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Wie verändert sich der Wasserhaushalt einer Landschaft, wenn sich deren Nutzung oder das Klimaverändern? Auf diese Frage gibt es ein neues Modell Antworten, das von Forschern des Leibniz-Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) entwickelt worden ist. Mit Hilfe dieses Prognosewerkzeugs soll die Widerstandsfähigkeit der Landschaften gegen Extremereignisse wie Dürren oder Überflutungen gestärkt werden. Im Fachjournal "Hydrological Processes" haben die Wissenschaftler es vorgestellt.

Einflüsse der Vegetation präziser erfasst

Das neue mathematische Modell „EcH2o-iso“ ist nicht das erste Modell, das sich mit dem Wasserhaushalt von Landschaften befasst. Bisherige Simulationen haben die Vegetation in diesem Zusammenhang jedoch meist statisch betrachtet. Die IGB-Forscher berücksichtigen hingegen auch Langzeitdaten von direkten Vegetationsmaßen wie Biomasseproduktion und Transpiration. Das erhöht die Genauigkeit der Prognosen und verbessert die Übertragbarkeit auf unterschiedliche Landschaftstypen. „Bisher wurde die Art der Vegetation vor allem unter dem Aspekt betrachtet Bodenerosion zu verhindern“, erläutert IGB-Forscherin Dörthe Tetzlaff. Angesichts zunehmender Extremereignisse wie Dürren und Überflutungen gehe es aber vermehrt darum, mit welchen Pflanzen der Rückhalt oder Verlust von Wasser in der Landschaft gesteuert werden könne.

Erfolgreich in der Praxis erprobt

Mittels sogenannter konservativer Tracer – Stoffe, anhand derer Alter und Herkunft des Wasser bestimmt werden kann – haben die Wissenschaftler ihr Modell in der Praxis validiert. So ergaben die Feldstudien in einer Region um den Stechlinsee in Norddeutschland unter anderem, dass Grünlandnutzung die Neubildung von Grundwasser fördert. Im Buchenwald hingegen wird mehr Wasser durch Evapotranspiration – die Verdunstung von Wasser durch Pflanzen sowie von Boden- und Wasseroberflächen – an die Atmosphäre abgegeben.

Verlässliche Prognosen für kleine und große Räume

Die Ökologen betonen jedoch, dass diese Ergebnisse standortspezifisch und abhängig von den jeweiligen hydrologischen, biologischen, klimatischen und geographischen Bedingungen seien. Genau das allerdings könne ihr neues Modell berücksichtigen und dadurch sowohl lokale als auch großräumige Prognosen erstellen, wie sich Veränderungen dieser Parameter auf den Wasserhaushalt der betroffenen Landschaft auswirken dürften.

Die Papiertechnische Stiftung (PTS) ist als Forschungs- und Dienstleistungsinstitut mit Sitz in Heidenau (bei Dresden) auf die Entwicklung und Anwendung von innovativen Papieren und anderen faserbasierten Lösungen spezialisiert. Die Papiertechnische Stiftung ist Mitglied der Zuse-Gemeinschaft. Der Wissenschaftliche Leiter der PTS, Tiemo Arndt, erläutert im Interview Trends und Herausforderungen in der Papierherstellung.

Wie wird die Biotechnologie unseren Alltag in den nächsten 100 Jahren verändern? Diese Frage stellt der Biotechnologie-Branchenverband BIO Deutschland zusammen mit seinen Allianzpartnern in dem Wettbewerb „Biophorie – Euphorie für die Biotechnologie“, der am 10. September gestartet ist. Im Rahmen des aktuell laufenden Themenjahres „100 Jahre Biotechnologie“ beleuchtet eine Allianz wichtige Meilensteine in der Geschichte der Biotechnologie.

Der „Biophorie“-Wettbewerb, der noch bis zum 31. Oktober läuft, richtet nun den Blick in die Zukunft, um so das Potenzial der Biotechnologie für unser Leben in den Fokus zu stellen. Der Wettbewerb richtet sich an Einzelpersonen und an Schulklassen. Zeichnerisches Können ist nicht erforderlich: Die Visionen sollten als kurze Texte formuliert und eingereicht werden – mit bis zu 2.000 Zeichen inklusive Leerzeichen.

Grafiker zeichnet die Gewinner-Visionen

Die Gewinner können sich auf attraktive Preise freuen. Die besten eingereichten Zukunftsvisionen werden von einem Grafiker gezeichnet und es winken Übernachtungen in Wiesbaden und ein Abendessen im Kloster Eberbach. Teilnehmen lohnt sich in jedem Fall, denn unter allen Teilnehmenden werden ebenfalls Preise verlost – darunter ein Tablet.

Von der Forschung in die Praxis – dieses Anliegen steht auch im Zentrum des KI-Innovationswettbewerbs des Bundeswirtschaftsministeriums. Der Wettbewerb prämiert durchsetzungsstarke Leuchtturmprojekte, die die künstliche Intelligenz als Treiber für volkswirtschaftlich relevante Ökosysteme einsetzen wollen. 16 Einreichungen hat das Ministerium nun für die dreijährige Förderung ab 2020 ausgewählt. „Mit dem KI-Innovationswettbewerb setzen wir einen Baustein der KI-Strategie um“, erläutert Staatssekretär Ulrich Nussbaum. „Wir haben herausragende Ansätze für KI-basierte, marktorientierte Plattformen gesucht – und gefunden.“

KI für Prozesse in Chemie und Biotechnologie

Unter den geförderten Projekten befinden sich auch die Innovationsplattform „KEEN – Künstliche-Intelligenz-Inkubator-Labore in der Prozessindustrie“. Koordiniert von der TU Dresden wollen darin 25 Partner aus Forschung und Industrie umfänglich KIs einsetzen, von der frühen Prozessmodellierung bis hin zur Umsetzung selbstoptimierender Anlagen. „Wenn die Komplexität von Produkten, Prozessen und Anlagen steigt, brauchen Ingenieure einen ‚kognitiven Verstärker‘, um flexibler und schneller die neuen Lösungen zu erarbeiten“, begründet KEEN-Projektkoordinator Leon Urbas, Professor für Prozessleittechnik an der TU Dresden.

Sein Kollege Norbert Kockmann von der Technischen Universität Dortmund ergänzt: „Die Einbeziehung verschiedener Aktivitäten im gesamten Feld der chemischen und biotechnologischen Industrie erlaubt uns, die Möglichkeiten der Digitalisierung sehr breit zu erkunden.“ Am Ende sollen Handlungsempfehlungen durch die KI stehen, die diese auch erläutert, sodass Ingenieure die beste Wahl treffen können. „Die künstliche Intelligenz kann einen gut ausgebildeten Ingenieur nicht ersetzen, aber ein nützliches Werkzeug für ihn sein,“ so Urbas. Rund zehn Mio. Euro Fördermittel sollen nun ab April 2020 in das Projekt fließen, zusätzlich zu 7,5 Mio. Euro der Industriepartner.

KI gegen Verschwendung in der Lebensmittelherstellung

Ebenfalls gefördert wird das Projekt „REIF“ (Resource-efficient, Economic and Intelligent Foodchain). Jährlich fallen in der Wertschöpfungskette der Lebensmittelindustrie rund elf Mio. Tonnen Lebensmittelabfälle an, ein Umstand, der ökologisch, ökonomisch und sozial inakzeptabel ist. „Strenge Anforderungen an die Produktsicherheit, eine geringe Planbarkeit in der Landwirtschaft, unzählige produktspezifische Randbedingungen in der Lebensmittelverarbeitung, starke Nachfrageschwankungen und der Trend zu individualisierten Produkten, auch in der Lebensmittelindustrie, haben eine Verringerung dieser offensichtlich vorhandenen Defizite bisher verhindert“, erläutern die Projektpartner, die von der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Augsburg koordiniert werden.

Mit Hilfe Künstlicher Intelligenz soll ein Wertschöpfungsnetzwerk entwickelt werden, dass die Menge der Abfälle während der Herstellung der Lebensmittel reduziert. 18 Einrichtungen aus Forschung und Industrie wollen dazu Planungs- und Steuerungsprozesse in der Lebensmittelindustrie optimieren. Das von der KI konzipierte Ökosystem soll die Stakeholder sämtlicher Wertschöpfungsstufen integrieren. Am Ende des Projekts soll eine Roadmap stehen, um das konzipierte Ökosystem zu realisieren.

Zu wirtschaftlichem Erfolg führen

Staatssekretär Nussbaum zeigt sich optimistisch: „Die große Resonanz auf den Wettbewerb zeigt, dass wir in Deutschland den Willen und das Potenzial haben, Künstliche Intelligenz in wirtschaftlichen Erfolg umzumünzen.“

Nikotin ist entscheidend dafür, dass Zigaretten süchtig machen. Darüber hinaus ist das natürlicherweise in Tabakpflanzen vorkommende Nervengift auch gesundheitsschädlich. Zwei Biochemiker der TU Dortmund haben nun gezeigt, dass es möglich ist, Tabakpflanzen zu erzeugen, deren Nikotingehalt auf die Nachweisgrenze reduziert ist. Das würde es Betroffenen erleichtern, von ihrer Sucht loszukommen.

400 Mal weniger Nikotin

Statt 16 Milligramm enthält ein Gramm des neuen Tabaks nur noch 0,04 Milligramm Nikotin, berichten die TU-Forscher Felix Stehle und Julia Schachsiek im Fachjournal „Plant Biotechnology“. „Mit nikotinfreien Zigaretten können sich die Unternehmen einen zusätzlichen Markt erschließen“, erläutert Stehle, „nämlich den Markt der Raucher, die aufhören wollen, und der Menschen, die ihre Raucherrituale beibehalten, aber gleichzeitig schädliches Nikotin vermeiden wollen.“ Wie recht er damit zu haben scheint, zeigt die Einladung zur internationalen Leitmesse der Branche „Intertabac“ in Dortmund, wo der Biochemiker am vergangenen Wochenende die Forschungsergebnisse präsentiert hat.

Nikotingene mit CRISPR-Cas9 stillgelegt

Die Biochemiker identifizierten zunächst eine Gensequenz, die in sechs wesentlichen Genen der Nikotinerzeugung der Tabaksorte „Virginia Smoking Tobacco“, nicht aber in anderen Genen vorkommt. Mit der Genschere CRISPR-Cas9 zielten die Forscher auf diese Gensequenz und sorgten so dafür, dass diese Gene ihre Funktion verlieren. In der Studie fanden sich keine Hinweise darauf, dass der Eingriff andere Stoffwechselfunktionen der Tabakpflanze beeinträchtigt. Und – anders als bei bisherigen Versuchen, die Nikotingene auszuschalten – erzeugten die Pflanzen keine erhöhten Mengen anderer Alkaloide.

Diesmal wirklich „light“

Wer sich nun fragt, ob es mit „Light“-Zigaretten nicht schon einmal einen ähnlichen Ansatz gegeben habe, der irrt, wie die Forscher erklären: Sogenannte Light-Zigaretten hatten lediglich einen speziellen Filter, der mehr Luft beimischte und so die Nikotinkonzentration je Zug verringerte. Die tatsächliche Menge Nikotin in der Zigarette unterschied sich nicht, weshalb Light-Zigaretten nach juristischen Auseinandersetzungen vom Markt genommen wurden.

Anbau in der EU nicht möglich

„Nach unserem Verständnis ist die Pflanze nach der Behandlung gentechnikfrei“, betont Stehle, allerdings sieht das die jüngste Rechtsprechung des Europäischen Gerichtshofes (EuGH) anders. Ein Anbau der nikotinfreien Pflanzen wäre daher innerhalb der EU nicht möglich. Möglich hingegen wäre es, die Methode nun auf weitere Sorten der Tabakhersteller anzuwenden, um diese ebenfalls an der Nikotinbildung zu hindern. Statt der drei Jahre Entwicklungszeit wären künftig nur noch 18 Monate erforderlich, schätzt Stehle.

Die zweite Generation der Biokraftstoffe wird aus Agrar-Reststoffen hergestellt, etwa Getreidestroh oder Chinaschilf. Der Schweizer Spezialchemiekonzern Clariant AG hat dazu die sunliquid-Technologie entwickelt, ein biotechnologisches Verfahren, bei dem aus pflanzlichen Reststoffen Cellulose-Ethanol hergestellt werden kann. Im bayerischen Straubing betreibt Clariant eine Demonstrationsanlage der Lignocellulose-Bioraffinerie. Mit dem vor allem in Mitteleuropa starken Mineralölkonzern PKN Orlen hat diese Technologie nun einen zweiten Lizenznehmer gefunden. Der erste war im Jahr 2017 das slowakische Unternehmen Enviral.

Gute Wirtschaftlichkeit

„Wir freuen uns sehr über diese Lizenzvereinbarung, die Beleg ist für das nachhaltige Interesse an unserer sunliquid-Technologie zur Produktion von Cellulose-Ethanol“, sagte Clariant Chief Operating Officer Hans Bohnen. Die sunliquid-Technologie integriere die Produktion von rohstoff- und prozessspezifischen Enzymen und gewährleiste durch die gleichzeitige Fermentation sogenannter Pentosen und Hexosen eine gute Wirtschaftlichkeit.

Jährliche Produktion von 25.000 Tonnen

„Wir investieren in moderne Technologien und konzentrieren uns auf margenstarke Produkte, da diese entscheidend sein werden, um unsere führende Position in der Region in den kommenden Jahren aufrechtzuerhalten“, begründet Daniel Obajtek aus dem Vorstand von PKN Orlen die Lizenznahme. Zudem hebt er hervor: „Gleichzeitig vergessen wir unsere soziale Verantwortung als Unternehmen nicht und setzen auf Lösungen, die die Auswirkungen auf unsere Umwelt deutlich reduzieren.“ Das neue Werk soll im polnischen Jedlicze entstehen, wo es an eine bestehende Erdölraffinerie angebunden werden soll. Geplant ist eine jährliche Produktionsleistung von 25.000 Tonnen Cellulose-Ethanol. In Westeuropa ist der Orlen-Konzern vor allem durch die Tankstellenkette „Star“ bekannt“.

The second generation of biofuels is produced from agricultural residues, such as grain straw or Chinese reed. The Swiss specialty chemicals group Clariant AG has developed sunliquid technology for this purpose, a biotechnological process in which cellulose-ethanol can be produced from plant residues. In Straubing, Bavaria, Clariant operates a demonstration plant for the lignocellulose biorefinery. This technology has now found a second licensee in PKN Orlen, a petroleum company that is particularly strong in Central Europe. The first was the Slovakian company Enviral in 2017.

Good profitability

"We are excited by the continued interest in our sunliquid cellulosic ethanol technology and proud to have signed this second license agreement," said Clariant Chief Operating Officer Hans Bohnen. The sunliquid technology integrates the production of raw material- and process-specific enzymes and ensures good cost-effectiveness through the simultaneous fermentation of pentoses and hexoses.

Annual production of 25,000 tonnes

"We invest in modern technologies and focus on high-margin products, as they will be crucial to maintaining our leading position in the region in the coming years," says Daniel Obajtek from PKN Orlen's Board of Directors, explaining the decision. "At the same time, we do not forget about corporate social responsibility and we apply solutions that significantly mitigate our environmental impact". The new plant is to be built in Jedlicze, Poland, where it will be connected to an existing oil refinery. An annual production capacity of 25,000 metric tons of cellulosic ethanol is planned. In Western Europe, the Orlen Group is best known for its "Star" service station chain.

bl/um

Die Verbindung zwischen einen Fluor- und einem Kohlenstoffatom ist die stärkste Bindung in der organischen Chemie. Sie zu spalten wäre eine Reaktion, die von alleine im Zeitraum von Jahren abläuft, doch manche Enzyme verkürzen die Reaktion auf einige Sekunden. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg, der Universität Potsdam und der University of Toronto in Kanada haben nun in einem hochdetaillierten Zeitrafferfilm dokumentiert, was genau während dieser Reaktion in dem Enzym Fluoressigsäure-Dehalogenase vor sich geht. Im Wissenschaftsjournal „Science“ berichten sie darüber und über ein bis dato unbekanntes Prinzip, das sie dabei entdeckt haben.

18 Schnappschüsse vom Katalyse-Zyklus

Mithilfe der Röntgenkristallographie erzeugten die Forscher 18 Schnappschüsse über 30 Sekunden der Katalyse und erfassten so vier Zyklen mit allen Zwischenzuständen der Reaktion. Die Bilder zeigen, wie zunächst das Substrat gebunden wird, sich ein Zwischenprodukt bildet, ein hydrolytisches Wassermolekül bereitgestellt wird und schließlich das Reaktionsprodukt das Enzym verlässt.

Eine Signalkette aus Wassermolekülen

Die Forscher beobachteten außerdem, dass das Enzym gewissermaßen „atmet“: Es dehnt sich im Rhythmus der Teilschritte aus und zieht sich wieder zusammen. Dabei bleiben die beiden Hälften des Enzyms über eine Verbindungsschnur von Wassermolekülen in Kontakt. Offensichtlich erfährt dadurch jede Hälfte den jeweils aktuellen katalytischen Zustand der anderen Hälfte. Für die Reaktion ist das von großer Bedeutung, da immer nur eine Hälfte des Enzyms zur Zeit katalytisch aktiv sein kann.

Bedeutung für Klimaschutz und Umweltsanierung

Die Wissenschaftler haben sich besonders für die Verbindung zwischen Fluor und Kohlenstoff interessiert, weil sie eine hohe Relevanz für den Treibhauseffekt haben. Außerdem spielt diese Verbindung eine wichtige Rolle in Materialien wie Teflon und GoreTex, in pharmazeutischen Produkten und Pestiziden. Das Ziel der Studie war es daher, die enzymatische Spaltung derartiger Verbindungen zunächst zu verstehen und idealerweise aktiv steuern zu können.

Die jetzt beobachteten dynamischen Bewegungen des Enzyms dürften zudem nach Einschätzung der Wissenschaftlern in vielen anderen enzymatischen Katalysen Entsprechungen besitzen.

The bond between a fluorine atom and a carbon atom is the strongest single-bond in organic chemistry. Splitting it would be a reaction that occurs automatically over a period of years, but some enzymes shorten the reaction to a few seconds. Scientists from the Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) in Hamburg, the University of Potsdam and the University of Toronto in Canada have now documented in a highly detailed time-lapse film what exactly happens during this reaction in the enzyme fluoroacetate dehalogenase. In the science journal "Science", they report on this and on a hitherto unknown principle that they discovered in the process.

18 Snapshots of the catalysis cycle

Using X-ray crystallography, the researchers took 18 snapshots over 30 seconds of catalysis and recorded four cycles with all intermediate states of the reaction. The images show how the substrate is first bound, an intermediate product is formed, a hydrolytic water molecule is provided, and finally the reaction product leaves the enzyme.

A signal chain of water molecules

The researchers also observed that the enzyme "breathes" during turnover: it expands and contracts aligned with the catalytic sub-steps. The two halves of the enzyme remain in contact via a connecting cord of water molecules. Apparently, they share information about their catalytic state. This finding is of great importance for the reaction, since only one half of the enzyme can be catalytically active at any one time.

Significance for climate protection and environmental remediation

The scientists were particularly interested in the compound between fluorine and carbon because it is highly relevant for the greenhouse effect. This compound also plays an important role in materials such as Teflon and GoreTex, in pharmaceutical products and pesticides. The aim of the study was therefore to understand the turnover of such compounds and, ideally, to actively control it.

According to the scientists, the dynamic movements of the enzyme that have now been observed may also have correspondences in many other enzymatic catalyses.

bl/um

Für eine Milliarde Menschen ist Maniok ein wichtiges Grundnahrungsmittel. Doch anders als bei den ebenfalls wichtigen Kohlenhydratquellen Mais, Weizen und Reis wurde Maniok weniger erforscht und züchterisch kaum optimiert. Ein internationales Forschungsprojekt unter Leitung der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) arbeitet seit fünf Jahren daran, dies zu ändern, und hat nun für weitere fünf Jahre eine Zuwendung der Bill-und-Melinda-Gates-Stiftung erhalten, diesmal über zehn Mio. Euro.

Mit höheren Erträgen gegen den Welthunger

„Während das Ertragspotenzial von Pflanzen wie Mais, Weizen oder Reis durch jahrtausendelange, intensive Pflanzenzüchtung und die ausgefeilte agronomische Praxis sehr hoch ist, haben diese Pflanzen auch hohe Ansprüche an beispielsweise Nährstoffe und Wasserverfügbarkeit. Im Gegensatz dazu ist die Maniokpflanze sehr robust und genügsam und liefert dennoch passable Erträge“, stellt der Biochemiker Uwe Sonnewald von der FAU den wichtigen Unterschied heraus. „Eine deutliche Steigerung des Maniokertrags könnte daher einen großen Beitrag zur Bekämpfung des Hungers in der Welt leisten“, erläutert der Wissenschaftler das Ziel des Projekts „Cassava Source-Sink“ (CASS).

Infrastrukturbildung und Grundlagenforschung

In den ersten fünf Jahren des Projektes, die von der Stiftung bereits mit 5 Mio. Euro gefördert wurden, stand noch viel Organisatorisches auf dem Programm: Die Forschungsteams mussten ebenso etabliert werden wir die internationale Infrastruktur und Logistik des Projektes. Trotzdem widmeten sich die Forscher bereits in dieser Phase dem Verständnis von Struktur und Stoffwechsel der Maniokpflanze, denn hier waren noch vergleichsweise viele Fragen offen.

Optimiertes Wurzelwachstum

Nun soll das gewonnene Wissen in den nächsten fünf Jahren angewandt werden, um Maniokpflanzen zu züchten, die mehr Energie in das Wachstum ihrer essbaren Wurzeln stecken als in die übrigen Pflanzenteile. Dazu greifen die Forscher mit gentechnischen Methoden sowohl in die Photosynthese als auch in die Verteilung der Kohlenhydrate innerhalb der Pflanze sowie in das Wachstum der Speicherwurzeln ein.

Erste Praxisergebnisse im November

Erste Feldversuche in Afrika und Asien sind angelaufen und sollen im November ausgewertet werden. „Wir gehen nach dem ersten Jahr mit Feldversuchen davon aus, dass sicherlich Pflanzen dabei sind, die bereits einen höheren Ertrag erzielen, jedoch werden weitere Optimierungen folgen müssen“, sagt Biochemiker Sonnewald. Bis optimierte Pflanzen wirklich marktreif sind und die Landwirte erreichen, dürfte es aber noch bis zu zehn Jahre dauern, schätzt Sonnewald.

Die Urbanisierung schreitet voran: Bis 2050 könnten 75% der Weltbevölkerung in Städten leben, schätzen die Vereinten Nationen. Doch um diese Menschen regional mit Lebensmitteln zu versorgen, fehlen die Anbauflächen. Das Fraunhofer UMSICHT-Institut in Oberhausen hat dazu das inFARMING-Konzept entwickelt, das die Landwirtschaft in die Stadt holt. Auf dem Dach des neuen Oberhausener Jobcenters wurde dieses Konzept jetzt in die Praxis umgesetzt.

1000 Quadratmeter Nutzfläche

Auf dem Dach des Neubaus befindet sich mit dem „ALTMARKTgarten“ ein ins Gebäude integriertes Gewächshaus mit 1.000 Quadratmetern Nutzfläche. Vier Klimazonen sind darin eingerichtet, in denen Obst und Gemüse unter optimierten Bedingungen wachsen können. Drei Zonen dienen der regionalen Lebensmittelversorgung, eine der Forschung. Der Anbau erfolgt in unterschiedlichen hydroponischen Systemen: Auf Ebbe-Flut-Tischen werden die Pflanzen zeitgesteuert mit nährstoffhaltigem Wasser geflutet. In UV-stabilen Growbags erfolgt die Versorgung mit dem nährstoffhaltigen Wasser per Tröpfchenbewässerung, überschüssiges Wasser wird rückgeführt. Und auf schwimmenden Kulturplatten können die dortigen Pflanzen direkt ins Wasser wurzeln.

Mehr Leistung, weniger Energiebedarf, kein Sondermüll: So könnte man den Computerprozessor der Zukunft beschreiben, den deutsche und französische Forscher unter Federführung der Universität Duisburg-Essen jetzt im Fachjournal „Nature Communications“ skizzieren. Der Schlüssel dazu sind Bakterien mit natürlichen magnetischen Nanopartikeln.

Natürlicher Magnetsinn

Das Bakterium Magnetospirillium gryphiswaldense verfügt über Ketten aus bis zu zwölf magnetischen Kristallen. In der Natur helfen diese dem Mikroorganismus, sich am Erdmagnetfeld auszurichten. Diese Kristalle haben einen Durchmesser von 35 Nanometern und sind in vier Nanometer starke Lipidmembranen gehüllt. Setzen die Forscher die Ketten unterschiedlich starken Magnetfeldern aus unterschiedlichen Richtungen aus, entstehen in den Partikeln magnetische Schwingungen, sogenannte Magnonen. Aufgrund der Lipidmembranen beruhen diese Spinwellen allein auf der magnetostatischen Verbindung der Kristalle.

Logische Verknüpfung aus schwingenden Nanopartikeln

„Regt man mehrere Magnetschwingungen an, die verschiedene Informationen tragen, so ergibt sich in den Magnonen eine neue Schwingung, deren Information eine logische Verknüpfung der ursprünglichen Schwingungen ist“, erklärt Benjamin Zingsem von der Universität Oldenburg. Das Team konnte diesen Effekt erstmals in biologischen Systemen auf Nanoebene beobachten, nachdem er zuvor nur in größeren Mikrosystemen erforscht worden ist. Weil der Aufbau der Magnonen in Abhängigkeit von genetischen Faktoren unterschiedlich ist, glauben die Forscher, mit gentechnischen Methoden die Struktur und damit das magnetische Schwingungsverhalten gezielt anpassen und führ ihre Zwecke optimieren zu können.

Eine Million Mal leistungsfähiger

Ein Prozessor auf Grundlage dieser bakteriellen logischen Verknüpfungen hätten eine Reihe von Vorteilen: Es fällt weniger Abwärme an, weil der Prozessor nicht mit Strom arbeiten würde, wodurch komplexere Prozessoren möglich würden, die zudem weniger Energie benötigten. „Man könnte dadurch etwa eine Million mal mehr Schaltungen als bisher in einem Prozessor unterbringen“, kalkuliert Zingsem. Umweltschädliche Verbindungen, wie sie bislang bei der Halbleiterherstellung üblich sind, würden entfallen. Und das exponentielle Wachstum der Bakterien ermöglichte eine schnelle und günstige Herstellung – lediglich ein geeignetes Nährmedium und etwas Wärme wären erforderlich.

Nur eine Frage der Zeit

Jetzt soll es darum gehen, diese biologischen logischen Schaltungen mit anderen Bausteinen zusammenzuführen, erläutert Zingsem: „Wir arbeiten daran, derartige Systeme mit Daten zu füttern und die Ergebnisse verlässlich auszulesen.“ Eine Integration in konventionelle Elektronik sei demnach nur eine Frage der Zeit.

Spinnenseide ist – bezogen auf das Gewicht – reißfester und dehnbarer als Kunstfasern aus Kevlar oder Carbon. Längst wird sie daher auch industriell nachgebildet und als Werkstoff genutzt, von Flugzeugbau oder die Textilbranche bis zur Medizin. Was den Seidenproteinen ihre besonderen Eigenschaften verleiht, war bislang jedoch unvollständig verstanden. Biotechnologen und Biophysiker der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) berichten nun im Fachjournal „Nature Communications“, dass eine unterschätzte Aminosäure die Schlüsselrolle spielen dürfte.

Methionin ist funktionaler als gedacht

Alles Leben basiert auf 20 Aminosäuren, aus denen die Proteine zusammengesetzt sind. Die Aminosäuren bilden Ketten, die sich aufgrund der Eigenschaften und Abfolgen der jeweiligen Aminosäuren zu individuellen räumlichen Strukturen zusammenlegen. Erst dadurch entsteht die definierte Funktion des jeweiligen Proteins. Eine vergleichsweise seltene Aminosäure ist Methionin. „Molekularbiologen und Proteinwissenschaftler haben ihr bislang wenig Aufmerksamkeit geschenkt“, berichtet Hannes Neuweiler, Privatdozent am Lehrstuhl für Biotechnologie und Biophysik der JMU. „Der Seitenkette von Methionin wird bis zum heutigen Tage nur ein geringes Funktionspotential in Proteinen zugeordnet.“

Flexibilität der Aminosäure überträgt sich aufs Protein

Bekannt ist über Methionin, dass das Molekül im Vergleich zu den anderen Aminosäuren einen mechanisch sehr flexiblen Bereich aufweist. Die Forscher fanden nun heraus, dass Spinnenseideproteine an einem ihrer beiden Enden eine große Menge Methionin verbaut haben. Auf diese Weise überträgt sich die Flexibilität der Aminosäure auf den gesamten Proteinbereich. „Wie ein Schlüssel, der seine Form geschmeidig seinem Schloss anpasst, formen sich die Domänen der Seidenproteine um und verknüpfen sich passgenau und fest miteinander“, erläutert Neuweiler, wie daraus die zugleich feste und doch bewegliche Struktur der Spinnenseide resultiert.

Künstliche Spinnenseide mit Methionin einstellen

„Wir wollen mit unserer Arbeit einen grundlegenden Beitrag zum Verständnis der Beziehung von Struktur, Dynamik und Funktion von Proteinen leisten“, schildert der Biowissenschaftler. Hersteller künstlicher Spinnenseide könnten nun mit dem Methioningehalt der Proteine experimentieren, um die Materialeigenschaften anzupassen. Denkbar sei aber auch, Methionin gezielt einzusetzen, um ganz anderen Proteinen neue Eigenschaften zu verleihen, spekulieren die Forscher. Das wollen sie selbst wollen im nächsten Schritt ausprobieren und außerdem für unterschiedliche Spinnenarten und Spinndrüsen vergleichen, wie sich Methionin auf deren Seide auswirkt.

Spider silk is - in relation to its weight - more tear-resistant and stretchable than synthetic fibers made of Kevlar or carbon. For a long time now, it has also been imitated industrially and used as a material, from aircraft construction or the textile industry to medicine. However, the secret behind the special properties of silk proteins was not yet fully understood. Biotechnologists and biophysicists at the Julius Maximilian University of Würzburg (JMU) now report in the journal "Nature Communications" that a previously undervalued amino acid might play the key role.

The secret: methionine

All life is based on 20 amino acids from which the proteins are composed. The amino acids form chains that combine to form individual spatial structures based on the properties and sequences of the respective amino acids. This is the only way to achieve the defined function of the respective protein. Methionine is a comparatively rare amino acid. "To date, molecular biologists and protein scientists have paid little attention to this amino acid," said Hannes Neuweiler, a private lecturer at the Department of Biotechnology and Biophysics at JMU. "In proteins, the side chain of methionine is believed to have little functional importance."

Flexibility is transferred to the protein

Methionine is known to have a mechanically very flexible region in the molecule compared to the other amino acids. The researchers have now discovered that spider silk proteins have built up a large amount of methionine at one of their two ends. In this way, the flexibility of the amino acid is transferred to the entire protein range. "Like a mouldable key that adapts its shape to the lock, the domains of the silk proteins change their shape to tightly connect with each other," said Neuweiler explaining how this results in the spider silk's structure, which is both firm and malleable.

Enhancing artificial spider silk with methionine

"Our work aims at making fundamental contributions to understanding the relationship between structure, dynamics and function of proteins," said the bioscientist. Manufacturers of artificial spider silk will now be able to experiment with the methionine content of the proteins in order to adapt the properties of the material. The researchers also speculate that it is possible to use methionine to give completely different proteins new properties. In the next step, they want to test this for themselves and also compare the effects of methionine on the silk of different spider species and glands.

bl/um

Der weltgrößte Chemiekonzern BASF mit Sitz in Ludwigshafen hat das niederländische Unternehmen Isobionics übernommen, das auf die biotechnologische Herstellung von Riech- und Geschmacksstoffen spezialisiert ist. Außerdem gab BASF die Kooperation mit dem US-Unternehmen Conagen bekannt, dass biotechnologische Produktionsstämme herstellt, die unter anderem für die Herstellung von Vanillin genutzt werden.

Gleichbleibende Qualität für natürliche Aromen

„Der Bedarf der Riech- und Geschmacksstoffindustrie an natürlichen Inhaltsstoffen wächst“, begründet Julia Raquet, Leiterin des Geschäftsbereiches Aroma Ingredients der BASF. „Aber schwankende Produktqualität und Verfügbarkeit sowie Nachhaltigkeit stellen für unsere Kunden ständige Herausforderungen dar.“ Durch den Einstieg in den Markt biotechnologisch hergestellter Riech- und Geschmackstoffe wolle das Unternehmen seinen Kunden qualitativ hochwertige Produkte anbieten, mit denen diesen Herausforderungen begegnen werden könne.

Nootkaton, Valencen und Vanillin

Isobionics produziert eine große Bandbreite an natürlichen Inhaltsstoffen, insbesondere Zitrusölkomponenten wie Nootkaton (Grapefruitaroma) und Valencen (Orangenaroma). BASF möchte mit der Akquise die Technologie zur Erzeugung natürlicher Riech- und Geschmackstoffe weiterentwickeln. Das Vanillin von Conagen, das BASF zunächst vermarktet, basiert auf Ferulasäure, die aus Reis gewonnen wird. Es eignet sich für Anwendungen mit Schokolade, Erdbeere oder Karamell und darf als „Natürlich“ bezeichnet werden.

20 Milliarden Euro Marktvolumen

Der Weltmarkt für Riech- und Geschmacksstoffe hat derzeit ein jährliches Volumen von rund 20 Mrd. Euro. Im Bereich synthetischer Aromen ist BASF Weltmarktführer. Nun haben sich die Ludwigshafener den Zugang zum Marktsegment der natürlichen Aromen eröffnet. Über die finanziellen Details der Vereinbarungen gaben die beteiligten Unternehmen nichts bekannt.

Ludwigshafen-based BASF, the world's largest chemical company, has acquired the Dutch company Isobionics, which specializes in the biotechnological production of fragrances and flavors. BASF also announced its cooperation with the US company Conagen, which produces biotechnological production strains used, among other things, for the production of vanillin.

Consistent quality for natural flavors

"The Flavor & Fragrance industry is experiencing an increasing need for natural ingredients," says Julia Raquet, head of BASF's Aroma Ingredients business unit. "But fluctuating product quality, availability and sustainability are constant challenges for our customers. By entering the market with biotechnology-based aroma ingredients, we intend to provide our customers with high-quality products to respond to the current market challenges."

Nootkatone, Valencene and Vanillin

Isobionics produces a wide range of natural ingredients, especially citrus oil components such as nootkatone (grapefruit flavor) and valencene (orange flavor). With this acquisition, BASF aims to further develop its technology for the production of natural fragrances and flavors. Conagen's vanillin, which BASF is initially marketing, is based on ferulic acid obtained from rice. It is suitable for applications with chocolate, strawberry or caramel and can be described as "natural".

20 billion euros market volume

The world market for fragrances and flavors currently has an annual volume of around 20 billion euros. BASF is the world market leader in synthetic flavors. The Ludwigshafen-based company has now gained access to the natural flavours market segment. The parties did not disclose any financial details of the agreements.

bl/um

Das internationale Forschungsteam mit Wissenschaftlern der Ruhr-Universität Bochum und der University of New South Wales in Australien konnten aus dem Ausgangsstoff Kohlenstoffdioxid Endprodukte wie Ethanol und Propanol herstellen. Wie sie im Fachjournal Journal of the American Chemical Society berichten, machten die Forscher sich den Mechanismus von Enzymen zunutze, die für Kaskadenreaktionen verschiedene aktive Zentren besitzen. Jedes aktive Zentrum des Enzyms ist auf bestimmte Reaktionsschritte spezialisiert. So kann ein einziges Enzym aus einem vergleichsweise einfach aufgebauten Ausgangsstoff ein komplexes Produkt erzeugen.

Nanopartikel nach enzymatischem Vorbild

Dieses Prinzip nutzten die Wissenschaftler als Vorbild und schufen metallische Nanopartikel mit mehreren aktiven Zentren. Die erstellten Nanopartikel, sogenannte Nanozyme, haben zwei aktive Zentren: einen Silberkern und eine Kupferschicht. Dabei werden Zwischenprodukte mithilfe des Silberkerns gebildet, die anschließend mit der Kupferschicht reagieren. Schlussendlich verlassen die Endstoffe die Partikel. „Die Kaskadenreaktionen der Enzyme auf katalytisch aktive Nanopartikel zu übertragen, könnte ein entscheidender Schritt im Design von Katalysatoren sein“, resümiert Wolfgang Schuhmann, Leiter des Bochumer Zentrums für Elektrochemie.

„Es gibt auch andere Nanopartikel, die diese Produkte ohne Kaskadenprinzip aus CO₂ herstellen können. Allerdings benötigten sie deutlich mehr Energie,“ so Schuhmann. Die Wissenschaftler versuchen nun das Konzept weiterzuentwickeln, um noch wertvollere Produkte wie Ethylen oder Butanol herstellen zu können.

ja/um