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Ein gut funktionierendes Ökosystem ist auf das perfekte Zusammenspiel von Pflanzen, Insekten und Boden angewiesen. Durch den dramatischen Artenverlust vor allem bei fliegenden Insekten wird bekannterweise der natürliche Kreislauf gestört. Aber nicht nur die Bestäubung der Pflanzen bleibt aus. Auch der Stoffkreislauf im Boden wird beeinflusst. Wie sehr, dass zeigen die Ergebnisse vom „Jena-Experiment“. Das Freiland-Labor wurde 2002 vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie und der Friedrich-Schiller-Universität Jena (FSU) ins Leben gerufen und ist mit seinen 15 Jahren nicht nur das am längsten dauernde, sondern auch das größte Freiland-Experiment Europas auf dem Gebiet der Biodiversitätsforschung. Daran beteiligt waren auch Forscher aus Österreich, der Schweiz und den Niederlanden. Die Ergebnisse dieser einmaligen Langzeitstudie sind nun im Fachjournal „Basic and Applied Ecology“ erschienen.

Biodiversitäts-Effekte erst Jahre später sichtbar

Auf mehr als 500 Versuchsparzellen hatten die Forscher unterschiedlich viele Pflanzenarten angesät, von Monokulturen bis zu Mischungen von 60 Arten. Neben Pflanzen wurden auch viele weitere im Ökosystem vorkommenden Organismen untersucht, sowohl im als auch oberhalb des Bodens. Daneben nahmen die Forscher auch Stoffkreisläufe von Kohlenstoff, Stickstoff und Nitrat sowie den Wasserkreislauf ins Visier. Die Laufzeit des Projektes machte es möglich, die Auswirkungen von Artenverlust und –vielfalt auf Grünlandflächen genau zu beobachten und zu analysieren. Denn die Folgen für das Ökosystem zeigten sich erst Jahre später, wie der langjährige Leiter des „Jena Experiments“ Wolfgang Weisser berichtet: „Da der Einfluss der Biodiversität verzögert sichtbar wird, konnten wir manche Effekte erst ab dem Jahr 2006 oder 2007 beobachten – also vier oder fünf Jahre nach Beginn des Projektes.“

Stoffwechselkreislauf im Visier

Die Effekte der Biodiversität- positiv wie negativ- verstärkten sich der Studie zufolge im Laufe der 15 Jahre. Die Forscher konnten beobachten, dass das Artensterben schleichend vonstatten geht. „Dies bedeutet, dass die negativen Effekte des derzeitigen Artenverlustes erst in einigen Jahren vollständig augenscheinlich werden“, warnt Weisser. Auch die negativen Folgen von Monokulturen wurden erst später deutlich. Gleiches galt für Veränderungen bei den Stoffwechselkreisläufen. „Kein anderes Experiment hat bisher die Nährstoffkreisläufe mit solcher Genauigkeit untersucht“, sagt Wolfgang W. Wilcke vom Lehrstuhl für Geoökologie am KIT in Karlsruhe.

Ökosystem provitiert von Artenreichtum

Artenreiche Wiesen hatten einen durchweg positiven Einfluss auf das Ökosystem. Das betraf sowohl die Kohlenstoffspeicherung im Boden, als auch die mikrobielle Atmung und die Entwicklung der Bodenfauna. Auf den bunten Wiesen wurden vielmehr Insekten und Pflanzen gezählt, so dass häufiger Bestäubungen stattfanden. Außerdem konnten artenreichere Wiesen Oberflächenwasser besser in den Boden transportierten und waren im Vergleich zu artenarmen Systemen unempfindlicher gegenüber Störungen wie Dürren oder Überschwemmungen.

Biodiversität so wertvoll wie Düngen

Auch der Bioenergiegehalt war auf bunten Flächen deutlich höher. Zudem war die Produktivität bei hoher Artenvielfalt durchweg besser als auf einseitig bepflanzten Wiesen. Eine vergleichbar gute Leistung konnten die Forscher zwar auch durch zusätzliches Düngen und häufigeres Mähen erreichen. Doch im Durchschnitt würde diese Bewirtschaftung dem Landwirt nicht mehr einbringen, wie die Forscher schreiben.

Mit dem Landzeit-Experiment wird vor allem eines deutlich: Sollte das Artensterben nicht gestoppt werden, könnte das „unangenehme Folgen“ für die Menschheit haben. Denn der Verlust der Vielfalt, so betonen die Biodiversitäts-Forscher, beeinflusst über die Stoffkreisläufe direkt den Wasserhaushalt.

In Deutschland gibt es eine dynamische Gründerszene, die vom Bund und anderen Förderern über das Business Angels Netzwerk Deutschland e.V. (BAND) unterstützt wird. Viele der Start-ups entwickeln innovative Ideen zum Thema Energie- und Ressourceneffizienz und bewegen sich somit thematisch auf dem Gebiet der 17 Nachhaltigkeitsziele (Sustainable Development Goals - SDGs), die von den Vereinten Nationen im Rahmen der Agenda 2030 erstellt wurden.

Doch wie bringt man solch innovative und nachhaltige Gründerideen mit potenziellen Investoren zusammen? Hierfür organisierte BAND zusammen mit Cleantech Scandinavia am 6. Dezember das GreenUp Invest-Event in Berlin. Biobasierter Kunststoff aus Schweden und eine hochauflösende Luftqualitätskarte aus München konnten am Ende des Tages die versammelten Investoren am meisten überzeugen. Sie erhielten eine Einladung für den „Deutschen Business Angels Tag 2018“ in Hamburg.

Ein Leitfaden für grüne Investments

Ute Günther vom Vorstand des BAND versprach schon zur Begrüßung einen „Tag voller staunender Überraschungen“ beim GreenUp Invest-Event. Das Ziel der Green Start-up Investment Alliance ist es, grüne Gründerfinanzierung in Deutschland zu stärken und voranzubringen. Das Borderstep Institut für Innovation und Nachhaltigkeit gGmbH fungiert als Koordinator.

Constanze Trautwein, seit Februar 2017 wissenschaftliche Mitarbeiterin am Borderstep Institut, stellte einen neu entwickelten Leitfaden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Start-ups vor. „Unser Leitfaden wurde vor Kurzem erfolgreich pilotiert und fußt auf drei Säulen“, so Trautwein. „Es geht zum einen um den Unternehmenskontext, also in welcher Branche befinden wir uns? Zum anderen um das Unternehmenskonzept und schließlich auch um die eigentlichen Produkte und Dienstleistungen.“ Besonders bei der dritten Säule solle auch hinterfragt werden, welche SDGs das Start-up bedienen wird.

Ökonomie und Nachhaltigkeit schließen sich nicht aus

Potenzielle Investoren äußerten sich hingegen vorsichtiger: Steffen Funk, Investment-Manager der Statkraft Ventures GmbH in Düsseldorf gab zu bedenken, dass finanzielle Aspekte noch immer vorrangig bei der Pitchbewertung sind. „Wir investieren in neue Technologien und Ideen, die für den Energie-Sektor relevant sind. Natürlich geht es erst einmal um einen möglichen Marktwert.“

Auch Oliver Goseman, Mitglied der Business Angels und Managing Partner der GOSFAM Investment GmbH stimmte zu: „Ökonomische und personelle Aspekte stehen trotz allem noch immer vor dem Nachhaltigkeitsaspekt, wenn wir ein Investment in Betracht ziehen.“ Er bemängelte zudem eine zu große Distanz und Diskrepanz zwischen Nachhaltigkeitsexperten und Investoren, die den oftmals sehr detaillierten und fachlichen Argumenten kaum folgen könnten. „Wir müssen eine Brücke zwischen wissenschaftlichen Experten und den Investoren schlagen – Ökonomie und Nachhaltigkeit schließen sich nicht gegenseitig aus.“

Von Nanomembranen und Flachbildschirmen

Die vielfältigen und innovativen Ideen der 17 teilnehmenden Start-ups aus Deutschland und Skandinavien wurden den potenziellen Investoren jeweils innerhalb von fünf Minuten in sogenannten Elevator-Pitches vorgestellt. Anschließend konnten die Jungunternehmer noch einmal im persönlichen Gespräch mit den Investoren für ihre Ideen werben. Die Themen der Start-ups reichten hierbei von der Bekämpfung der Lebensmittelverschwendung durch einen digitalen Marktplatz über die Stabilisierung des Stromnetzes und die Etablierung neuer und erneuerbarer Stromquellen bis hin zur Entwicklung, Produktion und Vermarktung kohlenstoffbasierter Nanomembranen.

Aber auch Unternehmen, die auf dem System der Kreislaufwirtschaft fußen, stellten sich vor. Wie das schwedische Unternehmen 2p1, welches Lampen und Lichtquellen aus alten Flachbildschirmen wiederverwendet und als energieeffiziente Lichtquellen in Schulen anbringt. Auch neue Softwareentwicklungen wurden vorgestellt, durch die die Parkplatzsuche in Städten minimiert und somit Abgaswerte gesenkt werden sollen. Für Elektroautos könnten auf demselben Weg zukünftig auch Aufladestationen reserviert werden.

Biobasierter Kunststoff und Luftqualitätskartierer punkten

Besonders überzeugen konnten schließlich das skandinavische Unternehmen Polylabs und das Münchner Start-up Hawa dawa. Polylabs produziert und verkauft biobasiertes Polyol, einer der Grundbausteine von Polyurethan (PU) und somit ein Hauptbestandteil der bisher weitgehend erdölbasierten Kunststoffindustrie. Durch dessen Herstellung aus erneuerbaren Rohstoffen werden Ressourcen und Umwelt geschont. Das deutsche Unternehmen Hawa dawa hat sich vor allem der Luftqualität verschrieben. Das Start-up entwickelt neue Sensoren und Machine-Learning-Algorithmen, die in Echtzeit eine flächendeckende und hochauflösende Luftqualitätskarte errechnen.

Eine große Vision von einem exzellenten Team

Gosemann und seine Investorenkollegen gaben allen Jungunternehmern für deren zukünftige Finanzierungsbemühungen dann auch noch ein paar gute Ratschläge mit auf den Weg: „Bei einem Pitch muss die Idee des Unternehmens lebendig werden", betonte er. Es sollte eine große Vision mit einem realistischen Plan vorgestellt werden, der das Marktinteresse abdeckt und ein kompetentes Team offenbart. „Nur ein hervorragendes Team kann mit seiner Start-up-Idee letztlich eine gesellschaftliche Veränderung hin zu mehr Nachhaltigkeit bewirken.“

jmr

There is a lively start-up scene in Germany. It is supported and funded by the federal ministry as well as other sponsors via the Business Angels Netzwerk Deutschland e.V. (BAND). Many of the new businesses develop innovative ideas regarding energy and resource efficiency and are thus thematically on point for the 17 Sustainable Development Goals (SDG) drawn up by the United Nations as part of the Agenda 2030.

But how can such innovative and sustainable start-up ideas be combined and connected with potential investors? To that end BAND and Cleantech Scandinavia organised the GreenUp Invest event in Berlin on December 6^th. Biobased plastic from Sweden and a high-resolution air quality map from Munich were able to convince the investors the most. They received an invitation for the “German Business Angels Day 2018” in Hamburg.

A guidebook for green investments

Already during her opening address at the GreenUp invest event, Ute Günther, CEO at BAND, promised a “day chock-full of marvel and surprises”. The goal of the Green Start-up Investment alliance is to support and advance green founder financing in Germany. The Borderstep Institute for innovation and sustainability gGmbH is coordinating these efforts.

Constanze Trautwein, scientific fellow at the Borderstep Institute since February 2017, introduced a new guidebook for the appraisal of the sustainability potential for any given start-up. “Our guidebook was recently piloted and is based on three main categories,” says Trautwein. “The first one focuses on company context – which sector is the company part of? The second category is related to the concept of the company, and the third one asks for the products and services.” Especially the third category is also supposed to ascertain, which of the SDGs the start-up will address.

Economics and sustainability are not mutually exclusive

The potential investors expressed their assessment more careful: Steffen Funk, investment manager at Statkraft Ventures GmbH in Düsseldorf noted that financial aspects were still the primary focus point regarding the assessment of new ideas. “We are investing in new technologies and ideas that are relevant for the energy sector. Of course our main concern is their market value.”

Oliver Goseman, member of BAND and managing partner at GOSFAM Investment GmbH was in agreement: “We are still addressing economical and personnel- related issues first when are thinking of a new investment – long before any assessing any sustainability aspects.” Goseman also criticised the distance and discrepancy between sustainability experts and investors, who can barely follow the detailed and technical arguments. “We need to build a bridge between the scientific experts and the investors – economy and sustainability are not mutually exclusive.”

Nano-membranes and flat-screen TVs

The 17 participating start-ups from Germany and Scandinavia had five minutes each to present their varied and innovative ideas as an elevator pitch to the potential investors. Subsequently the young entrepreneurs had a chance to convince the investors in short one-on-one-talks. The topics of the start-ups covered the fight against food waste via a digital market place, stabilising the electricity grid, establishing new and renewable energy sources and developing, producing, and marketing of carbon-based nanomembranes.

Moreover, start-ups focussing on circulator economy also presented their business ideas. The Swedish company 2p1 for instance, which reuses light bulbs and light sources from old flat-screen-TVs as energy-efficient light sources in schools. Last but not least, new software developments were also presented: Like the Scandinavian ApParkingspot, who aim to shorten the search for sparking spots in cities and thus minimise exhaust fumes via an app that tells users were they can find a free parking place. For the future the entrepreneurs also plan to use a similar software for drivers of electric cars to reserve a charging station.

Biobased plastic and high-resolution air quality map win

In the end, the Scandinavian Polylabs and the Munich-based start-up Hawa dawa were able to convince potential investors. Polylabs produces and sells biobased Polyol, one of the basic elements of polyurethane (PU) and thus a key element of the plastics industry, which has so far mostly been petroleum based. With the production of bioplastic, resources and the environment are protected. The German company Hawa dawa is developing new sensors and machine learning algorithms, which can compute a comprehensive high-resolution map of air quality in real time.

A big vision by a qualified team

For the winners of the competition as well as all the other participating start-ups, Goseman and his fellow investors had a few suggestions for any future pitches: “During the pitch the idea of the company has to come alive,” he stresses. The point is to present a huge vision with a realistic plan, that covers market interests and is managed by a capable team. “You need an excellent team in order to realise a start-up idea and move society towards more sustainability.”

jmr

Deutschland gilt als Vorreiter bei der Umsetzung der Agenda 2030 mit ihren insgesamt 17 Zielen zur nachhaltigen Entwicklung, den sogenannten Sustainable Development Goals (SDG). Die Ziele finden sich auf nationaler Ebene in der deutschen Nachhaltigkeitsstrategie wieder. Sie decken das breite Spektrum der Bedürfnisse von Mensch, Umwelt und Wirtschaft ab und betreffen den Kampf gegen die Armut und ein starkes Wirtschaftswachstum ebenso wie Klima- und Artenschutz sowie eine umweltfreundliche Energieversorgung. Wissenschaftler aus den unterschiedlichsten Bereichen stehen der Bundesregierung bei der Umsetzung ihrer Nachhaltigkeitsziele beratend zur Seite. Milliardenschwere Förderprogramme wurden aufgelegt, um den gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Wandel voranzutreiben.

Nachhaltigkeitsziele der Bundesregierung untersucht

Trotz allem: Die Umsetzung dieser Nachhaltigkeitsziele hat in Deutschland seit 2008 nur geringe Fortschritte gemacht. Zu diesem Ergebnis kommt eine Studie des Instituts für Makroökonomie und Konjunkturforschung (IMK) der Hans-Böckler-Stiftung. IMK-Wirtschaftspolitik-Experte Fabian Lindner hat darin die Einhaltung der von der Bundesregierung festgeschriebenen Nachhaltigkeits- und Wohlfahrtsziele der vergangenen beiden Legislaturperioden bis 2016 untersucht. Die Eckpunkte waren: materieller Wohlstand und ökonomische Stabilität, Nachhaltigkeit der Staatstätigkeit und Staatsfinanzen, soziale und ökologische Nachhaltigkeit.

Ökologische Ziele nicht erreicht

Lediglich vier von insgesamt 13 Zielen wurden erreicht. Bei der Umsetzung zeigen sich derweil erhebliche Unterschiede. Während sich die Staatsfinanzen sehr gut entwickelt haben und der Staat seit 2013 Überschüsse verzeichnet, konnte bisher keines der ökologischen Ziele erreicht werden. Den Autoren zufolge besteht hier ein sogenannter Zielkonflikt zwischen dem wachsenden Bruttoinlandsprodukt (BIP) und ökologischen Nachhaltigkeitszielen. „Wenn die Wirtschaft nicht weiter verstärkt dekarbonisiert wird, erhöht das Wirtschaftswachstum für sich genommen die Treibhausgasemissionen“, heißt es in der Studie.

Klimaziel durch Ende der Kohleverstromung machbar

Demnach ist weder der Energieverbrauch in den vergangenen acht Jahren gesunken, noch sind die Treibhausgasemissionen ausreichend stark zurückgegangen, wie es nach den Beschlüssen der Pariser Weltklimakonferenz von 2015 sein müsste. Der CO₂-Ausstoß ist von 2008 bis 2016 nur um 7% gesunken und müsste, um das Klimaziel noch zu erreichen, bis 2020 um weitere 17% sinken. Ein „Ende der Kohleverstromung“ würde der Studie zufolge hier den größten Effekt bringen. Das wäre allerdings „mit sozialen und wirtschaftlichen Kosten verbunden“, heißt es. „Es wäre falsch, das ökologische Nachhaltigkeitsziel auf Kosten des Beschäftigungsziels zu verfolgen“, sagt IMK-Direktor Gustav A. Horn. „Aber wenn die Strategie stimmt und entsprechend investiert wird, ist es möglich, in den betroffenen Regionen wegfallende Arbeitsplätze durch neue zu ersetzen. “

Insektensterben statt Artenvielfalt

Auch bei der Artenvielfalt hinkt die Bundesregierung dem Ziel hinterher, die Artenvielfalt bis 2015 wieder auf das Niveau der 70er-Jahre zu bringen. Tatsächlich stagniert die Zahl der Tierarten, was sich beispielsweise am sogenannten Vogelindex ablesen lässt, der ein guter Indikator für die Biodiversität ist. Hinzu kommt eine dramatische Abnahme des Insektenbestandes.

Armutsrisiko trotz Rekordbeschäftigung unverändert hoch

Große Defizite gab es auch auf dem Gebiet der sozialen Nachhaltigkeit. Trotz Rekordbeschäftigung ist die Armutsrisikoquote nicht zurückgegangen, die Ungleichheit der Einkommen stagniert weiter „auf hohem Niveau". „Wenn die nächste Bundesregierung die Nachhaltigkeit in Deutschland verbessern will, muss sie besonders bei der sozialen und ökologischen Nachhaltigkeit ansetzen“, sagt Studienautor Fabian Lindner.

Wohlstand im breiten Sinne schaffen

Mit dem Nachhaltigkeitscheck zeigen die Autoren der Bundesregierung, wo dringend nachgebessert werden muss, um die eigenen Ziele zu erreichen. Deutlich wird aber auch, dass der Wohlstand in Deutschland sich keinesfalls nur am Wirtschafswachstum bemessen lässt. „Unsere Untersuchung macht deutlich, dass in der praktischen Wirtschaftspolitik nach wie vor viel zu wenig getan wird, um Wohlstand in einem breiteren Sinn zu schaffen“, sagt Horn. Trotz einiger Anstrengungen und mutiger Reformen, so der IMK-Direktor, hinterlasse die scheidende Bundesregierung noch erhebliche Lücken.

Holz besteht neben Cellulose und Hemicellulose zu etwa 30% aus Lignin und gehört damit zu den häufigsten organischen Verbindungen der Erde. Diese Ressource für die grüne Chemie zu nutzen, stand im Fokus des Projektes „Lignoplast“. Unter der Leitung vom Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP haben Partner aus Forschung und Industrie in den vergangenen Jahren Verfahren und Anwendungsmöglichkeiten für verschiedene Lignintypen bis zum Pilotmaßstab entwickelt.

Verschiedene Lignintypen als Rohstoff nutzen

Bislang fällt Lignin vor allem als sogenanntes Kraft-Lignin bei der Zellstoffproduktion als Nebenprodukt an. Die dabei angewandten Aufschlussverfahren mit Sulfit oder Sulfat erschwerten eine stoffliche Nutzung des Lignins wegen seines hohen Schwefelanteils. Daher wurde der Reststoff meist verbrannt. Mit neueren Aufschlussverfahren werden darüber hinaus auch schwefelfreie Organosolv- und Hydrolyse-Lignine erzeugt.

Ziel des Vorhabens „Lignoplast“ war es, Verfahren zu entwickeln, um aus diesen verschiedenen Lignintypen aromatische Synthesebausteine zu gewinnen und damit Klebstoffe, Lacke, Polyurethane und Epoxide herzustellen.

Hartschäume und Gießharze aus Polyurethan

Bei der Suche nach einem geeigneten Verfahren zur Aufspaltung der Lignin-Moleküle erwies sich die basenkatalytische Spaltung als besonders vielversprechend. Sie kann für alle Lignintypen angewendet werden. Mithilfe dieser Methode konnten neue Verbindungen aus dem Biopolymer synthetisiert werden. Im Ergebnis des Projektes entstanden hochwertige Hartschäume aus Polyurethan (PUR), die sich zum Beispiel als Isolationsmaterial im Bau eignen. Es zeigte sich, dass sich die mittels Organosolv-Verfahren gewonnen Lignine aufgrund eines geringen Eigengeruchs, der höheren Fließfähigkeit und einer nur leicht verringerten Reaktivität besser als Kraft-Lignin für die Hartschaumherstellung eigneten. Darüber hinaus wurden Ligninderivate und ligninbasierte Polyole zu Polyurethan-Gießharzen synthetisiert und Beschichtungen für Langzeitdünger, die bislang auf Phenolharz basieren, bis zu 100% durch ligninmodifizierte Harze ersetzt.

Lignin-Bausteine ersetzen petrochemische Komponenten

Das Projekt liefert damit aus Lignin gewonnene Synthesebausteine, die die bisher in der Chemie eingesetzten erdölbasierten Substanzen ersetzen können. Das Lignoplast-Projekt wurde vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) gefördert.

Mit der sogenannten DNA-Origami-Technik können Wissenschaftler Einzelstränge des Erbguts zu dreidimensionalen Strukturen falten. Hendrik Dietz, Professor für Biomolekulare Nanotechnologie an der Technischen Universität München (TUM), ist ein Experte auf diesem Gebiet und hat jetzt eine neue Methode entwickelt, die üblicherweise nanometergroßen DNA-Origami Strukturen auch in größeren Format herzustellen. Hierzu haben Dietz und sein Team virale Konstruktionsprinzipien in die DNA-Origami-Technologie übertragen. Die Forscher zeigen damit, dass damit nicht nur Strukturen von der Größe von Viren und Zellorganellen gezielt konstruiert, sondern auch die Produktionskosten erheblich gesenkt werden können. Die Ergebnisse der Studie wurden im Fachjournal „Nature” veröffentlicht.

Von Nano-V-Formen zu Nanoröhrchen

Als Grundlage für die größeren Strukturen entwickelten die Wissenschaftler Nanoobjekte in V-Form. Diese bekamen dann an den Seiten zusätzliche Bindungsstellen, so dass diese sich eigenständig zusammenfügten. Je nach Öffnungswinkel entstanden so „Zahnräder“ aus zehn bis 28 Einzelelementen. „Zu unserer großen Freude entstehen fast ausschließlich die durch den Öffnungswinkel der Einzelelemente vorgegebenen Ringe“, sagt Hendrik Dietz.

Anschließend entwickelten die Forscher auch Moleküle, die zusätzlich etwas schwächere Verbindungsstellen auf Ober- und Unterseite besitzen. Dadurch fügten sich die „Nanozahnräder“ zu langen Röhrchen zusammen. „Mit Längen von einem Mikrometer und Durchmessern von mehreren Hundert Nanometern erreichen diese Röhrchen bereits die Größe von Stäbchenbakterien“, sagt Hendrik Dietz.

Therapeutische Anwendungen für die Zukunft

Das Forschungsunterfangen, welches unter anderem im Rahmen des BioOrigami-Projekts vom Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert wird, plant diese 3D-Strukturen künftig auch für den Transport von Medikamenten im Körper anzuwenden. Dafür entwickeln die Forscher um Dietz sogenannte Käfige, die ihren Inhalt kontrolliert freigeben. „Das Ziel dabei ist, die Wirkstoffe ausschließlich am Einsatzort freizusetzen und den restlichen Körper zu schonen“, erklärt Dietz.

DNA-Enzym ermöglicht vereinfachte Herstellung

Bisher waren die Anwednungsmöglichkeiten stark beschränkt, denn mit den ursprünglichen Methoden konnten nur wenige Mikrogramm hergestellt werden. Der Grund: Die kurzen Klammerstränge der 3D Strukturen mussten bisher mittles chemischer Synthese aufgebaut werden. Der aus Bakteriophagen gewonnene Hauptstrang hingegen kann relativ einfach und in großen Mengen biotechnologisch produziert werden.

Ebenfalls aus der synthetischen Biotechnologie stammen sogenannte DNA-Enzyme. Dietz und sein Team haben die kurzen Klammer-Sequenzen mit jeweils zwei modifizierten DNA-Enzymen zu einem langen Strang verbunden. „Wie der Einzelstrang einer Bakteriophagen-DNA lässt sich ein solcher Strang, einmal präzise mit der richtigen Basenfolge hergestellt, mit biotechnologischen Verfahren vervielfältigen“, erläutert Dietz den Trick des Verfahrens. Zusammen mit Kollegen am Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik konnten sie so inzwischen bereits Grammmengen von vier verschiedenen DNA-Origami-Objekten herstellen. Auch die weitere Skalierbarkeit in den Kubikmeter-Maßstab erscheint nun möglich.

jmr

Using the "DNA-origami-technique" researchers can fold single DNA strands into a three-dimensional double-stranded structure. Biophysicist Hendrik Dietz, Professor of Biomolecular Nanotechnology at TU Munich, is an expert of this field and has now developed a new way to make the tiny DNA origami structures larger by transfering viral construction principles to DNA origami technology. This enables him and his team to design and build much larger structures than before – now on the scale of viruses and cell organelles. The researchers published their findings in the journal Nature.

V-shaped nano-objects autonomously attach to each other

To build these larger structures the researchers first created V-shaped nano-objects. These have shape-complementary binding sites on their sides, allowing them to autonomously attach to each other while floating in a solution. Depending on the opening angle, they form “gears” with a controlled number of spokes. “We were thrilled to observe that, almost without exception, rings formed as defined by the opening angle,” says Dietz. “Decisive for the ability to build objects of this size and complexity is the precision and rigidity of the individual building blocks. We had to reinforce individual elements with crossbars, for instance.”

Building nanotubes one micrometer long

To further exploit the construction principle, the team created new building blocks that had “glue joints” not only on the sides, but also slightly weaker ones on the top and bottom. This allows the “nano-gears” to form long tubes using the additional docking sites in a second step. “At lengths of one micrometer and a diameter of several hundred nanometers, these tubes have reached the size of some bacteria,” explains Hendrik Dietz. “And we can use the architecture of individual elements to determine features of the overall structure.”
For future applications the researchers hope to use polyhedral “cage-like” structures that could release target-specific treatment.

Reducing manufacturing costs

However, to date, manufacturing processes have limited the scope of application to those requiring only small amounts of material. The fact that only a few micrograms can be manufactured with conventional methods precludes many potential medical and materials science applications.

The bottleneck is the short staple strands that must be chemically produced base by base. The main strand, which is obtained from bacteriophages, on the other hand, can be produced on a large scale using biotechnological processes.
That is why Dietz and his team refined the so-called DNA enzymes. These are DNA strands that break apart at specific positions when exposed to a high concentration of zinc ions.

Both the main strand and the secondary strand, comprising DNA enzymes and the staple sequences, were successfully produced using a high cell density process with bacteria. The process is scalable and thus amenable to high volume production of the main strands and staples. Increasing the zinc ion concentration after DNA isolation releases the short staple sequences, which then fold the main strand into the desired shape.

jmr

Sie stellen T-Shirts aus Holzfasern her, ersetzen mit Solarfolien Einwegbatterien, helfen chronisch Kranken mit einer telemedizinischen Versorgung oder bieten mit der „Ein-Dollar-Brille“ Menschen in Entwicklungsländern eine augenoptische Grundversorgung: Die Erfinder dieser Ideen zeigen beispielhaft, wie soziale und ökologische Nachhaltigkeit funktionieren kann. Am 7. Dezember wurden die vier „grünen Gründer“ in Düsseldorf mit dem diesjährigen „Next Economy Award“ ausgezeichnet.

Sieger nach Live-Pitch

Der Preis wurde zum dritten Mal im Rahmen des Deutschen Nachhaltigkeitstages von der Stiftung Deutscher Nachhaltigkeitspreis in Zusammenarbeit mit dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, dem Rat für Nachhaltige Entwicklung und dem Deutschen Industrie- und Handelskammertag (DIHK) verliehen. Zwölf von insgesamt 160 Bewerbern waren für den Preis nominiert und gingen ins Rennen um die Trophäe, die in diesem Jahr in den Kategorien „Change“, „Digitality“, „People“ und „Technology“ vergeben wurde. Nachdem sich die Nominierten in einem Live-Pitch tagsüber vor einer Jury behauptet hatten, wurden die Gewinner am Abend bei einem Festakt gekührt.

Vier nachhaltige Start-ups geehrt

Sieger in der Kategorie „Change“ wurde das Düsseldorfer Start-up Wijld, das die Jury mit ihren T-Shirts aus Holzfasern überzeugte. In der Kategorie „Digitality“ überzeugte das Deutsche Institut für Telemedizin und Gesundheitsförderung mit seiner telemedizinischen Versorgung chronisch Kranker. Die Auszeichnung in der Kategorie „People“ ging an EinDollarBrille e.V., welcher eine augenoptische Grundversorgung in Entwicklungsländern möglich macht. Enerthing GmbH, die Hersteller einer Solarfolie, welche Einwegbatterien ersetzen kann, konnten wiederum den Preis in der Kategorie „Technology“ entgegennehmen.

Die Auszeichnungen wurden unter anderem von Fussballprofi Philipp Lahm, Modell Sara Nuru und dem Parlamentarischen Staatssekretär Dirk Wiese überreicht. Die Ehrenpreise gingen in diesem Jahr unter anderem an den Schweizer Innovator und Abenteurer Bertrand Piccard für sein Projekt „Solar Impulse“, welches das Potenzial der Nutzung erneuerbarer Energien aufzeigt.

Regina Palkovits ist eine Grenzgängerin. Seit Jahren bewegt sie sich zielstrebig entlang dem innovativen Grat zwischen Grundlagen- und anwendungsnaher Forschung. Die Natur nicht nur verstehen, sondern dieses Wissen auch für die Praxis nutzbar machen, dieser Gedanke hat die gebürtige Essenerin seit jeher gereizt und treibt sie bis heute an. Schülerpraktika im Forschungslabor von Coca-Cola oder beim Energieversorger RWE, dazu die vielen Gespräche mit ihrem Vater, einem Ingenieur, prägten ihren Wunsch, Chemieingenieurwesen zu studieren. „Für mich sind Ingenieurwissenschaften die Schnittstelle, wo man mit Themen der Naturwissenschaften in die Anwendung geht“, sagt Palkovits.

Nach ihrem Studium 2003 ging Palkovits ans Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr, wo sie ihre Diplomarbeit und die Promotion absolvierte. Seither ist die Katalyse ihr Forschungsfeld. Mit 30 wurde sie Professorin an der RWTH Aachen. Seit 2013 hat sie den Lehrstuhl für heterogene Katalyse und technische Chemie an der RWTH inne.

Katalyse ermöglicht vollständige Rohstoffnutzung

Die 37-Jährige ist überzeugt: „Katalyse ist der Schlüssel zu einer 100%igen Nutzung von Rohstoffen. Mit dem richtigen Katalysator braucht das Verfahren geringere Temperaturen, es geht schneller und man gelangt selektiver zum gewünschten Zielprodukt.“

Bert Weckhysen von der Universität Utrecht in den Niederlanden war es, der Palkovits während ihres Postdocs für die katalytische Umsetzung nachwachsender Rohstoffe begeisterte. Am MPI in Mülheim übernahm Ferdi Schüth die Rolle des Mentors und unterstützte sie dabei, natürliche Ressourcen besser nutzbar zu machen. Seither konzentriert sich Palkovits auf die sogenannte heterogene Katalyse – bei der Katalysator und die reagierenden Substanzen in jeweils anderen Phasenzuständen existieren, der Katalysator dabei meist als Feststoff und die umzusetzenden Substanzen flüssig oder gasförmig.

Holzabfälle für die Chemie nutzbar machen

Ein Schwerpunkt ihrer Arbeit: Die Hauptbestandteile Cellulose, Hemicellulose und Lignin aus Reststoffen wie Holzabfällen für die Chemie nutzbar machen. Mittels von ihr entwickelter Katalyseverfahren gelang es Regina Palkovits, aus diesen Abfällen aus der Landwirtschaft für die chemische Industrie wertvollen Verbindungen zu gewinnen. Die Basis bildet ein sogenannter Metallträger-Katalysator. Der Träger, bestehend z.B. aus Aktivkohle, wie sie in Wasserfiltern genutzt wird, wird hierbei mit Nanopartikeln aus Metall versehen.

Basischemikalien aus Cellulose

Die Reaktionen finden dann in Wasser, manchmal mit Wasserstoffdruck, in einem geschlossenen Druckreaktor statt: „Das ist fast wie Kartoffeln im Schnellkochtopf zu kochen. Man gibt Wasser, Cellulose und Katalysatorpulver hinein, schließt den Deckel, gibt Wasserstoff dazu und heizt. So kann man ein komplexes Riesenmolekül wie Cellulose in seine einzelnen Bausteine zerlegen und erhält eine Basischemikalie“, beschreibt Palkovits eines ihrer Verfahren. Mit dieser „Küchentaktik“ konnte beispielsweise Cellulose in Ethylenglykol, das für die Herstellung von Polymeren benötigt wird, und Propylenglykol, das in Frostschutzmitteln Anwendung findet, als Basischemikalie verwandelt werden.

Auszeichnungen für Katalyse-Forschung

Für ihre Arbeiten wurde die Aachener Professorin bereits mehrfach ausgezeichnet, darunter 2010 mit dem Innovationspreis des Landes Nordrhein-Westfalen und 2016 mit dem DECHEMA-Preis der Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie, der mit 20.000 Euro dotiert ist.

Darüber hinaus forscht Palkovits auch an katalytischen Verfahren, mit denen wichtige Stoffe für die Pharmaindustrie und Feinchemie hergestellt werden können. „Wir schauen uns zum Beispiel die Herstellung seltener Zucker an, die in Krebsmedikamenten aber auch für Süßstoffe genutzt werden. Außerdem haben wir ein Verfahren patentiert, mit dem wir die Substanz Pyrrolidon sehr effizient aus fermentativ gewonnenen Säuren herstellen können. Damit ist das Polymer Polyvinylpyrrolidon (PVP) zugänglich, das aufgrund der guten Wasserlöslichkeit sowie Ungiftigkeit in vielen Kosmetikprodukten und Pharmaka Anwendung findet“, erklärt Palkovits.

Von der Forschung in die Anwendnung

Das Patent für die Feinchemikalie ist übrigens das Ergebnis eines vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projektes. Im Dezember beginnt mit der Machbarkeitsphase nun die zweite Etappe des Vorhabens „Biogene Pyrrolidone“. Gemeinsam mit Industriepartnern will Palkovits in den kommenden Jahren den Mehrwert des neuartigen Katalyseverfahrens bei der Herstellung der Feinchemikalie unter Beweis stellen. Wenn das gelingt, könnte der Wunsch von Regina Palkovits also bald wahr werden. Denn neben Anerkennung strebt die Grenzgängerin vor allem nach einem: „Lieber als ein Preis wäre mir, dass eines meiner Verfahren es aus der Forschung in die Anwendung schafft.“ Die Aussichten dafür sind gut.

Autorin: Beatrix Boldt

Ein glamouröser Festakt mit Prominenz aus Wirtschaft, Politik und Kultur bildete den Rahmen für die Verleihung des zehnten Deutschen Nachhaltigkeitspreises am 8. Dezember in Düsseldorf. Vor knapp 1.200 geladenen Gästen wurden zehn große und kleine Unternehmen, Institutionen aber auch Städte und Gemeinden für ihre außergewöhnlichen Leistungen auf dem Feld der Nachhaltigkeit geehrt. Insgesamt wurde die silberne Trophäe in diesem Jahr in zehn Kategorien vergeben.

Mit Mikroben Abwässer reinigen und Strom erzeugen

In der Sparte „Forschung“ konnte sich ein Team vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) über die Auszeichnung freuen. Es überzeugte die Jury mit einer bio-elektrochemischen Brennstoffzelle, die die Abwasserreinigung nachhaltig verbessern und Kläranlagen in kleine Kraftwerke verwandeln kann. Die Technologie setzt dabei auf Brennstoffzellen aus Mikroorganismen, die bei der Reinigung von Abwasser auf direktem Weg Strom und Wasserstoff erzeugen. Die Entwicklung der innovativen Bio-Brennstoffzelle wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Fördermaßnahme „Zukunftsfähige Technologien und Konzepte für eine energieeffiziente und ressourcenschonende Wasserwirtschaft” (ERWAS) mit insgesamt rund 3 Mio. Euro gefördert.

Hannover ist nachhaltigste Großstadt

Darüber hinaus wurde der Preis in neun weiteren Kategorien verliehen. So wurden beispielsweise die Landeshauptstadt Hannover als „nachhaltigste Großstadt“, die Deutsche Telekom als „nachhaltigstes Großunternehmen“ und die DSD - Duales System Holding GmbH & Co. KG mit dem Sonderpreis „Ressourceneffizienz“ gewürdigt. Prominete wie die britische Rocksängerin Annie Lennox und Marius Müller-Westernhagen sorgten bei der großen Gala nicht nur für Unterhaltung. Beide Künstler wurden gleichfalls für ihr ökologisches Engagement ausgezeichnet.

Große Bühne auch für "nachhaltige Gründer"

Der Deutsche Nachhaltigkeitspreis fand abermals im Rahmen des Deutschen Nachhaltigkeitstages statt. Er wird von der Stiftung Deutscher Nachhaltigkeitspreis in Zusammenarbeit mit dem Bundeswirtschaftsministerium sowie kommunalen Spitzenverbänden, Wirtschaftsvereinigungen, zivilgesellschaftlichen Organisationen und Forschungseinrichtungen verliehen. Mit dem „Next Economy Award“ wurden im Rahmen der mehrtägigen Veranstaltung auch grüne Start-ups für ihre Ideen gewürdigt.

Die Sonnenblume ist neben Raps, Soja und Palme eine der wichtigsten Ölpflanzen weltweit. Das aus den Kernen gepresste Öl wird sowohl zur Herstellung von Lebensmitteln als auch für die Biodiesel-Produktion genutzt. Trotz ihres großen Potenzials ist die Sonnenblume hierzulande immer seltener auf den Äckern zu sehen. Der Grund: Die Pflanze ist äußerst anfällig für Krankheiten und Schädlinge. Der falsche Mehltau – ein hartnäckiger Pilz – verursacht dabei die Krankheit und hat in der Vergangenheit oft zu Ertragseinbußen geführt.

Molekulare Marker für Züchter entwickeln

Im Rahmen des Förderprojektes „SUNRISE“ hat ein Forscherkonsortium unter der Leitung der KWS Saat SE in Einbeck nach Werkzeugen gesucht, um der Sonnenblume als Öllieferant zu einem Comeback zu verhelfen. „Das Ziel war es, für die Sonnenblume kostengünstige molekulare Marker zu entwickeln, die in der Züchtung eingesetzt werden können“, sagt Projektleiterin Silke Wieckhorst von KWS Saat. Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Förderinitiative PLANT 2030 zwischen 2012 und 2015 mit insgesamt 1,26 Mio. Euro gefördert. An dem Vorhaben waren neben der KWS Saat auch die Universität Hohenheim, die Technische Universität München und das Gaterslebener Biotechnologie-Unternehmen Trait Genetics beteiligt.

Genetischer Krankheits-Check

Im Fokus des Projektes stand die Entwicklung und Identifizierung von Markern, die mit den Resistenzgenen gegen den falschen Mehltau eng gekoppelt vererbt werden. Dafür nahmen die Forscher vor allem das Genom der aus Nordamerika stammenden Sonnenblumenart Helianthus annuus, aber auch das Erbgut der Wildart Helianthus argophyllus ins Visier. Vollständige Genomsequenzen lagen zu Beginn des Projekts allerdings noch nicht vor.

Mithilfe modernster Sequenziertechnologien spürte das Team um Wieckhorst sogenannte Marker – also charakteristische DNA-Unterschiede zwischen verschiedenen Pflanzenlinien auf. In diesem Fall handelte es sich um sogenannte Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs). Hier unterscheiden sich die DNA-Sequenzen in nur einem einzigen Buchstaben (Nukleotid) des Erbgut-Codes. Einmal aufgespürt sind molekulare Marker für Pflanzenzüchter fortan wichtige Orientierungshilfen im Genom. Denn die Existenz bestimmter Marker ist häufig mit landwirtschaftlich interessanten Eigenschaften gekoppelt. „Wir haben von vier Sonnenblumenlinien das komplette Genom und bei weiteren 48 Linien nur bestimmte Teilbereiche sequenziert. So hatten wir eine Grundlage, um die DNA-Unterschiede zwischen den Linien aufzuspüren“, erklärt Wieckhorst.

22.000 Marker auf einem DNA-Chip

Im Ergebnis entstand ein DNA-Mikrochip mit knapp 22.000 relevanten SNP-Markern. Gibt man ein Gemisch aus DNA-Stücken einer zu testenden Pflanze dazu, lagern sich einige dieser Schnipsel an ein Pendant auf dem Chip an und erzeugen dann ein optisches Signal. Dieser Erbgut-Check kann die Züchtung neuer resistenter Sonnenblumen-Linien beschleunigen. „Mithilfe der Marker hat man schnell ein Bild, ob die Pflanze eine gewünschte Resistenz trägt oder nicht. Sie muss nicht mehr phänotypisiert werden, sondern man kann bereits im Keimlingsstadium ein Stück Blatt entnehmen, daraus DNA extrahieren und mithilfe der von uns entwickelten Marker das Erbgut analysieren. Das ist ein großer Zeitgewinn und spart Kosten“, sagt Wieckhorst.

Ressource für neue Züchtungen

Mit dem Genotypisierungs-Chip hat das Sunrise-Projektteam Pflanzenzüchtern auch ein innovatives Werkzeug für die Entwicklung neuer ertragsreicher Sonnenblumen-Sorten in die Hand gegeben. „Resistenzgene sind unheimlich wichtig, um die Sonnenblume zu schützen und einen stabilen Ertrag zu gewährleisten. Der Chip kann die Pflanzenzüchtung darüber hinaus bei der genomischen Selektion unterstützen, um beispielsweise den Ertrag vorherzusagen“, erklärt Wieckhorst.

Ertrag und Qualität der Ölpflanze ins Visier

Bei KWS Saat ist der Einsatz von molekularen Markern, die auf dem Sonnenblumen-Genotypisierungschip basieren, längst ein gängiges Werkzeug. Die identifizierten Marker bilden zudem den Grundstock für das Nachfolgeprojekt „InnoSun“, das im April gestartet ist und vom Bundeslandwirtschaftsministerium gefördert wird. Hier werden die einstigen Sunrise-Partner unter Leitung von Silke Wieckhorst das neue Werkzeug nutzen, um mittels genomischer Selektion gezielt Ölertrag und Ölqualität der Sonnenblume vorherzusagen. Da Insekten die großen Korbblüten der Sonnenblumen lieben, sind für die Pflanzenexpertin die Forschungsaktivitäten auch ein wichtiger Schritt hin zu mehr Biodiversität auf dem Acker.

Autorin: Beatrix Boldt

Bei der Herstellung von Milchprodukten wie Quark, Frischkäse oder griechischem Jogurt entsteht eine säurehaltige Flüssigkeit, die bisher nur begrenzt nutzbar war: Sauermolke. In geringen Mengen wurde der Reststoff in Form von Molkepulver als Tierfutter verwendet, musste aber mithilfe von Chemikalien aus den Abwässern aufwendig gewonnen werden. Nun haben Forscher der Eberhard Karls Universität Tübingen einen Prozess entwickelt, mit dem sich Sauermolke ohne teuren Zusatz weiterverwenden lässt. Ein Team um den Umweltbiotechnologen Lars Angenent nutzte lediglich verschiedene Mikroorganismen, um das Milchabfallprodukt in ein Bioöl zu verwandeln, dass Basis für Tierfutter und neue Biokraftstoffe sein kann.

Mikrobiom als Vorbild für Biorekator

Wie das Forscher im Fachjournal „Joule“ berichten, wurde der Bioreaktor mit Bakterienkulturen versetzt, die denen im menschlichen Darm ähneln. Bei dem sogenannten Reaktor-Mikrobiom handelt es sich der Studie zufolge um eine offene Kultur, in der sich, ähnlich wie im Darm, auch Bakterien von außen ansiedeln können. „Eine Sterilisation des Bioreaktors oder des Abwassers ist deshalb nicht nötig. Bestimmte Bakterien werden dann selektiert und der Prozess so gelenkt, dass wertvollere organische Stoffe mit längeren Kohlenstoffketten entstehen“, sagt Lars Angenent.

In zwei Etappen vom Reststoff zum Bioöl

Sauermolke hat zwar einen hohen Säuregehalt. Der Reststoff ist aber auch reich an organischen Stoffen wie Milchzucker. Bei der Herstellung von Quark fallen pro eingesetzten Liter Milch etwa zwei Liter Sauermolke an. In zwei Tanks mit unterschiedlichen Temperaturen wurden solche Reststoffe schließlich zu Bioöl umgesetzt. „Im ersten, auf 50 Grad Celsius erhitzten Tank wandelte das Mikrobiom Zucker in Säure als Zwischenprodukt um ‒ die gleiche Säure, die entsteht, wenn Milch sauer wird. Im zweiten Tank setzte das Mikrobiom bei 30 Grad Celsius die vorhandenen Stoffe in Produkte mit sechs bis neun Kohlenstoffen in einer Reihe um“, beschreibt Angenent den Prozess.

Abwassercheck geht weiter

Mit der Studie beweisen die Forscher, dass mithilfe von Bakterien Sauermolke als Abfallstoff recycelt werden kann. In Bioraffinerien weiterverarbeitet könnte das Öl nicht nur für neue Produkte wie Tierfutter genutzt werden, das durch seine antimikrobiellen Eigenschaften sogar Tierkrankheiten vorbeugen könnte. Auch Kraftstoff für Flugzeuge könnten so produziert werden. Denn das Bioöl enthält viel Kohlenstoff und entwickelt ölige Eigenschaften, wodurch es leichter vom Wasser getrennt werden kann. So könnte es nach der Aufreinigung in Bioraffinerien zu Biosprit weiterverarbeitet werden. Als nächstes wollen die Tübinger Forscher untersuchen, ob auch andere Abwässer in neue nützliche Chemikalien verwandelt werden können.

Mit der Nutzung von Reststoffe aus der Milchwirtschaft beschäftigen sich auch Dresdner Forscher. Ihnen ist es kürzlich gelungen, Reststoffe der Molkeveredelung fast vollständig zu recyceln und daraus sogar Trinkwasser zu gewinnen.

Produkte aus Soja begeistern zunehmend auch jene, die ansonsten auf Fleisch schwören. Mit ihrem hohen Eiweißgehalt ist die aus Asien stammende Pflanze inzwischen nicht mehr nur für Vegetarier und Veganer eine Alternative zu tierischen Proteinen. Darüber hinaus hat sich die Pflanze bei Landwirten einen Namen als natürlicher Bodenverbesserer gemacht. Dennoch: Hierzulande ist Soja auf dem Acker eher selten zu finden und auch im heimischen Garten noch eine Ausnahme.

Soja-Forschung mit "1000 Gärten 2.0" vertiefen

Doch in den Soja-Anbau kommt Bewegung. Mit dem Ziel, ideale Sojasorten für die Herstellung von Tofu zu testen, wurde 2016 das „1000 Gärten – Das Soja-Experiment“ vom Bio-Tofu-Hersteller Taifun-Tofu GmbH und der Universität Hohenheim ins Leben gerufen. Hobbygärtner, Landwirte und Schüler bauten bundesweit verschiedene Sojastämme an und dokumentierten deren Entwicklung über die gesamte Vegetationsperiode. Nach der erfolgreichen ersten Runde ist am 15. Dezember mit „1000 Gärten 2.0“ die zweite Staffel des Soja-Experiments gestartet. „Mit einem weiteren Versuchsjahr wollen wir die Genauigkeit und den wissenschaftlichen Nutzen des Projekts erhöhen“, erklärt Martin Miersch, Leiter des Landwirtschaftlichen Zentrums für Sojaanbau und Entwicklung bei Taifun.

Soja-Gärtner werden

Bis zum 28. Februar 2018 können sich interessierte Hobbygärtner, Landwirte und Schüler erneut um eine Teilnahme bei „1000 Gärten“- Projekt bewerben. In der zweiten Staffel, die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt wird, werden rund 1.000 verschiedene Sojastämme getestet. Für den Anbau auf einer sechs Quadratmeter großen Fläche erhält jeder Teilnehmer Saatgut von zwölf verschiedenen Sojakreuzungen, welche an die jeweiligen regionalen Klimabedingungen angepasst sind.

Die Aufgabe der Soja-Gärtner besteht darin, die Pflanze bis zur Ernte zu pflegen und zu beobachten und entsprechende Daten wie Größe, Ertrag und Reife zu erfassen und in eine Online-Plattform zur wissenschaftliche Auswertung einzugeben. Anhand der eingesandten Ernte ermitteln die Forscher schließlich Eiweiß- und Fettgehalt der Sojabohnen sowie deren Tofu-Eigenschaften.

Die Vielfalt der Sojabohnen im Blick

Die erste Auflage hat bereits gezeigt, dass diese Art der Pflanzenforschung einen wichtigen Beitrag zur Züchtung neuer Sojasorten leisten kann. Mit der Fortsetzung des Experiments wollen die Initiatoren nunmehr auch auf die Sortenvielfalt aufmerksam machen. Deshalb erhalten die Projektteilnehmer zusätzlich für den eigenen Anbau Saatgut der Soja-Wildform Glycine soja, einer Soja-Standardsorte sowie der neuen Edamame-Sorte Green Shell. Diese Edamame-Bohnen werden grün geerntet und sind in Japan als Snack beliebt. „Mit der innovativen Züchtungsmethode von 1000 Gärten können die Menschen ihren persönlichen Beitrag für eine nachhaltige Forschung leisten“, betont Volker Hahn von der Landessaatzuchtanstalt der Universität Hohenheim.

Die Forscher sind überzeugt: Der heimische Anbau von Soja ist eine Chance, Menschen nachhaltig mit pflanzlichem Eiweiß zu versorgen und das ohne lange Transportwege und aus gesicherter Herkunft. Bisher werden über 90 % des angebauten Sojas zu Tierfutter oder Soja-Öl. Mit dem Anbau der Leguminose kann auch der umstrittene düngemitteleinsatz in der landwirtschaft reduzuert werden. Denn Hülsenfrüchte wie Soja binden wertvolle Nährstoffe und bereiten so den Boden für Folgekulturen auf.

Um langfristig die wachsende Weltbevölkerung zu ernähren, muss die Landnutzung nachhaltig sein und die Landwirtschaft gleichzeitig einen maximalen Ertrag erwirtschaften. Deshalb gilt es, Zusammenhänge der Landschaftsprozesse und Auswirkungen von Landnutzungen noch besser zu verstehen. Bislang standen in der Agrarforschung dazu experimentelle Ansätze im Vordergrund, um Hypothesen zu überprüfen. Ganz neue Möglichkeiten bietet die Analyse von Big Data, also großen Mengen an Forschungsdaten, die bereits erhoben wurden. Gunnar Lischeid erforscht bislang am brandenburgischen Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) den Wasserhaushalt von Landschaften. Ab Januar 2018 wird er am ZALF die Leitung der neuen Struktureinheit „Forschungsplattform Daten“ übernehmen.

Unerwartete Effekte mit Big Data aufdecken

„In vielen Bereichen wird heute Big Data genutzt, um neue Erkenntnisse zu gewinnen. Deshalb will ich bewährte Ansätze auch für unsere Fragestellungen nutzen“, sagt der 55-jährige Lischeid. Viel habe er von den theoretischen Physikern gelernt, aber auch die Klimatologie biete methodische Ansätze, die sich auf die Erforschung der Landschaftsprozesse übertragen ließen.

Während Lischeids bisherige Tätigkeiten über seine Professur für Landschaftswasserhaushalt an der Universität Potsdam und als Institutsleiter am ZALF in Müncheberg inhaltlich vorgegeben waren, werden sich seine neuen Aufgaben vor allem über die methodische Herangehensweise definieren. „Natürlich fragen wir weiter nach den Faktoren, die den landwirtschaftlichen Ertrag beeinflussen“, sagt Lischeid. Statt eine Hypothese aufzustellen und sie experimentell zu überprüfen, wollen die Wissenschaftler aber nun ihre Messdaten-Archive möglichst unvoreingenommen nach Zusammenhängen absuchen. „Wir lassen uns also überraschen, was wir finden“, betont der studierte Agraringenieur. Nach seinem Studium in Bonn und Göttingen promovierte Lischeid im Jahr 1995 über ein forstwirtschaftliches Thema und schloss 2004 seine Habilitation im Fach Hydrologie ab. Danach war er bis 2008 als Oberassistent am Lehrstuhl für Ökologische Modellbildung an der Universität Bayreuth tätig, bevor er ans ZALF wechselte.

Dass Ergebnisse aus Messungen tatsächlich überraschend sein können, stellte Gunnar Lischeid und sein Forscherteam erst kürzlich fest: Auf einem 170 Quadratkilometer großen Untersuchungsgebiet in der Uckermark im nördlichen Brandenburg hatten die Forscher bereits 20 Jahre Daten lang gesammelt. Sie vermuteten einen Zusammenhang zwischen dem Niederschlag im Frühsommer und dem Ertrag auf den Feldern. „Die Daten zeigen, dass aber wohl die Tagestemperaturen viel entscheidender sind“, so Lischeid. Selbstverständlich müssten diese Resultate erst noch validiert werden. Aufbauend auf solchen Erkenntnissen ließen sich künftig Anwendungsprogramme für die Landwirte für ein nachhaltiges Wirtschaften entwickeln.

Datenbasis weiter ausbauen

Verlieren in der Ära von Big Data nun Feldversuche an Bedeutung? „Nein, keinesfalls“, sagt Lischeid. „Das Sammeln der Daten auf dem Feld bleibt ein wichtiger Bestandteil unserer Forschung.“ Der Landschaftsforscher war in zahlreichen praxisorientierten Projekten im In- und Ausland tätig. Daten sammeln sei auch künftig für die Forschung zentral. „Für die umfangreiche Analyse von Big Data werden viele – auch neue – Daten benötigt.“ Um auf möglichst viele Daten zurückgreifen zu können, spielt die Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Disziplinen und der Datenaustausch unter Forschern eine wichtige Rolle. „Gerade wenn geplant wird, welche Daten man sammeln will, kommt es darauf an, Synergien zu nutzen“, betont Lischeid. Neben Daten aus der Feldforschung werden auch solche verwendet, die mithilfe von Drohnen und Satelliten gewonnen wurden.

Bestehendes hinterfragen, um voranzukommen

Was Lischeid an seinem Beruf fasziniert, sind die neuen Zusammenhänge, die sich immer wieder finden und erschließen lassen. „Das bedeutet Wissenschaft für mich: Man muss bereit sein, zu zweifeln und zu hinterfragen, um voranzukommen und zu neuen Ansichten zu gelangen“, sagt Lischeid. Er ist überzeugt: In den Datenbergen der Agrarforschung schlummern noch viele überraschende Erkenntnisse, die es zu entdecken gilt.

Autorin: Britta Pollmann

Sonnenlicht gibt Pflanzen die Energie zum Wachsen: Mittels Photosynthese werden Kohlenstoff und Wasser in Zucker und Sauerstoff umgewandelt. Der Hauptakteur dieses wichtigen biologischen Prozesses ist das Enzym Rubisco. Das Schlüsselenzym katalysiert den ersten Schritt der Kohlenhydratproduktion in Pflanzen, die Fixierung von Kohlendioxid. Dabei nutzen Pflanzen das CO₂, um Biomasse aufzubauen und für ihr Wachstum die nötige Energie zu erzeugen. Allerdings ist das Schlüsselenzym sehr ineffizient und arbeitet nur langsam. Auch Reaktionen mit Sauerstoff können die Katalyse von Rubisco beeinträchtigen, was wiederum die Photosyntheseleistung des Enzyms und damit das Pflanzenwachstum stört.

Photosynthese mittels Gentechnik verbessern

Biotechnologen vom Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried haben es sich daher zur Aufgabe gemacht, durch die gentechnische Veränderung von Rubisco, die Effizienz der Photosynthese anzukurbeln. Ein Team um Manajit Hayer-Hartl hat dafür die Voraussetzungen geschaffen, wie eine neue Studie im Fachjournal „Science“ zeigt.

Bakterium erzeugt Pflanzen-Rubisco

Um Rubisco und somit die Photosynthese gentechnisch zu verändern, mussten die Forscher das Enzym in einen alternativen Wirt, beispielsweise ein Bakterium, einbringen, wo das Enzym dann funktionsfähig produziert wird. Eine solche enzymatisch aktive Form des Pflanzen-Rubiscos in einem bakteriellen Wirt herzustellen, war bisher allersings nicht möglich. Dieses Problem haben die Wissenschaftler nun gelöst. Sie fanden heraus, wie das Rubisco-Enzym zusammengesetzt wird.

Der Studie zufolge besteht der Photosynthese-Treiber aus acht großen und acht kleinen Untereinheiten. Die Proteinfaltung der großen Bereiche wird dabei durch spezifische makromolekulare Faltungskäfige, sogenannte Chaperonine, unterstützt. Mit diesen können die neu synthetisierten Proteine ihre korrekte funktionelle Struktur einnehmen, wie die Forscher berichten. Nach der Faltung unterstützen weitere Helferproteine, sogenannte Chaperone, die Untereinheitendabei, sich zu einem großen Enzymkomplex zusammenzufinden.

Enzym-Varianten wie am Fließband bauen

Dieses bakterielle Expressionssystem arbeitet den Forschern zufolge wie ein „Fließband für Autos“. „Früher musste jede optimierte Rubisco-Variante in einer transgenen Pflanze mühsam erzeugt werden, was ein Jahr oder länger dauert. Das kann man in etwa damit vergleichen ein Auto per Hand zu bauen. Jetzt können wir Hunderte oder Tausende solcher Rubisco-Varianten in Tagen oder Wochen herstellen. Es ist, als würde man Autos am automatisierten Fließband bauen", sagt Manajit Hayer-Hartl.

Mit ihrer Studie ebnen die Max-Planck-Forscher den Weg, mittels Gentechnik die Photosynthese bei Pflanzen zu verbessern und so das Pflanzenwachstum und letztlich die Ernteausbeute durch neue effiziente Schlüsselenzyme zu fördern.

The number of people on the planet and thus the number of hungry mouths to feed is constantly growing and is expected to exceed 9 billion by the year 2050. Thus, there is an urgent need to improve crop yield for food output. To meet this demand, researchers lead by Manajit Hayer-Hartl at the Max Planck Institute of Biochemistry in Munich aim to increase the efficiency of photosynthesis and thus crop productivity by artificially engineering the plant Rubisco enzyme. They published their results in the journal “Science”.

Engineering photosynthesis

Photosynthesis is the fundamental biological process that underlies all plant growth and supports life on Earth. Plants use the energy of sunlight to convert carbon dioxide (CO2) and water to sugar and oxygen (O2). The critical enzyme in this process is Rubisco. The Rubisco enzyme consists of eight large and eight small subunits, which, together, catalyse the first step of the photosynthesis process: the fixation of CO2 from the atmosphere. However, Rubisco is an inefficient enzyme as it captures CO2 only slowly. Competing reactions with O2 further impair Rubisco’s catalytic efficiency. For these reasons, Rubisco often limits the rate of photosynthesis and ultimately plant growth, making Rubisco a coveted target for genetic engineering.

Engineering of plant Rubisco, and photosynthesis, would be enhanced by functional expression of the enzyme in alternative hosts. However, for decades now scientists have tried and failed to produce an enzymatically active form of plant Rubisco in a bacterial host. A research team led by Manajit Hayer-Hartl, head of the research group “Chaperonin-assisted Protein Folding” at the Max Planck Institute of Biochemsitry, has now identified the requirements for expressing and assembling plant Rubisco in a bacterium. Their findings are expected to greatly accelerate efforts to improve photosynthesis through Rubisco engineering.

A new and automated assembly line for Rubisco

The researchers generated functional plant Rubisco in a bacterial host by simultaneously expressing plant chaperones and Rubisco in the same cells. This not only enables the scientists to understand the complex assembly pathway of Rubisco, but to modify the Rubisco gene in order to improve its properties. Once they obtained a Rubisco variant with a desired trait, they were able to insert the modified gene back into the plant cells. This is a key-step towards improving photosynthesis through Rubisco engineering. “The bacterial expression system resembles an assembly line for cars. Whereas previously every optimized variant of Rubisco had to be painstakingly expressed in a transgenic plant, which takes a year or more to generate - like building a car by hand - we can now make hundreds or thousands of Rubisco variants in days or weeks. It is like building cars in an automated assembly line”, explains Hayer-Hartl.

jmr

In der Biotechnologie werden viele Stoffe aus Mikroorganismen als lebende Zellfabriken gewonnen. Um diese Produktionsorganismen auch im industriellen Maßstab so effizient wie möglich zu kultivieren, bedarf es oft langwieriger Versuchsreihen. Ralf Pörtner an der Technischen Universität Hamburg sowie weitere Kollegen aus Industrie und Forschung haben im Rahmen eines Forschungs-Verbundprojektes ein digitales Werkzeug zur Optimierung von biotechnologischen Prozessen entwickelt.

Biotechnologische Prozesse zugänglich machen

Die Digitalisierung schreitet voran und macht auch vor der Biotechnologie nicht halt. Um optimale Kultivierungsbedingungen für Mikrobenstämme zu ermitteln, setzen die Hamburger Biotechnologen zunehmend auf modellgestützte Prozessführungsstrategien. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat sie im Rahmen der Fördermaßnahme „BioIndustrie2021“ von 2012 bis 2015 mit insgesamt fast 420.000 Euro unterstützt. „Das Ziel ist es, biotechnologische Prozesse durch Modelle und auf Modellen basierenden Berechnungen zugänglich zu machen und zu optimieren“, sagt Pörtner. Anstelle langwieriger und aufwendiger Versuchsreihen im Labor sollen in Zukunft die optimalen Bedingungen basierend auf einigen wenigen Vortests am Computer errechnet und modelliert werden.

Kultivierungsbedingungen optimieren

„Wir haben mit Milchsäurebakterien als Modellorganismus gearbeitet, da diese vielseitig einsetzbar und vor allem für die Lebensmittelindustrie sehr interessant sind“, sagt Pörtner.

In einem ersten Schritt wurden die Bakterien konventionell in einem einfachen Schüttelkolben kultiviert, um die Wachstumsbedingungen einzustellen und das Medium zu optimieren. „Basierend darauf haben wir dann erste kinetische Modelle aufgestellt, mit denen der Metabolismus der Organismen beschrieben werden kann“, erklärt Pörtner.

Besonderes Augenmerk der Wissenschaftler galt dabei dem Substratverbrauch, dem Wachstumstempo und Faktoren, die das Wachstum hemmen. Im nächsten Schritt wurde dann eine Strategie entwickelt, mit der der Bioprozess optimiert werden kann. „Basierend auf dem Berechnungsmodell haben wir einen Prozess entworfen und verfolgt, ob die Berechnungen mit den realen Organismen übereinstimmen“, sagt Pörtner.

In biotechnology, many substances are extracted from microorganisms that function as living cell factories. In order to cultivate such organisms as efficiently as possible, especially on an industrial scale, oftentimes numerous and tedious tests are necessary. As part of a collaborative research project, Ralf Pörtner at the Hamburg University of Technology together with colleagues from industry and research has developed a digital tool for the optimization of biotechnological processes.

Making biotechnological processes accessible

Digitization is enveloping most every aspect of modern life and does not stop at biotechnology. In order to determine optimal cultivation conditions for microbes, the Hamburg-based biotechnologists are turning towards model-based process management strategies more and more. The German Federal Ministry of Research and Education (BMBF) funded the project with a total of nearly €420,000 from 2012 to 2015 as part of the funding scheme "BioIndustrial2021". "The goal is to make biotechnological processes accessible and optimize them via model-based calculations," says Pörtner. In the near future, the optimal conditions will be calculated and modeled based on a few preliminary tests on the computer in the future Instead of lengthy and expensive test series in the laboratory.

Optimizing cultivation conditions

"We have been working with lactic acid bacteria as a model organism, as these are versatile and very interesting for the food industry," says Pörtner.First, the bacteria were cultured conventionally in a simple shaking flask in order to adjust the growth conditions and to optimize the medium. "Based on this, we then set up the first kinetic models to describe the metabolism of the organisms," explains Pörtner.Special attention was paid to the substrate consumption, the growth rate and factors that inhibit growth. In the next step, a strategy was developed with which the bioprocess could be optimized. "Based on this calculated model we have designed a process and tracked whether the calculations match the real-life organisms," says Pörtner.