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Die Vanadium-Nitrogenase ist ein Enzym, das zwei wichtige Prozesse katalysiert. Sie fixiert Stickstoff (N₂) aus der Luft und verstoffwechselt Kohlenmonoxid (CO). Das Enzym erzeugt so bioverfügbaren Stickstoff und kurzkettige Kohlenwasserstoffe. Beide Vorgänge werden heute in großem Maßstab mittels chemischer Katalyse durchgeführt, um Ammoniak und Kraftstoffe für die Industrie herzustellen. Ammoniak wird auch für synthetischen Stickstoffdünger benötigt, der für rund die Hälfte der Weltbevölkerung die Nahrungsmittelproduktion sichert. Nun haben Forscher der Universität Freiburg im Breisgau erstmals die 3D-Struktur des Enzyms beschrieben, das beide Reaktion biokatalytisch durchführt. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Chemical Biology“.

Spezielle Nitrogenase fixiert zusätzlich Kohlenmonoxid

Die Vanadium-Nitrogenase stammt aus dem freilebenden Bodenbakterium Azotobacter vinelandii und gehört zur Enzym-Familie der Nitrogenasen. Diese Enzyme sind auf die Fixierung von Luftstickstoff spezialisiert. Für die Biokatalyse benötigen sie in der Regel Eisen- und Molybdän-Moleküle als sogenannten Cofaktor. Die spezielle Nitrogenase aus Azotobacter vinelandii verwendet anstelle von Molybdän Vanadium und wird deshalb auch als Vanadium-Nitrogenase bezeichnet. Das Enzym katalysiert nicht nur die Fixierung von Stickstoff, sondern wandelt auch Kohlenmonoxid in kurzkettige Kohlenwasserstoffe um. Es gilt deshalb auch als „Two-Hit-Wonder“. Allerdings ist die Funktion dieses komplexen, metallhaltigen Enzymsystems ist bislang nur unvollständig geklärt.

3D-Struktur der Vanadium-Nitrogenase entschlüsselt

Die Freiburger Forscher haben nun die dreidimensionale Molekülstruktur der Vanadium-Nitrogenase entschlüsselt. „Dazu haben wir das Enzym zunächst kristallisiert und anschließend die 3D-Struktur bei einer Auflösung bis auf Ebene einzelner Atome durch Röntgenbeugungsexperimente aufgeklärt“, so Daniel Sippel aus der Biochemie-Arbeitsgruppe. „Wir konnten zeigen, dass neben dem Vanadium an Stelle des Molybdäns im Cofaktor auch ein Schwefelion durch ein Carbonat-Anion ersetzt ist“, erklärt Oliver Einsle, Biochemie-Professor an der Universität Freiburg. „Das hat weitreichende Auswirkungen auf die geometrische und elektronische Struktur.“

Biotechnologisches Potenzial

Heute nutzt die Industrie und Landwirtschaft vor allem großtechnische chemische Verfahren zur Bindung von Stickstoff oder zur Herstellung von Kohlenwasserstoffen. Die Verfahren wurden Anfang des 20. Jahrhunderts entwickelt. Synthetischer Stickstoff-Dünger kann so mittels Haber-Bosch-Verfahren produziert und Kohle zu Treibstoffen mit der Fischer-Tropsch-Synthese umgewandelt werden. Das Haber-Bosch-Verfahren kann nur bei hohem Druck und 400 bis 500 Grad Celius erfolgen und benötigt entsprechend viel Energie. Das Fischer-Tropsch-Verfahren ist seit den 1990er Jahren wieder stärker in den Fokus geraten, da Treibstoff so nicht nur aus Kohle sonder auch aus Biomüll, Holz und landwirtschaftlichen Abfällen hergestellt werden kann. Seit 2009 sind FT-Treibstoffe für die Luftfahrt zugelassen. „Unser langfristiges Ziel ist es, die Nitrogenase biotechnologisch nutzbar zu machen“, so Einsle. Die Vanadium-Nitrogenase könnte eine Alternative zu den großtechnischen chemischen Verfahren bieten.

bp

Brandenburgs Forstminister Jörg Vogelsänger und NABU-Präsident Olaf Tschimpke haben in der Landeswaldoberförsterei Reiersdorf den offiziellen Startschuss für das Projekt „Gläserner Forstbetrieb“ gegeben. Die Hochschule für nachhaltige Entwicklung Eberswalde (HNEE) wird zusammen mit dem Naturschutzbund Deutschland (NABU), der Landesforstverwaltung Brandenburg und der Universität Göttingen in den nächsten sechs Jahren erforschen, wie sich verschiedene Maßnahmen der Waldbewirtschaftung auf Ertrag, Stabilität und Naturschutz auswirken.

Ein Wald – viele Funktionen

Forstwirtschaft, Erholungsgebiet, Jagdrevier und Wasserversorger – all das muss ein Wald heute leisten. Diese vielfältigen Bedürfnisse müssen in Wirtschaftswäldern aufeinander abgestimmt werden. Auch im Hinblick auf Klimawandel, Umweltverschmutzung oder unkontrollierten Holzeinschlag – es gibt viele Einflüsse, die auch die Artenvielfalt in den Wäldern rund um den Globus bedrohen. In Anbetracht dieser neuen und komplexen Situation ist nicht nur die Forstwirtschaft, sondern vor allem auch die Forstwissenschaft gefordert.

„Monotone Kiefernforste sind anfälliger gegenüber den sich ändernden Umweltbedingungen und haben beispielsweise negative Auswirkungen auf die Grundwasserneubildung und den pH-Wert des Bodens“ sagt Pierre Ibisch, Professor für Naturschutz an der HNEE. „Im Projekt sollen gezielt naturnähere Strukturen durch die Förderung von Laubbäumen und die gezielte Anreicherung von Totholz gefördert werden. Totholz ist nicht nur ein wichtiger Ausgangspunkt für die Artenvielfalt im Wald, sondern es ist auch bedeutsam für die Bodenbildung. Es speichert zudem Wasser und kühlt – es unterstützt die Funktionstüchtigkeit des Waldökosystems. Das ist in Zeiten des Klimawandels besonders wichtig.“

Naturnahes Waldmanagement und Wirtschaftlichkeit kombinieren

Innerhalb des Forschungsprojekts soll wissenschaftlich belegt werden, dass naturnahes Waldmanagement der Erhaltung und Entwicklung von vielfältigen Ökosystemleistungen dient, ohne die langfristige Wirtschaftlichkeit von Forstbetrieben wesentlich zu beeinträchtigen. Das Projekt „Gläserner Forstbetrieb“ ist bisher in Deutschland einmalig und ist besonders wichtig, um zu testen, wie unterschiedliche Waldbewirtschaftungsmaßnahmen langfristig auf die hiesigen Wälder wirken. Stabile und naturnahe Wälder seien elementar für die Zukunft der Wälder, so Tschimpke. 

Mehr als 1.000 Hektar Wald werden von der NABU-Stiftung Nationales Naturerbe und dem Landesbetrieb Forst Brandenburg für die Forschungszwecke zur Verfügung gestellt. Zu finden sind die zwei Areale – beides Kiefernwälder – im nördlichen Brandenburg. Als Referenzflächen wurden aber auch alte, naturnahe Buchenwälder ausgewählt. Unterschiedliche forstliche Messmethoden, wie der Klimadaten-Logger, der die Auswirkungen der forstwirtschaftlichen Maßnahmen auf die Temperatur und Luftfeuchte misst, werden zum Einsatz kommen. Außerdem soll untersucht werden, welchen Einfluss die Holzernte oder die Pflanzung von Laubbäumen auf das Waldinnenklima hat, oder wie sich der Verbiss, verursacht durch Wildtiere, auf den Wald auswirkt. Das Zentrum für Ökonik und Ökosystemmanagement der HNEE wird dabei die ökologische Auswertung übernehmen.

jmr

Moderne Technologien wie Sensoren, Automaten und Roboter bestimmen immer häufiger den Alltag des Landwirts. Reiner Brunsch, Direktor des Leibniz-Instituts für Agrartechnik und Bioökonomie in Potsdam (ATB), weiß um die Chancen aber auch Risiken der neuen Technologien. Der Fokus seiner Arbeit liegt daher auf zukunftsfähigen Lösungen für die Landwirtschaft, die effizient, umweltschonend und sozialverträglich sind.

Bienen sind für die landwirtschaftlich geprägten Ökosysteme von unschätzbarem Wert. Doch die Artenzahl der Bestäuber ist in einem bedrohlichen Sinkflug: Die Hälfte der insgesamt 561 Wildbienenarten in Deutschland steht bereits auf der Roten Liste. Forscher suchen daher intensiv nach Lösungen, das Bienensterben zu stoppen. Wissenschaftler der Universitäten Würzburg und Wageningen scheinen nun eine einfache wie nachhaltige Methode gefunden zu haben, um mehr Wildbienen auf landwirtschaftliche Nutzflächen zu locken.

Nistplätze am Feldrand

Wie das Team um den Würzburger Biologen Ingolf Steffan-Dewenter im Fachmagazin „Journal of Applied Ecology“ berichtet, stellten sie dafür am Rand von Rapsfeldern mehrere Nisthilfen auf, um die Äcker für die Bestäuber attraktiver zu machen. Die neue Behausung bestand dabei aus gebündelten kurzen Schilfhalmen, wo die Wildbienen ihre Eier ablegen konnten. „Blütenpflanzen sind die einzige Nahrungsressource von Wildbienen – und zwar sowohl der erwachsenen Tiere als auch ihrer Larven.  Die Insekten gedeihen also nur dort, wo auch ausreichend Blütenpflanzen zur Verfügung stehen“, erläutert Ingolf Steffan-Dewenter.

Blütenreiche Habitate als Nachbarn bevorzugt

Während der zweijährigen von der EU finanzierten Studie beobachteten die Biologen dann, wie viele Brutzellen in den Nestern angelegt wurden und um welche Wildbienenarten es sich handelte. Während der Rapsblüte im Mai kamen die Wildbienen jeweils in Scharen, sodass die von ihnen besiedelten Nistplätze geradezu explodierten, wie die Forscher berichten. „Wir konnten zeigen, dass derartige Maßnahmen, aber auch naturnahe Habitate in der Umgebung, die Häufigkeit von Wildbienen auf den Feldern positiv beeinflussen.“ Die Zahl der Wildbienen stieg dabei deutlich an. Das Fazit der Forscher lautet daher: Um eine größere Vielfalt von Bienen anzusiedeln, müssten ausreichend blütenreiche Gebiete in der Nähe der Nistplätze geschaffen werden. „Dazu reichen oft schon schmale Streifen mit Wildblumen“, erklärt Steffan-Dewenter. Wichtig ist aber auch, dass dafür ausreichend Nistplätze für Insekten zur Verfügung stehen.

Von Honigbienen unabhängig machen

Der Studie zufolge könnten sich Landwirte mit dieser einfachen und wirkungsvollen Methode von Honigbienen unabhängig machen, da sich mithilfe von Wildbienen der Ertrag vieler Nutzpflanzen sogar noch steigern lässt. Auf verschiedene Bestäuber zu setzen hätte auch den Vorteil, dass das Risiko von Infektionen oder Parasitenbefall dezimiert werden könnte. Denn die Forscher stellten fest: Je größer die Zahl der Wildbienen war, desto größer war auch der Anteil jener, die von Parasiten befallen wurden. Nachhaltig beeinträchtigen konnte dieser Effekt die Vermehrung der nützlichen Insekten jedoch nicht, wie die Forscher berichten. In einem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördeten Projekt wird in den kommenden Jahren ebenfalls intensiv nach neuen Lebensräumen für Bienen geforscht.

bb

Es ist der universelle Energieträger aller Lebewesen: das Molekül Adenosintriphosphat, kurz ATP. Ohne ATP wären weder Stoffwechsel noch Wachstum möglich, das gilt für tierische ebenso wie für pflanzliche Zellen. Unter der Leitung der Universität Bonn hat ein internationales Forscherteam erstmals in lebenden Pflanzenkeimlingen die ATP Verteilung und dessen Verbrauch unter Stressbedingungen sichtbar gemacht. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift „eLIFE“ publiziert und könnte Hinweise für die Züchtung stressresistenter Pflanzen geben.

Energie sichtbar machen

ATP ist ein chemisches Molekül, das universell und unmittelbar Energie bereitstellt. „Unsere Arbeit macht diese Energie sichtbar“, sagt Markus Schwarzländer, Leiter einer Emmy-Noether-Gruppe am Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz (INRES) der Universität Bonn. „Und zwar in lebenden Pflanzen – vom kleinsten Zellorganell bis zum kompletten Keimling“, ergänzt sein Kollege Stephan Wagner.

Unter der Leitung der beiden Biochemiker haben Wissenschaftler aus Deutschland, Italien, China, England und Dänemark einen innovativen Weg entwickelt, ATP im lebenden Organismus mit Hilfe eines fluoreszierenden Proteins sichtbar zu machen. Hierfür nutzte das Team die Methode von Takeharu Nagai aus Osaka in Japan, mit der ATP an ein fluoreszierendes Protein einer Qualle bindet. Die japanischen Wissenschaftler haben diese Technik ursprünglich in Säugetieren entwickelt, die Forscher der Universität Bonn haben sie nun für die Nutzung an Pflanzen angepasst. „Mit dieser Technologie wird es möglich, in Echtzeit zu verfolgen, wo wieviel ATP in lebenden Pflanzen vorliegt“, sagt Erstautorin Valentina De Col.

ATP im lebenden Organismus beobachten

Das Besondere: bisherige ATP Untersuchungen konnten nur Momentaufnahmen darstellen. Ganze Pflanzen oder Teile davon wurden pulverisiert und die darin enthaltene Menge an ATP wurde bestimmt. „Dagegen sieht man mit unserer Technologie der laufenden Maschine bei der Arbeit zu“, so Schwarzländer. Damit meint er die lebenden Keimlinge der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana). Die Wissenschaftler untersuchten mit ihrer Methode verschieden Arabidopsis-Organellen, Organe und sogar ganze Keimlinge am Mikroskop und mit einem Fluoreszenz-Analysegerät.
Bei der live-Beobachtung zeigt sich die Verteilung des ATP’s: „Bei normaler Versorgung mit Wasser, Luft und Licht liegt in den Wurzeln weniger ATP vor als zum Beispiel in den grünen Blättern“, berichtet Wagner. Um herauszufinden, wie die Verteilung von ATP unter Stressbedingungen ist, setzten die Wissenschaftler die leuchtenden Arabidopsis-Keimlinge unter Wasser und schnitten sie damit von der lebenswichtigen Sauerstoffzufuhr ab.

Einblick in die Symbiosen mit Wurzelpilzen

Allerdings kam dadurch die Produktion von ATP nicht sofort zum Erliegen – es muss also unterschiedliche Anpassungsprozesse geben, mit denen die Pflanze versucht, sich gegen den zunehmenden Sauerstoffmangel zu wappnen und ihren Energiehaushalt aufrecht zu erhalten. „Eine entscheidende Frage ist nun, ob sich diese Schutzprogramme stimulieren lassen, um neue Pflanzensorten zu züchten, die besser mit Stress zurechtkommen“, so Schwarzländer. Mit der innovativen Methode ließe sich künftig auch untersuchen, wie Krankheitserreger in den Energiehaushalt von Pflanzen eingreifen und wie die Symbiose zwischen Wurzeln und bestimmten Pilzen (Mykorrhiza) genau funktioniert.

jmr

Stroh zu Alkohol

Alkohol hat fett- und schmutzlösende Eigenschaften, deshalb wird er als Zusatz zu Reinigungsmitteln besonders geschätzt. In Kooperation mit dem Chemieunternehmen Clariant hat das Mainzer Familienunternehmen Werner & Mertz, bekannt für seine Frosch-Produkte, nun zwar nicht Stroh zu Gold gesponnen, aber die Verwendung von Bioethanol auf Basis von Stroh in Wasch-, Putz- und Reinigungsmitteln erprobt.

Innovatives sunliquid® Verfahren

Clariant betreibt in Straubing eine Bioraffinerie-Anlage zur Biosprit-Gewinnung der zweiten Generation. Lignocellulosehaltiges Weizenstroh und andere Feldabfälle werden dort mit dem speziell entwickelten sunliquid® Verfahren nahezu vollständig in Bioethanol umgewandelt. Clariant produziert in diesem mehrstufigen Prozess etwa 1000 Tonnen Bioethanol jährlich. Einen Teil davon verwenden Werner & Mertz in ihrem Multiflächenreiniger.

Marktreife

Der Multiflächenreiniger mit Clariant sunliquid® Bioethanol, gewonnen aus heimischem Stroh, reinigt laut Hersteller alle glatten Oberflächen und ist im Handel erhältlich.

Straw to alcohol

Alcohol has fat and dirt dissolving properties, therefore it is particularly well suited as an additive to cleaners. In cooperation with the chemical company Clariant, the family-owned company Werner & Mertz, known for its ecological and environmentally friendly “Frosch”-products has tested the use of bioethanol based on straw in washing and cleaning agents. 

Innovative sunliquid® process

In Straubing, Clariant operates a biofuel plant for second generation biofuels. Using the specially developed sunliquid® process lignocellulosic wheat straw and other field waste are almost completely converted into bioethanol. Clariant produces about 1,000 tons of bioethanol annually in this multi-stage process. A portion of this bioethanol is used in the  multi-surface cleaner from Werner & Mertz.

Ready for the market

According to the manufacturer the multi-surface cleaner with Clariant sunliquid® bioethanol, obtained from local straw, cleans all smooth surfaces and is available in common stores.

Produkte aus ökologischer Landwirtschaft sind längst nicht mehr nur Bioläden vorbehalten. Auf Grund der großen Nachfrage gehören Bioprodukte auch in vielen Supermärkten heute zum Standardangebot. Dass Bio-Lebensmittel immer beliebter werden, zeigte kürzlich erst das aktuelle Ökobarometer. Die soeben veröffentlichten Strukturdaten vom Bundesamt für Landwirtschaft und Ernährung bestätigen nun diesen positiven Trend. Danach ist der ökologische Landbau im vergangenen Jahr überdurchschnittlich stark gewachsen. „Die ökologisch bewirtschaftete Fläche in Deutschland war noch nie so groß wie im vergangenen Jahr. Auch die Anzahl der Biobetriebe hat 2016 einen Höchststand erreicht“, erklärte Bundeslandwirtschaftsminister Christian Schmidt dazu.

Höchststand bei ökologischen Anbauflächen

Die Fläche der nachhaltig bewirtschafteten Felder und Wiesen stieg danach im Vergleich zum Vorjahr um 14,9% auf 1.251.320 Hektar, die Zahl der ökologisch erzeugenden Betriebe um 9,6% auf 27.132 an. Darüber hinaus zeigt sich, dass auch immer mehr Unternehmen Bioprodukte produzieren. 2016 waren im Bio-Sektor rund 41.200 Unternehmen tätig, was ein Plus von 7,7% im Vergleich zum Vorjahr bedeutet.

Adenosine triphosphate (ATP) is the ubiquitous energy currency of all living organisms. Without it there would be no metabolic processes or growth possible – for animal cells as well as plant cells. Headed by the University Bonn an international team of researchers was able to visualise the ATP distribution and utilisation during stressful phases in living plant seedlings. The results were published in the journal „eLIFE“ and could aid future breeding schemes for stress-resistant plants.

Visualising the energy transport

ATP is a chemical molecule that provides universal and immediate energy release. “Our work makes this energy carrier visible,” says Markus Schwarzländer, head of the Emmy-Noether Group at the Institute of Crop Science and Resource Conservation (INRES), University of Bonn. “In living plants, in fact – from the smallest cell organelle up to the complete seedling,” adds his colleague Stephan Wagner. Led by the two INRES biochemists, scientists from Germany, Italy, China, England and Denmark have developed an innovative way of visualizing ATP in the living plant aided by a fluorescent protein. The team used a method developed by Takeharu Nagai from Osaka in Japan, in which ATP binds to a fluorescent protein from a jellyfish. The Japanese researchers had originally used this technique in mammals, and the researchers at the University of Bonn have now optimized it for use in plants. “This method makes it possible to track where and how much ATP is present in the living plants in real time,” says lead author Valentina De Col.

Watching ATP in a living organism

Importantly, previous studies on ATP were only able to provide snapshots. Whole plants or plant parts were ground up before ATP could be quantified. “In contrast, our methodology allows watching the running machine at work”, says Schwarzländer. The “machines” are seedlings of the model plant Arabidopsis thaliana. The researchers investigated tiny cell organelles, such as the cellular powerhouses (mitochondria), as well as entire organs, such as roots and even whole seedlings, under the microscope and with a fluorescence analyzer. Live-imaging showed the distribution of cellular fuel in real time. “With a normal supply of water, air and light, there is less ATP in the roots than, for example, in the green leaves,” reports Wagner.

Insights into how pathogenes intervene

In order to analyse how ATP is distributed and used under stressful conditions, the researchers placed the glowing Arabidopsis seedlings under water to cut them off from their vital oxygen supply. This, however, did not immediately inhibit ATP production. Thus, there have to be different acclimation processes that are activated by the plant in an attempt to protect itself against progressing oxygen shortage and to maintain its energy balance. “A crucial question is now whether these protective programmes can be stimulated to breed plant varieties that cope better with stress”, says Schwarzländer when asked about future opportunities built on these results. Using this new visualisation tool may allow novel insights into how pathogens intervene in the plant energy metabolism and how the symbiosis between roots and specific fungi, called mycorrhiza, works in detail.

jmr

Die optimale Verwendung nachwachsender Rohstoffe als Energiequelle und Ersatz für die Produktion bislang erdölbasierter Produkte spielt eine zunehmend größere Rolle. Dazu gehört auch die Verwendung von pflanzlichen Reststoffen und im Speziellen der sogenannten Lignocellulose. Sie ist Hauptbestandteil der Zellwände verholzter Pflanzen. Das LX-Verfahren ermöglicht die Produktion von Biokraftstoffen, Biochemikalien und natürlichem Lignin aus Lignocellulose. Die promovierte Chemikerin Katrin Streffer ist Geschäftsführerin des brandenburgischen Unternehmens LXP-Group GmbH, das derzeit erprobt, wie das Verfahren im großtechnischen Maßstab ökonomisch rentabel gestaltet werden kann.

Hülsenfrüchte wie Erbsen und Bohnen fristen in Deutschland noch immer ein Nischendasein auf den Äckern. Sie werden jedoch als Eiweißquelle und Stickstoffsammler bei Landwirten immer beliebter. Die aktuellen Daten zur Bodennutzung des Statistischen Bundesamtes belegen: Die Anbaufläche für Leguminosen ist in den vergangenen Jahren gewachsen. Spitzenreiter bei den Hülsenfrüchten sind demnach Erbsen. Hier hat sich das Areal von 38.000 Hektar in 2013 auf 87.000 Hektar in 2016 mehr als verdoppelt.

Sojaanbau erstmals statistisch erfasst

Während die landwirtschaftlichen Nutzflächen von Erbsen, Ackerbohnen und Süßlupinen in der Statistik seit Längerem einen festen Platz haben, wurde nun erstmals auch die Sojabohne in der Rubrik „Hülsenfrüchte zur Körnergewinnung“ berücksichtigt. Danach wurden 2016 bundesweit auf 15.770 Hektar Sojapflanzen angebaut. 2005 waren es nach Angaben des Deutschen Sojaförderrings nur 1.000 Hektar Nutzfläche. Seit 2012, wo die Anbaufläche etwa 6.000 Hektar betrug, hat die beliebte chinesische Hülsenfrucht auch hier stetig an Land gewonnen. In Deutschland sind vor allem Bayern und Baden-Württemberg mit bis zu 6.500 Hektar die Hauptsojaanbaugebiete. Auch wenn die Palette der Soja-Produkte breiter wird. Das Gros der Sojapflanzen wird in Deutschland zu Tierfutter verarbeitet.

Forscher arbeiten seit Jahren daran, Wasserstoff als Energieträger der Zukunft zu etablieren, um so eine Alternative zu Kohle oder Erdgas zu schaffen. Ein vielversprechendes Werkzeug zur Herstellung des Energiespeichers sind Enzyme. Die Supertalente der Bioindustrie können chemische Reaktionen entsprechend beeinflussen. „Um Wasserstoff in industriellem Maßstab mithilfe von Enzymen zu erzeugen, müssen wir deren Funktionsweise genau verstehen“, betont Thomas Happe von der Ruhr-Universität Bochum.

Hydrogenasen agieren in zwei Richtungen

Gemeinsam mit seinen Teamkollegen Martin Winkler ist es Happe gelungen, den entscheidenden Katalyseschritt bei der sogenannten Hydrogenase zu klären. Wie die Wissenschaftler im Fachjournal „Nature Communications“ berichten, haben Hydrogenasen das Talent in zwei Richtungen zu arbeiten. So können sie Protonen und Elektronen zu Wasserstoff umsetzen aber auch Wasserstoff in Protonen und Elektronen spalten. Beide Reaktionen finden jeweils im aktiven Zentrum der Hydrogenase statt, im sogenannten H-Cluster, das eine komplexe Struktur aus sechs Eisen- und sechs Schwefelatomen ist. Während des Katalyseprozesses durchläuft dieser Cluster dabei mehrere Zwischenzustände, wie die Bochumer Forscher herausfanden.

Bei der Spaltung von molekularem Wasserstoff (H₂) bindet das Wasserstoffmolekül zunächst an den H-Cluster. Es entsteht ein positiv geladenes Proton (H⁺) und ein negativ geladenes Hydrid-Ion (H^-), die dann schnell zu zwei Protonen und zwei Elektronen weiterreagieren. „Der Hydrid-Zustand des aktiven Enzyms, in dem also das Hydrid-Ion an das aktive Zentrum gebunden ist, gilt als hochgradig instabil – nachweisen konnte ihn bislang niemand“, so Winkler. Das ist dem Team um Happe und Winkler nun gelungen.

Reis ist eine der wichtigsten Nutzpflanzen weltweit und vor allem Grundnahrungsmittel in vielen Entwicklungsländern. Das Problem: Aufgrund der vielen Kohlenhydrate ist Reis zwar sättigend. Die Reiskörner enthalten aber keine Vitamine. Ein Vorläufer des lebenswichtigen Vitamins A, das Beta-Carotin, befindet sich allerdings in den Blättern der Kulturpflanze. Der Freiburger Pflanzenforscher Peter Beyer und Ingo Potrykus haben daher vor vielen Jahren bereits den "Goldenen Reis" entwickelt. Der Goldene Reis ist eine gentechnisch veränderte Reispflanze, die zwei Fremdgene enthält, durch die die Reiskörner fortan die Vitamin A-Vorstufe Beta-Carotin erzeugen können.

Nun haben die Forscher von der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg einen weiteren Schritt in der Beta-Carotin-Herstellung entschlüsselt: sie bestimmten die dreidimensionale Struktur jenes Enzyms, das in den grünen Teilen der Pflanze für einen frühen Schritt der Beta-Carotinoid-Biosynthese zuständig ist. Wie das Team um Peter Beyer und Oliver Einsle im Fachjournal „Structure“ berichtet, handelt es sich dabei um das Enzym Phytoen-Desaturase (PDS). Es wandelt die Vorstufe Phytoen in das sogenannte Z-Carotin um.

Bleichherbizid half bei der Strukturaufklärung

Dafür musste zunächst die Phytoen-Desaturase in hochreiner Form isoliert und kristallisiert werden, um mithilfe von Röntgenstrahlen ein Bild vom 3D-Aufbau zu erhalten. Die Strukturbiologen bedienten sich dabei aus der chemischen Trickkiste: sie setzen das in den 1970er Jahren entwickelte Bleichherbizid Norflurazon ein, um PDS zu inaktivieren. Weil Norflurazon die PDS gezielt ansteuert und inaktiviert, steht das Enzym den Pflanzen nicht mehr zur Verfügung, sie bleicht aus und stirbt.

Die 3D-Struktur von PDS offenbart: das Enzym ist teilweise in die Lipid-Doppelschicht der Plastiden eintaucht und ein wasserabweisender Kanal weist in das Innere des Biokatalysators. Über diesen Weg gelangt das Phytoenmolekül in einem ersten Schritt zum Reaktionszentrum des Enzyms, wo die Umwandlung der Hälfte des Phytoens zur nächsten Carotinoid-Zwischenstufe stattfindet. Die vollständige Umwandlung erfolgt erst, nachdem das Zwischenprodukt den Kanal auf demselben Weg wieder verlassen hat. Auf dem Rückweg kommt demnach ein weiteres, direkt benachbartes PDS-Enzym hinzu, das die Umwandlung veranlasst. Hierbei handelt es sich um ein Helfermolekül, ein sogenanntes Chinon, das in denselben Kanal eingeschleust wird, dabei überschüssige Elektronen aufnimmt und somit das Enzym für die nächste Stufe vorbereitet.

Entwicklung neuer Pflanzenschutzmittel

Das Wissen um das Vorkommen des Bleichherbizids im Inneren des Enzyms kann Forschern nun als Grundlage für die Entwicklung neuer Pflanzenschutzmittel zur Unkrautbekämpfung dienen. Gleichzeitig können mithilfe gentechnischer Verfahren gezielte Veränderungen in der Sequenz des Enzyms vorgenommen werden, um Nutzpflanzen zu schaffen, die resistenter gegen Unkraut sind.

bb/pg

Moderne Brauverfahren

Bier ist keine neue Erfindung. Schon rund 6000 vor Christus stellten die Sumerer in Mesopotamien das erste bierähnliche Getränk her. Damals legten die Menschen Brotreste für einige Tage ins Wasser und erzeugten so ein alkoholhaltiges Gebräu. Heute findet dieser biobasierte Prozess in Stahlkesseln statt. Grundstoff ist inzwischen die stärkereiche Gerste. Mithilfe von Wärme und Wasser wird die Gerste zunächst zum Keimen gebracht, bis sich daraus die Würze entwickelt. Dann kommen schließlich Hopfen und Hefen hinzu – Biotechnologen sorgen dafür, dass die nützlichen Mikroorganismen beim Bierbrauen gezielt zum Zuge kommen. Erst durch sie beginnt nämlich die alkoholische Gärung, die den Gerstensaft zum Bier macht. 

Glutenfreier Biergenuß

Gerste enthält Gluten. Das Klebereiweiß ruft bei Menschen mit Glutenunverträglichkeit Entzündungen der Darmschleimhaut hervor. Die einzige Behandlungsmöglichkeit der Zöliakie ist die lebenslange glutenfreie Ernährung. Um auch Menschen mit Zöliakie den Biergenuß zu ermöglichen, setzt Lammsbräu nach dem Brauprozess Transglutaminasen hinzu, die bei N-Zyme BioTec mithilfe von Mikroben hergestellt werden. Diese verändern die Glutenstruktur, sodass der Eiweißmix leichter entfernt werden kann.

Marktreife

Lebensmittel dürfen als glutenfrei gekennzeichnet werden, wenn sie einen Glutengehalt von maximal 20mg/kg (=20ppm) aufweisen. Die glutenfreien Biere von Lammsbräu liegen bei einem Glutengehalt von etwa 10ppm. Jede Tankcharge wird von einem Speziallabor auf den Abbau der Glutenfragmente überprüft.

Modern brewing

Beer is not a new invention. In 6000 BC the Sumerians already established the first beer-like drink in Mesopotamia. At that time, the people put some bread in the water for a few days, producing an alcoholic concoction. Today, brewing takes place in huge fermenters made of steel. The starch in malted barley is converted into sugar by enzymes. This solution is fermented with hops and yeast. 

Craft beer without gluten

For many gluten-intolerant people, beer is off the list of consumable products. The main raw material in beer production – malted barley – contains the gluten protein. Gluten can trigger inflammation of the intestinal mucus in people with gluten intolerance (celiac disease). To enable people with celiac disease to benefit from the beer, Lammsbräu uses transglutaminases after the brewing process. These transglutaminases are produced with microbes at N-Zyme BioTec and change the gluten structure so the protein mix can be removed more easily.

Ready for the market

For foods to be labelled gluten free, they have to have less than 20 parts per million gluten (ppm). According to Lammsbräu their products have less than 10ppm gluten.

Nutzpflanzen wie Raps und Mais sind hierzulande schon heute eine Alternative zu fossilen Rohstoffen. Nicht nur Lebens- und Verpackungsmittelhersteller auch Chemie- und Automobilindustrie sowie Energieversorger setzen zunehmend auf Biomasse aus nachwachsenden Rohstoffen. Die sogenannte „Tank-Teller“- Debatte hat indes den Blick weltweit für Abfall- und Reststoffe geschärft. Das Potenzial dieser Biomasse besser zu nutzen ist längst ein globales Forschungsziel, um Ernährungssicherheit trotz Klimawandel und wachsender Weltbevölkerung auch zukünftig garantieren zu können. Vor allem südlich der Sahara, wo Bauern schon heute klimabedingt gegen karge und unfruchtbare Böden kämpfen, könnte die Biomasse-Nutzung ein vielversprechender Ansatz sein.

Diskurs zur Biomassenutzung anstoßen

Forscher am Zentrum für Entwicklungsforschung in Bonn (ZEF) beschäftigen sich seit Jahren mit Fragen zur Ernährungssicherung in Afrika. Gemeinsam mit dem Forum für Agrarforschung in Afrika (Fara) hat das ZEF nun das erste deutsch-afrikanische Expertennetzwerk zur nachhaltigen Nutzung von Biomasse in Afrika gegründet. Die Experten machen sich dafür stark, dass das Thema Ernährungssicherheit bei der Entwicklung von neuen Biomassenutzungen nicht aus den Augen verloren wird. Im Zentrum steht daher das interaktive Internetportal BiomasseNet.org, das sich an Nutzer aller Fachrichtungen wendet und neben wissenschaftlichen Publikationen und Erfahrungsberichten auch Ansprechpartner der Biomasseanwender benennt. „Um eine Antwort auf die Frage zu finden, wie eine nachhaltige Landwirtschaft in Afrika gestaltet werden kann, wie Zielkonflikte aufgelöst werden können, müssen Wissenschaftler, Politiker, Unternehmen und Zivilgesellschaft an einen Tisch gebracht und ein Diskurs über das Thema angestoßen werden,“ betont ZEF-Projektleiterin, Christine Schmitt.

Dies geht aus einer Veröffentlichung einer Forschergruppe um Roland Geyer von der University of California hervor. Demnach wurden 1950 weltweit zwei Millionen Tonnen Kunststoffe hergestellt – im Jahr 2015 waren es bereits 380 Millionen Tonnen Plastik. Laut den Forschern fielen bis zum Jahr 2015 6,3 Milliarden Tonnen Plastikmüll an, nur neun Prozent wurden wieder verwertet. Zwölf Prozent wurden verbrannt und 79 Prozent landeten auf Deponien oder in der Umwelt.

This is the result of the publication of a research group by Roland Geyer from the University of California. According to this, two million tons of plastics were produced worldwide in 1950 - in 2015, it was 380 million tons of plastic. 

The researchers estimate that 8.3 billion tons of plastic have been produced to date. As of 2015, approximately 6.3 billion tons of plastic waste had been generated, around 9% of which had been recycled, 12% was incinerated, and 79% was accumulated in landfills or the natural environment. If current production and waste management trends continue, roughly 12 billin tons of plastic waste will be in landfills or in the natural environment by 2050.