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Deutschland hat ein Recyclingproblem, auch wenn es auf den ersten Blick anders aussieht: Zwar meldete das Umweltbundesamt für 2017 eine Recyclingquote von 99,4%. Allerdings wurde etwas mehr als die Hälfte der 6,15 Mio. Tonnen gesammelter Kunststoffabfälle thermisch recycelt, sprich: in Müllverbrennungsanlagen, Zementwerken oder Kraftwerken zur Wärmeerzeugung genutzt. Die stoffliche Verwertung umfasste nur 2,87 Mio. Tonnen (46,7%). Dabei bewahrt sie rund dreimal so viel der im Kunststoff enthaltenen Energie wie durch dessen Verbrennung thermisch genutzt werden kann. Im Sinne einer Kreislaufwirtschaft sind daher hohe stoffliche Verwertungsquoten erstrebenswert.

Doch während auch eine thermische Nutzung immerhin eine Form der Wiederverwertung ist, gibt es auch jene Kunststoffabfälle, die nicht ins Recycling gelangen. 12,6 Mio. Tonnen Kunststoffe hat die deutsche Industrie 2017 verarbeitet, mehr als doppelt so viel also, wie insgesamt wiederverwertet wurden. Der „Plastikatlas“ der Heinrich-Böll-Stiftung kritisiert, dass lediglich 16% des deutschen Plastikmülls tatsächlich für Produkte wiederverwendet wird. Das von der Europäischen Union im Programm „Horizon 2020“ geförderte Forschungsverbundprojekt „P₄SB“ (From Plastic waste to Plastic value using Pseudomonas putida Synthetic Biology) will daran etwas ändern.

Einfache Recyclingkunststoffe teurer als Erdölpendants

Zwei Ursachen sieht Projektleiter Lars Blank von der RWTH Aachen als Hauptgründe für die geringe stoffliche Verwertung: „Recycelte Kunststoffe sind meist teurer als das Original aus Erdöl“, berichtet der Forscher, und: „Es gibt einige Plastikfraktionen, die wir noch nicht recycelt bekommen.“ Zwar existieren wenige Ausnahmen wie PET-Flaschen aus PET-Recyclat, bei denen die Abfälle gut vorsortiert und daher gut wiederzuverwerten sind. Und momentan herrscht auch ein Preishoch: „Recyceltes Plastik ist am Markt jetzt teurer als neues, weil die Outdoor-Hersteller für ihre Nachhaltigkeitslabels die Nachfrage treiben“, erzählt Blank. Doch diese Ausnahmen lösen das Problem nicht, deuten für ihn aber den Weg zur Lösung an: „Anstatt des üblichen Downcyclings bei der Wiederverwertung wollen wir die Kunststoffe upcyceln, damit mit ihnen mehr Geld verdient werden kann und auch die Logistik der Abfallsammlung bezahlt werden kann.“ Obendrein wollen die Forscher diesen Weg nicht nur für PET, sondern auch für das bislang schwer wiederzuverwertende Polyurethan (PU) beschreiten.

Methodisch setzt das Projekt auf die Biotechnologie: Im ersten Schritt zerlegen spezielle Enzyme eine bestimmte Kunststofffraktion innerhalb der Plastikabfälle in ihre Monomere, also ihre einzelnen Bausteine. Im zweiten Schritt verwerten ausgewählten Mikroorganismen diese Monomere und erzeugen daraus komplexere – und teurere – Kunststoffe.

Mikroorganismen lösen das Problem der Sortierung

„Dieser Ansatz hat den Vorteil, dass Hilfsstoffe oder Farben das Recycling nicht stören“, schildert Blank. „Die Mikrobe kann sich aus den Mischmonomeren das heraussuchen, was sie gut findet, und ist dem Rest gegenüber tolerant.“ Denn daran scheitern etablierte Verfahren aus mechanischen und chemischen Schritten: „Diese Flexibilität bei den Substraten schafft der Chemiker nicht, er braucht dafür 99,9% Reinheit der Monomere.“

Die für den PET-Abbau eingesetzten Enzyme, sogenannte Esterasen, haben den Vorteil, dass sie aus einem Organismus stammen, der sich auch bei 70 °C noch wohlfühlt. „Plastik ist teilweise kristallin, in der Form können Enzyme es nicht angreifen“, erläutert Blank. Bei 70 °C allerdings liegt die Glastransitionstemperatur, bei der die Kunststoffe ihre kristalline Struktur verlieren. Weil die Enzyme bei dieser Temperatur noch arbeiten, können sie die gesamte Fraktion in Monomere zerlegen. Damit die Esterasen das mit entsprechender Effizienz tun, haben die P₄SB-Partner der Uni Leipzig sie noch etwas optimiert.

Germany has a recycling problem, even if it appears to be different at first glance. While the Federal Environment Agency reported a recycling rate of 99.4% for 2017, slightly more than half of the 6.15 million tonnes of collected plastic waste was thermally recycled, i.e. used to generate heat in waste incineration plants, cement works or power stations. Material recycling amounted to only 2.87 million tonnes (46.7%). This process conserves around three times as much of the energy contained in the plastic as can be used thermally by burning it. High material recycling rates are therefore desirable as part of a circular-flow economy.

However, while thermal use is also a form of recycling, there is also plastic waste that is not recycled. The German industry processed 12.6 million tonnes of plastics in 2017, more than twice as much as was recycled in total. The "Plastic Scoreboard" of the Heinrich Böll Foundation criticizes that only 16% of German plastic waste is effectively reused for products. The joint research project "P₄SB" (From Plastic waste to Plastic value using Pseudomonas putida Synthetic Biology), funded by the European Union under the "Horizon 2020" program, aims to change this situation.

Recycled plastics more expensive than petroleum equivalents

Project manager Lars Blank of RWTH Aachen University considers two causes to be the main reasons for the low level of material recycling: "Recycled plastics are usually more expensive than the original from crude oil," reports the researcher, and: "There are some plastic components that we are not yet able to recycle". There are a few exceptions, such as PET bottles made from PET recyclate, where the waste is well pre-sorted and can therefore be easily recycled. In addition, the prices for recycled plastic are high at the moment: "Recycled plastic is more expensive than new plastic because outdoor manufacturers are driving up demand for their sustainability labels," says Blank. These exceptions do not solve the problem, but for him they point the way to the solution: "Instead of the conventional downcycling in recycling, we want to recycle the plastics so that they can make more money - and pay for the logistics of the waste collection." In addition, the researchers want to pursue this approach not only for PET, but also for polyurethane (PU), which has been difficult to recycle in the past.

The approach of the project is biotechnological in nature: In the first step, special enzymes break down a specific plastic fraction within the plastic waste into its monomers, i.e. its individual building blocks. In a second step, selected microorganisms use these monomers to produce more complex - and more expensive - plastics.

Microorganisms solve the problem of sorting

"This approach has the advantage that auxiliary materials or paints do not interfere with recycling," explains Blank. "The microbe can pick and choose from the mixed monomers and tolerates the rest". This is the reason why established processes consisting of mechanical and chemical steps fail: " A chemist cannot be this flexible when it comes to substrates; he needs monomers with a purity of 99.9% for this."

The enzymes used for PET degradation, known as esterases, have the advantage that they come from an organism that still thrives at 70 °C. "Plastic is partly crystalline, enzymes cannot attack it in this form," explains Blank. However, the glass–liquid transition temperature at which the plastics lose their crystalline structure is 70 °C. Because the enzymes are still in working order at this temperature, they can break down the entire fraction into monomers. To ensure that the esterases do this with the required efficiency, the P₄SB partners of the University of Leipzig have further optimized them.

Die Bioökonomie ist ein komplexes Querschnittsthema, das wirtschaftliche, soziale und ökologische Dimensionen hat. Entsprechend breit ist die Forschung hierzulande aufgestellt. In den Naturwissenschaften erstreckt sich das Fächerspektrum von den Agrarwissenschaften über die Biotechnologie, Materialwissenschaften und Umwelttechnologie bis hin zu den Ernährungswissenschaften. Auch in den geisteswissenschaftlichen Disziplinen wie den Sozial-, Wirtschafts-, Politik- und Rechtswissenschaften gibt es Forschungsaktivitäten, die für die Bioökonomie relevant sind.

The bioeconomy is a complex interdisciplinary subject with economic, social and ecological dimensions. Accordingly, research in this country is diversified. In the natural sciences, academic disciplines range from agricultural science, biotechnology, materials science and environmental technology to nutritional science. There are also research activities in the humanities such as the social sciences, economics, politics and law that are relevant to the bioeconomy.

Pflanzliche Rohstoffe bilden seit der Frühzeit der Menschen eine wichtige Quelle für kosmetische Produkte. Das ist heute noch so, nur dass mit den Möglichkeiten der Biotechnologie auch Inhaltsstoffe nutzbar geworden sind, die sich noch vor wenigen Jahren nicht in der notwendigen Menge gewinnen oder herstellen ließen. Gleichzeitig ist die Branche bemüht, Inhaltsstoffe, die bislang auf petrochemische Verfahren zurückgehen, künftig aus biologischen Ressourcen zu gewinnen. Das verspricht mehr Nachhaltigkeit und neue Eigenschaften der Produkte.

Außerdem an der Studie beteiligt waren Agora Energiewende, das Öko-Institut und die Freie Universität Berlin. Laut der Expertise würden Bezieher unterer und mittlerer Einkommen sowie Haushalte mit Kindern im Durchschnitt zu den Gewinnern der CO₂-Bepreisung gehören, während einkommensstarke und Ein-Personen-Haushalte durchschnittlich eine sehr moderate Zusatzbelastung erfahren würden. Entgegen landläufiger Meinung würden auch Pendlerhaushalte und Haushalte in ländlichen Räumen durch einen CO₂-orientierten Aufschlag auf die Energiesteuer nicht in substanziellem Ausmaß belastet, heißt es in der Studie.

Das Konzept besteht aus zwei Teilen. Die Forscher gehen für das Jahr 2020 von ein CO₂-Preis in Höhe von 50 Euro pro Tonne aus. Der höhere Preis würde zu zusätzlichen Steuereinnahmen führen, diese sollen an die privaten Haushalte zurückgegeben werden. Das Gros fließt als „Klimaprämie“ in Höhe von 100 Euro pro Kopf an die Bürger zurück, gut ein Viertel dient dazu, die Stromsteuer von derzeit 2,05 Cent auf den europarechtlichen Mindeststeuersatz von 0,1 Cent pro Kilowattstunde zu senken. Weitere 300 Millionen Euro würden einen Ausgleichsfonds, aus dem Kompensationszahlungen für besonders betroffene Haushalte finanziert werden, speisen.

Nadja Henke hat einen tollen Job: Sie bringt Farbe ins Leben – zumindest in Futtermittel und Kosmetika. Denn die junge Systembiologin entwickelt einen nachhaltigen Prozess, in dem Bakterien unter wirtschaftlichen Bedingungen den antioxidativen Farbstoff Astaxanthin herstellen.

Forschung für die Anwendung

„Ich bin unabhängig vom Beruf neugierig auf Biologie und Natur“, erzählt die 28-Jährige. Schon in der Oberstufe habe sie einen Hang zur Natur gehabt. „Da war bereits klar, dass ich Biologie studieren würde“, erinnert sie sich. Das tat sie dann auch an der Uni Bielefeld. Und wieder war schnell klar, wohin es weiter gehen sollte: Richtung Molekularbiologie. „Ich wollte im Beruf etwas Sinnhaftes tun und fand zudem das Abstrakte spannend – vieles sieht man nicht“, erklärt sie ihre Entscheidung.

Bereits früh im Studium arbeitet sie intensiv mit Bakterien. „Das hat mich fasziniert, weil man Experimente schnell durchführen kann“, beschreibt Henke, was dieses Fachgebiet von anderen Bereichen der Biologie unterscheidet. Ihren Master macht sie in Genombasierter Systembiologie und promoviert schließlich am Centrum für Biotechnologie (CeBiTec) bei Volker Wendisch, weiterhin an der Uni Bielefeld, denn die dortige Region war und ist ihre Heimat.

Astaxanthin ist begehrt

Die Arbeit mit Farbstoffen begleitet die Biologin schon länger als die Mikroorganismen. Zunächst forschte sie im Studium an der Flavonoidsynthese im Lieblingsorganismus der Pflanzenforscher, der Ackerschmalwand. In ihrer Masterarbeit hat sie sich dann erstmalig mit der Carotinoidbiosynthese in Bakterien beschäftigt. Carotinoide bilden eine große Gruppe von Farbstoffen, von denen viele auch hervorragende antioxidative Eigenschaften aufweisen. „Hängengeblieben bin ich schließlich beim Astaxanthin“, erzählt Henke.

„Astaxanthin ist ein gehypter Stoff“, berichtet die Forscherin weiter. Das rot-violette Carotinoid wird in der Fischzucht als Futtermittel eingesetzt, ist aber auch Zutat in Kosmetika. Die antioxidative Wirkung des Farbstoffs schützt die Haut besser vor UV-Strahlen als Vitamin E. Bei Fischen wirkt das Carotinoid sich zudem positiv auf die Immunabwehr und die Fruchtbarkeit aus. Vor allem verleiht es Lachs aber seine rötliche Färbung, die die Tiere in der Natur durch den Verzehr von Kleinkrebsen erhalten. Die Kleinkrebse ihrerseits erhalten den Farbstoff von verzehrten Grünalgen. Diese sind bislang auch die einzige alternative Quelle, um Astaxanthin zu gewinnen, ohne den Farbstoff auf Grundlage von Erdöl zu synthetisieren.

Bakterien als Alternative zu Erdöl und Algen

„Waren die einzige alternative Quelle“, muss man eigentlich sagen, denn Henke ist dabei, eine zweite Alternative zu etablieren. „Meine Vorgängerin an der Uni hat das pigmentierte Bakterium Corynebacterium glutamicum analysiert und festgestellt, dass die Färbung auf ein Carotinoid zurückgeht“, schildert die Systembiologin. Eine spannende Entdeckung, denn: „Das Corynebacterium glutamicum ist industriell etabliert, weil es seit mehr als 60 Jahren für die Aminosäureproduktion genutzt wird“, weiß Henke. „Wenn man normalerweise etwas in der Forschung entdeckt, ist es exotisch und wenig handhabbar.“

Schon in ihrer Masterarbeit hat die Forscherin damit begonnen, die Astaxanthinproduktion mit den Corynebakterien zu etablieren. Dabei ging es ihr nicht anders als den Studenten heute, die sie betreut: „Die Farbe macht die Arbeit interessanter, die Motivation ist anders“, berichtet sie. Auch aus Karrieresicht sei es ein attraktives Projekt, auf das sie bei Tagungen viel angesprochen werde – gut für den Aufbau eines Netzwerkes.

Einladung zu Businessplanwettbewerb

Auf ganz neue Art spannend wurde es für Henke nach ihrer Promotion: Da hat sie begonnen, das Verfahren mit einem Start-up weiterzuentwickeln. „Auslöser war eine E-Mail von einem Businessplanwettbewerb“, erinnert sie sich. „Da habe ich mich herausgefordert gefühlt, denn davon hatte ich keine Ahnung und konnte was lernen.“ Entgegen kam ihr bei ihrem Entschluss, dass der Produktionsorganismus bereits für die industrielle Nutzung angepasst ist und dass sie mit Professor Wendisch einen echten Experten für das Corynebakterium an ihrer Seite hat.

Noch während ihrer Promotion führte sie erste Gespräche mit Business Angels und Förderern. „Alle haben mich bestärkt, das Verfahren zu kommerzialisieren.“ Also schrieb sie zunächst einen Förderantrag. „Wir müssen vom Proof-of-principle zu einem fertig entwickelten Industriestamm“, beschreibt sie die Herausforderung. Aus dem EFRE-Programm der EU hat sie im Januar für 18 Monate Mittel erhalten, um mit zwei Mitarbeitern ihr Vorhaben als Hochschulausgründung „Bicomer“ voranzutreiben. „Für Kunden oder Investoren ist es noch zu früh“, weiß die 28-Jährige, „obwohl der Markt heiß ist und viele Kunden Proben bei mir anfragen.“

Nadja Henke has a great job: she brings color into life - at least in animal feed and cosmetics. The young systems biologist is developing a sustainable process in which bacteria produce the antioxidant pigment astaxanthin under economic conditions.

Research for application

"I'm curious about biology and nature independently of my career," says the 28-year-old. She had already had a penchant for nature in her high school years. "I was already certain that I would study biology," she recalls. She did so at the University of Bielefeld. Once again, she quickly realised where she wanted to go next: molecular biology. "I wanted to do something meaningful in my career and also found the abstraction exciting - there are many things you don't see," she explains her decision.

Early in her studies, she worked intensively with bacteria. "I was fascinated by bacteria because experiments can be carried out quickly," said Henke explaining what distinguishes this field from other areas of biology. She is doing her master's degree in genome-based systems biology and is finally doing her doctorate at the Centre for Biotechnology (CeBiTec) under Volker Wendisch – still at the University of Bielefeld, in the region which is her home.

Astaxanthin is in high demand

The biologist has been working with pigments for even longer than with microorganisms. Initially, she studied flavonoid synthesis in the favourite organism of plant researchers, the thale cress. In her master's thesis, she started focusing on carotenoid biosynthesis in bacteria. Carotenoids form a large group of pigments, many of which also have excellent antioxidative properties. "I finally got hooked on astaxanthin," said Henke.

"Astaxanthin is a substance that has been given a lot of attention," continues the researcher. The red-violet carotenoid is used as a feed in fish farming, but is also an ingredient in cosmetics. The antioxidant effect of the pigment protects the skin from UV rays better than vitamin E. In fish, the carotenoid also has a positive effect on immune defence and fertility. Above all, however, it gives salmon its reddish colour, which the animals get in nature by eating small crustaceans. The small crustaceans, in turn, receive the pigment from green algae they eat. They are also the only alternative source to obtain astaxanthin without synthesizing the pigment from petroleum.

Bacteria as an alternative to petroleum and algae

Or rather, they "were" the only alternative source, for Henke is in the process of establishing a second alternative. "My predecessor at the university analyzed the pigmented bacterium Corynebacterium glutamicum and found that the staining was caused by a carotenoid," said the systems biologist. An exciting discovery because: "Corynebacterium glutamicum is industrially established because it has been used for the production of amino acids for more than 60 years," said Henke. "If we normally discover something in research, it's exotic and difficult to handle."

Invitation to business plan competition

After her doctorate, things took a whole new turn for Henke: she started to refine the process with a start-up. "The trigger was an e-mail from a business plan competition," she recalls. "I felt challenged, because I had no clue about it and could learn something." It helped that the production organism had already been adapted for industrial use and that she had support from Professor Wendisch, a real expert on the corynebacterium.

During her doctorate, she held initial talks with business angels and sponsors. "Everyone encouraged me to commercialize the process." And so she started by writing a grant application. "We have to move from proof-of-principle to a fully developed industrial base," she describes the challenge. In January, she received funds from the EU's ERDF programme for 18 months to work with two staff members to advance her project as the university spin-off "Bicomer". "It is still too early for customers or investors," explains the 28-year-old, "although the market is hot and many customers are requesting samples."

Viren befallen nicht nur Menschen und Tiere, sondern auch Pflanzen. Um die damit verbundenen Ernteausfälle zu vermeiden, wäre es wünschenswert, Impfstoffe gegen diese Viren einsetzen zu können. Pflanzenbiochemiker der Universität Halle-Wittenberg (MLU) berichten nun im Fachjournal „Nucleic Acids Research“ von einem neuen Ansatz, der in kurzer Zeit zu maßgeschneiderten Impfstoffen führen soll.

Natürliche Abwehrreaktion als Grundlage

Dabei machen sich die Wissenschaftler einen natürlichen Mechanismus der Pflanzen zu Nutze: Wenn ein Virus eine Zelle befällt, kapert es deren Prozesse, um sich zu vermehren. Dazu entstehen virale Ribonukleinsäuren (RNAs). Das pflanzliche Immunsystem erkennt diese Moleküle und nutzt Enzyme, um sie zu zerschneiden. Die so entstandenen Fragmenten – sogenannte small interfering RNAs (siRNAs) – aktivieren ihrerseits einen weiteren Mechanismus der pflanzlichen Abwehr: Sie binden an sogenannte Argonaute-Proteinkomplexe und leiten diese zur viralen RNA. Die Proteinkomplexe bauen die RNA dann ab und beseitigen so die Gefahr durch das Virus. „Mit diesem zweistufigen Prozess versucht sich die Pflanze einerseits am Ort der Infektion und anderseits in ihrem gesamten Organismus gegen das Virus zu schützen“, erläutert Sven-Erik Behrens vom Institut für Biochemie und Biotechnologie der MLU.

Wirksame Moleküle identifizieren

Allerdings ist der pflanzliche Abwehrmechanismus ineffizient. „Bei einer Virusinfektion entstehen sehr viele unterschiedliche siRNA-Moleküle, aber nur ganz wenige haben eine Schutzwirkung“, schildert Behrens. „Die meisten sättigen die Argonaute-Komplexe nur ab, sodass diese dann inaktiv bleiben.“ Damit die Viren effektiv bekämpft werden, müssen die siRNA-Moleküle also sowohl gut in die Argonaute-Komplexe passen, als auch diese verlässlich zu ihren Zielen leiten. Die Hallenser Forscher haben nun ein biochemisches Verfahren gefunden, um gezielt solche siRNAs in pflanzlichen Zellextrakten zu identifizieren. Diese können dann als spezifische Impfstoffe produziert werden.

Erfolg im Labor, aber offene Praxisfragen

Zumindest im Labor hat sich die Methode bereits bewährt. Am Beispiel der Tabakpflanze und eines Modellvirus demonstrierten die Biochemiker, dass geimpfte Pflanzen zu 90% vom Virus verschont blieben, während die ungeimpften Kontrollpflanzen ausnahmslos eingingen. In der Praxis sind jedoch noch viele Fragen offen: Wie lange wirkt die Impfung? Lassen sich Wirkstoffdepots an der Pflanze anlegen? Nicht zuletzt müssen die Impfstoffe in großem Maßstab produziert und auf die Pflanzen aufgetragen werden.

Eine wesentliches Problem von Impfstoffen dürfte der neue Ansatz auf jeden Fall nicht haben: „Wenn sich das Pathogen verändert oder die Pflanze gegen ein anderes Virus geschützt werden soll, lassen sich mit dem etablierten Screening sehr schnell geeignete RNA-Moleküle identifizieren, um den jeweiligen Krankheitserreger zu bekämpfen. So kann man sehr flexibel gegen neue Schädlinge vorgehen“, resümiert Behrens.

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Wenn ein Krankheitsbefall auf einem Feld für das bloße Auge sichtbar wird, hat sich die Infektion oft schon verbreitet und Schäden angerichtet. Zudem wird allein aus dem Symptom nicht immer deutlich, um welchen Erreger es sich handelt und welche Therapie somit die effektivste ist. Das kalifornische Diagnostik-Unternehmen Ontera Inc. und die BASF wollen deshalb schneller sein: Sie haben eine Forschungskooperation vereinbart, um ein tragbares System zur Frühdiagnose von Pflanzenkrankheiten zu entwickeln. Die handliche und robuste Plattform soll anhand einer Pflanzenprobe innerhalb von 20 Minuten molekulare Informationen auf dem Feld in Laborqualität auswerten und verständlich präsentieren. Finanzielle Details der Kooperation teilten die Unternehmen nicht mit.

Neben DNA und RNA auch Proteine erfassen

„Innovative Diagnosetechnologie, um Gefahren für Ernte und Qualität frühzeitig zu erkennen, ist für eine moderne, nachhaltige Landwirtschaft unerlässlich“, betont Jürgen Huff, Senior Vice President für Forschung und Entwicklung im BASF-Unternehmensbereich Agricultural Solutions. Die Technologie von Ontera ermöglicht die Verwendung von Silikon-Nanoporen mit einem Durchmesser von bis zu 35 Nanometern, die im Wafer-Maßstab als Chips günstig hergestellt werden können.

Diese größeren Nanoporen ermöglichen es, neben DNA auch Proteine und andere Moleküle zu erkennen und zu quantifizieren. Die Plattform liefert dann eine quantitative Analyse von Pflanzeneigenschaften, Krankheitserregern und Resistenzen in wenigen Minuten. So ließen sich zeitaufwändige Laborverfahren vermeiden, die eine saisonale, gezielte Anwendung von Pflanzenschutzmitteln erschweren, erläutert die BASF auf Anfrage von bioökonomie.de. Da das Nanoporensignal rein elektronisch ist, sei die von Ontera angebotene Lösung einfach und vor Ort einsetzbar. Auf Basis der Plattform sollen sich Krankheiten bei einer Vielzahl von Pflanzen identifizieren lassen - und das innerhalb von Minuten vor Ort im Feld.

Diagnose erlaubt optimierten Pflanzenschutz

Ein besonderer Diagnosefokus liegt auf Pilzinfektionen: Pilzkrankheiten entwickeln ständig Resistenzen gegenüber chemischen Pflanzenschutzmitteln. Durch die frühzeitige Identifizierung von Krankheiten und Resistenzmutationen ermöglicht das Gerät Landwirten, die wirksamsten Pflanzenschutzprodukte auszuwählen. Dies führe nicht nur zu einem gezielten, nachhaltigen Pflanzenschutz, sondern ermögliche es den Landwirten Kosten zu reduzieren und Erträge zu steigern, verspricht die BASF. Aktuell befinde sich die Kooperation in der Erforschungsphase und Feldversuche seien geplant. Langfristiges Ziel sei es, „unsere Lösung einem breiteren Anwenderkreis in der Landwirtschaft zur Verfügung stellen zu können“.

„Indem wir innovatives Denken auf die Herausforderungen der realen Landwirtschaft anwenden, können wir den Zugang zu qualitativ hochwertigen Lebensmitteln auf umweltfreundliche, gesunde Weise verbessern und gleichzeitig die Produktivität und die Vorhersehbarkeit der Ernten erhöhen“, sagte die Ontera-Vorstandsvorsitzende Murielle Thinard-McLane. Ontera hat seinen Sitz in Santa Cruz. Das Unternehmen mit mehr als 80 Mitarbeitern hat 2017 auch mit Bayer eine Allianz zum Thema Pflanzenerreger-Diagnostik geschlossen.

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When a disease infestation in a field becomes visible to the naked eye, the infection has often already spread and caused damage. In addition, the symptom alone does not always make it clear which pathogen is involved and which therapy is therefore the most effective. The companies Ontera Inc. and BASF therefore want to speed up the process: They have agreed to collaborate on research into a portable system for the early diagnosis of plant diseases. The handy and robust platform will use a plant sample to evaluate molecular information in the field in laboratory quality within 20 minutes and present it in an understandable way.

DNA and RNA as well as proteins

"Innovative diagnostic technology to catch threats to yield and quality early on is vital for modern, sustainable agriculture," says Jürgen Huff, Senior Vice President Research and Development in BASF's Agricultural Solutions division. Ontera's technology enables the use of silicon nanopore single-molecule sensors for multi-plex measurement of nucleic acids, proteins and small molecules. Lightweight and durable enough to be used in the field, it produces a quantitative analysis of traits, pathogens and pathogen resistance in just minutes. This avoids time-consuming laboratory procedures that make seasonal, targeted application of crop protection products difficult, explains BASF. Since the nanopore signal is purely electronic, the solution offered by Ontera is easy to use on site.

Diagnosis allows optimized crop protection

A particular diagnostic focus is on fungal infections: Fungal diseases are constantly developing resistance to chemical pesticides. By identifying diseases and resistance mutations at an early stage, the device enables farmers to select the most effective crop protection products. BASF promises that this not only leads to targeted, sustainable crop protection, but also enables farmers to reduce costs and increase yields. The cooperation is currently in the research phase and field trials are planned at a later date. The long-term goal is "to make our solution available to a wider range of users in agriculture".

Improving productivity in an environmentally friendly way

"We share BASF’s commitment to sustainable agriculture and by applying innovative thinking to real-world farming challenges, we can improve access to high quality foods in an environmentally healthy way, all while increasing the productivity and predictability of harvests," summed up Murielle Thinard-McLane, CEO of Ontera.

Financial details of the cooperation were not disclosed by the companies.

bl/um

Gemeinsam mit 200 Gästen aus Wissenschaft, Wirtschaft und Politik hat das Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie e.V. (ATB) am 22. August die Einweihung eines neuen Forschungsgebäudes gefeiert. Mit rund 3.000 Quadratmetern Fläche erweitert der zweigeschossige Neubau die Infrastruktur des ATB um neue Büro-, Labor- und Begegnungsräume und bietet Arbeitsplätze für etwa 60 Mitarbeiter.

Räume für die Mikrobiom-Analysen

Die neuen Labore eröffnen dem ATB insbesondere verbesserte Möglichkeiten der molekularbiologischen Forschung im Bereich des Mikrobiom-Managements. Für die Gesamtbaukosten in Höhe von rund 19,1 Mio. Euro kamen Bund und das Land Brandenburg gemeinsam auf. Insgesamt stehen mit dem Neubau 25 Labore und 23 Büros, ein 330 Quadratmeter großer teilbarer Konferenzraum, zwei Seminarräume sowie eine 125 Quadratmeter große Caféteria zur Verfügung.

Ministerialrat Bernhard Polten, Referatsleiter im Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL), verwies beim Festakt auf die aktuellen gesellschaftlichen Anforderungen an die landwirtschaftliche Forschung: „Klimawandel, Umweltbelastungen aus der Landwirtschaft, eine bedrohte Biodiversität – diese globalen Herausforderungen erfordern neue Strategien und Lösungsansätze. Die Ausrichtung der ATB-Forschung auf Bioökonomie, Agrarinformatik und Mikrobiologie bietet hier hohes Potenzial. Beispielsweise lässt der Einsatz von Hightech in der mikrobiellen Diagnostik neue Erkenntnisse nicht nur für Biokonversionsprozesse erwarten, sondern auch für die Lebensmittelsicherheit.“

Leibniz-Gemeinschaft setzt auf Bioökonomie-Forschung

Sebastian Lentz, Vizepräsident der Leibniz-Gemeinschaft und Direktor des Leibniz-Instituts für Länderkunde (IfL) Leipzig hob die Schlagkraft der Bioökonomie-Forschung in seinem Forschungsverbund hervor. Zusammen mit anderen Leibniz-Instituten bilde das ATB ein Kompetenzcluster im Bereich nachhaltiger landwirtschaftlicher und aquatischer Produktionssysteme. Die kommissarische wissenschaftliche Direktorin des ATB, Annette Prochnow, stellte bei der Einweihung auch den Namen des neuen Gebäudes vor. Es wird den Namen CIRCLE tragen – „trotz oder gerade wegen seines quadratischen Grundrisses”. CIRCLE steht für ‚Center for Research and Communication in a Circular BioEconomy’. Prochnow weiter: „Das Ziel einer bioökonomische Kreislaufwirtschaft ist ambitioniert. Unsere Forschung mag gelegentlich der Quadratur des Kreises ähneln, aber wir halten Bioökonomie nicht für eine unlösbare Aufgabe. Wir werden die ausgezeichneten Möglichkeiten dieser neuen Infrastruktur nutzen, um zu ihrem Gelingen beizutragen.”

ml/pg

Jetzt blüht es wieder in weiten Teilen Europas und wird gerne mal mit dem Löwenzahn verwechselt: das Gewöhnliche Ferkelkraut oder Hypochaeris radicata, wie Botaniker sagen. Bis spät in den Herbst leuchten seine gelben Blüten – und fliegen seine Pollen. Deren Reise haben sich jetzt Forscher der Universität Kiel näher angesehen und dabei analysiert, wie der Pollen an den unterschiedlichen Stationen seiner Reise haftet.

Pollenkitt kann Haftung auch schwächen

„Pollen, die von Insekten transportiert werden, bewältigen drei verschiedene Haftuntergründe: Wenn sie sich von ihrer Startblume lösen, auf dem Insekt anhaften und von dort schließlich auf der Zielblume abgesetzt werden. Wir wollen herausfinden, welche Haftmechanismen das ermöglichen“, erklärt der Bioniker Stanislav Gorb. Das bisherige Ergebnis hat das Team in der Fachzeitschrift „Journal of the Royal Society Interface“ veröffentlicht – es deutet auf eine unerwartete Komplexität hin.

Die gängige Annahme war bisher gewesen, dass der sogenannte Pollenkitt, eine ölige Hülle des Pollens, die Haftung entscheidend bestimmt. Die neue Untersuchung am Beispiel des Gewöhnlichen Ferkelkrauts hat nun gezeigt, dass der Pollenkitt unter bestimmten Bedingungen die gegenteilige Funktion hat, nämlich die Haftung aufhebt. Tatsächlich bestimmen neben dem Pollenkitt mehrere Faktoren die Stärke der Haftung: die Luftfeuchtigkeit, das Alter der Pollen und die Beschaffenheit des Haftungsuntergrunds. „Wir müssen die Haftmechanismen von Pollen viel differenzierter betrachten“, resümiert Gorb.

Haftung an der Narbe viel stärker als am Griffel

Wir stark die jeweilige Haftung ist, haben die Forscher mit einem Rasterkraftmikroskop gemessen. Auf der Narbe, dem weiblichen Organ, an dem die Insekten die in anderen Blüten gesammelten Pollen wieder abstreifen, haften die Pollen mehr als viermal so stark wie auf dem Griffel, dem männlichen Blütenteil, von dem sie durch Insekten abgelöst und gesammelt werden. Dadurch stellt die Pflanze sicher, dass nur ihre eigenen Pollen mit den Insekten auf die Reise gehen und fremde Pollen die eigenen Blüten erfolgreich bestäuben. „Wir nehmen an, dass die beiden Pflanzenteile im Laufe der Evolution unterschiedliche Funktionen herausgebildet haben, um den Prozess der Bestäubung zu optimieren“, interpretiert der Materialwissenschaflter Shuto Ito. „Mit diesem Haftsystem tragen die Pollen vermutlich entscheidend dazu bei, die Reproduktion von Pflanzen zu sichern.“

Mögliche Ableitungen für Chemie und Medizin

Den Unterschied in der Haftung der beiden Blütenbestandteile vermuten die Forscher in der Mikrostruktur deren Oberflächen. Diese wollen sie nun aufklären und für Anwendungen erschließen: „Wenn wir herausfinden, mit welchen Mechanismen wir solche Interaktionen von Mikropartikeln und Oberflächen steuern könnten, ließen sich daraus möglicherweise Schlüsse ziehen für Beschichtungs- und Druckprozesse, den Transport von medizinischen Wirkstoffen oder die Behandlung von Atemwegserkrankungen“, hofft Gorb.

bl

Late summer is the time of the catsear, a herb that is often confused with the dandelion. Hypochaeris radicata, as botanists say, blooms bright yellow until late fall. Researchers from the University of Kiel have now taken a closer look at the journey of the herb's pollen and analyzed how it adheres at the various stations of its journey.

"If pollen is transported by insects from flower to flower, it encounters three different types of surfaces to which it must attach itself and then detach again. We want to find out which adhesive mechanisms enable this," explains the bionic Stanislav Gorb. The team's findings to date have been published in the Journal of the Royal Society Interface, suggesting unexpected complexity.

Pollenkitt can weaken adhesion

The common assumption had been that the so-called pollenkitt, an oily substance covering the pollen, has a central adhesive function. The new study, using the example of common catsear, has now shown that under certain conditions the pollenkitt has the opposite function, i.e. it cancels adhesion. In fact, in addition to the pollenkitt, several factors determine the strength of the adhesion: the humidity, the age of the pollen and the nature of the adhesion surface. "We must consider the adhesive mechanisms in a much more differentiated manner", Gorb sums up.

Adhesion to the stigma much stronger than to the style

The researchers used an atomic force microscope to measure how strong the respective adhesion is. On the stigma, the female organ on which the insects deposit the pollen collected in other flowers, the pollen adheres more than four times as strongly as on the style, the male part of the flower from which it is detached and collected by insects. In this way, the plant ensures that only its own pollen travels with the insects and that foreign pollen successfully pollinates its own flowers. "We assume that during the course of evolution, the two parts of the plant have developed different functions, in order to optimize the pollination process," interprets the material scientist Shuto Ito. "The newly found pollen gripping mechanism on the stigma is likely to assure the reproduction of plants by anchoring pollen on the stigma until fertilization occurs."

Possible insights for chemistry and medicine

The researchers suspect the difference in the adhesion of the two flower components in the microstructure of their surfaces. "If we can discover the mechanisms by which such interactions of microparticles and surfaces could be controlled, we could potentially draw conclusions for coating and printing processes, the transport of medicinal substances, or the treatment of respiratory diseases," hopes Gorb.

bl/um

Vier deutsche Start-ups, die gerade in Gründung oder maximal drei Jahre alt sind, dürfen sich über eine Förderung freuen: Die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) hat bekannt gegeben, welche jungen Firmen sie mit insgesamt einer halben Million Euro aus ihrem Green Startup-Sonderprogramm unterstützen wird: Pydro aus Hamburg, Fine|alyze aus Hannover, Farmee aus Stuttgart und SmartCloudFarming aus Berlin. Alle vier Unternehmen haben ihren Geschäftsschwerpunkt im Bereich Digitalisierung.

Smarte Technologie für grünen Wandel

„Für die komplexen Herausforderungen unserer Zeit wie Agrar-, Energie- und Verkehrswende brauchen wir junge Querdenker, die die Zukunft nachhaltig gestalten wollen und dabei auch die digitalen Chancen für den Schutz der Umwelt nutzen“, erläutert DBU-Generalsekretär Alexander Bonde. Zwar sei die Zahl der „grünen“ Start-ups aktuell rückläufig, allerdings hätten sich 25 Gründer für die Förderung beworben. Für die Auswahl entscheiden seien die Kriterien Innovationshöhe, Marktpotenzial, Nachhaltigkeitsherausforderung und Umsetzungsfähigkeit gewesen. „Es ist schon bemerkenswert, wie ideenreich einige davon einen grünen Wandel mit smarter Technologie angehen“, lobte Jörg Lefèvre, DBU-Referatsleiter Emissionsminderung und Ressourceneffizienz.

Gleich zwei Projekte für die Landwirtschaft

Pydro ist angetreten mit modularen Turbinensystemen für Trinkwasserleitungssysteme, die durch intelligentes Druckmanagement Energie gewinnen und Wasser einsparen sollen. Fine|alyze bietet datengetriebene Prozessmodellierungen und -evaluierungen für automatisierte Produktionssysteme an, um diese zu optimieren. Farmee möchte allen Menschen ermöglichen, ihr eigener Landwirt zu werden – und das mitten in der Stadt. Dazu hat das Start-up ein Open-Source-Betriebssystem für vertikale Farmen entwickelt. Und auch bei SmartCloudFarming dreht sich alles um die Landwirtschaft: Das junge Unternehmen wertet Satellitendaten aus, um Böden zu charakterisieren und Landwirten Empfehlungen zu Bewässerung und Düngung auszusprechen.

Weitere Förderrunden geplant

Insgesamt hat die DBU ihr Sonderprogramm mit 1,5 Mio. Euro ausgestattet. Deshalb soll es voraussichtlich bis zum Jahresende eine zweite und dritte Entscheidungsrunde im Sonderprogramm geben. Anträge dafür nimmt die DBU weiterhin angenommen. Darüber hinaus befinden sich vier weitere Projekte im Standard-Prüfprozess der DBU zur Projektförderung.

bl

An und im Menschen leben etwa so viele Bakterien, wie er eigene Körperzellen hat. Das ist für die meisten höheren Organismen nicht anders. Auch Bienen besitzen beispielsweise eine mikrobielle Darmflora, die wie beim Menschen die Verdauung unterstützen und das Immunsystem stimulieren. In Bienenstöcken leben Mikroorganismen, die Antibiotika absondern und so verhindern, dass sich dort schädliche Pilze ausbreiten können. Doch bei allem, was Wissenschaftler bislang über die Bakterien der Bienen herausgefunden haben, gibt es ein großes Defizit: „Die meisten Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet widmen sich sozialen Bienen, vor allem der westlichen Honigbiene Apis mellifera“, berichtet Alexander Keller vom Biozentrum der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU).

Sind Bakterien ein Faktor des Bienensterbens?

Die Biologen der JMU vermuten, dass die Bakterien der Biene neben Pestiziden, Krankheitserregern und dem Verlust von Lebensräumen eine Teilursache des weltweiten Bienensterbens sein könnten. Da jedoch rund 90% der 17.500 bekannten Bienenarten solitär leben und die Forschung sich bislang vor allem auf soziale Bienen konzentrierte, ist darüber wenig bekannt. Denn wie Keller und sein Team in einer Literaturstudie im Fachjournal „Trends in Microbiology“ berichten, ist eine weit verbreitete Annahme falsch: Die Erkenntnisse, die an sozialen Bienen gewonnen wurden, sind trotz grundlegender Gemeinsamkeiten nur begrenzt auf Solitärbienen übertragbar.

Solitärbienen stärker vom Menschen beeinflusst

So habe die Studie gezeigt, dass die Interaktion von Solitärbienen und Mikroorganismen wesentlich stärker durch Umweltfaktoren geprägt sei als bei sozialen Bienen. Dazu zählen insbesondere menschliche Einflüsse wie landwirtschaftliche Aktivitäten, die Zerstörung von Lebensräumen und der Klimawandel. In einem internationalen Projekt wollen die Biologen daher nun unter anderem die landschaftsökologischen Faktoren besser untersuchen, die beeinflussen, welche Mikroben mit Solitärbienen interagieren – und in welcher Weise. Denn ein großer Teil der bekannten solitär lebenden Bienenarten ist bedroht oder schon ausgestorben. In Teilen Asiens muss die Bestäubung von Obstbäumen daher bereits unter großem Arbeitseinsatz von Hand erfolgen.

bl

There are about as many bacteria living in and on humans as there are body cells. This is no different for most higher organisms. Bees, for example, also have a microbial intestinal flora that supports digestion and stimulates the immune system. Microorganisms live in beehives which secrete compounds to prevent the spread of harmful fungi. However, there is a huge deficit in everything that scientists have discovered so far about the bacteria of bees: ""Most research in this field is devoted to social bees, especially the western honey bee Apis mellifera," reports Alexander Keller from the Biocentre of the Julius Maximilian University Würzburg (JMU).

Are bacteria a factor in bee mortality?

The biologists of the JMU suspect that bee bacteria could be one of the causes of worldwide bee mortality, along with pesticides, pathogens and the loss of habitats. However, as around 90% of the 17,500 known bee species live solitary and research has so far concentrated mainly on social bees, little is known about this. As Keller and his team report in a literature study in the specialist journal "Trends in Microbiology", a widespread assumption is wrong: Despite fundamental similarities, the findings obtained from social bees can only be transferred to solitary bees to a limited extent.

Solitary bees more strongly influenced by humans

The study has shown that the interaction of solitary bees and microorganisms is much more strongly affected by environmental factors than that of social bees. These include in particular human influences such as agricultural activities, habitat destruction and climate change. In an international project, the biologists now want to better investigate the landscape ecological factors that influence which microbes interact with solitary bees - and in what way. This is because a large part of the known solitary bee species is threatened or already extinct. In parts of Asia, the pollination of fruit trees must therefore already be carried out manually with great effort.

bl/um

Wer seinen Feind besiegen will, der muss ihn kennen – oder im Falle des Immunsystems besser: erkennen. Denn egal ob Mensch, Tier oder Pflanzen, der erste Schritt einer Immunreaktion besteht immer daraus, dass bestimmte Rezeptoren die Anwesenheit eines Krankheitserregers bemerken und Alarm auslösen. Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Entwicklungsbiologie in Tübingen hat nun diese Rezeptoren systematisch dokumentiert und Überraschendes festgestellt.

Grundlegende Fragen erstmals beantwortet

Bei diesen Rezeptoren handelt es sich um sogenannte NLR-Proteine (nucleotide binding leucine-rich repeat proteins). Jeder dieser Rezeptoren erkennt bestimmte, evolutionär konservierte Strukturen mikrobieller Krankheitserreger. Aufgrund ihrer Bedeutung für die Pflanzenzüchtung hat die Forschung bereits viel über NLR-Rezeptoren herausgefunden. Offen war bislang jedoch, wie das gesamte NLR-Spektrum aussieht, wie variabel es von Pflanze zu Pflanze ist und wie entscheidend sie für die Immunreaktion sind. Darauf gibt das Team um MPI-Direktor Detlef Weigel jetzt Antworten im Fachjournal „Cell“.

Vielfalt geringer als gedacht, Variation umso größer

Am Beispiel der Modellpflanze Ackerschmalwand untersuchten sie mit Krankheitserregern befallene Populationen aus unterschiedlichen Regionen der Erde und analysierten deren Gene. „Die Vielfalt der Gene ist zwar begrenzter, als wir erwartet hatten, es ist aber vielmehr ihre besondere Kombination, die jedes Individuum einzigartig resistent gegen unterschiedliche Spektren von Krankheitserregern macht“, berichtet Weigel. Denn die Pflanzenforscher stellten fest, dass sich das Sortiment an NLR-Genen innerhalb einer Art von Region zu Region stark unterscheidet.

Ein Referenzgenom reicht nicht aus

„Eine der bemerkenswerten Schlussfolgerungen, die sich aus dieser Studie ergeben, besteht darin, dass sehr viele Populationen sequenziert werden müssen, um das gesamte Immunsystem jeder Pflanze definieren zu können“, folgert Jonathan Jones vom Sainsbury Laboratory in Großbritannien, der ebenfalls an der Studie beteiligt war. „Vorbei sind die Zeiten, in denen eine einzige Referenzsequenz ausreichte, um die Geheimnisse einer Spezies enthüllen zu können; es ist jetzt klar, dass wir die gesamte genetische Vielfalt einer Spezies verstehen müssen, um auch ihr Immunsystem zu verstehen.“

Die neuen Erkenntnisse sollen nun helfen, sowohl die Evolution der NLR-Gene im Pflanzenreich besser zu verstehen, als auch in der Pflanzenzüchtung helfen, neue Linien zu entwickeln, die widerstandsfähiger gegen Krankheitserreger sind.

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