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Inspiriert vom Fahrzeugbau

Nagellack in seiner heutigen Form ist deutlich jünger. Erst in den 20er Jahren des letzten Jahrhunderts kam er, inspiriert durch die Erfindung des Automobillacks, in Mode. Tatsächlich benutzte man anfangs einfach den gleichen Lack für Auto und Nägel. Inzwischen hat sich einiges getan. Die Anforderungen sind gestiegen. Nagellacke sollen nicht nur schön aussehen, sie sollen auch pflegen.

Schön, bunt und gesund

Neueste Innovation ist ein Nagellack aus Spinnenseiden-Proteinen. Im Gegensatz zu zu herkömmlichen Nagellacken, die den Nagel so stark abdichten, dass kein Sauerstoff durchkommt, bilden die biotechnologisch hergestellten Seidenproteine einen atmungsaktiven Schutzfilm, der sowohl wasser- als auch sauerstoffdurchlässig ist. Die Sauerstoffdurchlässigkeit schützt nicht nur vor der Bildung von Schadstoffen sondern verhindert auch, dass sich die Nägel verfärben. Die Wasserdurchlässigkeit verbessert den Allgemeinzustand der Nägel.

Zusätzlich zu den Spinnenseiden-Proteinen enthält der Nagellack den Mikroalgenwirkstoff Spiralin. Spiralin wirkt keimhemmend, antiviral und zellregenerierend. Laut Herstellerangaben ist der neuartige Nagellack aufgrund seiner besonderen Inhaltsstoffe selbst für empfindliche und brüchige Nägel geeignet.

Marktreife

Das Produkt wird unter dem Namen "Skinicer Oxyperm" vermarktet.

Inspired by car construction

Nail polish in its present form is significantly more recent. Only in the 20's of the last century it became fashionable, inspired by the invention of the automobile lacquer. In fact, in the beginning, the same paint was simply used for cars and nails. A lot has changed in the meantime. The demands have increased. Nail varnishes should not only look beautiful, they should also keep the nails healthy.

Beautiful, colourful and healthy

The latest innovation is a nail polish made of spider silk proteins. In contrast to conventional nail varnishes, which seal the nail so tightly that no oxygen can pass through, biotechnologically produced silk proteins form a breathable protective film that is permeable to both water and oxygen. The oxygen permeability not only protects against the formation of harmful substances but also prevents the nails from discolouring. Water permeability improves the general condition of the nails.

In addition to the spider silk proteins, the nail polish contains Spiralin, the active ingredient from micro-algae. Spiralin has an antibacterial, antiviral and cell regenerating effect. According to the manufacturer, the novel nail varnish is suitable even for sensitive and fragile nails due to its special ingredients.

Ready for the market

The product is marketed under the name "Skinicer Oxyperm".

Für die Herstellung von Medikamenten, Kosmetik oder Lebensmitteln werden noch immer enorme Mengen Erdöl verbraucht. Dieser fossile Rohstoff ist jedoch nicht nur endlich, sondern in seiner Verarbeitung auch extrem umweltschädlich. Deshalb arbeiten etliche Chemiker, Verfahrenstechniker und Ingenieure daran, die Herstellung mittels Enzymen und biobasierten Verfahren umweltschonender zu gestalten. Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben nun eine wichtige Hürde auf dem Weg dorthin genommen: Sie entwickelten ein neues Biomaterial, das den Einsatz von Enzymen stark vereinfacht und deren Effizienz steigert.

Hydrogelrillen werden zum Biokatalysator

Wie die Materialforscher im Fachblatt „Angewandte Chemie“ berichten, bietet ihr neues Biomaterial eine energiesparende Alternative zu herkömmlichen Katalysatoren, die in nahezu allen chemischen Prozessen zum Einsatz kommen. Im Detail haben die Wissenschaftler natürliche Enzyme so verändert, dass sie sich von selbst zu einem stabilen Biokatalysator zusammenfügen. Dieses gelartige Material wird auf Kunststoffchips mit rillenförmigen Vertiefungen aufgebracht. Trocknet das Material, entsteht ein Hydrogel. Der gelbedeckte Chip wird dann mit einer Kunststofffolie abgedeckt, so dass kleine, röhrenartige Hohlräume entstehen, durch die die Ausgangsstoffe gepumpt werden können. Das Hydrogel in den Röhren fungiert nun als Biokatalysator und wandelt die Ausgangsstoffe zu den gewünschten Endprodukten um, während das Biokatalysatorgel zurückbleibt. Der Clou: Bei dieser Reaktion werden keine Lösungsmittel benötigt, und auch hohe Temperaturen oder Druck sind nicht erforderlich. Dadurch wird der Prozess umweltfreundlich und nachhaltig.

„Langfristig erhoffen wir uns, dass solche biokatalytischen Materialien in automatisierten Verfahren eingesetzt werden, um ohne aufwendige Synthese- und Reinigungsschritte und mit möglichst wenig Abfallstoffen wertvolle Ausgangsverbindungen zu produzieren“, so Christof Niemeyer, Professor am KIT-Lehrstuhl für Biologische Grenzflächen.

Biokatalysator verhindert unerwünschte Spiegelbilder

Das Besondere: Da in den Röhren auf kleinstem Raum sehr viel Reaktionsfläche vorhanden ist, sind die Umsatzraten der Biokatalysatoren sehr hoch. Zugleich ist die Methode platzsparend, da das neue Material direkt auf den Chips haftet. Zudem lässt sich das Hydrogel vollständig recyceln und ist biologisch abbaubar. Ein weiterer Vorteil: Für viele chemische Verbindungen gibt es Enantiomere, also Verbindungen, die wie ein Spiegelbild zur eigentlichen Verbindung stehen. Doch diese Spiegelbilder haben oft keine oder unerwünschte Wirkungen, so dass sie bei herkömmlichen chemischen Prozessen häufig mittels teurer Trennungsverfahren abgeschieden werden müssen. Mithilfe der Biokatalysatoren lässt sich hingegen gezielt nur die erwünschte Variante herstellen.

Die Arbeit entstand im Rahmen des Helmholtz-Programms „BioInterfaces in Technology and Medicine“ (BIFTM). Hier arbeiten Wissenschaftler des KIT interdisziplinär an der Erforschung und Nutzung biologischer Systeme, um sie in der industriellen und medizinischen Biotechnologie anzuwenden.

jmr

Large quantities of fossil fuels are still used for the production of medicines, cosmetics or even food. However, such fossil-based raw material is not only finite, but also extremely harmful to the environment. That is why a number of chemists, process engineers and engineers are working towards a more environmentally friendly production by using enzymes and biobased processes. Researchers at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT) have now taken an important hurdle on the way to this goal: They have developed a new biomaterial that greatly simplifies the use of enzymes and increases their efficiency.

Hydrogel grooves become biocatalysts

As the researchers report in the journal "Angewandte Chemie", their new biomaterial offers an energy-saving alternative to conventional catalysts, which are used for almost all chemical processes. In detail, the scientists have modified natural enzymes in such a way that they automatically combine to form a stable biocatalyst. This gel-like material is applied to plastic chips with groove-shaped indentations. When the material dries, a hydrogel is formed. On top of the gel-covered chip, a plastic foil is places so that small, tube-like cavities are created through which the source materials can be pumped. The hydrogel in the tubes now functions as a biocatalyst and converts these materials into the desired end products, while the biocatalyst gel remains. The key is that this reaction does not require any solvents, nor does it require high temperatures or pressure. This makes the process environmentally friendly and sustainable.

"In the long term, such biocatalytic materials are to be used in automatic production of value-added basic compounds without complex synthesis and cleaning steps and with a minimum amount of waste arising," says Christof Niemeyer, Professor the KIT's Institute for Biological Interfaces.

Biocatalyst prevents unwanted mirror images

The key: Since there is a lot of space for chemical reactions in the tubes, which themselves are fairly small, the conversion rates and thus the efficiency of the biocatalysts are very high. At the same time, the method saves space because the new material adheres directly to the chips. In addition, the hydrogel can be completely recycled and is biodegradable. Another advantage is that many chemical compounds have enantiomers, i.e. compounds that are a mirror image to the actual compound. However, these mirror images often have no or undesired effects. Thus, they often have to be separated out during conventional chemical processes via expensive separation processes. Biocatalysts, on the other hand, can be directed to only produce the desired compound structure.

This work was carried out as part of the Helmholtz programme "BioInterfaces in Technology and Medicine" (BIFTM). KIT scientists are working on the interdisciplinary research and use of biological systems in order to apply them in industrial and medical biotechnology.

jmr

Die Vielfalt der globalen Vegetation ist beeindruckend. Etwa 390.000 Pflanzenarten sind bekannt. Im Laufe der Evolution haben Gewächse, Sträucher oder Bäume ganz unterschiedliche Eigenschaften entwickelt, um sich gegen benachbarte Pflanzen durchzusetzen und in der jeweiligen Umgebung zu überleben. Zugleich wachsen Pflanzen nicht in Isolation, sondern kommen immer in Kombination mit anderen Pflanzen- und Tierarten vor.

Wo und wann welche Pflanze wächst und warum ausgerechnet dort  – solche Fragen waren bislang nur schwer zu beantworten. Denn zumeist wurde das Zusammenspiel der Komponenten nur an einzelnen Pflanzenarten untersucht. Mithilfe der ersten globalen Vegetationsdatenbank hoffen Forscher nun, auf diese und andere Fragen Antworten zu finden. Entwickelt und aufgebaut wurde die Datenbank von einem Forscherteam unter Leitung der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) und des Deutschen Zentrums für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) Halle-Jena-Leipzig.

Umfangreiche Pflanzenartenlisten für alle Ökosysteme

Wie die Wissenschaftler im Fachjournal „Nature Ecology & Evolution“ berichten, enthält die Datenbank derzeit über 1,1 Millionen komplette Pflanzenartenlisten für alle Ökosysteme auf dem Festland. Sie stammen von Forschern aus aller Welt und wurden von Wissenschaftlern der iDiv-Initiative „sPlot“ zusammengebracht. „Jeder Punkt in unserer Datenbank ist ein realer Ort mit genauen Koordinaten und Angaben über alle Pflanzenarten, die dort zusammenleben", erklärt Helge Bruelheide vom Institut für Geobotanik der MLU und Ko-Direktor von iDiv. Die Vegetationsdatenbank bietet anhand globaler Daten erstmals die Möglichkeit nachzuvollziehen, wie einzelne Pflanzen und deren Eigenschaften zusammenwirken und das Ökosystem beeinflussen. Sie umfasst derzeit etwa 200.000 Vegetationsaufnahmen, die aus veröffentlichten und unveröffentlichten Vegetationsstudien stammen.

Klima kaum Einfluss auf Pflanzenmerkmale

Der Clou: Die Vegetationsdatenbank wurde gleichzeitig mit der bisher weltweit größten Datenbank für Pflanzenmerkmale kombiniert, die ebenfalls vom iDiv entwickelt wurde. „Dadurch können wir Fragen klären, die bislang noch niemand stellen konnte", so Bruelheide. Im Rahmen der Studie hatte das Team beispielsweise untersucht, ob es globale Faktoren gibt, die die funktionellen Merkmale von Pflanzengemeinschaften beeinflussen. Mithilfe der Datenbanken stellten sie fest, dass – anders als bisher angenommen – Temperatur und Niederschlag nur einen relativ geringen Einfluss darauf haben. „Unsere Analyse zeigte, dass zum Beispiel die Blätter aller Pflanzen in einem Bestand mit steigender Temperatur, also von der Arktis zum tropischen Regenwald, nicht automatisch dünner werden", erklärt der Geobotaniker.

Nährstoffversorgung durch Klima beinflusst

Stattdessen zeichnete sich eine enge Beziehung der Klimavariablen mit dem Zustand der Phosphorversorgung im Blatt ab, die sich im Verhältnis der beiden Nährstoffe Stickstoff und Phosphor widerspiegelt. Der Studie zufolge nahm die Phosphorversorgung ab, je länger die Vegetationsperiode dauerte, was wiederum die Blattdicke beeinflusst hat. Auch die lokalen Nutzungsbedingungen oder das Zusammenspiel der verschiedenen Pflanzen an einem Ort haben demnach einen deutlich größeren Einfluss auf die Pflanzenmerkmale als Temperatur und Niederschlag.

Bessere Vorhersagen zu Klimafolgen möglich

Einfache Temperatur-Niederschlags-Modelle reichen Bruelheide zufolge daher künftig nicht mehr aus, um das Wachstum und den Ernteertrag von Pflanzen in einer Region berechnen zu können. Die Forscher hoffen, dass mithilfe der Vegetationsdatenbank die Folgen des globalen Klimawandels besser vorherzusagen sind.

Basierend auf der neuen Datenbank können aber auch Fragen zur Artenvielfalt erstmals global bearbeitet werden, beispielsweise zur Verbreitung gebietsfremder Arten oder bezüglich der Gemeinsamkeiten und Unterschiede auf den Erdteilen. In Zukunft soll die Datenbank auch anderen Forschern zur Bearbeitung ihrer eigenen Themen zur Verfügung stehen.

bb

Die Landwirtschaft soll effizienter werden und hohe Ernteerträge einbringen. Mit Unkrautvernichtern und Pestiziden wird daher versucht, Wildwuchs und gefräßige Insekten zu bekämpfen. Die Folgen für die Natur sind schon heute sichtbar. Die Zahl der nützlichen Insekten, die beispielsweise Blattläuse fressen oder Pflanzen bestäuben, ist deutlich zurückgegangen. Vielerorts denken Landwirte daher um und erschaffen Rückzugsgebiete für die in der Vergangenheit heimatlos gewordenen Tier- und Pflanzenarten: Am Rande der Felder locken immer öfter farbenprächtige Blühstreifen gezielt die Nützlinge an.

Auf die richtige Pflanzenmischung kommt es an

Damit diese Blühstreifen die gewünschte Wirkung haben, kommt es auf die richtige Mischung an. Deshalb hat das Institut für Gartenbauliche Produktionssysteme – Abteilung Phytomedizin (IPP) der Leibniz Universität Hannover mit der Firma Appels Wilde Samen in Darmstadt eine entsprechende Saatgutmischung zusammengestellt, die nun zum Kauf angeboten wird. Das Forschungsprojekt wurde mit knapp 125.000 Euro von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) gefördert. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass diese kleinen Oasen nicht nur zum Artenschutz beitragen, sondern auch aktiven Pflanzenschutz im Anbau ermöglichen. Damit wird das Anlegen solcher Flächen noch attraktiver für Landwirte“, resümiert Rainer Meyhöfer vom IPP.

Mischung bietet Nahrung und Schutz für Nützlinge

In dem DBU-Projekt konnte nun anhand von Rosenkohl gezeigt werden, dass eine mit Bedacht zusammengesetzte Saatgutmischung für Blühstreifen die angebauten Kulturpflanzen aktiv vor Schädlingen schützt, so DBU-Generalsekretär Alexander Bonde. Zu diesem Zweck musste die Pflanzenmischung den Nützlingen sowohl ausreichend Nahrung als auch Schutz bieten. „Gibt es beispielsweise mit Marienkäfern oder Schwebfliegen viele natürliche Feinde von Blattläusen und anderen landwirtschaftlichen Schädlingen, fressen entsprechend weniger unliebsame Insekten die angebauten Pflanzen“, erläutert Meyhöfer. Zugleich sollten die Mischungen aber beispielsweise Schadschmetterlinge fernhalten. Diese verschiedenen Aspekte der Zusammenstellung von Blühstreifen wurden im Rahmen dieses Projektes erstmals detailliert untersucht.

Mehr Artenschutz, weniger Pflanzenschutzmittel

„Wichtig ist, dass auch die entwickelte Saatgutmischung verschiedenen Tier- und Pflanzenarten einen Lebensraum bietet. Somit hilft sie nicht nur beim aktiven Pflanzenschutz, sondern stärkt generell den Artenschutz“, so DBU-Referent Holger Wurl. Dadurch bedarf es langfristig weniger Pflanzenschutzmittel, wodurch die Umwelt zusätzlich entlastet würde. In Zukunft wollen die Projektpartner weitere Blühstreifenmischungen entwickeln, um auch andere Anbauprodukte aktiv schützen zu können.

jmr

Mikroalgen sind längst ein wichtiges Forschungsfeld und ein Hoffnungsträger für die Bioökonomie. Nicht nur die Hersteller von Lebens- und Futtermitteln setzen auf sie. Auch für die Herstellung von Biosprit und neuen Kunststoffen gewinnen Mikroalgen zunehmend an Bedeutung. Die Mikroalgenproduktion anzukurbeln ist daher auch das Ziel eines internationalen Projektes, an dem Jülicher Forscher seit einiger Zeit tüfteln. Wissenschaftler der Universität Konstanz wollen Mikroalgen nun ganz konkret für die Herstellung von Basischemikalien fit machen. Dafür soll ein neuartiges Bioraffinerie-Verfahren zur Erzeugung wichtiger Plattformchemikalien etabliert werden. Das Projekt unter der Leitung von Stefan Mecking wird im Rahmen der Technologie-Initiative „Bioraffinerien“ vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) in den kommenden drei Jahren mit insgesamt 917.000 Euro gefördert.

Algengewinnung vereinfachen 

Eine Herausforderung bei der bisherigen Mikroalgenproduktion sind noch immer die Anzucht und Aufbereitung der Algen. Insbesondere die Extraktion relevanter Stoffe, die für die weitere chemische Umwandlung und die Industrie wichtig sind, ist derzeit noch problematisch. Die Konstanzer Wissenschaftler wollen diese Probleme nun lösen und damit die Mikroalgenproduktion effektiver machen. „Wir möchten die Gewinnung vereinfachen, indem wir den Extraktionsschritt mit den nachfolgenden chemischen Umsetzungen, mit denen man die eigentlichen Zielprodukte herstellt, möglichst weit integrieren“, erklärt Mecking.

Algenlipide effizient extrahieren

Um die Effektivität der Algenproduktion zu steigern, plant das Team um Mecking, die Mikroalgen mithilfe von Kohlendioxid in einem einfachen und umweltfreundlichen Verfahren zu extrahieren. „Mit diesem Lösungsmittel – wie es beispielsweise auch beim Entkoffeinieren von Kaffee verwendet wird – kann man bekanntermaßen effizient die gewünschten Lipide aus den Algen extrahieren“, erläutert der Chemiker. Die Herausforderung dabei wird sein, auch die nachfolgenden katalytischen Schritte direkt in diesem Lösungsmittel durchführen zu können.

Das Konzept des integrierten Bioraffinerie-Verfahrens soll in den kommenden drei Jahren im Labormaßstab demonstriert werden. Entscheidend dabei ist, dass die Abfolge der ausgewählten katalytischen Reaktionen im integrativen Verfahren auch gelingt. Nur so könnte die ganze Bandbreite der aktuell verwerteten chemischen Grundbausteine auch hergestellt werden. Sollte sich das Bioraffinerie-Konzept von Meckings Team bewähren, wäre ein entscheidender Schritt auf dem Weg in die industrielle Anwendung geschafft.

bb

Sie sind hauchdünn, aber ultrastark: Spinnenfäden. Die Kombination von Reißfestigkeit und Dehnbarkeit macht Spinnenseide zu einer der belastbarsten Fasern der Natur und enorm attraktiv für die Industrie. Doch auch die Medizin schätzt die Fasern längst wegen ihrer antibakteriellen Wirkung. Der Firma AMSilk ist es vor Jahren gelungen, Spinnenseidenproteine biotechnologisch herzustellen und zu Fasern zu verarbeiten. Die Hightech-Faser kommt dem natürlichen Vorbild sehr nahe und wird bereits im Flugzeugbau eingesetzt, aber auch zur Herstellung von Brustimplantaten genutzt.

Neue Einblicke in die molekulare Struktur

Forscher der Julius-Maximilians-Universität Würzburg liefern nun neue Einblicke in die molekulare Struktur der natürlichen Spinnenfasern, die zur Festigkeit beitragen. Im Fachjournal „Nature Communications“ präsentiert das Team um Hannes Neuweiler neue Details zum Aufbau der Spinnenfäden. Im Rahmen der Studie hatten die Materialforscher in der molekularen Struktur nach den Gründen für die einzigartige Kombination von Reißfestigkeit und Dehnbarkeit gesucht.

In zwei Schritten zur Dehnbarkeit

Im Fokus ihrer Untersuchung standen Proteinbausteine der Raubspinne Euprosthenops australis. „Spinnenfasern bestehen aus Proteinbausteinen, sogenannten Spidroinen, die die Spinne in ihrer Spinndrüse zu einem Seidenfaden zusammensetzt“, beschreibt Neuweiler den Aufbau der Fäden. Im Rahmen der Studie tauschten die Forscher einzelne Bestandteile der Proteinbausteine aus und modifizierten das Protein mithilfe von Fluoreszenzfarbstoffen. Damit wurde sichtbar, dass die jeweiligen Enden der Bausteine, die sogenannten N- und C-terminalen Domänen, sich in zwei getrennten Schritten aufbauen. „Während der erste Schritt die Zusammenlagerung beinhaltet, stellt der zweite Schritt die Faltung einer äußeren, labilen Helix-Struktur der Domäne dar“, so Neuweiler.

C-terminale-Domäne sorgt für feste Spinnenfaser

Neuweiler und sein Team hatten hierbei die C-terminale Domäne genauer untersucht und festgestellt, dass zwei Proteinbausteine jeweils mithilfe einer verschlungenen Struktur wie mit einer molekularen Klammer verknüpft sind. Die Würzburger konnten damit erstmals zeigen, dass die C-terminale Domäne für die Dehnbarkeit der Spinnenfaser mitverantwortlich ist. „Wenn die C-terminale Domäne zur Flexibilität des Fadens beiträgt, ließen sich in der Materialforschung die mechanischen Eigenschaften des Fadens durch molekulare Veränderungen in der C-terminalen Domäne steuern“, sagt Neuweiler. 

bb

Pflanzen haben im Tierreich viele Fressfeinde, gegen die sie sich verteidigen müssen, und auch Mikroorganismen fordern ihre Abwehr. Gegen viele dieser Angriffe haben Pflanzen Verteidigungsmechanismen entwickelt, doch es würde zu viele Ressourcen binden, wären all diese Mechanismen permanent aktiv. Einen Fall von geschicktem Ressourcenmanagement bei Mais, Weizen und wohl auch anderen Pflanzenarten haben Ökologen des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie und der Universität Bern untersucht.

Gift gegen Raupen oder Schutz vor Blattläusen

Wie sie im Fachjournal „Science Advances“ berichten, fungiert das sekundäre Pflanzenmetabolit Benzoxazinoid in Maispflanzen als Multifunktionswaffe: Das Molekül kann eine Reaktionskette in Gang setzen, die die Leitgefäße der Pflanze abdichtet und so Blattläusen das Saugen erschwert. Es kann aber auch selbst als Gift wirken, das Raupenfraß verhindert. Ein Enzym fungiert mittels Methylierung als Schalter und entscheidet so darüber, welchen der beiden Wirkmechanismen Benzoxazinoid ausübt.

Die Forschungsgruppe hatte diesen Schalter gentechnisch in Weizen übertragen und so eingestellt, dass er nur noch als Anti-Raupenfraß wirkte. Tatsächlich waren die betroffenen Pflanzen daraufhin besonders anfällig für Blattläuse. Überraschend war für die Forscher hingegen, dass die Anfälligkeit für Pilzerkrankungen nicht anstieg. Denn die Pilzresistenz des Weizens hängt davon ab, den Zucker Kallose anzuhäufen – dieser Prozess ist jedoch an die Anti-Blattlausfunktion von Benzoxazinoid gekoppelt und war somit eigentlich abgeschaltet.

Evolutionär junger Mechanismus

Bemerkenswert ist auch, was die Forscher über die molekularen Zusammenhänge herausfanden. So nutzen Mais und Weizen zwar den gleichen Weg, um Benzoxazinoid herzustellen, und verwenden es auch für dieselben beiden Abwehrmechanismen. Das Enzym, das als Schalter zwischen diesen Alternativen fungiert, ist jedoch unterschiedlich. Beide Pflanzenarten müssen also unabhängig voneinander im Zuge der Evolution zu ähnlichen Abwehrlösungen gelangt sein. „Dies deutet einerseits darauf hin, dass die Fähigkeit, Benzoxazinoide für verschiedene Funktionen zu nutzen, relativ jung ist“, erläutert Matthias Erb von der Universität Bern. „Andererseits scheint die Fähigkeit, die Abwehr spezifisch an verschiedene Fraßfeinde anzupassen, für Pflanzen von großer Bedeutung zu sein.“

In weiteren Schritten wollen die Forscher nun klären, wie Benzoxazinoide weitere Abwehrmechanismen steuern – und vor allem, weshalb Pflanzen überhaupt ein Gift verwenden, um Abwehrmechanismen zu regulieren, was eigentlich die Aufgabe von Pflanzenhormonen wäre.

bl

Plants have many enemies and predators against which they have to defend themselves. Therefore, they have developed defense mechanisms against many different types of attack. However, it would bind far too many resources if all these mechanisms were permanently active. Ecologists from the Max Planck Institute for Chemical Ecology and the University of Bern have now investigated such a case of resource management in maize, wheat and other plant species.

Poisoning caterpillars or protecting against aphids

According to the report in the journal "Science Advances", the secondary plant metabolite benzoxazinoid acts as a multifunctional weapon in maize plants: the molecule can initiate a chain reaction that seals the plant's vessels and thus deters aphids. However, benzoxazinoid can also act as a poison in and of itself, thereby preventing caterpillar damage. Methylation of a specific enzyme acts as a switch and thus decides which of the two mechanisms of action benzoxazinoid will come into effect.

The research group had genetically engineered this switch into wheat and adjusted it so that it only worked as an anti-caterpillar mechanism. As a result, the affected plants were particularly susceptible to aphids. However, the researchers were surprised that the susceptibility to fungal diseases did not increase. The fungus resistance of wheat depends on the accumulation of the sugar callose. However, this process is coupled to the anti-aphid function of benzoxazinoid and was therefore supposedly switched off.

A relatively new mechanism

Similarly remarkable, maize and wheat use the same way to produce benzoxazinoids and also use it for the same defence mechanisms. However, the enzyme that acts as a switch between these alternatives is different in both plants. Thus, both plant species must have developed similar defence solutions independently of each other during evolution. "On one hand, this may be evidence that the ability to use benzoxazinoids for different functions has evolved relatively recently," explains Matthias Erb from the University of Bern. "On the other hand, it highlights the importance of the ability to adapt defense responses specifically to different to different herbivores."

In the near future the researchers aim to clarify how benzoxazinoids control further defense mechanisms - and above all, why plants use a poison as a defense mechanism, when this would usually be the job of plant hormones.

bl/jmr

Nüsse haben in der Weihnachtszeit eine lange Tradition. Ob Walnuss oder Haselnuss und egal ob gemahlen oder als ganze Frucht – sie dürfen in der Weihnachtsbäckerei nicht fehlen. Die Schalenfrüchte sind zwar oft schwer zu knacken, aber lecker und dekorativ. Weit vor der Zeit der glitzernden Weihnachtskugeln zierten Nüsse und Äpfel den Tannenbaum zum Fest. Heute werden sie wegen ihrer vielen gesunden Nährstoffe sowie ihrer langen Haltbarkeit geschätzt und meist zu Lebensmitteln verarbeitet. Forscher sind jedoch überzeugt, dass ihr Potenzial weitaus größer ist. 

Bioökonomisches Potenzial der Walnuss ausloten

Im Rahmen des EU-Projektes „AlpBioEco“ steht daher die Walnuss als pflanzlicher Rohstoff im Fokus der Untersuchung. Unter der Leitung von Christian Gerhards wollen Forscher und Studenten der Hochschule Albstadt-Sigmaringen in Baden-Württemberg mit dem Bund für Umwelt und Naturschutz Deutschland (BUND)-Regionalverband Bodensee-Oberschwaben erforschen, inwiefern aus Walnüssen neue Produkte für die Bioökonomie hergestellt werden können.

Inhaltsstoffe von Nussschalen und Blättern analysieren 

Dafür nimmt das Team nicht nur die Frucht selbst, sondern auch die Blätter des Walnussbaumes sowie die harten Fruchtschalen genauer ins Visier. Sie wollen deren Inhaltsstoffe analysieren und neue Anwendungsmöglichkeiten für Lebensmittel und Kosmetik erschließen. Aber auch andere Einsatzmöglichkeiten sind möglich: „Lassen wir uns überraschen: Vielleicht stellen wir künftig aus Walnussblättern biologische Pflanzenschutzmittel her, aus Nussschalen Verpackungsmaterialien oder aus grünen Nüssen Aromastoffe“, so Projektleiter Gerhards.

Auch Äpfel und Kräuter im Visier

An dem Projekt, das im April 2018 gestartet ist und drei Jahrer dauert, sind neben der Hochschule zwölf weitere Partner beteiligt. Es wird von der EU durch das „Interreg Alpine Space Programm“ mitfinanziert. Im Projekt werden neben Walnüssen auch Äpfel und Kräuter auf ihr bioökonomisches Potenzial untersucht. 

bb

Nuts have a long Christmas tradition. Walnuts and hazelnuts, either ground up or whole, are part of every Christmas bakery. The nuts are often difficult to crack, but delicious and decorative. Hence, long before the glittering baubles, nuts and apples adorned the Christmas tree. Today, they are valued for their many healthy nutrients and long shelf life and are mostly processed into food. However, researchers are convinced that their potential for biobased products is even greater.

Exploring the bio-potential of walnuts

As part of the EU "AlpBioEco" project, the focus of the current study is on walnuts as a biobased feedstock. Under the direction of Christian Gerhards, researchers and students from the Albstadt-Sigmaringen University of Applied Sciences in Baden-Württemberg and the Bund für Umwelt und Naturschutz Deutschland (BUND)-Regionalverband Bodensee-Oberschwaben are investigating to what extent walnuts can be used to produce new products for the bioeconomy.

Analysing the ingredients of nut shells and leaves

The team not only takes a closer look at the fruit itself, but also at the leaves of the walnut tree and the hard fruit peels. Their aim is to analyse these ingredients and develop new applications for food and cosmetics. But other applications are also possible: "Let's wait and see: Maybe in the near future we will produce biological crop protection products from walnut leaves, packaging materials from nut shells or flavourings from green nuts," says project manager Gerhards.

Apples and herbs also in our sights

The project, which started in April 2018 and will take at least three years, involves twelve other partners in addition to the university. It is co-financed by the EU via the "Interreg Alpine Space Programme". In addition to walnuts, the project also investigates the bioeconomy potential of apples and herbs.

bb/jmr

Pflanzen nehmen über sogenannte Atmungsporen Kohlendioxid aus der Luft auf und wandeln es mittels Sonnenlicht zu Sauerstoff und Kohlenhydraten um - das ist das Prinzip der Photosynthese. Doch bei diesem Austausch verlieren die Pflanzen Wasser und bei Dürre und Hitze kann das schnell problematisch werden. Graspflanzen, zu denen auch die wichtigsten Kulturpflanzen Reis, Mais und Weizen gehören, betreiben diesen Stoffaustausch besonders effizient: Ihre Atmungsporen schließen sich sehr schnell, sodass die Pflanzen kaum Wasser verlieren. Gerade mit Blick auf den Klimawandel mitsamt steigenden Temperaturen und anhaltender Trockenheit sind diese Eigenschaften für Pflanzen von großem Vorteil. Am COS der Universität Heidelberg untersucht der Schweizer Michael Raissig derzeit, was die Atmungsporen der Gräser so effizient macht und wie diese Eigenschaften auf andere Kulturpflanzen übertragen werden könnten. 

Plastik hat inzwischen ein ziemlich schlechtes Image, denn es wird aus Erdöl hergestellt und vermüllt die Umwelt. Außerdem setzt es beim Abbau große Mengen CO₂ frei und trägt so erheblich zur globalen Erwärmung bei. Biobasiertes Plastik – kurz Bioplastik – wird hingegen oftmals als nachhaltiger Gegenentwurf mit einer neutralen Klimabilanz angepriesen. Bonner Forscher haben diesen Aspekt genauer untersucht und dabei verschiedene Szenarien durchgespielt. Das Fazit: Die vermehrte Herstellung von Bioplastik kann sich ebenfalls negativ auf den Klimawandel auswirken. Ihre Ergebnisse der Untersuchung wurden im Fachjournal „Environmental Research Letters“ veröffentlicht.

Wälder werden zu Äckern und setzen CO₂ frei

Laut Neus Escobar vom Institut für Lebensmittel- und Ressourcenökonomik der Universität Bonn wird die Erzeugung großer Mengen Bioplastik die Landnutzung verändern. „Global gesehen könnten dadurch zum Beispiel vermehrt Waldflächen zu Ackerland umgewandelt werden. Wälder binden aber erheblich mehr Kohlendioxid als etwa Mais oder Zuckerrohr, schon allein aufgrund ihrer größeren Biomasse“, so die Forscherin. Die möglichen Folgen haben Escobar und ihre Kollegen an einem erweiterten Computermodell simuliert. Das Modell basiert auf einer Datenbank, die die gesamte Weltwirtschaft abbildet, und wurde bereits genutzt, um den Zusammenhang zwischen der steigenden Nachfrage nach Biosprit und Waldrodungen zu untersuchen.

Herkömmliches Plastik besteuern oder Bioplastik subventionieren?

Bei ihren Berechnungen gingen die Bonner Forscher davon aus, dass die Herstellung von Bioplastik bei den wichtigsten Produzenten – Europa, China, Brasilien und den USA – auf fünf Prozent steigen wird. Um die Auswirkungen auf den Markt und die Umwelt zu analysieren, spielten sie mithilfe des Computermodells zwei verschiedene Szenarien durch: Entweder wurden konventionelle Kunststoffe besteuert und somit teurer oder Bioplastik wurde subventioniert und damit günstiger. Am deutlichsten waren die Auswirkungen für das Steuer-Szenario: Aufgrund der sinkenden Nachfrage nach herkömmlichem Plastik, wurden pro Jahr 0,08% weniger Klimagase ausgestoßen. Allerdings stieg dadurch die landwirtschaftlich genutzte Fläche, um Rohmaterial für die Bioplastik anzubauen, wodurch die Waldfläche um 0,17% abnahm. Aufgrund der Umwandlung von Wald- zu Ackerflächen gelangten enorme Mengen Treibhausgase in die Atmosphäre. Den Forschern zufolge ist das zwar ein einmaliger Effekt, „dennoch dauert es nach unseren Berechnungen mehr als 20 Jahre, bis er durch die erzielten Einsparungen wettgemacht wird“, erläutert Escobar. Eine Subvention von Bioplastik hätte bezüglich der 20-jährigen Kompensationszeit und der Kosten für die Klimagas-Reduktion ganz ähnliche Folgen.

Nur Bioplastik aus pflanzlichem Abfall ist wirklich nachhaltig

Das Fazit der Forscher: „Eine vermehrte Verwendung von Bioplastik aus Nutzpflanzen scheint also keine effiziente Strategie zu sein, das Klima zu schonen.“ Würde Bioplastik hingegen aus pflanzlichen Abfällen hergestellt, wäre die Klimabilanz deutlich positiver. Deshalb empfehlen Escobar und Kollegen, entsprechende Forschungsarbeiten auf „Bioplastik der zweiten Generation“ zu fokussieren.

Gleichzeitig warnen sie davor, dass Bioplastik keineswegs das „Plastikmüllproblem“ lösen wird, da Biokunststoffe oft genauso schwer abbaubar sind wie ihre erdölbasierten Pendants. Einen Vorteil hat Bioplastik zweifellos: Fossile Brennstoffe werden damit geschont. Zum Schutz der Umwelt empfehlen die Bonner Wissenschaftler jedoch einen materialsparenden Umgang mit Plastik und ein möglichst vollständiges Recycling.

jmr

As useful as it may be, plastic has become a household-synonym for "environmental pollution": It is based on fossil fuels and releases large amounts of CO₂ when broken down, thereby contributing significantly to global warming. Biobased plastics - or bioplastics for short - are often advertised as a sustainable alternative with a neutral carbon footprint. Researchers in Bonn have  analysed the underlying manufacturing processes and materials and warn that the increased production of bioplastics could have in fact negative consequences regarding climate change. They published their results in the journal "Environmental Research Letters".

Forests are turned into fields and release massive quantities of CO₂

According to Neus Escobar of the Institute of Food and Resource Economics at the University of Bonn, the production of large quantities of bioplastics would change land use globally. "This could potentially lead to an increase in the conversion of forest areas to arable land. However, forests absorb considerably more CO₂ than maize or sugar cane annually, if only because of their larger biomass," said the researcher. Escobar and her colleagues simulated the possible consequences by using an extended computer model. The model is based on a database that maps the entire world economy and has previously been used to investigate the relationship between the increasing demand for biofuel and deforestation.

Tax conventional plastics or subsidize bioplastics?

For their calculations, the Bonn-based researchers assumed that the amount of bioplastics produced by the most important economies - Europe, China, Brazil and the USA - will increase to five percent. In order to analyse the effects on the market and the environment, they used the computer model to simulate two different scenarios: Either conventional plastics were taxed and thus more expensive, or bioplastics were subsidised and thus cheaper. The effects for the tax scenario were most striking: Due to the decreasing demand for conventional plastics, 0.08% less greenhouse gases were emitted per year. At the same time, the agricultural area increased, while the forest area decreased by 0.17%. Plus, the conversion of forest to arable land released enormous quantities of greenhouse gases into the atmosphere. Although, according to the researchers, this would be a one-off effect, "Nevertheless, according to our calculations, it will take more than 20 years for it to be offset by the savings achieved by fossil substitution," Escobar explains. A subsidy for bioplastics in turn would have very similar consequences with regard to the 20-year compensation period.

Bioplastics made from plant waste are the only truly sustainable alternative

The researchers' conclusion: "Consuming bioplastics from food crops in greater amounts does not seem to be an efficient strategy to protect the climate". If, on the other hand, bioplastics were produced from plant waste or crop residues, the carbon footprint would be much more positive. Escobar and her colleagues therefore recommend research projects to focus on "second generation bioplastics".

In addition they highlight that bioplastics do not solve the "plastic waste problem" because bioplastics are often just as difficult to degrade as their petroleum-based counterparts. However, bioplastics and biomaterials have one clear advantage: they help to reduce the fossil fuel dependency. Nonetheless, in order to protect the environment, the scientists recommend that plastics in general be used sparingly and recycled as much as possible.

jmr

Nylonstrümpfe sind wohl das bekannteste Beispiel für den Einsatz von Nylonfasern im Alltag – nicht zuletzt, weil der Kunststoff hier namensgebend ist. Doch das Polymer ist allgegenwärtig: Regenschirme werden aus Nylon gefertigt, genauso wie Kochlöffel oder Spachtel. Wie viele andere Kunststoffe auch besteht Nylon aus Chemikalien, die teils hochgiftig sind. Dazu gehört sein Grundstoff Adiponitril, der aus der giftigen Blausäure hergestellt wird. Auch wenn sich das Herstellungsverfahren über die Jahre bewährt hat und hohen Sicherheitsstandards unterliegt, so bleibt doch das Risiko einer Vergiftung für den Menschen beim Umgang mit der gefährlichen Substanz.

Enzym statt Blausäure für Herstellung von Nylongrundstoff

Ein Forscherteam um Harald Gröger und Tobias Betke von der Universität Bielefeld hat nun ein umweltschonendes Verfahren zur Herstellung von Adiponitril entwickelt. Wie die Chemiker im Fachjournal „Nature Communications" berichten, kommt bei ihrer Methode statt Blausäure ein Enzym zum Einsatz, das als natürlicher Katalysator die Nylonproduktion bereits in der Anfangsphase sicherer und nachhaltiger macht. „Wenn schon bei den Grundstoffen der Produktion auf giftiges Material verzichtet wird, kommt ein Risiko gar nicht erst auf“, ist Gröger überzeugt.

Schnell, ergiebig und energiesparend

Der Studie zufolge kann das Enzym namens Aldoximdehydratase in gut zugänglicher Weise durch Fermentation hergestellt werden und erlaubt damit eine umweltschonende und schnelle Herstellung von Adiponitril. „Das Verfahren hat eine hohe Raum-Zeit-Ausbeute, was bedeutet, dass es nicht nur schnell, sondern auch sehr ergiebig ist“, sagt Gröger und ergänzt: „Die Reaktion braucht zudem wenig Energie. Sie verläuft bei Raumtemperatur im Wasser.“

Zwischenschritt für sichere Herstellung von Nylonvorstufen

Gröger ist überzeugt, dass die neue Methode dazu beiträgt, den Einsatz erdölbasierter Stoffe zu reduzieren und die Rohstoffversorgung so auf breiter Basis nachhaltiger zu machen. Darüber hinaus könnte das neue Adiponitrilherstellungsverfahren der Bielefelder auch in andere Verfahren zur Herstellung von Basischemikalien integriert werden. Gröger verweist hier auf die von Evonik und Siemens kürzlich vorgestellte Methode, mit der sich Kohlendioxid mit Sonnenenergie zu 1-Hexanol umwandeln lässt, aus dem wiederum Adiponitril als eine Vorstufe von Nylon gewonnen werden kann.

Die Arbeit des Bielefelder Teams wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) über das Programm „Nächste Generation biotechnologischer Verfahren – Biotechnologie 2020+“ in den vergangenen fünf Jahren mit rund 1 Mio. Euro gefördert. 

bb

Jasminpflanzen sind vor allem für ihre strahlend weißen Blüten und ihren frühsommerlichen, frischen Duft bekannt. Dieser Duft basiert auf dem Phytohormon Jasmonsäure. Das Pflanzenhormon trägt seinen Namen, weil es zuerst bei der Jasminpflanze entdeckt wurde, tatsächlich aber auch von anderen Pflanzen produziert wird, wenn diese von Insekten angefressen oder mechanisch verletzt werden. Die Säure verursacht dann eine Abwehrreaktion zum Schutz der Pflanze und wird von manchen Arten sogar über die Luft weitergegeben, sodass auch Nachbarpflanzen vor Angreifern gewarnt werden. Nun haben Würzburger Forscher eine weitere Funktion des wichtigen Pflanzenhormons entdeckt: Die Jasmonsäure ist auch Teil der Regulation von Blattporen.

Auch Ackerschmalwand verwendet Jasmonsäure-Signalweg

Blattporen, auch Atmungsporen oder Stomata genannt, sind die Schleusen, an denen die für die Photosynthese essenzielle Aufnahme von Kohlendioxid stattfindet. In der Regel befinden sich die Stomata an den Pflanzenblättern und werden jeweils von zwei Schließzellen gebildet. Das Pflanzenhormon Abscisinsäure (ABA) ist ein Schlüsselsignal, das zum Schließen der Stomata führt. Besonders bei Trockenheit ist es wichtig, dass die Stomata geschlossen werden, da die Pflanzen sonst zu viel Wasser verlieren.

Wie Pflanzenbiologen der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) in der Fachzeitschrift „Developmental Cell“ berichten, reicht auch eine mechanische Verletzung der Blätter aus und die Blattporen schließen sich schnell  – und zwar nicht nur beim verwundeten Blatt, sondern auch bei den benachbarten Blättern. „Dieser bislang nicht beobachtete Effekt legte nahe, dass in den Schließzellen der Jasmonsäure-Signalweg aktiviert wird“, erklärt der Leiter der Studie, Dirk Becker. Mithilfe eines Sensor, mit dem sich der Jasmonsäure-Signalweg in lebenden Zellen verfolgen lässt, konnten die Würzburger zusammen mit französischen Pflanzenbiologen diesen Effekt an der Modellpflanze Ackerschmalwand beobachten.

Zwei Hormone, eine Funktion: schließen der Stomata

Um den molekularen Mechanismus zu entschlüsseln, untersuchten die Pflanzenphysiologen anschließend Arabidopsis-Mutanten, die nicht auf Jasmonsäure reagieren. Das Ergebnis: Der Kaliumkanal GORK hat eine zentrale Bedeutung für das Schließen der Stomata. In Kooperation mit Münsteraner und Münchner Forschern konnte zudem eine Calcium-abhängige Proteinkinase identifiziert werden, welche die Aktivität des GORK-Kaliumkanals reguliert. Das Forscherteam identifizierte zusätzlich einen Hemmstoff des Jasmonsäure-Signals in Schließzellen. Diese Protein-Phosphatase ABI2 wirkt der Kinase-vermittelten Kanalaktivierung entgegen.

„Interessanterweise ist ABI2 der Ko-Rezeptor für das pflanzliche Trockenhormon ABA. Das deutet darauf hin, dass sich die beiden Pflanzenhormone Jasmonsäure und Abscisinsäure hier überlagern“, erklärt Becker. Allerdings wisse man noch nicht, wie die Jasmonsäure den Signalweg der Abscisinsäure beeinflusst. Darum will das JMU-Team nun untersuchen, ob Jasmonsäure die Abscisinsäure-Biosynthese auslöst oder ob sie auf einer anderen Ebene eingreift.

jmr

Jasmine plants are known and loved for their bright white flowers and their fresh scent. This fragrance is based on the phytohormone jasmonic acid. The plant hormone bears its name because it was first discovered in the jasmine plant, but is also produced by other plants when they are eaten by insects or injured mechanically. The acid then causes a defensive reaction to protect the plant. Some species even transmit this acid signal via the air, in order to warn neighbouring plants. Researchers from Würzburg have now discovered another function of the important plant hormone: jasmonic acid is also part of the regulation of the leaf pores.

Even Arabidopsis uses the jasmonic acid signaling pathway

Leaf pores, also known as respiratory pores or stomata, are the "floodgates" and control unit for the absorption of carbon dioxide, which is essential for photosynthesis. These stomata are generally located on the plant leaves and are formed by two guard cells. The plant hormone abscisic acid (ABA) is a key signal that leads to the closure of the stomata. It is important that the stomata are closed, especially during dry periods, otherwise the plants lose too much water.

As plant biologists at the Julius Maximilian University of Würzburg (JMU) now report in the journal "Developmental Cell", mechanical damage to the leaves causes the leaf pores to close quickly - interestingly, not only for the wounded leaf, but also the neighbouring leaves. "This observation was not reported before and suggested to us that the jasmonate signaling pathway might have been turned-on in the guard cells," explains Dirk Becker, head of the study. Using a sensor with which the jasmonic acid signalling pathway can be tracked in living cells, the Würzburg researchers and French plant biologists were able to observe this effect for the model plant Arabidopsis.

Two hormones, one function: close the stomata

In order to decipher the underlying molecular mechanism, the plant physiologists subsequently investigated Arabidopsis mutants that do not react to jasmonic acid. The result: The potassium channel GORK is key for the closure of the stomata. In cooperation with researchers from Münster and Munich, it was also possible to identify a calcium-dependent protein kinase that regulates the activity of the GORK potassium channel. Moreover, the research team identified an inhibitor of the jasmonic acid signal in closing cells. This protein phosphatase ABI2 counteracts kinase-mediated channel activation.

"Interestingly, ABI2 is the co-receptor for the plant drought hormone ABA. This is indicating molecular crosstalk between the two phytohormones jasmonic acid and abscisic acid," explains Becker. However, it is not yet known how jasmonic acid influences the signalling pathway of abscisic acid. That is why the JMU team is now investigating whether jasmonic acid triggers abscisic acid biosynthesis or whether it intervenes on a different level.

jmr