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Many animals provide ingenious inspirations for new materials and their production. Spiders, for instance, produce silk that withstands enormous forces and which has since been artificially generated in a laboratory setting. Similarly, mussels secrete byssus threads that can attach strongly to any material underwater – a long sought-after property. Velvet worms, small animals somewhere between an earthworm and a caterpillar, are equipped with an equally unique material: a sticky liquid that wards off enemies or catches prey. Researchers at the University of Kassel and the Max Planck Institute of Colloids and Interfaces in Potsdam now published their results in the journal “Nature Communications”, where they describe the key mechanisms that turn the sticky slime into deadly stiff fibres: A struggling animal encompassed with the slimy threads generates shear forces that cause the threads to harden. Moreover, the fibres can be dissolved in water only to form the same threads again from recovered slime later on.

Protein fibres with liquid sheath

The researchers discovered that proteins and lipids, which make up the slimy liquid, combine to form tiny globules. “Velvet worms produce the protein and fat molecules as well as other components separately”, Alexander Bär, a doctoral student at the University of Kassel explains. “Outside the gland cells, the nanoglobules then form independently to create the thread-forming and adhesive properties.” The globules are formed with are uniform in shape and always around 75 nanometres in diameter.

Velvet worms shoot their slimy weapon at their prey or foe through two glands located on either side of their head by means of muscular contractions. “As soon as the prey begins to struggle, shear forces act on the slime to rupture the nanoglobules,” Bär says. Vibrational spectroscopy studies in Potsdam showed that proteins and fatty acids separate into different layers during this process: Proteins form long fibres in the interior of the slime, while the lipid and water molecules are displaced to the outside and form a sheath. The researchers also found that the protein strand inside has a tensile stiffness similar to that of Nylon^®.

Polymerized threads can be dissolved and recycled

Stephan Schmidt at the Max Planck Institute of Colloids and Interfaces in Potsdam analysed the nanostructure of the slime. A research group headed by biochemist Matt Harrington in the Biomaterials Department of the Potsdam Institute focused on the chemical composition and molecular processing. Together they were able to show that the polymerized slime threads can be dissolved in water again within a few hours of drying. “The astonishing thing for us was that the proteins and lipids evidently mix again to form the same nanoglobules we had already found in the original slime,” Matt Harrington says. The newly formed protein-lipid globules were even similar in size to those in the natural secretion.

Moreover, the sticky threads can be drawn again from recovered slime. And the recycled threads behaved exactly like freshly secreted velvet-worm liquids under the influence of shear forces would: they hardened. Intriguingly, this is all accomplished with biomolecules and at normal ambient temperatures. Velvet worms could therefore serve as a model for manufacturers of synthetic polymers and could hence teach them a lot about the sustainable production of synthetic materials.

jmr

Der Rückgang der Artenvielfalt bei Tieren und Pflanzen scheint offensichtlich. So beklagte der diesjährige Agrar-Report einen eklatanten Artenverlust bei allen Tier- und Pflanzenarten. Besonders gravierend auch hier: das Bienensterben. Ein Jahr ist es her, als 77 Wissenschaftler Alarm schlugen und die Bundesregierung diesbezüglich in einer Resolution zum sofortigen Handeln aufforderten. 

Erste Langzeitstudie zu Insektenentwicklung

Für den tatsächlich dramatischen Rückgang von Insekten liefert nun erstmals eine internationale Langzeitstudie den Beweis. An der im Fachjournal „Plos One“ veröffentlichten Untersuchung waren der Entomologische Verein Krefeld, die Radboud Universität in den Niederlanden und die britische Universität in Sussex beteiligt. Um den Zustand und die Entwicklung der Insektenbiomasse zu erfassen, wurden bundesweit in Naturschutzgebieten insgesamt 96 Malaise-Fallen aufgestellt. Mithilfe der von den Krefelder Experten entwickelten Fallen können über 90% der Arten an Fluginsekten in Deutschland nachgewiesen werden.

An estimated significant drop in the insect population has been a news topic for some time but could never be statistically proven. However, a study by researchers at the Radboud University in the Netherlands, the University of Sussex in Britain and dozens of amateur entomologists at the Entomological Society Krefeld in Germany now quantified the change as a 75% loss over the last 27 years. The results were published in the journal Plos One.

“Ecological Armageddon” due to mass insect extinction

According to the study the implications for humanity following such a massive extinction are profound, because insects provide an essential role for life on earth as pollinators of plants and prey for larger animals. Dave Goulson, professor of life sciences at the University of Sussex and the study’s co-author, said: “Insects make up about two-thirds of all life on Earth but there has been some kind of horrific decline. We appear to be making vast tracts of land inhospitable to most forms of life, and are currently on course for ecological Armageddon. If we lose the insects then everything is going to collapse.”

Agriculture, pesticide, and climate change likely culprits

Although a relative decrease in the number of bees and butterflies was expected, scientists and public alike were nonetheless shocked and surprised by the sheer extent of vanishing insects across nature reserves in Germany. However, the researchers were not able to pinpoint a single cause, but deduced that the widespread destruction of wild areas for agriculture and the use of pesticides are likely culprits. Moreover, climate change was also cited as a major contributor. In contrast, the researchers were able to rule out weather events and changes in the landscape of nature reserves as possible causes. 

The results are based on the work of dozens of amateur entomologists across Germany, who have been catching insects in malaise traps – large tent-like structures that funnel insects into a collecting cylinder.

Der globale Agrochemiemarkt ist im Wandel. Mit der angekündigten Übernahme des US-Saatgutherstellers Monsanto durch Bayer würde sich das Agrogeschäft von einst sechs auf drei große Player konzentrieren und das Leverkusener Chemie- und Pharmaunternehmen zum Weltmarktführer machen. Die Kartellbehörde hat daher hohe Anforderungen an den Megadeal gestellt. In diesem Zusammenhang beabsichtigt Bayer Teile seines Agrochemiegeschäfts zu veräußern.

Strategische Erweiterung des Pflanzenschutzgeschäfts

Mit dem Angebot der BASF könnte eine der Hürden zum Monsantodeal aus dem Weg geräumt sein. Für 5,9 Mrd. Euro will das Ludwigshafener Unternehmen ein Gros des Saatgut- und Pfanzenschutzmittelgeschäfts von Bayer übernehmen. Für die BASF wäre es die größte Transaktion in der Geschichte des Unternehmens. Bayer erwirtschaftet 2016 in den beiden Sparten einen Umsatz von rund 1,3 Mrd. Euro. „Mit dieser Investition ergreifen wir die Gelegenheit, äußerst attraktive Geschäftsfelder in wichtigen Feldkulturen und Märkten zu erwerben. Sie ist eine strategische Ergänzung unseres gut etablierten und erfolgreichen Pflanzenschutzgeschäfts sowie unserer Biotechnologie-Aktivitäten“, sagte der Vorstandsvorsitzende der BASF, Kurt Bock.

Komplettes Herbizidgeschäft mit LibertyLink veräußert

Der Kauf umfasst Saatgutgeschäfte für Nutzpflanzen wie Raps, Baumwolle und Soja. Neben den Saaten würde BASF gleichfalls Lizenzen und Expertise für das Geschäft mit dem bekannten Unkrautvernichter Glufosinat-Ammonium erwerben, das unter dem Markennamen LibertyLink von Bayer bisher vertrieben wird. Damit verbunden ist auch die Übernahme von rund 1.800 Mitarbeitern aus Vertrieb und Marketing, Forschung und Entwicklung, Züchtung und Produktion sowie der Erwerb der Produktions-, Forschungs- sowie Züchtungsstandorte von Bayer in Nordamerika, Südamerika und Europa einschließlich der Trait-Forschungsstätten in den USA und Europa.

Neue Wachstumschancen

Mit dem Zukauf will die BASF nicht nur das Pflanzenschutzgeschäft, sondern auch das Herbizid-Angebot stärken. Damit würde sich der Konzern zudem in neuen Märkten mit einem eigenen Saatgutgeschäft platzieren. „Landwirten werden wir eine größere Auswahl an Lösungen zur Verfügung stellen. Mit den kompetenten neuen Teammitgliedern und dem erweiterten Portfolio können wir ihrem Bedarf an hochwertigem Saatgut, chemischem und biologischem Pflanzenschutz noch besser entsprechen“, betont BASF-Vorstandsmitglied Saori Dubourg. BASF gab sich überzeugt, dass die Transaktion dem Konzern neue Wachstumschancen eröffnet und sein globales Innovationspotenzial stärken wird. Unter der Voraussetzung, dass die Kartellbehörde dem Monsanto-Deal von Bayer zustimmt, soll die BASF-Übernahme im 1. Quartal 2018 abgeschlossen sein.

bb

Once the takeover of Monsanto by the Leverkusen-based chemistry giant Bayer is finalised, there will only be three major players left on the field of agricultural chemistry. This has caused suspicion and caution from the cartel authority. Thus, to smoothen the transition Bayer has announced to sell parts of its agricultural chemistry business. BASF has since signed an agreement to acquire significant parts of Bayer’s seed and non-selective herbicide businesses for approximately €5.9 billion. “With this investment, we are seizing the opportunity to acquire highly attractive assets in key row crops and markets. It will be a strategic complement to BASF’s well-established and successful crop protection business as well as to our own activities in biotechnology,” said Kurt Bock, Chairman of the Board of Executive Directors of BASF SE.

More agricultural solutions and crop protection

The acquisition complements BASF’s crop protection business, strengthening the company’s herbicide portfolio, and marking its entry into the seed business with proprietary assets in key agricultural markets. “Building on the competent new team members and the enhanced portfolio, we will offer farmers a greater choice of solutions addressing their needs for high-quality seeds, chemical and biological crop protection,” says Saori Dubourg, Member of the Board of Executive Directors of BASF SE and responsible for the Agricultural Solutions segment. The assets to be acquired include Bayer’s global glufosinate-ammonium non-selective herbicide business, as well as its seed businesses for key row crops in select markets: canola hybrids in North America, oilseed rape mainly in European markets, cotton in the Americas and Europe as well as soybean in the Americas. The transaction also includes Bayer’s trait research and breeding capabilities for these crops and the LibertyLink^® trait and trademark.

Almost 2,000 employees transfer from Bayer to BASF

For the full year 2016, sales of the business to be purchased from Bayer amounted to around €1.3 billion and EBITDA to around €385 million. The transaction is subject to the closing of Bayer’s acquisition of Monsanto and approval by relevant authorities and is expected to close in the first quarter of 2018. The BASF group employs approximately 114,000 people worldwide, with a portfolio that is organized into five segments: Chemicals, Performance Products, Functional Materials & Solutions, Agricultural Solutions and Oil & Gas. Following the new acquisition, more than 1,800 commercial, R&D, breeding, and production personnel shall transfer from Bayer to BASF. These employees are primarily located in the United States, Germany, Brazil, Canada and Belgium. Furthermore, BASF will acquire the manufacturing sites for glufosinate-ammonium production and formulation in Germany, the United States, and Canada, seed breeding facilities in the Americas and Europe as well as trait research facilities in the United States and Europe.

jmr

Pflanzenkohle wie Holzkohle kann Kohlenstoff lange speichern und zugleich Nährstoffe und Wasser binden. Diese Eigenschaften machen die verkohlte Biomasse als alternativen Dünger für die Landwirtschaft interessant. Für einen breiten Einsatz als Bodendünger war Pflanzenkohle bisher jedoch noch nicht geeignet. Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung Tübinger Wissenschaftler hat dafür nun den Weg geebnet. Die Ergebnisse der Studie sind im Fachjournal „Nature Communications“ erschienen.

Nikolas Hagemann und Andreas Kappler vom Zentrum für Angewandte Geowissenschaften der Universität Tübingen untersuchten gemeinsam mit Forschern der University of Minnesota, wie Pflanzenkohle den Nährstoff Nitrat speichert. Bisher mussten Nährstoffe aus sogenannter nicht verkohlter Biomasse wie Stallmist oder Gülle mit in den Boden gebracht werden, um die Ernteerträge zu steigern. „Die Anwendung von Pflanzenkohle ohne Nährstoffzugabe oder in Kombination mit rein mineralischen Nährstoffen hat sich in vielen Versuchen meist als weit weniger erfolgreich erwiesen“, sagt Hagemann. Der übermäßige Einsatz von Gülle oder mineralischem Stickstoffdünger hingegen belastet Boden und Umwelt.

Stallmist verbessert Düngeeigenschaften

Im Rahmen der Studie untersuchte das Team Pflanzenkohle vor und nach der Kompostierung mit Stallmist. Bei diesem Prozess werden der Mist in Humus umgewandelt und Nährstoffe freigesetzt. Die Mineralstoffe können  teilweise von der Pflanzenkohle wieder aufgenommen werden. Mikroskopische und spektroskopische Analysen ergaben: Die gelösten organischen Substanzen bildeten bei der Kompostierung eine Schicht um die Pflanzenkohle. Diese neue Hülle sorgt dafür, dass die verkohlte Biomasse Nährstoffe wie Nitrat besser speichern und weitere organische Bodensubstanzen aufbauen kann. „Ähnliches passiert, wenn unbehandelte Pflanzenkohle in den Boden eingebracht wird– nur viel langsamer. Im Boden dauert die Bildung der Beschichtung viele Jahre“, erklärt Nikolas Hagemann. Die Forscher haben damit den Weg für die Entwicklung einer neuen Generation von Langzeitdüngern geebnet, die Erträge steigern können und gleichfalls die Umwelt schonen.

bb

Biochar is a carbon-rich, charcoal-like substance made from oxygen-deprived plants or other organic material. It can store large amounts of carbon and when applied as a fertilizer it slowly releases nutrients into the ground. However, the exact mechanisms how biochar stores nutrients and promotes plant growth have not been identified yet, which also severely limits its commercial potential. An international team of researchers, led by the University of Tübingen in Germany, deciphered the storage and release mechanisms of biochar. The team published their results in the journal Nature Communications, in which they describe how composting biochar together with manure significantly improves the biochar's fertilizing capabilities.

Organic coating improves biochar fertiliser

Thus far most fertilisers contain a lot of nitrogen, which negatively affects the environment. Biochar has been suggested as an eco-friendly alternative, however, due to the unknown functional mechanisms of biochar fertilisers, it has not been economically viable. Andreas Kappler at the Center for Applied Geoscience at the University of Tuebingen and geo-ecologist Nikola Hagemann, who received a doctorate scholarship from the Rosa Luxemburg Foundation (Berlin), led the study together with experts at the Colorado State University. The researchers investigated the fertilising properties of biochar when it is composted together with mixed manure. They were able to demonstrate that this process creates a very thin organic coating that significantly improves the biochar's fertilizing capabilities. "This organic coating makes the difference between fresh and composted biochar," Kappler said. "The coating improves the biochar’s properties of storing nutrients and forming further organic soil substances." Moreover, they were able to show that the coating strengthens the biochar's interactions with water and its ability to store soil nitrates and other nutrients.

Increased commercialisation of biochar fertiliser

Using a combination of microscopic and spectroscopic analyses, the researchers found that dissolved organic substances played a key role in the composting of biochar and created the thin organic coating. In fact, such coating also occurs when untreated biochar was introduced into the soil – but much more slowly. Thus, the improved understanding of biochar's properties could trigger more widespread commercialisation of biochar fertilizers. Such a change could reduce global dependence on inorganic nitrogen fertilizers that have served as modern food-production workhorses for more than a century.

jmr

Ob in Mooren und Sümpfen oder auf kargen Felsen: Moose wachsen fast überall. In Bergregionen und Mooren sind die grünen Teppiche besonders oft anzutreffen. Als effektiver Wasser- und Nährstoffspeicher sind sie für Ökosysteme unverzichtbar. Auch wegen ihrer Inhaltsstoffe werden Moose geschätzt. Sie produzieren Naturstoffe wie Terpene, die für Medizin und Kosmetikindustrie von Bedeutung sind.

Moose zu nachhaltigen Molekülfabriken machen

Im soeben gestarteten EU-Projekt „MossTech“ will ein internationales Forscherteam unter Beteiligung der Universität Freiburg die grünen Naturstofffabriken weiterentwickeln. Ein Team um den Biologen Ralf Reski wird dafür bekannte gentechnische Methoden wie die Genschere CRISPR-Cas9 weiterentwickeln und die Technologien auf bisher unerforschte Moose anwenden. Ziel ist es, Moose genetisch so zu verändern, dass sie zu nachhaltigen und schnell wachsenden Molekülfabriken werden, in denen kostengünstig und sicher komplexe Feinchemikalien hergestellt werden können.

Moosgenom verändert

Die Freiburger sind Experten auf dem Gebiet der Moosforschung. Die Arbeitsgruppe um den Pflanzenbiotechnologen Reski konnte zeigen, dass das Erbgut des Laubmooses Physcomitrella patens etwa 10.000 Gene mehr enthält als das menschliche Genom. Viele dieser Gene sind für die Synthese hochkomplexer chemischer Moleküle verantwortlich, wie mehrfach ungesättigte langkettige Fettsäuren. Außerdem entwickelten die Freiburger bereits gentechnische Methoden, um das Moosgenom gezielt und basengenau zu verändern.

EU unterstützt Moosforschung mit 1,6 Mio. Euro

Im Rahmen des MossTech-Projektes werden zwei der insgesamt sechs Doktoranden diese Techniken für ein Jahr in Freiburg erlernen und für jeweils zwei weitere Jahre mit den industriellen Partnern in Dänemark beziehungsweise Italien weiterentwickeln und auf bisher unerforschte Moose anwenden. An dem Vorhaben sind neben deutschen Forscher auch Wissenschaftler aus Dänemark, Schweden, Portugal, Italien, Island und den USA beteiligt. Die EU fördert die Maßnahme in den kommenden vier Jahren im Rahmen des Programms „Horizon 2020“ mit über 1,6 Mio. Euro.

bb

Mosses are the second largest group of land plants today, and arguably the oldest. For millions of years, these plants have been producing highly complex molecules out of simple chemical building blocks, in a sustainable, efficient and cheap manner. Many of these chemical substances are used in medicine and the perfume industry today.

Ralf Reski, Chair of Plant Biotechnology at the University of Freiburg, Germany, will be developing a variety of mosses as sustainable and fast-growing molecule factories in the MossTech project. As an EU-designated Innovative Training Network (ITN), the project will receive €1.6 million from the EU over the next four years as part of its Horizon 2020 program. Roughly €500,000 will go to the University of Freiburg.

Genome editing for moss

Reski and his colleagues were able to demonstrate that the genome of the moss Physcomitrella patens has roughly 10,000 more genes than the human genome, and that many of these genes are responsible for the synthesis of highly complex chemical molecules, including long-chain polyunsaturated fatty acids. The group has since developed genetic engineering methods that enabled them to change the moss genome in a targeted and precise manner. Similar to the tools used by Reski and his colleagues, genome editing methods using CRISPR-Cas9 technology on other plants and animals have been much publicised recently. 

An international project combining academia and industry

The project’s coordinator is the Technical University of Denmark in Copenhagen, and participants include the University of Lund in Sweden, the Gulbenkian Institute in Portugal, and the companies Taxa Biotechnologies from the US, Transactiva from Italy, ArcticMass from Iceland, and Mosspiration Biotech from Denmark.

Of the six PhD students who will be involved in the MossTech project, two will spend a year at the University of Freiburg learning these methods before continuing to develop them for another two years with one of the project’s industrial partners in Denmark or Italy. The goal is to apply these methods to mosses that have not yet been researched in the hopes of cheaply and safely producing complex fine chemicals in genetically modified mosses.

jmr