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Fast alle Materialien werden heute mit Farben oder Lacken behandelt – zum einen, um deren Optik aufzubessern und zum anderen, um sie vor Korrosion zu schützen. Allerdings sind nur wenige der Anstriche biobasiert. Forscher der Fraunhofer-Institute für Angewandte Polymerforschung IAP in Potsdam-Golm sowie  für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart haben deshalb eine Beschichtung auf Basis nachwachsender Rohstoffe entwickelt: der Kartoffelstärke. Bisher waren Lacke und Farben mit biobasiertem Bindemittel oder Filmbildner meist zu teuer oder konnten den Anforderungen nicht stand­halten. Doch durch den Einsatz modifizierter Stärke haben die Fraunhofer-Wissenschaftler eine nachhaltige und kostengünstige Lösung geschaffen.

Nachhaltige Beschichtungen für den Innenraum

Im Fokus der Forschung stand die Beschichtung von Metallen im Innenraum, beispielsweise von Aluminium, das etwa für Feuertüren, Computergehäuse oder Fensterrahmen genutzt wird. „Bisher sind klassische industrielle Anwendungsfel­der der Stärke die Papier-, Wellpappen- und Klebstoffindustrie“, sagt Christina Gabriel vom Fraunhofer IAP. Aber auch bei der Herstellung von Beschichtungsmitteln wie Farben und Lacken sind nachhaltige Produktionsprozesse auf dem Vormarsch.

Die Verwendung von Stärke als Hauptkomponente für Farben und Lacke stellte die Wissenschaftler allerdings vor etliche Herausforderungen: „Filmbildner müssen verschie­dene Aufgaben erfüllen. Sie müssen einen zusammenhängenden Film ausbilden, der eine gute Haftfestigkeit auf dem Untergrundmaterial besitzt, kompatibel mit zusätzli­chen Schichten und Additiven ist sowie Pigmente und Füllstoffe einbetten kann“, erläutert Gabriel. Allerdings gibt sie auch zu bedenken, dass Stärke in ihrer natürlichen Form einige Eigenschaften aufweist, die der Verwendung als Filmbildner entgegenstehen: So ist sie weder kaltwasserlöslich, noch bildet sie zusammenhängende, nicht brüchige Filme aus.

Stärke wird verestert und vernetzt

Die Stärke musste also erst einmal modifiziert werden: Dazu wurde sie zunächst abgebaut, um so Wasserlöslichkeit und Feststoffgehalt der Stärke in Wasser als auch ihr Filmbildevermögen zu verbessern. Für eine spätere Anwendung als Beschichtungsmaterial darf sich die Stärke nicht mehr in Wasser auflösen und muss dementsprechend weiter modifiziert werden. Dies geschieht durch eine chemische Veresterung. Die dabei entstehenden Stärkeester sind wasserdispergierbar, bilden geschlossene Filme und weisen eine sehr gute Haftfestigkeit auf Glas- und Aluminiumflächen auf. Anschließend wurde die veresterte Stärke „vernetzt“, und somit weniger wasserlöslich.

Alternative zu erdölbasierten Beschichtungen

Im nächsten Schritt wollen die Fraunhofer-Forscher die Korrosionsbeständigkeit und Haftfestigkeit der modifizier­ten Stärke auf unterschiedlichen Metalluntergründen untersuchen. „Neben dem bisher getesteten Aluminium sollen mit Stahl und verzinktem Stahl zwei weitere wichtige Gebrauchsmetalle getestet werden,“ sagt Gabriel. „Unsere Untersuchungen zeigen, dass Stärkeester mit ihren guten Filmbildungs- und sehr guten Haftungseigenschaften auf verschiedenen Materialien das Potenzial besitzen, zukünftig eine Alternative zu erdölbasierten Filmbildnern in der Beschichtungsindustrie darzustellen.“

jmr

Almost all materials and surfaces are coated with a coat of paint or varnish today. It improves appearances and protects the material from corrosion. However, very few are bio-based. And in the past, paints and varnishes with bio-based binders or film formers have either been too expensive or could not meet the requirements. But through the use of modified starch, scientists at the Fraunhofer IAP in Potsdam-Golm and the Fraunhofer IPA in Stuttgart have found a sustainable and cost-effective solution.

Using starch for coating metal

"Until now, traditional industrial fields of application of starch have been the paper/cor­rugated cardboard and adhesives industries," says Christina Gabriel, a scientist at the Fraunhofer IAP. "In the field of paints and varnishes on the other hand, starch was usually only used as a additive. With starch as the main component of a water-based dispersion, we now have very promising adhesion results." At the centre of the research is the coating of metals for indoor use, for example aluminium, which can be used, for instance for fire doors, computer housings or window frames.

Starch has to be modified to meet requirements

The use of starch as the main component of paints and varnishes posed various challenges to the Fraunhofer experts. "Film formers must fulfil several tasks. They must form a continuous film, which adheres well to the substrate material, is compatible with additional layers and additives and can embed pigments and fillers as well," explains Christina Gabriel. "In its natural form, however, starch exhibits several proper­ties, which stand in the way of its use as a film former. For example, it is not soluble in cold water and neither does it form continuous, non-brittle films. We therefore had to modify the starch to adapt it to the requirements, as in spite of all the challenges, as a renewable and cost-effective raw material, starch is of great interest for many sectors."

A chemical process enables use of starch

The solution by the Potsdam scientists involves an initial degradation step of the starch in order to improve its solubility in water and the subsequently associated solids content of the starch in water, as well as its film forming ability. However, in order to produce a starch-based coating material, in the end, the coating must no longer dissolve in water.

Thus, the starch had to be modified even further. This takes place by way of a chemical process known as esterification. The resulting starch esters are dispersible in water, form continuous films and have very good adhesive properties on glass and aluminum surfaces. Subsequently, the esterified starch is cross­linked and the sensitivity of the coating to water is reduced even further.

Alternative to petroleum-based paints and varnishes

Next, the resistance to corrosion and adhesion of the modified starch on different metal substrates will be examined. New "recipes" are also being tested, which are intended to optimize the properties of the coating even further. "Apart from the already tested aluminum, two other important metals, steel and galvanized steel, are to be tested" states Gabriel. "Our investigations show that with its good film forming and very good adhesion properties on various substrates, starch esters have the potential to be future alternatives to petroleum-based film formers in the coatings industry."

jmr

Hülsenfrüchte wie Linsen, Bohnen oder Soja gewinnen wegen ihres hohen Eiweißgehaltes als Nahrungs- und Futtermittel an Bedeutung. Aber nicht nur als Proteinquelle sind Leguminosen von hohem Wert. Ihr Talent, mithilfe von Bakterien über die Wurzeln Stickstoff aus der Luft zu binden, macht sie zu natürlichen Düngerexperten der Landwirtschaft und Kandidaten für eine nachhaltige Bewirtschaftung. Mit gerade 2% sind die Multitalente auf Europas Feldern aber eher eine Seltenheit. Die EU ist damit nicht nur auf Importe, sondern auch auf die Herstellung von anorganischen Stickstoffdüngern angewiesen. Das soll sich ändern.

Das Potenzial von Hülsenfrüchten sowie deren ökologischen und sozialen Vorteile stehen daher im Fokus des neuen EU-Projektes TRUE (TRansition paths to sUstainable legume-based systems in Europe), in dem Forscher der Universität Hohenheim mit Partnern aus 10 Ländern zusammenarbeiten. Das Vorhaben wird im Rahmen des Programms „Horizon 2020“ von der Europäischen Union mit insgesamt 5 Mio. Euro gefördert.

Aus dem Erfolg von Linsen und Soja lernen

Das Ziel des Projektes: Den Anbau von Hülsenfrüchten in der EU vorantreiben und Europas Agrarpolitikern Empfehlungen dafür geben. Die Fallstudien der Hohenheimer konzentrieren sich dabei auf die Erfolgsgeschichten von Linsen und Soja. Die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse sollen helfen, besser zu verstehen, warum gerade diese beiden Leguminosen in Deutschland erfolgreich sind. „Das kann auch anderen Leguminosen den Weg bereiten. Die Kichererbse steht bereits in den Startlöchern“, erklärt Sabine Gruber, Pflanzenbau-Expertin an der Universität Hohenheim.

Insekten können lecker sein. Davon sind Christopher Zeppenfeld und sein SWARM-Team jedenfalls überzeugt. Mit dem ersten Fitnessriegel aus Grillen will der Gründer und Geschäftsführer des Start-ups "SWARM Protein" die noch vielfach bestehenden Vorbehalte gegenüber Insekten-Food abbauen. Mit Geld aus einer Crowdfunding-Kampagne will das Kölner Trio den ersten Sportriegel aus Insektenproteinen bald auf den Markt bringen. Das Ziel ist klar: Die Grillen sind dabei nur der Anfang. Weitere Lebensmittel aus Insekten sollen folgen.

Insects can be delicious. At least, this is the opinion of Christopher Zeppenfeld and his team at SWARM. With the first fitness bar with a main ingredient of crickets, the founder and managing director of the start-up SWARM Protein is aiming to break down longstanding reservations towards insect-based food. Supported by money from a crowdfunding campaign, the Cologne-based trio will soon be putting the first insect protein sports bar on the market. The goal is clear: crickets represent only the beginning. Indeed, other insect food products are set to follow.

Nie zuvor standen der mikrobiellen und metagenomischen Forschung so viele Bakterienstämme sequenziert zur Verfügung wie heute. Im Rahmen des GEBA-Projekt (Genomic Encyclopedia of Bacteria and Archaea) haben Biologen und Informatiker des Leibniz-Instituts DSMZ−Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen und des kalifornischen Joint Genome Institute (JGI) in den vergangenen fünf Jahren das komplette Erbgut von über 1.000 Bakterien und Archaeen entziffert. Außerdem konnten sie den genetischen Bauplan zahlreicher neue Enzymkomplexe entschlüsseln. Die Sequenzdaten stehen Wissenschaftlern ab sofort weltweit über die GEBA-Projektseite zur Verfügung und könnten die Forschung an neuen biotechnologischen oder medizinischen Anwendungen deutlich beflügeln. Das Ergebnis dieses Großprojektes stellen die Wissenschaftler im Fachjournal „Nature Biotechnology“ vor.

Genomsequenz deckt Stammbaum auf

Bei der Erstellung der Vergleichsdatenbank zum Erbgut von Bakterien waren die Forscher am DSMZ für die Anzucht von Mikroorganismen sowie die phylogenomische Auswertung, also die stammesgeschichtliche Entwicklung der Bakterien, verantwortlich. Hierbei konnten die Leibniz-Forscher auch aus schwierig zu kultivierenden Bakterienstämmen Zellmasse und DNA für die Genomsequenzierung gewinnen. Aber auch Stammbäume wurden hier bioinformatisch aus kompletten Genomsequenzen rekonstruiert.

Mehr als 13 000 Pflanzenarten sind weltweit fernab ihrer ursprünglichen Heimat ansässig, wie der Weltatlas für ausgewanderte Arten zeigt. So ist der europäische Stechginster längst auch in Afrika heimisch, und die australische Akazie Acacia longifolia auf Dünen in Portugal zu finden. Doch welchen Einfluss haben die Neuzugänge auf die heimischen Pflanzen und wie wird dadurch das Zusammenspiel der Pflanzen untereinander und damit das Ökosystem beeinflusst?
 
Um die Stärke und den räumlichen Einflussbereich solcher Interaktionen zu bestimmen, haben Forschen der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau mit Kollegen aus Münster und Hamburg ein neues Konzept entwickelt und dieses erstmals bei der in Portugal angesiedelten australischen Akazienart Acacia longifolia angewandt. Wie das Team um die Ökologinnen Christiane Werner und Christine Hellmann im Fachjournal „Scientific Reports“ berichtet, nutzten sie als Tracer schwere, nicht-radioaktive Formen von Elementen, sogenannte stabile Isotope, um die Auswirkungen der Besiedlung zu messen. Das Isotopenverhältnis kann hier Auskunft geben, wo und wie ein bestimmtes Material entstanden ist.

Stickstoff-Isotope machen Auswirkungen deutlich

Konkret wollten die Forscher zeigen, wie hoch der Anteil an Stickstoff ist, der von der Akazie in den Boden eingebracht wird und wo die eingewanderte Art das Wachstum anderer Arten entweder positiv oder negativ prägt, wie etwa als Wasserkonkurrent. Das Stickstoff-Isotopenverhältnis wird hier durch die Anzahl verschiedener Stickstoff-Isotope in Pflanzenblättern deutlich und zeigt, woher der Stickstoff stammt. Daneben wurden erstmals auch zusätzliche Daten in das Modell einbezogen. Um zu bestimmen, inwieweit das räumliche Umfeld der Dünen hierbei von Bedeutung ist, speisten die Forscher ihr Modell mit Angaben zu Bodentyp, Nährstoffangebot, Lichteinstrahlung, Wind und Bodenfeuchte. Bisher hatte man bei solchen Untersuchungen lediglich die Pflanzenarten und deren Nähe zu einander betrachtet.

Standort prägt auch Interaktion der Pflanzen

Das Ergebnis der Forscher: Das Zusammenspiel der Akazie mit einheimischen Pflanzen hängt nicht nur von den Arten ab, sondern auch vom Standort. Das neue Modell, dass auch bei anderen Pflanzen und in anderen Gegenden zum Einsatz kommen kann, soll dazu beizutragen, die vielschichtigen Zusammenhänge und Dynamiken in natürlichen Ökosystemen besser zu beschreiben, aufklären und verstehen zu können.

bb

Arsen ist ein fester Bestandteil der Erdkruste und somit in geringen Mengen in Böden und damit im Grundwasser enthalten. Doch das Halbmetall kann ab einer bestimmten Dosis toxisch und somit gesundheitsschädigend sein. Bei der Herstellung von Lebensmitteln müssen daher Grenzwerte eingehalten werden. Reis, eines der Grundnahrungsmittel in vielen Ländern, könnte jedoch wesentlich größere Mengen Arsens beinhalten, wie eine Studie der Universität Bayreuth andeutet. Untersuchungen an der Modellpflanze Ackerschmalwand weisen auf eine Arsenverbindung hin, die giftig für Pflanzen ist, bei der Abschätzung etwaiger Gesundheitsrisiken für den Menschen aber bisher nicht berücksichtigt wurde.

Arsen in Reis nachgewiesen

Wie das Team um Umweltgeochemikerin Britta Planer-Friedrich im Fachjournal „Environmental Science and Technology“ berichtet, handelt es sich um Arsen-Schwefel-Verbindungen, sogenannte Thioarsenate, die sich im Reis besonders stark anreichern. Der Grund: Thioarsenate entstehen im Oberflächen-, Boden- und Grundwasser, falls das Wasser einen hohen Sulfid-Anteil aufweist. Das Fluten der Reisfelder begünstigt diesen Prozess. Das Arsen wird über die Wurzeln aufgenommen, wenn das Feld unter Wasser steht, wie Britta Planer-Friedrich erklärt. „Wegen des daraus resultierenden Sauerstoffmangels im Boden kann Sulfat zu Sulfid reduziert werden. Wir konnten erstmals nachweisen, dass ein nicht unerheblicher Teil des Arsens in Reisfeldern – nämlich 20 bis 30 Prozent – in Form von Thioarsenaten gebunden ist“.

Pflanzenwachstum deutlich beeinträchtigt

Im Rahmen der Studie konnten die Bayreuther Wissenschaftler am Beispiel der Ackerschmalwand  zeigen, wie giftig diese bisher vernachlässigte Arsenverbindung für die Ackerschmalwand ist. Dafür wurden verschiedene Mutanten der Modellpflanze im Labor darauf getestet, wie sie auf Thioarsenate in ihrer Nährflüssigkeit reagieren. Das Ergebnis ist besorgniserregend: Die Pflanzen nehmen die Arsen-Schwefel-Verbindungen auf und werden in ihrem Wachstum sichtbar beeinträchtigt. Je mehr Arsen in ihren Organismus gelangte, um so mehr verkümmerten die Wurzeln.

Forschung zu Arsenwirkung auf Reis geht weiter

Nun wollen die Bayreuther Forscher gezielt die Wirkungen von Thioarsenaten auf verschiedene Reissorten untersuchen und klären, ob die giftigen Stoffe auch bis in die Reiskörner gelangen. Bereits die aktuelle Studie sollte Länder wie Asien und Afrika, wo der jährliche Reiskonsum weit über 100 Kilogramm pro Kopf liegt, alarmieren. „Spuren von Arsen sind auch im Trinkwasser und in weiteren Lebensmitteln enthalten. Sie können sich schnell zu einer täglichen Dosis summieren, die ein nicht zu unterschätzendes Gesundheitsrisiko darstellt“, so Planer-Friedrich.

bb

Die Lindauer Nobelpreisträger-Tagung ist eine sehr traditionsreiche Veranstaltung, bei der sich talentierte Nachwuchswissenschaftler – allesamt jünger als 35 Jahre – mit den Preisträgern über die neuesten Entwicklungen auf ihrem Forschungsgebiet austauschen können. Diesmal sind 420 Nachwuchswissenschaftler und 28 Nobelpreisträger in der Stadt am Bodensee zusammengekommen. Das Treffen findet seit seiner Gündung 1951 jedes Jahr Ende Juni statt. Der Themenfokus wechselt jährlich zwischen Chemie, Physik oder Medizin/Physiologie – dieses Jahr ist die Chemie dran. Als Themenschwerpunkte innerhalb der Chemie wurden drei Gebiete beleuchtet: Zum einen der Umgang mit riesigen Datensätzen für die Reaktionseigenschaften bestimmter Molekülstrukturen (Big Data). Zum anderen der Klimawandel und wie chemische Grundlagenforschung die globale Erwärmung abfedern kann (Stichwort: Grüne Chemie); und zudem machen sich die Forscher in Lindau Gedanken darüber, wie die wissenschaftliche Integrität in einem postfaktischen Zeitalter erhalten bleiben kann.

Wanka: Mit der Forschung Brücken bauen

Die Lindauer Tagungswoche wird gemeinsam vom Kuratorium und der Stiftung der Lindauer Nobelpreisträgertagungen organisiert, mit zahlreicher Unterstützung aus Wissenschaft, Industrie und Politik. Bundesforschungsministerin Johanna Wanka war die Gastgeberin für das Sommerfest der Wissenschaft in Lindau am Vorabend der Konferenz, und warb während ihred Rede zur feierlichen Eröffnung am vergangenen Sonntag für die Forschung: „Die Wissenschaft kann bessere Brücken bauen als jegliche Diplomatie.“

Die teilnehmenden Nachwuchswissenschaftler sind aus 78 Ländern für diese besondere Veranstaltung angereist. Sie werden in einem strengen Auswahlverfahren von einem wissenschaftlichen Komitee ausgewählt. Etwa 45 Prozent der Nachwuchswissenschaftler sind weiblich – eine sehr hohe Anzahl in der Chemie, sagt Wolfgang Lubitz, Direktor am Max- Planck-Institut für chemische Energiekonversion. Er ist Vize-Präsident des Kuratoriums der Lindauer Nobelpreistagung und Teil des wissenschaftlichen Vorstands des diesjährigen Treffens.

Nachhaltige Chemie

Die Debatte um den Klimawandel und die globale Erderwärmung ist derzeit nahezu omnipräsent, und so wurde es auch vielfach von den Nobelpreisträgern im Rahmen ihrer Vorträge thematisiert – so wie von Mario Molina, der 1995 zusammen mit Paul Crutzen den Nobelpreis für die Entdeckung und Beschreibung der Entstehung des Ozonlochs erhielt. Er arbeitete zuletzt unter anderem als wissenschaftlicher Berater für die Obama-Administration. Der neuen US-Klimapolitik steht er hingegen äußerst skeptisch gegenüber: „Die Wissenschaft ist weder gut noch böse, sie versorgt uns mit den notwendigen Fakten", sagte Molina in Lindau. Basierend auf diesen Fakten könnten dann konkrete Modelle wie im Fall der globalen Erwärmung berechnet werden. Sobald allerdings Wirtschaft und Politik involviert würden, müsse die Wissenschaft auch für ihre Daten einstehen.

Während sich viele Nobelpreisträger deutlich dafür aussprechen, sich politisch zu engagieren und aktiv der Skepsis gegenüber faktischen Wissen entgegenzustellen, fordern andere, sich wieder mehr auf die ursprünglichen Ziele der Grundlagenforschung zu besinnen und den Problemen praktische Lösungen entgegenzusetzen. Ada Yonath, die 2009 den Nobelpreis für die Entschlüsselung der Funktion von Ribosomen erhielt, forderte die Nachwuchswissenschaftler auf, wieder mehr abseits der ausgetrampelten Forschungspfade zu wandeln, um wirklich innovative Neuerungen entwickeln zu können. Sie ist der festen Überzeugung, dass die Wissenschaft alle Möglickeiten für eine umweltfreundliche und nachhaltige Zukunft bietet.

Die Zukunft erfinden

Ein praktisches Beispiel für solch neue Technologien stellte Bernhard Feringa während seiner Vorlesung vor. Feringa erhielt 2016 den Nobelpreis für die Entwicklung molekularer Maschinen – welche sich bald zu Nanorobotern weiter entwickeln lassen könnten. Seine molekularen Maschinen sind lichtsensitiv. Wenn Licht auf sie fällt, verändern die Moleküle ihre 3D-Struktur. Wird diese Konformationsänderung mehrfach hintereinander wiederholt, werden die Moleküle zu kleinen rotierenden Motoren, die ein enormes Anwendungspotenzial bieten. Die Möglichkeiten reichen von selbstreinigenden Fenstern, oder lichtgesteuerten chemotherapeutischen Mitteln bis hin zu Nanorobotern, die Verschmutzungen in Luft oder Wasser bereinigen könnten. Feringa forderte die Nachwuchswissenschaftler auf, die Entwicklungen weiter voran zu treiben: „Der beste Weg die Zukunft vorherzusagen ist sie selbst zu erfinden.“ 

Judith Reichel (zur Zeit in Lindau)

The Lindau Nobel Laureate Meeting is a prestigious melting pot for Nobel Laureates and talented young researchers. The renowned event has been held every year since its inception in 1951 and takes place during the last week of June at Lake Constance in the south of Germany. This year, 28 laureates have come together in Lindau. The overarching themes alternate between Chemistry, Physics, and Medicine & Physiology each year – this year the focus lies on Chemistry. There are three core topics at the heart of this year’s meeting: regulating and interpreting the growing amount of data regarding molecule structures and reaction properties (big data); climate change and how understanding molecular properties enables possibilities to counteract global warming (“green chemistry”); and defending scientific facts in a post-truth era.

Wanka aims to build bridges with Science

The meeting is organized by the Council of the Lindau Nobel Laureate Meeting and the Foundation of the Lindau Nobel Laureate Meeting with numerous supporters in academia, industry, and politics. The German Federal minister of research and education, Johanna Wanka, hosted the Summer Festival of Science at the eve of the meeting on Saturday, and held a welcoming address at the opening ceremony on Sunday, stating that “Science can build bridges even before diplomacy.” The participating 420 junior researchers who are all under the age of 35 stem from 78 countries worldwide, and were hand-picked by a strict committee that evaluated their applications on scientific merit. The proportion of women among the selected young scientists this year is 45 percent. “For the field of chemistry that is a substantial number”, says Wolfgang Lubitz, Director of the Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion, Vice-President of the Council for the Lindau Nobel Laureate Meetings and scientific co-chairperson of this year’s meeting.

Green Chemistry in the post-truth era

The currently widely debated topic of global warming and climate change is a recurring theme during the meeting, with several Laureates addressing the issue directly during their lectures. Mario Molina for instance, who received his Nobel Prize in 1995 together with Paul Crutzen for the discovery and deciphering of the development of the hole in the ozone layer, and served as scientific adviser for the Obama administration, emphasized in his talk: “Science is neither good nor bad – it merely provides facts!” And based on these facts scientists were able to calculate accurate models of global warming, Molina continues, it is only when policy and industry get involved that it becomes a matter of scientific accuracy and integrity.

While many of the laureates openly speak up for pushing back against alternative facts, others focus on the basic research underlying new inventions that might help combat climate change. Ada Yonath, who received her Nobel Prize in 2009 for deciphering the function of Ribosomes as protein building machines in every cell, asked for more originality in basic research. “True innovation is built upon ‘thinking outside the box’ and not simply following in the footsteps of others”, Yonath said in an interview. She believes that science provides the tools for a greener and more sustainable, environmentally sound future.

Inventing the future

One such practical example was given by Bernhard Feringa during his lecture. He received the Nobel Prize only last year for the design and synthesis of molecular machines – for what could soon become nano-robots. His molecular machines are light sensitive and undergo a conformational change when illuminated. When this conformational change-motion is repeated several times, the molecular structures act as a rotary motor, which in turn offer an enormous potential of industrial applications: from self-cleaning windows, to photo-controlled chemotherapeutic agents, or nano-robots that clean polluted air and water. Feringa closes his lecture by motivating the young scientists: “The best way to predict the future is to invent it.”

Judith Reichel

Die Landwirtschaft ist mit Abstand der größte Wasserverbraucher. Knapp 70 Prozent der kostbaren Ressource werden weltweit für Ackerbau und Tierhaltung verbraucht. Doch nicht nur beim Anbau von Lebensmitteln wie Weizen oder Gemüse wird Wasser benötigt. Bis Brot, Eier oder Tomate auf dem Essenstisch landen, fließen weitere Wassermengen in das Produkt. Umweltschützer fordern seit Langem die Einführung eines sogenannten „Wasser-Fußabdrucks“ für jedes Produkt. Die Voraussetzungen dafür sollen jetzt geschaffen werden.

Neue Modelle für effiziente Wassernutzung

Im Verbundprojekt „VirtualWaterValues“ wollen Forscher der Ludwig-Maximilians-Universität München gemeinsam mit sieben weiteren Partnern Modelle entwickeln, die aufzeigen, wie effizient oder verschwenderisch die globale Landwirtschaft mit Wasser umgeht. Auch das sogenannte virtuelle bisher unsichtbare Wasser, dass in den Nahrungsmitteln steckt, soll damit sichtbar werden. „Wir werden präzisere Instrumente als bisher entwickeln, um die Effizienz der landwirtschaftlichen Wassernutzung weltweit zu beobachten und zu bestimmen“, sagt Wolfram Mauser, der das Projekt koordiniert. Das Vorhaben wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Förderprogramms „Forschung für Nachhaltige Entwicklung (FONA)” mit insgesamt 3,6 Mio. Euro für die nächsten drei Jahre gefördert.

Welthandelsströme einbeziehen

Um zu messen, wie viel Wasser tatsächlich in einem Produkt steckt, wollen die Forscher erstmals Daten von Umweltsatelliten mit weiteren Klimadaten verknüpfen und von einem Höchstleistungsrechner auswerten lassen. Mithilfe dieser Daten sollen dann die Regionen auf der Welt identifiziert werden, die das Wasser nicht nachhaltig nutzen. Erstmals sollen dafür auch die Welthandelsströme vom Erzeuger bis zum Verbraucher einer ökonomischen Analyse unterzogen und beim tatsächlichen Wasserverbrauch berücksichtigt werden. Auf Grundlage dieser Ergebnisse sollen schließlich Anreize entwickelt werden, um die Wassernutzung in der Landwirtschaft weltweit zu erhöhen.

bb

Seit 2014 ist die „Deutsche Brotkultur“ als immaterielles Kulturerbe von der UNESCO-Kommission anerkannt. In Deutschland gibt es über 300 Brotsorten und der Verbrauch lag im vergangenen Jahr bei über 80 Kilogramm Brot pro Person. Die Deutschen lieben ihr Brot. Gemeinhin wird angenommen, dass alte Getreidesorten das Brot besonders schmackhaft machen. Ob dem wirklich so ist, untersuchten Wissenschaftler gemeinsam mit Bäckern und Müllern.

Backen für die Wissenschaft

Forscher der Universität Hohenheim und der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW) stellten gemeinsam mit einem Bäcker- und einem Müllermeister 240 Brote im Akkord her. „Das Mehl für die Brote stammte von 40 Sorten Brotweizen, darunter Öko-Weizen, alte Weizensorten und Hochleistungsweizen“, informiert Hermann Gütler von der Stelzenmühle Bad Wurzach. Die 20 alten Weizensorten wurden vor 1999 zugelassen, die 20 modernen zwischen 2005 und 2014. Gewachsen ist der Weizen jeder Sorte an zwei unterschiedlichen Standorten: In Stuttgart-Hohenheim (Baden-Württemberg) und Gatersleben (Sachsen-Anhalt). Von jeder Mehl-Probe wurden drei Brote unter standardisierten Bedingungen in der Backstube BeckaBeck in Römerstein gebacken. Mit dabei war das SWR-Fernsehen.

Qualitätsprüfung von Teig und Broten

Noch während des Zubereitungsprozesses prüfte der routinierte Bäckermeister die Teigqualität mittels manueller Drehung auf einer Skala von 1 „schlechte Dehnbarkeit, Teig reißt schnell“ bis 9 „gute Dehnbarkeit“. Die Backqualität ergab sich aus dem Höhe/Breite-Verhältnis der Brote nach dem Backen. Und schließlich, ähnlich einer Weinprobe, beurteilten sechs Prüfer das Aromapotential der Brote. Dazu schätzten sie die Geschmacks- und Geruchsqualität auf einer neunstufigen Skala von „sehr fade“ bis „sehr aromatisch“ ein und nutzen das Wädenswiler Brot-Aromarad zur genaueren Beschreibung. Michael Kleinert, Aromaforscher an der ZHAW und Erfinder des Aromarads, stellte fest: „Interessanterweise schmeckten und rochen Brote aus manchen Weizensorten sehr nach Hefe und Gärung, während dies bei anderen nicht der Fall war, trotz gleicher Hefemengen.“ Dies galt für die alten genauso wie für die neuen Sorten. „Es gibt also in beiden Gruppen gleichermaßen fad und aromatisch schmeckende Sorten“, so Friedrich Longin von der Landessaatzuchtanstalt der Universität Hohenheim.

Brotgeschmack basiert auf Sorte und Wuchsort

Das Experiment zeigt, dass der Geschmack nicht davon abhängt, ob die Sorten alt oder neu sind. Die Wissenschaftler ermittelten hingegen, dass die Relevanz zu rund 40% von der Sorte und zu knapp 60% vom Wuchsort beinflusst wird. Nur wenige Sorten sind geschmacklich auffällig, sei es positiv oder negativ. Die meisten befinden sich im geschmacklichen Mittelfeld. Das ist typisch für Merkmale, die von sehr vielen Genen beeinflusst werden. „Im Gegensatz zum Geschmack, unterscheiden sich moderne und alte Sorten aber deutlich beim Ertrag“, sagt Longin. Moderne Sorten lieferten eine deutlich bessere Ausbeute und bessere Backeigenschaften. Longin und Kleinert sind sich einig, dass bei der Züchtung zukünftig das Augenmerk nicht nur auf Ertrag und Backeigenschaften, sondern auch auf das Geschmackspotenzial gerichtet werden sollte. Es gelte, einen Premiumsgeschmacksbereich zu finden und die Züchtung zusätzlich dahingehend auszurichten.

bp

Für diesen Report wurden die Ergebnisse aus diversen Forschungsvorhaben zur Entwicklung der Natur in der Agrarlandschaft zusammengeführt. Die Ergebnisse sind alarmierend. Die Analyse zeigt, dass sich die Situation der biologischen Vielfalt in der Agrarlandschaft sich deutlich verschlechtert hat. Dies betrifft alle nutzungsabhängigen Tier- und Pflanzengruppen, besonders stark betroffen sind Vögel und Insekten. Aber auch Grünland, Wiesen und Weiden stehen unter Druck und mit ihnen viele gefährdete Arten der Farn- und Blütenpflanzen.

Darüber hinaus können wichtige Ökosystemleistungen immer weniger erbracht werden, was neben der Landwirtschaft auch die breite Bevölkerung betrifft, spürbar wird dies beispielsweise, wenn die Wasserqualität immer schlechter wird, und erhebliche volkswirtschaftliche Kosten verursacht.

Nach Ansicht der Autoren haben sowohl der Ausschuss der Gemeinsamen Agrarpolitik (GAP) der Europäischen Union versagt als auch die nationale Umsetzung hinsichtlich der Erhaltung der Biodiversität.

Moderne Klimarekonstruktionen basieren in den meisten Fällen auf Ablagerungen, die mineralischen wie auch biologischen Ursprungs sein können. Wichtig ist, dass sie die Umweltbedingungen ihrer Entstehungszeit widerspiegeln und nachträglich nicht verändert wurden. Ähnlich wie bei Bäumen gibt es auch bei Muschelschalen Jahresringe, deren chemische Zusammensetzung durch die jeweiligen Umweltfaktoren beeinflusst wird. Da sich die Kalkschale nach und nach bildet, gibt sie Auskunft über jährliche oder saisonale Klimaschwankungen. Nun hat das Team um den Geologen Peter Müller vom Leibniz-Zentrum für Marine Tropenforschung (ZMT) gezeigt: Die Muschelschalen dürfen nicht erhitzt worden sein, sonst kommt es zu einer Verfälschung der Ergebnisse und damit einer falschen Klimarekonstruktion. Die Studie veröffentlichte das Team im Fachjournal „Scientific Reports“

Muschelschalen als Bioindikatoren für das Klima

Muscheln gibt es bereits seit Hunderten Millionen von Jahren. Die Schalen finden sich in natürlichen Ablagerungen wie beispielsweise Seesedimenten. Zudem wurden sie schon früh von Menschen gesammelt und werden als Anhäufungen in Kulturschichten bei archäologischen Ausgrabungen entdeckt. Oft handelt es sich dabei um Essenreste oder Schmuck. Sowohl Muscheln aus natürlichen Sedimenten als auch aus Kulturschichten werden bislang zur Klimarekonstruktion herangezogen.

Isotopen-Verhältnis gibt Auskunft

Das Team am ZMT untersuchte nun steinzeitliche Muschelansammlungen von der Küste Mauretaniens und Venusmuscheln aus heutiger Zeit. Die Schalen bestehen aus Kalk (chemisch Calciumcarbonat), der sich aus den Elementen Calcium, Kohlenstoff und Sauerstoff zusammensetzt. In der Natur gibt es verschiedene Isotope dieser Elemente mit einem unterschiedlichen Atomgewicht. Das Verhältnis der Isotopenmengen untereinander kann mittels sogenannter Massenspektrometrie ermittelt werden. Es ist charakteristisch für eine Zeit und spiegelt deren klimatischen Verhältnisse wider. Wichtig ist jedoch, dass das Material über die Jahrtausende unverändert geblieben ist.

Muscheln aus Ausgrabungen nur bedingt geeignet

Das Forscherteam vermutete, dass man in der Steinzeit Muscheln für den Verzehr zubereitet und dazu vorher erhitzt habe. Mit einem neuen Verfahren, der sogenannten Carbonate-Clumped-Isotops-Thermometry, lassen sich durch Hitze herbeigeführte Veränderungen im Isotopenverhältnis bei Carbonaten erkennen. So konnten die Bremer Forscher nachweisen, dass die steinzeitlichen Muscheln vor der Analyse erhitzt worden waren. Das neue Verfahren sei so präzise, dass sogar Aussagen über die Kochkunst der Steinzeit getroffen werden könnten. „Um die Muscheln zu öffnen, wurde sie damals wahrscheinlich auf Steine gelegt, die zuvor im Feuer erhitzt worden waren“, vermutet Müller. Messungen haben gezeigt, dass schon eine schwache Erwärmung die Zusammensetzung der Isotopen verändert. „Die Muscheln sind dann für eine verlässliche Klimarekonstruktion unbrauchbar“, so Müller weiter. Diese neue Erkenntnis zeigt, dass bisherige Isotopenanalysen an Muscheln aus archäologischen Ausgrabungen möglicherweise zu Fehlinterpretationen bei der Klimarekonstruktion geführt haben.

bp

Die Tomate zählt zu den wichtigsten Gemüsen. Von der Cherryrispe bis zum wulstigen Cœur de Bœuf gibt es eine riesige Vielfalt an Sorten. Viele der im Supermarkt erhältlichen Tomaten entstammen heute bereits einem beschleunigten Züchtungsverfahren, dem sogenannten Smart Breeding. Diese Technik stützt sich auf Erbgutanalysen und der Existenz von molekularen Markern im Genom einer Pflanze. Wie Smart Breeding funktioniert, erklärt dieses Video.

Orientierungsstellen im Erbgut

Molekulare Marker sind charakteristische Unterschiede in der DNA-Sequenz zwischen einzelnen Tomaten-Linien. Kennt man die Marker, so kann man sie mithilfe molekulardiagnostischer Tests aufspüren. Die Marker sind dabei im Pflanzengenom über die verschiedenen Chromosomen verteilt. Viele werden in der Regel gemeinsam mit einem züchterisch interessanten Merkmal vererbt. Das erlaubt ein deutlich präziseres und schnelleres Vorgehen bei der Züchtung neuer Sorten.

Marker für die Gemüsezüchtung 

Die im Jahr 2000 gegründete Firma TraitGenetics GmbH in Gatersleben ist auf die Entwicklung von molekularen Markern bei Nutzpflanzen spezialisiert, so etwa für verschiedene Getreide, Gemüse und Zierpflanzen. Im Rahmen der Fördermaßnahme „KMU-innovativ: Biotechnologie“ haben die Pflanzenexperten zwischen 2010 und 2012 viele Tausende sogenannte SNP-Marker im Tomatengenom identifiziert. SNP steht für Single Nucleotide Polymorphism. Diese molekularen Marker unterscheiden sich in verschiedenen Tomatenlinien nur durch einen einzelnen DNA-Baustein.

Mittelstandsförderung für Pflanzenzüchtungsforschung

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat die Pflanzenzüchtungsforscher bei ihrer Forschung und Entwicklungsprojekt mit 693.000 Euro unterstützt. „Zudem haben wir acht verschiedene Tomatengenome im Detail sequenziert“, berichtet Geschäftsführer Martin Ganal. Aufbauend auf den Ergebnissen hat TraitGenetics im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit einen DNA-Mikrochip entwickelt.

Pflanzenzüchtern bietet das Gaterslebener Unternehmen die Markeranalyse für ihre Züchtungsaktivitäten als Dienstleistung an. Auch bei Raps haben die Experten von TraitGenetics im Rahmen des Projekts Tausende neue SNP-Marker identifiziert und damit kommerzielle Genotypisierungs-Chips für die Pflanzenzüchtung entwickelt.

Autor: Philipp Graf

The tomato is one of the most important vegetables on our dinner plates. From cherry tomatoes to beef tomatoes, there’s an enormous assortment to choose from, if you know where to find them. Many of the tomatoes commonly available in supermarkets derive from an accelerated breeding process known as smart breeding. The technique is based on genetic analyses and the presence of molecular markers in the genome of a plant.

Orientation markers in the genome

Molecular markers are characteristic differences in the DNA sequences of individual plant lines. If these markers are known, they can be detected using molecular diagnostics techniques, and are typically distributed over the different chromosomes of the plant genome. In most cases, they will be inherited alongside the features that are of interest for breeders. The knowledge of the location and characteristics of these markers can make the breeding processes of new plant varieties quicker and considerably more precise.

Markers for vegetable breeding 

The company TraitGenetics GmbH in Gatersleben, which was founded at the turn of the millennium, specialises in the development of molecular markers for crop plants such as cereals, vegetables and ornamental plants. Between 2010 and 2012, the plant experts at TraitGenetics identified many thousands of so-called SNP markers in the tomato genome in work that took place in the framework of the “SME Innovative: Biotechnology” funding measure. SNP stands for single nucleotide polymorphism, and across different tomato lines, these molecular markers will commonly differ by only a single DNA building block.

Assistance for SME for plant breeding research

The German Federal Ministry of Education and Research (BMBF) has provided €693,000 of funding for the research and development project pursued by the plant breeders in Gatersleben. “We have also carried out detailed sequencing of eight different tomato genomes,” reports managing director Martin Ganal. As part of an international collaboration, TraitGenetics has gone on to develop a DNA microchip on the basis of these results.

The company in Gatersleben now offers marker analyses as a service for breeding activities. In the course of the project, the experts at TraitGenetics also identified thousands of new SNP markers that provided the foundations for the development of commercial genotyping chips for plant breeding.

Author: pg