass es vom Körper als natürliche Oberfläche anerkannt wird und somit zu einer verbesserten Biokompatibilität führt. Präklinische Studien haben bereits eine hohe Verträglichkeit der seidenbeschichteten Implantate ergeben. Amsilk und Polytech erwarten daher, dass dadurch die Seiden-Beschichtung auch der Heilungsprozess beschleunigt und postoperative Komplikationen reduziert werden können.

Spider silk is a natural fabric with outstanding properties. Spider silk threads are thin but extremely elastic and at the same time as strong as steel. The German biotechnology company AMSilk GmbH produces the material in a bioreactor by converting bacteria into tiny factories for the spider silk protein. The coveted protein can be produced in large quantities with the help of the Escherichia coli microbe. The white powder obtained in this way can be processed into various products, it can even be spun into high-tech fibres.

First breast implant coating made of spider silk proteins

These high-performance biopolymers are already used in textiles such as sports shoes, but also in cosmetics, for example nail polish. Due to their antibacterial properties, these spider silk proteins are also suitable for use in medical application. Biotechnologists have recently used it to produce replacement tissue to heal heart tissue damaged by infarction. Now, the first silicone breast implants are coated with the spider silk proteins. For this, AMSilk cooperates with the implant manufacturer Polytech Health & Aesthetics based in Dieburg near Frankfurt. "Through our multi - year partnership with the experts at Polytech, we’ve created a new and groundbreaking product for the medical devices market. The Silkline implants are the first product providing our silk coating in the medical devices sector.” says AMSilk CEO Jens Klein.

International compatibility study launched

Together with the Dieburg-based company, AMSilk has now started the first international clinical study on the novel breast implants. Following initial studies on patients in Austria, the safety test is thus being extended to other European countries. “With the new Silkline implants , Polytech plans to further increase the safety and tolerability standards of our products,” says Polytech-CEO Wolfgang Steimel.

High tolerability of silk protein coating

The advantage of the biomaterial is that it is recognized by the body as a natural surface, resulting in improved biocompatibility. Preclinical studies have already shown high compatibility of the silk-coated implants. Amsilk and Polytech expect the silk coating to accelerate the healing process and reduce postoperative complications.

siw/bb

Es wird in der Wundheilung eingesetzt, aber auch in Leuchten und Fernsehern: kaltes Plasma. Plasma gilt nach fest, flüssig und gasförmig als der vierte Aggregatzustand. Dieses elektrisch leitfähige Teilchengemisch aus Atomen, Ionen, Elektronen und Molekülen entsteht, wenn einem Gas Energie zugeführt wird. Neben der Eigenschaft Wunden zu heilen, können kalte Plasmen aber auch multiresistente Bakterien töten, desinfizieren und sterilisieren. Diese Fähigkeiten will ein interdisziplinäres Team von Plasma-, Agrar- und Lebensmittelforschern nun nutzen, um Saatgut zu behandeln. Im Fokus stehen Weizen und Gerste, die bisher meist mit chemischen Beizmitteln zum Schutz behandelt werden.

Weniger Pestizide durch robusteres Saatgut

Im Rahmen des Projektes „Physics für Food“, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) finanziert wird, wollen Forscher vom Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie in Greifswald INP und der Hochschule Neubrandenburg eine Strategie entwickeln, um Samen mithilfe physikalischer Technologien wie kalten Plasmen keimfähiger und robuster zu machen. „Wir wollen dazu beitragen, dass weniger Pestizide auf den Feldern eingesetzt werden“, betonen die Biologinnen Henrike Brust und Nicola Wannicke vom INP Greifswald. Sie erforschen seit Langem die Wirkung von Plasmen auf Pflanzen.

Saatguttest in Gatersleben

Erste Studien ergaben: Die schadstofffreie Plasma-Technologie kann das Wachstum der Pflanzen beflügeln und sie widerstandsfähiger machen. In Kooperation mit dem Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung Gatersleben soll das mit Plasma behandelte Saatgut zunächst auf Versuchsflächen getestet werden. „Erst dann lassen sich Aussagen treffen, ob unsere Methode auch zu höheren Erträgen führt“, erläutert der Prorektor Forschung an der Hochschule Neubrandenburg, Leif-Alexander Garbe.

Keimung von Leguminosen optimieren

Ein weiterer Schwerpunkt im Projekt sind Leguminosen. Hier will das Team mithilfe der Hochleistungstechnologie die Keimung von Rotklee und Luzerne optimieren.