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Etwas mehr als die Hälfte der Fläche Deutschlands wurde 2016 nach Angaben des Statistischen Bundesamtes landwirtschaftlich genutzt. Mit modernen Maschinen sowie dem Einsatz von Pestiziden und Dünger versuchen Landwirte die Erträge zu steigern. Studien belegen: Die intensivere Bewirtschaftung geht zu Lasten der Umwelt und bedroht vor allem die Artenvielfalt. Doch welchen Preis die Natur tatsächlich für eine üppigere Ernte zahlt – das zeigt nun eine Metaanalyse.

Unter der Leitung des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) hat ein internationales Forscherteam in den vergangenen Jahren etwa 10.000 Studien gesichtet, die sowohl den Ertrag als auch die Biodiversität vor und nach Intensivierungsmaßnahmen beleuchteten. „Der Großteil der Studien ist dabei durchs Raster gefallen. Nur 115 Studien haben tatsächlich beide Parameter auf den gleichen Flächen gemessen und waren damit für uns relevant“, so UFZ-Biologe Michael Beckmann. Die dabei untersuchten Flächen waren nicht nur über die ganze Erde verteilt. Sie lagen in verschiedenen Klimazonen und wurden unterschiedlich lange genutzt.

Bewirtschaftungsfolgen für Artenvielfalt errechnet

Um die unterschiedlichsten Flächen wie Ackerland, Graslandschaft oder Wald vergleichbar und berechenbar zu machen, wurde ein komplexes Rechenmodell entwickelt. Die Folgen der Bewirtschaftung konnten durch die Einteilung in drei Intensitätsklassen – niedrig, mittel oder hoch – erfasst werden. Über die Ergebnisse der Metaanalyse berichten die Forscher im Fachjournal „Global Change Biology“. „Wir konnten zeigen, dass die Intensivierung der Landnutzung im Mittel zu einer Ertragssteigerung von 20% führt, gleichzeitig aber mit einem Artenverlust von 9% einhergeht“, resümiert Beckmann.

Der Studie zufolge wiesen Flächen mit mittlerer Nutzungsintensität nach einer intensiveren Bewirtschaftung mit 85% zwar den höchsten Ertragsanstieg auf, aber auch den größten Artenschwund. Der Verlust der Biodiversität lag hier bei 23%. Auf Flächen, die von jeher intensiv genutzt wurden, gab es hingegen keine signifikanten Artenverluste, während der Ertragsgewinn noch bei 15% lag. „Zunächst klingt das ja ganz hervorragend: Mehr Ertrag ohne Verlust von Arten“, sagt Beckmann. „Doch wo schon zu Anfang durch hochintensive Nutzung nicht mehr viel Biodiversität vorhanden ist, kann natürlich auch nicht mehr viel verlorengehen. Hier ist der kritische Punkt womöglich schon überschritten.“

Holzproduktion ohne Artenverlust

Handlungsempfehlungen liefern die Forscher nicht. Die Metaanalyse macht aber einmal mehr deutlich, dass Biodversität schwindet, wenn landwirtschaftliche Erträge steigen. Doch die Untersuchung brachte auch positive Einzelfälle ans Licht. Hinsichtlich der Folgen für die Umwelt schnitt der Wald im Vergleich zu Ackerland und Graslandschaft viel besser ab. Hier zeigte sich, dass in Einzelfällen wie der Holzproduktion eine Ertragssteigerung nicht zu Lasten der Biodiversität gehen muss.

According to the Federal Statistical Office, slightly more than half of Germany's acreage was used for agriculture in 2016. Farmers are using modern machinery and pesticides and fertilizers to increase yields. Studies confirm: More intensive farming is detrimental to the environment and above all threatens species diversity. But a meta-analysis now shows at what a cost for nature a bountiful harvest actually comes.

Under the leadership of the Helmholtz Centre for Environmental Research (UFZ), an international team of researchers has sifted through some 10,000 studies in recent years that have examined both yield and biodiversity before and after intensification measures. "The majority of the studies fell through the net in this respect. A mere 115 studies actually measured both parameters for the same areas, making them relevant for our purposes," says UFZ biologist Michael Beckmann. The areas examined were not only distributed all over the world. They were located in different climate zones and were used for different periods of time.

Calculation of consequences for species diversity

A complex calculation model was developed to make it possible to compare and calculate the most diverse areas such as farmland, grassland or forest. The consequences of the management could be recorded by the classification into three intensity classes - low, medium or high. The researchers report on the results of the meta-analysis in the journal "Global Change Biology". "We were able to demonstrate that, on average, intensification of land use gave rise to an increase in yield of 20 percent but this is, at the same time, associated with a nine percent loss of species," summarizes Michael Beckmann.

According to the study, areas with average use intensity after more intensive cultivation showed the highest yield increase of 85%, but also the greatest loss of species: 23%. On areas that have always been used intensively, however, there was no significant loss of species, while the yield gain was still 15%. "Initially, this sounds excellent: greater yield without loss of species," says Beckmann. "But where there was not much biodiversity left to start with due to highly intense usage, there is, of course, also not much that can be lost. In such cases, the critical point may have already been passed."

Wood production without loss of species

The researchers do not provide recommendations for action. However, the meta-analysis once again makes it clear that biodiversity diminishes when agricultural yields increase. However, the study also revealed positive individual cases. In terms of environmental consequences, the forest did much better than arable land and grasslands. This showed that in individual cases, such as timber production, an increase in yield does not have to come at the expense of biodiversity.

bb/um

Am 15. April fiel bei Seedhouse der Startschuss zum vierten Batch. Bis zum 2. Juni können sich Start-ups und angehende Gründer mit ihren Ideen erneut um eine Förderung bei dem Osnabrücker Accelerator-Programm bewerben. Neben kostenlosen Büroräumen und einem regelmäßigen Coaching erhalten die Teams professionelle Unterstützung bei der Umsetzung ihrer Ideen. „Seedhouse stellt zudem für jedes Start-up ein Beraterbudget von etwa 10.000 Euro zur Verfügung“, erklärt Seedhouse Start-up-Manager Tim Siewert. „Da wir direkt neben der Hochschule sind, können dort auch Labore genutzt werden.“

Der Start-up-Accelerator wird von der ICO InnovationsCentrum Osnabrück GmbH getragen und durch Mittel des Landes Niedersachsen und die neu gegründete Seedhouse Beteiligungs GmbH finanziert. Insgesamt 28 überwiegend mittelständische Unternehmen aus der Agrar-, Food- und Digitalbranche unterstützen derzeit das Gründerprogramm. „Sie haben jeweils 50.000 Euro eingezahlt, um Start-up-Förderung zu betreiben“, erklärt Siewert.

Drei Sieger in Runde drei

Die Sieger der dritten Förderrunde wurden Anfang April gekürt. Von 21 Bewerbern schafften es neun ins Finale. Hier mussten sie ihre Ideen vor einer Expertenjury verteidigen. Zu den drei Besten gehört die intelligente Fischfarm des Berliner Start-ups „Monitorfish“. Das Team entwickelte eine App, die das Management in der Fischzucht verbessern soll. Im Fokus steht ein Diagnosetool, das die Fische überwacht und Veränderungen im Verhalten aufzeichnet. So sollen Verluste durch Krankheiten reduziert, Betriebskosten gesenkt und Erträge in der Fischzucht gesteigert werden. „Das System kann auch auf die Stallhaltung übertragen werden“, sagt Siewert.

Deutschland ist neben Frankreich, Polen, den USA und Russland eines der wichtigsten Anbaugebiete für Zuckerrüben weltweit. 2017 betrug die Anbaufläche in Deutschland rund 400.000 Hektar, Tendenz steigend. Ein Forschungskonsortium aus Nordzucker AG (Koordinator), der Firma m2Xpert, der Arbeitsgemeinschaft zur Förderung des Zuckerrübenanbaus in Norddeutschland e.V. sowie dem Julius Kühn-Institut (JKI) möchte nun Methoden der Fernaufklärung nutzen, um den Anbau weiter zu optimieren. Am 15. April 2019 fand das Kick-off-Meeting statt.

330.000 Euro Fördermittel über zwei Jahre

Das mit 330.000 Euro vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI) über zwei Jahre geförderte Projekt „BeetScan“ soll auf Daten der Copernicus-Satelliten zurückgreifen. Die Europäische Union stellt mit dem Erdbeobachtungsprogramm Copernicus hoch aufgelöste und permanent aktualisierte Aufnahmen bereit: Alle ein bis drei Tage wird jeder Ort in Deutschland mit Radarsystemen vermessen, alle drei bis fünf Tage von optischen Sensoren der Satelliten. „Damit ist ein sehr gutes Monitoring landwirtschaftlicher Flächen möglich, da Veränderungen in den Pflanzenbeständen schnell erkannt werden können“, erklärt Holger Lilienthal vom JKI.

Bessere Ernteprognosen dank künstlicher Intelligenz

Anhand der Satellitendaten kann das Team kontinuierlich den Zustand der Zuckerrübenfelder bewerten. Landwirte könnten so zum optimalen Zeitpunkt notwendige Maßnahmen wie Pflanzenschutz, Bewässerung oder Düngung umsetzen. Außerdem will das Konsortium die Daten nutzen, um die Entwicklung der Pflanzen von der Aussaat bis zur Ernte exakt zu erfassen, um beispielsweise Erntemengen prognostizieren zu können. „Diese Informationen sollen durch die Kopplung von Fernerkundungsdaten mit Witterungsdaten und einem Wachstumsmodell bereitgestellt werden“, erläutert Lilienthal. Um mit diesen großen Datenmengen umzugehen, wollen die Projektpartner außerdem neue Auswertungsverfahren aus dem Bereich des maschinellen Lernens einsetzen.

Der mit 60.000 Euro dotierte Humboldt-Forschungspreis der Alexander-von-Humboldt-Stiftung lockt die besten Wissenschaftler ihrer Disziplinen nach Deutschland. Seit Kurzem darf sich auch der US-Forscher James S. Clark zu den Preisträgern zählen. Clark untersucht, wie globale Klimaveränderungen Tiere, Pflanzen und ganze Ökosysteme beeinflussen. Im Rahmen des Humboldt-Forschungspreises wird er dieses Thema nun bei Gastaufenthalten an der Universität Bayreuth in den kommenden Monaten vertiefen.

Statistik und Ökologie zusammenbringen

„Mit seinen Forschungsbeiträgen, die neueste Erkenntnisse und Methoden der Statistik auf Fragen des Klimawandels und der Biodiversität anwenden, hat sich James S. Clark international einen herausragenden Ruf erworben“, freut sich sein künftiger Bayreuther Gastgeber und Kollege Steven Higgins. Clark werde der ökologischen und umweltwissenschaftlichen Forschung an der Universität Bayreuth hochinteressante Impulse vermitteln können.

Entwicklung der Artenvielfalt prognostizieren

Der Forscher der Duke University hat sich international einen Ruf erworben, weil er Statistik und Ökologie in neuem Ausmaß zusammengebracht hat. Er arbeitet in einem interdisziplinären Team daran, komplexe Datensätze auszuwerten, um zu berechnen, wie sich die Artenvielfalt der Erde entwickeln wird. „Biodiversitätsprognose“ nennt sich dieses noch junge Forschungsfeld.

In Bayreuth wird es dabei um Südafrika gehen. Dort werden derzeit neue ökologische Beobachtungssysteme etabliert, deren Daten mit Clarks statistischen Methoden ausgewertet werden sollen. „Die fächerübergreifende Vernetzung im BayCEER, dem Bayreuther Zentrum für Ökologie und Umweltforschung, und die jahrzehntelangen Kooperationen im Bayreuther Afrikaschwerpunkt bieten für diesen innovativen Forschungsansatz beste Voraussetzungen“, betont Higgins.

Der TROPHELIA-Wettbewerb zeichnet jedes Jahr innovative Ideen im Bereich Lebensmittel aus. In diesem Jahr landeten Studierende der TU Berlin auf Bundesebene auf den Plätzen eins bis drei und räumten dazu noch einen Sonderpreis ab. Alle drei Teams waren mit veganen Produkten angetreten. Der Ideenwettbewerb wurde zum zehnten Mal vom Forschungskreis der Ernährungsindustrie e.V. ausgerichtet. In diesem Jahr waren zehn Teams angetreten.

Regional und gesund

Den ersten Preis holte „TempSta“, eine Alternative zum traditionellen indonesischen Kräcker Tempeh. Die Studenten Sakura Yagami, Cigdem Özbilen, Imani Reiser, Carla Großpietsch und Deborah Becker ersetzten dabei jedoch Sojabohnen durch regional angebaute Erbsen, um Transportwege für Rohstoffe zu verringern. Durch das Heißluftfrittieren wird zudem der Fettgehalt reduziert. Im Ergebnis punktet der Kräcker mit vielen Vitaminen und Mineralstoffen und ist außerdem frei von Laktose und Gluten.

Süßspeise und herzhafter Snack

„Mi-Weiz“, eine Süßspeise nach syrischer Art, gewann den zweiten Preis. Sie besteht aus Weizenkörnern, Buchweizen und Süßlupinen und ist dadurch reich an Nährstoffen. Der Kniff bei der Herstellung ist eine Behandlung mit Ultraschall. Platz drei und zugleich den Sonderpreis für die innovativste Produktidee holte „Dulsey“, eine vegane Beef-Jerky-Alternative. Der herzhafte Snack beinhaltet Rote Beete, Rotkohl und Rotalgen. Nassextrudiertes Erbsenprotein verleiht ihm eine fleischähnliche Textur.

Drei weitere Teams waren im Finale angetreten. Sie präsentierten den vegetarischen Toaster-Snack „veTo“ auf der Basis von Kichererbsen, „CineBalls“, einen alternativen Snack fürs Kino, und die Müsli-Kugeln „Yolu“.

Europa-Wettbewerb im Oktober

„Ausdrücklich bedanken möchte ich mich bei allen Teams, die mitgemacht haben – es steckt so viel Kreativität und Know-how in den tollen Ideen“, lobte Georg Böcker, Sprecher der TROPHELIA-Jury. Er sei sich sicher: „Mit ,TempSta‘ hat Deutschland allerbeste Chancen, auch beim europäischen Wettbewerb ECOTROPHELIA zu gewinnen.“ Der EU- Ausscheid findet am 6. und 7. Oktober in Köln statt.

Every year, the TROPHELIA competition honors innovative ideas in the food sector. This year, students from the TU Berlin ranked first to third at the national level and also took home a special prize. All three teams competed with vegan products. The idea competition was organized for the tenth time by the Research Association of the German Food Industry (Forschungskreis der Ernährungsindustrie e.V. - FEI). This year, ten teams entered the competition.

Regional and healthy

The first prize went to "TempSta", an alternative to the traditional Indonesian cracker Tempeh. However, the students Sakura Yagami, Cigdem Özbilen, Imani Reiser, Carla Großpietsch and Deborah Becker replaced soybeans with regionally grown peas in order to reduce transport distances for raw materials. Hot-air frying reduced the fat content. As a result, the cracker is rich in vitamins and minerals and free of lactose and gluten.

Dessert and savory snack

"Mi-Weiz", a Syrian-style dessert, won second prize. It consists of wheat grains, buckwheat and sweet lupins and is therefore rich in nutrients. The trick in the production is a treatment with ultrasound. Third place and the special prize for the most innovative product idea went to "Dulsey", a vegan beef-jerky alternative. The savory snack contains beetroot, red cabbage and red algae. Wet-extruded pea protein gives it a meat-like texture.

Three other teams had competed in the final. They presented the vegetarian toaster snack "veTo" based on chickpeas, "CineBalls", an alternative snack for the cinema, and the muesli balls "Yolu".

European Competition in October

"I would like to express my thanks to all the teams that took part - there is so much creativity and expertise in the fantastic ideas," praised Georg Böcker, speaker of the TROPHELIA jury. He was sure: "With 'TempSta', Germany has the very best chances of winning the European ECOTROPHELIA competition as well". The EU competition will take place on 6 and 7 October in Cologne.

bl/um

Der Begriff des Druckens hat spätestens durch den 3D-Druck eine Revolution erfahren. Der Name „Einzelzelldrucker“ kann allerdings selbst heute noch erstaunen und die Phantasie anregen. „Eigentlich werden die Zellen dabei eher abgelegt“, relativiert Lena Lautscham von cytena. Der Name des Verfahrens gehe zurück auf die Ähnlichkeit zu einem Inkjet-Drucker. Was in dem Projekt „Mono-cy-clone“, das die Physikerin Lautscham geleitet hat, entwickelt worden ist, kann die Arbeit in Biopharmazeutik und Molekularbiologie sehr erleichtern.

Funktionserweiterung des ersten Einzelzelldruckers

„Viele neue Medikamente basieren auf monoklonalen Antikörpern“, erzählt Lautscham. Um diese zu erzeugen, benötigen die Hersteller identische Zellkulturen, die definitiv aus einer einzigen Zelle hervorgegangen sind. Zellen so zu vereinzeln und dabei auch noch die geeigneten Zellen auszuwählen, ist mit herkömmlichen Methoden jedoch schwierig. Außerdem haben bisherige Verfahren in der monoklonalen Zelllinienentwicklung Schwierigkeiten, die Lebensfähigkeit der Zelle langfristig zu erhalten. Das Hightech-Start-up cytena hat daher bereits 2015 ein Gerät vorgestellt, das Zellen aufgrund ihrer Größe und Rundheit auswählen und schonend vereinzeln kann.

Darauf baut das Projekt „Mono-cy-clone“ auf, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 1,5 Mio. Euro im Rahmen des Programms „KMU-innovativ: Biotechnologie-BioChance“ von Januar 2016 bis Juli 2019 gefördert wird. Daran beteiligt sind neben cytena der Spritzguss-Spezialist MDX Devices und das Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg (IMTEK). Das neue Ziel: Die Auswahl der einzelnen Zellen soll auch nach Fluoreszenzkriterien und in garantiert steriler Umgebung erfolgen.

Auswahl der Zellen durch Fluoreszenz

Praktisch muss man sich den Aufbau so vorstellen, dass eine Kartusche die Suspension mit den Zellen enthält. Diese wird an einen Druckkopf montiert, der einzelne Tropfen mittels der in der Kartusche enthaltenen Mikrofluidstruktur erzeugt. Automatisch prüft das System, was sich im nächsten Tropfen befindet. Erfüllt der Inhalt nicht die Anforderungen, wird der Tropfen verworfen und ein neuer gebildet. Enthält der Tropfen eine Zelle der gewünschten Qualität, legt der Druckkopf den Tropfen gezielt in einem Substrat ab. Bei diesen Substraten handelt es sich um sogenannte Mikrotiterplatten (Microwells), die zahlreiche kleine Vertiefungen zur Aufnahme einzelner Tropfen enthalten. „Beim alten System hat sich noch der Druckkopf mit der Kartusche über dem Substrat bewegt“, schildert Lautscham, „jetzt bewegt sich das Substrat. Dadurch können wir mit einer höheren optischen Auflösung arbeiten.“

Im Druckkopf erfolgt nun gleichzeitig im Hellfeld eine Überprüfung der Größe und Form der Zellen sowie deren Fluoreszenz im Fluoreszenzmodul. „Es gibt zum Beispiel Farbstoffe, die anzeigen, ob eine Zelle noch lebt“, erläutert Lautscham. So gelangen keine bereits abgestorbenen Zellen auf das Substrat. In anderen Fällen korreliert die Intensität der Färbung mit der Menge eines gewünschten Produkts in der Zelle. Dadurch können Zellen ausgewählt werden, die als Zelllinie gute Produktionsraten versprechen.

„Bedruckt“ werden kann mit dem Einzelzelldrucker praktisch jedes Material, versichert die Projektleiterin. In der Industrie haben sich allerdings die Mikrotiterplatten als Standard etabliert, weshalb die Projektpartner sie ebenfalls einsetzen.

Ob Palmöl, Baumwolle oder Soja: Viele pflanzliche Rohstoffe, die hierzulande zur Herstellung von Kosmetika, Textilien, Biodiesel oder Tierfutter verwendet werden, müssen aus dem Ausland bezogen werden. Doch woher stammen die dafür genutzten Rohstoffe und welche Umweltfolgen sind damit verbunden? Eine internationale Studie unter Federführung des Institute for Ecological Economics der Wirtschaftsuniversität Wien (WU) liefert Antworten. Daran beteiligt waren auch Forscher der Universität Bonn. Im Fokus der Untersuchung stand die Herkunft der landwirtschaftlichen Rohstoffe für in Europa konsumierte Produkte, die nicht der Ernährung dienen.

Das Ergebnis: Rund 65% der pflanzlichen Rohstoffe bezieht die europäische Wirtschaft aus dem Ausland, meist aus tropischen Regionen wie Asien. Mit 52 Millionen Tonnen beträgt der Pro-Kopf-Verbrauch eines Europäers im Durchschnitt 103 kg im Jahr. Spitzenreiter bei den Importen ist Baumwolle. Etwa 1,7 Millionen Hektar werden für den europäischen Markt dafür in Indien, China und Pakistan angebaut.

Palmöl besonders gefragt

Wie die Forscher im Fachjournal „Environmental Research Letters” berichten, ist der Bedarf an Pflanzenölen besonders hoch. Hier ist es vor allem Palmöl, das die Nachfrage bestimmt und auf Platz zwei von Europas Importliste rangiert. Und der Bedarf ist steigend. Der Rohstoff wird vor allem aus Ländern wie Indonesien und Malaysia importiert, wo allein für den europäischen Bedarf 6,3 Millionen Hektar Ackerland bewirtschaftet werden. Etwa 6,4 Milliarden Liter Palmöl gelangen der Studie zufolge jährlich, entweder unverarbeitet oder in Produkten, nach Europa. Zudem liefert Asien Kautschuk von rund 1,3 Millionen Hektar Anbaufläche und Kokosöl von 0,7 Millionen Hektar. 1,2 Millionen Hektar werden außerdem für die Viehzucht genutzt, um daraus Leder und Wolle für Europa zu produzieren.

Biodiversitätsverlust durch Entwaldung

Der hohe Bedarf an Palmöl und die wachsende Nachfrage haben jedoch ökologische Folgen. „Die starke Entwaldung führt zu einer hohen Freisetzung an Treibhausgasen – wir sehen, dass die Rodungen südostasiatischer Wälder bis zum Jahr 2002 sogar mehr Emissionen als chinesische Kohlekraftwerke im selben Zeitraum verursachten. Zudem zeigen sich erschreckende Verluste an Biodiversität“, erklärt WU-Wissenschaftler Martin Bruckner. Dennoch: Ein Umstieg von Palmöl auf heimische Rohstoffe wie Raps ist für Bruckner auch keine Lösung: „Für die gleiche Menge an Öl bräuchten wir in Europa dreimal so viel Fläche, die Folge wären erhöhte Treibhausgasemissionen und Biodiversitätsverluste. Nur durch eine starke Reduktion unseres Konsums können die Ökosysteme unseres Planeten effektiv geschützt werden.“

Umweltprobleme werden verlagert

Die Forscher kommen zu dem Schluss: Einige umweltpolitische Maßnahmen haben Probleme eher verlagert als gelöst. Als Beispiel wird die Biokraftstoffverordnung genannt. Diese habe einerseits zwar die CO₂-Emissionen im heimischen Verkehr reduziert, andererseits aber zu einem ungeahnten Ausmaß an globaler Entwaldung und somit Zerstörung wertvoller Ökosysteme geführt. Ähnliches befürchtet Bruckner daher auch für das von der EU angekündigte Verbot von Einweg-Plastik, da die Herstellung von Bioplastik noch immer sehr ressourcenintensiv sei.

Whether palm oil, cotton or soy: many raw materials from plants used in Germany for the production of cosmetics, textiles, biodiesel or animal feed have to be procured from abroad. But where do the raw materials come from and what are the environmental consequences? An international study led by the Institute for Ecological Economics at the Vienna University of Economics and Business Administration (WU) provides answers. Researchers from the University of Bonn were also involved. The study focused on the origin of agricultural raw materials for products consumed in Europe that do not serve as food.

The result: the European economy obtains around 65% of its plant-based raw materials from abroad, mostly from tropical regions such as Asia. At 52 million tonnes, the per capita consumption of a European is on average 103 kg per year. Cotton is the front-runner when it comes to imports. About 1.7 million hectares are cultivated for the European market in India, China and Pakistan.

Palm oil particularly in demand

As the researchers report in the specialist journal "Environmental Research Letters", the demand for vegetable oils is especially high. Palm oil is the main driver of demand and ranks second on Europe's import list. And demand is rising. The raw material is imported primarily from countries such as Indonesia and Malaysia, where 6.3 million hectares of arable land are cultivated for European demand alone. According to the study, about 6.4 billion litres of palm oil reach Europe every year, either unprocessed or in products. Asia also supplies rubber from around 1.3 million hectares of cultivated land and coconut oil from 0.7 million hectares. 1.2 million hectares are also used for cattle breeding to produce leather and wool for Europe.

Biodiversity loss through deforestation

However, the high demand for palm oil and the growing demand have ecological consequences. "We can see that the deforestation in Southeast Asia up to 2002 caused even more emissions than Chinese coal-fired power plants in the same period. In addition, there are alarming losses in biodiversity," explains WU scientist Martin Bruckner. Nevertheless, switching from palm oil to domestic raw materials such as rapeseed is no solution for Bruckner: "For the same amount of oil we would need three times as much land in Europe, which would result in increased greenhouse gas emissions and biodiversity losses. Only a strong reduction in our consumption can effectively protect our planet's ecosystems."

Environmental problems are shifting

The researchers come to the conclusion that some environmental policy measures have shifted problems rather than solved them. The biofuel regulation is cited as an example. On the one hand, the regulation reduced CO2 emissions from domestic transport, but on the other, it led to an unprecedented amount of global deforestation and thus the destruction of valuable ecosystems. Bruckner therefore fears a similar situation for the ban on disposable plastics announced by the EU, as the production of bioplastics is still very resource-intensive.

bb/um

Für die intensivere Nutzung landwirtschaftlicher Flächen zahlt die Umwelt oft einen hohen Preis. Das zeigte erst kürzlich eine internationale Metastudie. Wie sich im Land Brandenburg die Veränderungen in der Landwirtschaft auf einzelne Komponenten der Biodiversität ausgewirkt haben und inwiefern sich die landwirtschaftliche Nutzung dabei verändert hat – das untersucht derzeit Jörg Hoffmann vom Julius-Kühn-Institut. Der Agrarwissenschaftler und sein Team vergleichen historische Daten, die vor rund 25 Jahren in der Region erhoben wurden, mit aktuellen Erhebungen. Im Ergebnis soll ein Monitoringhandbuch als Ratgber entstehen, das ökologische und landwirtschaftliche Daten vereint und so ein reales Bild der Veränderungen im Ackerbau Brandenburgs zeichnet. Das Projekt BioZeit wird vom Bundesamt für Naturschutz gefördert. Daran beteiligt ist auch das Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung.

Lupinen als veganer Proteinlieferant

Schon lange war bekannt, dass Lupinen dem Boden gut tun: Als Stickstoffsammler düngen die hierzulande heimischen Pflanzen den Boden. Doch inzwischen sind sie auch für die Nahrungsmittelindustrie interessant, denn sie bilden sehr eiweißreiche Samen und können als Proteinlieferant in zahlreichen veganen Produkten eingesetzt werden. Hierfür war jedoch erst einmal Forscherexpertise gefragt, denn neben den gewünschten Inhaltsstoffen besitzen Lupinen auch bittere Aromen, die einer Verwendung in der Lebensmittelindustrie bislang im Weg stand.

Lactosefrei, glutenfrei, cholesterinfrei

Forscher vom Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung (IVV) in Freising haben zusammen mit den Gründern der Prolupin GmbH aus Mecklenburg-Vorpommern einen Prozess entwickelt, um die Proteine der Blauen Süßlupine zur Erzeugung von Nahrungsmitteln zu nutzen. Dabei werden die Samen zunächst geschält und zu hauchdünnen Flocken verarbeitet. Dann erfolgt die Entölung und weitere Extraktion unerwünschter Aromen. Erst dann isolieren die Experten die Eiweiße. In einer Mischung aus Wasser, Pflanzenfett, Lupine, Aroma und Zucker lässt sich so beispielsweise Eis herstellen. Die Lupinen-Proteine enthalten mehrfach ungesättigte Fettsäuren. Ein weiteres Plus: Da das milchfreie Eis weder Lactose noch Gluten enthält, wird es auch von Allergikern vertragen. Zudem ist die Lupine eine anspruchslose Pflanze. Sie belegt kein fruchtbares Ackerland und lange Transportwege werden vermieden.

Marktreife

Die pflanzlichen Proteine der Pflanze werden in vielen Produkten als willkommene Ergänzung oder Alternative zu tierischen Proteinen genutzt. Das pflanzliches Speiseeis, Lupinesse, ist bereits bundesweit in Supermärkten erhältlich. Lupine gibt es auch schon in Joghurt, Salatmayonnaise, Nudeln und Aufstrich und als Drink. Die Entwicklung des Prozesses brachte dem Wissenschaftler-Team im Jahr 2014 den Deutschen Zukunftspreis ein.

Lupins in the food industry

As nitrogen fixers, they are great fertilisers for German soil. In addition, their seeds are rich in protein. Which is why they are used as an alternative source of protein. Researchers have developed a process to use the proteins from the blue lupine to produce food. At Prolupin GmbH, a spin-off of the Fraunhofer Institute, the seeds are first peeled and processed into paper-thin flakes. The flakes are then de-oiled and unwanted aromas are extracted. Only then do the experts isolate the proteins. Ice cream is created from a mixture of water, plant fat, lupin, aromas and sugar.

Lactose-free, gluten-free, cholesterol-free

The lupin proteins contain multiple unsaturated fatty acids. Since the dairy-free ice cream contains neither lactose nor gluten, it is tolerated by allergy sufferers. Because the plants grow in Europe and are undemanding in terms of soil and climate, it does not need to be cultivated on fertile farmland and long transport routes are avoided. Lupin protein is an excellent alternative supplement to animal protein in terms of feeding a growing world population. In 2014, a German team of scientists won the German Future prize for the development of this process. The prize is awarded every year by the Federal President.

Ready for the market

The plant-based ice cream Made with Luve can be bought in supermarkets nationwide. More lupin products are also available: yoghurt, mayonnaise, pasta, spreads and drinks.

Weak points

Relatively high price / not cost-effective

Im Zuge ihrer Internationalisierungsstrategie hat die Max-Planck-Gesellschaft ein neues Max Planck Center in Großbritannien aufgebaut: Am Max Planck – Bristol Center in Minimal Biology werden Forscher künstliche Zellskelette konstruieren, molekulare Maschinen im Nano-Maßstab entwickeln und so die notwendigen Bausteine für das Leben untersuchen. Ende März hat das Zentrum seine Arbeit aufgenommen, nachdem Anfang des Jahres eine wissenschaftliche Kooperationsvereinbarung mit der University Bristol geschlossen wurde.

Wie wird aus unbelebter Materie ein biologisches System?

Leben besteht aus toter Materie. Die Synthetische Biologie und mit ihr die Minimalbiologie beschäftigen sich mit dem Übergang von unbelebter zu belebter Materie. Wissenschaftler versprechen sich von dem rasant wachsenden Forschungsgebiet nicht nur Erkenntnisse darüber, wie das Leben auf der Erde entstanden ist. Erkenntnisse aus der Synthetischen Biologie haben auch hohes wirtschaftliches Potenzial, zum Beispiel in der Medizin oder Materialentwicklung. Biotech- und Pharmafirmen werden davon künftig genauso profitieren wie Unternehmen, die neue Materialien entwickeln. Im Vergleich zu Ländern wie den USA oder Japan investiert Europa jedoch deutlich weniger in das neue Forschungsfeld. Das Bristol Max Planck Centre soll diese Lücke schließen.

Beteiligte Max-Planck-Institute aus Deutschland sind das MPI für medizinische Forschung (Direktor: Joachim Spatz), das MPI für Biochemie (Direktorin: Petra Schwille) und das MPI für Polymerforschung (Direktorin: Tanja Weil). An der University of Bristol zählen das BrisSynBio Centre and Biomedical Sciences und die Schools of Chemistry and Biochemistry zu den Partnern.

MaxSynBio trifft auf BrisSynBio

Die beteiligten Wissenschaftler der Max-Planck-Gesellschaft und der Universität Bristol bringen ideale Voraussetzungen dafür mit, zu einer der weltweit führenden Forschungseinrichtungen auf dem Gebiet der Synthetischen Biologie zu werden. Sie nutzen hochmoderne Forschungsmethoden und ergänzen sich in ihrer jeweiligen fachlichen Expertise. Das Know-how der deutschen Partner baut auf dem 2014 gegründeten Max-Planck-Forschungsnetzwerk MaxSynBio auf: Unter anderem mit Förderung durch das Bundesforschungsministerium arbeiten Forscherteams verschiedener Disziplinen an neun Max-Planck-Instituten sowie an der Universität Nürnberg-Erlangen an einem ambitionierten Ziel: dem Design und der Synthese künstlicher und biomimetischer Zellmodule lebender Systeme nach dem Bottom-up-Prinzip. Das BrisSynBio Centre wiederum ist eines von sechs öffentlich geförderten Forschungszentren zur Synthetischen Biologie im Vereinigten Königreich. Auch in BrisSynBio steht das Design und die Konstruktion von Biosystemen nach dem Bottom-up-Ansatz im Mittelpunkt des Interesses.

Synthetische Nanobiologie, neues Protein-Design

Das neue Max Planck Center wird mehrere Schwerpunkte haben. Dazu gehört unter anderem die Synthetische Nanobiologie, bei der künstliche Funktionen in Protozellen und normale Zellen, Gewebe und Organismen integriert werden. Auch Proteindesign in lebenden Zellen wird ein Schwerpunkt sein. Hier sollen völlig neu entworfene Proteine mit natürlichen Proteinen zusammenarbeiten. Die biomedizinische Genomintervention ist ein dritter Eckpfeiler des Centers, in der synthetische, von Viren abgeleitete programmierbare „Nanoeinheiten“ noch nie dagewesene Funktionen zur Verstärkung und Reparatur von Genomen erhalten sollen.

Darüber hinaus wollen die Wissenschaftler am neuen Zentrum das Erbgut von Zellen so optimieren, dass es nur die Gene enthält, die für das Überleben absolut notwendig sind. Eine solche „Minimal-Zelle“ kann ihnen eine Fülle von Erkenntnissen darüber liefern, wozu eine funktionstüchtige Zelle in der Lage sein muss. Außerdem haben die Wissenschaftler sich das ehrgeizige Ziel gesetzt, aus einem Tier- oder Pflanzenvirus eine künstliche, leicht zu programmierende Genfähre zu machen, mit der Wissenschaftler Zellen, Gewebe und Organismen mit neuen Eigenschaften ausstatten können.

As part of its internationalization strategy, the Max Planck Society has established a new Max Planck Center in Great Britain: At the Max Planck-Bristol Center for Minimal Biology, researchers will construct artificial cytoskeletons, develop nano-scale molecular machines and thus study the necessary building blocks for life. The center began its work at the end of March after a scientific cooperation agreement was signed with the University of Bristol at the beginning of the year.

How does inanimate matter become a biological system?

Life consists of dead matter. Synthetic biology and minimal biology deal with the transition from inanimate to animate matter. Scientists hope that this rapidly growing field of research will not only provide them with insights into how life on Earth came about. Findings from the field of synthetic biology also have considerable economic potential, for example in medicine or material development. Biotech and pharmaceutical companies will benefit from this in the future, as will companies that develop new materials. Compared to countries such as the USA or Japan, however, Europe is investing considerably less in this new field of research. The Bristol Max Planck Center is to close this gap.

The German Max Planck Institutes involved are the MPI for Medical Research (Director: Joachim Spatz), the MPI for Biochemistry (Director: Petra Schwille) and the MPI for Polymer Research (Director: Tanja Weil). Partners at the University of Bristol include the BrisSynBio Center and Biomedical Sciences and the Schools of Chemistry and Biochemistry.

MaxSynBio meets BrisSynBio

The participating scientists from the Max Planck Society and the University of Bristol are ideally placed to become one of the world's leading research institutions in the field of synthetic biology. They use state-of-the-art research methods and complement each other in their respective areas of expertise. The know-how of the German partners is based on the Max Planck research network MaxSynBio, founded in 2014: Research teams from various disciplines at nine Max Planck Institutes and at the University of Nuremberg-Erlangen are working towards an ambitious goal, including the design and synthesis of artificial and biomimetic cell modules of living systems based on the bottom-up principle. The BrisSynBio Centre is one of six publicly funded synthetic biology research centers in the UK. BrisSynBio also focuses on the design and construction of bottom-up biosystems.

Synthetic nanobiology, new protein design

The new Max Planck Center will have several key aspects. These include synthetic nanobiology, in which artificial functions are integrated into protocells and normal cells, tissues and organisms. Protein design in living cells will also be a priority. Completely newly designed proteins will work together with natural proteins. Biomedical genome intervention is a third cornerstone of the center, in which synthetic, virus-derived programmable "nano-units" are to be given unprecedented functions for strengthening and repairing genomes.

In addition, the scientists at the new center want to optimize the genome of cells so that it only contains the genes that are absolutely necessary for survival. Such a "minimal cell" can provide a wealth of knowledge about what a functional cell has to be capable of. In addition, the scientists have set themselves the ambitious goal of turning an animal or plant virus into an artificial, easy-to-program gene shuttle with which scientists can equip cells, tissues and organisms with new properties.

pg/um

Der Regenwald im Amazonasgebiet ist bekannt für seine große Artenvielfalt. Zugleich ist es einer der größten CO₂-Speicher der Erde und hat damit enormen Einfluss auf das globale Klima. Doch der größte Regenwald der Erde wird durch steigende Temperaturen und Rodungen bedroht. Forscher beschäftigt daher die Frage, wie der Klimawandel das Potenzial des tropischen Waldes beeinflusst und vor allem wie lange er noch als CO₂-Speicher fungieren kann. Gemeinsam mit brasilianischen Kollegen wollen Forscher der Technischen Universität München diese Fragen im Projekt AmazonFACE (Free Air CO₂ Enrichment) beantworten.

Bäume im Regenwald mit CO₂ düngen

Um das Limit des Amazonas als CO₂-Senke auszuloten, sollen mitten im Regenwald die Kohlendioxidkonzentrationen gezielt erhöht und Daten erhoben werden. Noch wird in offenen Klimakammern von jeweils zwei Metern Höhe und Durchmesser mit kleinen Bäumen aus dem Regenwald experimentiert. Doch der Prototyp soll bald schon durch mehrere Ringe aus je zehn filigranen stählernen Türmen ersetzt werden und das Düngen der Bäume mit CO₂ übernehmen. Dafür werden die Türme jeweils vom Boden bis hinauf in die Baumspitzen mit Düsen ausgestattet.

Das Experiment findet auf einer Fläche von etwa 25.000 Hektar statt, wo das brasilianische Amazonasforschungs-Institut (INPA) seit 20 Jahren eine Versuchsstation betreibt. Während das brasilianische Team die CO₂-Düngung übernimmt und beobachtet, wie sich Blätter, Wurzeln und Boden dadurch verändern, sind die Münchner Wissenschaftler für die Ökosystemmodellierung verantwortlich.

Globale Klimaveränderungen vorhersagen

„Wir haben bereits festgestellt, dass die bisherigen Modelle, mit denen wir in der Forschung weltweit arbeiten, wichtige Prozesse vernachlässigen“, sagt Anja Rammig. „Mit dem AmazonFACE-Experiment werden wir viele neue Erkenntnisse für die Modellentwicklung gewinnen. Sie werden dazu beitragen, verlässlichere Vorhersagen zu treffen, die für globale Klimaprojektionen relevant sind.“

Fast zwei Drittel aller Gartenbaubetriebe nutzen Gewächshäuser, um Gemüse, Kräuter oder Obst anzubauen. Über ein zentrales Rohrleitungssystem werden die Pflanzen sowohl mit Wasser als auch Nährstoffen versorgt, um sie vor Schädlingen zu schützen und gesund zu halten. Ein sogenanntes Tropfsystem, das über zahlreiche Abgänge verfügt, verteilt das Wasser-Nährstoff-Gemisch an das Substrat der einzelnen Pflanzen. Doch der Einsatz dieser Flüssigdünger ist teuer. Forscher vom Biomasse-Institut der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf (HSWT) wollen daher gemeinsam mit Partnern Nährstoffe aus flüssigen Gärresten gewinnen und für den Gemüseanbau im Gewächshaus nutzbar machen.

Nährstoffe aus flüssigen Gärresten gewinnen

Umweltingenieure der HSWT werden sich im Rahmen eines Teilprojektes auf die Entwicklung eines neuen Tropfsystems konzentrieren, um die Nährstoffe aus flüssigen Gärresten für die Pflanze verfügbar zu machen. Problematisch in diesen Reststoffen sind zum einen Feststoffe, die das Leitungssystem verstopfen könnten, aber auch kritische organische Verbindungen und Schwermetalle aus der Umwelt oder Verbrennungsprozessen. Besonders Kupfer und Zink sind in der flüssigen Variante noch enthalten. Zudem liegt der Anteil organischer Verbindungen wie Phosphor in den flüssigen Gärresten nur noch bei maximal 25%.

Textilpatrone als Filter

Hauptbestand des neuen Tropfsystems ist eine aktive Textilpatrone. Unterschiedliche Textileinlagen wie Chitosan sollen Inhaltsstoffe filtern und Schwermetall- sowie Organikkonzentration in dem Flüssigdünger aus Gärrückständen absenken. „Der Aufbau der Tropferpatrone wird so erfolgen, dass eine feste Korrelation zwischen den organischen und Schwermetallverbindungen besteht. Dadurch kann die Einsatzdauer der Tropfleitung kontrolliert werden und deren maximale Beladung wird mittels Farbumschlag durch die adsorbierten Schwermetallionen an Chitosan angezeigt", erläutert Frank Kolb von der HSWT das Prinzip.

Essen online bestellen ist bequem und liegt im Trend. Ein Klick, und die Pizza wird ins Haus geliefert. Gratis dazu gibt es jedoch jede Menge Verpackungsmüll. Das Start-up Grünzeug will das ändern. Das Gründerteam um Geschäftsführer Fabian Kreipl will dafür die von ihnen entwickelte vegane Restaurantführer-App vanilla bean um einen verpackungsfreien Lieferservice erweitern. „Wir wollen eine Lieferkette auf den Markt bringen, die von Kopf bis Fuß fair und nachhaltig ist“, erklärt Kreipl im Gespräch mit bioökonomie.de. Dafür sucht das Start-up seit Januar über die Crowdinvest-Plattform Companisto Investoren. Nun geht die Kampagne in die Endphase.

Kein Verpackungsmüll bei Essenslieferung

Wer über die App vanilla bean sein veganes Essen bestellt, bekommt es selbstverständlich auch in einer Box geliefert. Dafür will das Team eigens eine neue Verpackung entwickeln, die langlebig und zu 100% recycelbar ist. Das Prinzip: Die Verpackung verbleibt beim Kunden und wird bis zur nächsten Bestellung gegen eine neue ausgetauscht. So fällt der Verpackungsmüll weg.

Essen in umweltfreundliche Verpackungen

Die zum Kampagnenstart favorisierte Box aus Reisfasern erwies sich Kreipl zufolge im Nachhinein als „null recyclingfähig“. Doch die Macher von vanilla bean haben dazugelernt. „Wir haben uns von Wissenschaftlern beraten lassen und erfahren, dass die Reisbox Formaldehyd enthält. Das ist im wahrsten Sinne Greenwashing. Für die richtige Box arbeiten wir nun mit Spezialisten zusammen.“ In welcher Box das Essen später ausgeliefert wird, will Fabian Kreipl noch nicht verraten. Nur soviel: Mit Polypropylen und Bio-Ethylen sind zwei Kandidaten im Rennen. „Polypropylen hat die beste Ökobilanz und Bio-Ethylen besteht aus dem nachwachsenden Rohstoff Zucker“, ergänzt Kreipl.

Lieferservice startet in Berlin

In Regensburg soll das Bestell- und Liefersystem von vanilla bean zunächst getestet werden. Hier kommen zunächst noch alternative Verpackungen zum Einsatz. Doch das erste große Ziel ist Berlin. „Da wollen wir mit dem professionellen Kurierdienst Messenger zusammenarbeiten und mit Fahrradkurieren das Essen zum Endkunden liefern.“

Crowdfunding-Aktion endet am 17. Mai

279 Investoren konnte das Regensburger Start-up bis dato von seiner Idee überzeugen. Fast 240.000 Euro sind seit dem Start der Crowdfunding-Aktion im Januar zusammengekommen. Die Investmentschwelle von 100.000 Euro hat das vanilla bean-Team damit längst überschritten. Das anvisierte Finanzierungsziel von 500.000 Euro ist damit jedoch noch nicht erreicht. Die Kampangne auf Companisto endet am 17. Mai 2019.

Fundamentale Prinzipien aus Biologie und Elektrotechnik miteinander kombinieren. Was auf den ersten Blick abwegig erscheint, ist für die Arbeit von Heinz Koeppl charakteristisch. Der gebürtige Österreicher bewegt sich seit Jahren auf dem noch jungen Forschungsfeld der Synthetischen Biologie, das diese Schnittstelle bedient. Er ist überzeugt, dass die Konstruktionsprinzipien der Ingenieurswissenschaftler auch auf biologische Systeme wie Zellen übertragbar sind. An der Technischen Universität Darmstadt forscht Koeppl derzeit an Schaltkreisen, die sich in Zellen implementieren lassen. „Wir wollen Bakterien intelligenter machen und sie mit zusätzlichen Fähigkeiten ausstatten, die für uns Menschen interessant sind“, erklärt Koeppl.

Verhalten genetischer Schaltkreise vorhersagen

Das Ziel ist ambitioniert. Zunächst ist Grundlagenforschung angesagt. Koeppls Arbeit wird im Rahmen vom Europäischen Forschungsrat (ERC) in den kommenden fünf Jahren mit 2 Mio. Euro gefördert. Ziel des Projektes „CONSYN – Kontextualisierung biomolekularer Schaltkreismodelle für die Synthetische Biologie“ ist es, Computermodelle zu entwickeln, die das Verhalten von genetischen Schaltkreisen verlässlich und effizient vorhersagen.

Mit Schaltkreisen kennt sich der Systembiologe und promovierte Elektrotechniker aus. Schon während seiner Kindheit im österreichischen Kärnten liebte er es, in der kleinen Elektrotechnik-Firma seines Vaters mitzuhelfen. „Ich habe halt immer gern rumgebastelt, habe Sachen zerlegt und wieder zusammengebaut.“ Doch das Rumbasteln reichte Koeppl nicht aus. Er wollte das Prinzip verstehen, wollte wissen, warum etwas so und nicht anders funktioniert oder auch nicht. Seiner Neugier folgend ging er 1994 nach Graz, um an der Karl-Franzens-Universität Physik zu studieren.

Von der Elektrotechnik zur Systembiologie

Doch schon die Diplomarbeit führte ihn auf den Pfad der Elektrotechnik zurück. Beim Halbleiterspezialisten Infineon schrieb Koeppl 2000 seine Abschlussarbeit zum Thema Modellierung von Nichtlinearitäten in Schaltkreisen und promovierte schließlich mit Unterstützung des Unternehmens 2004 an der Technischen Universität Graz in der Elektrotechnik. Ko-Betreuer und Elektrotechnik-Experte Martin Hasler von der ETH Lausanne hatte Koeppl schon damals zum Richtungswechsel in die Biologie inspiriert.

Die Wende hin zur Biologie kam dann während seines Postdoc-Aufenthaltes 2005 in den USA an der UC Berkeley. Hier war es Adam Arkin, der den Elektrotechniker auf die Spur der Systembiologie brachte. „Die Biologie hat immer schon dezentral funktioniert, wenn sie an Vogelschwärme denken. Der ganze Vogelschwarm fliegt in eine Richtung, obwohl es keinen zentralen Dirigenten gibt. Das gilt auch für Zellen. Diese Selbstorganisation, diese Verteiltheit im Innern, hat mich schon immer fasziniert“, erklärt Koeppl den Kurswechsel. Drei Jahre arbeitete er als Assistenzprofessor an der ETH Zürich, und leitete zusätzlich die Systembiologiegruppe bei IBM Research Zurich. 2014 bot sich Koeppl an der TU Darmstadt die Chance, seiner Faszination auf den Grund zu gehen.

Natur als Vorbild für die Technik

Als Professor für bioinspirierte Kommunikationssysteme nimmt sich der zweifache Familienvater nun die Natur zum Vorbild und versucht, deren Mechanismen auf die Technik zu übertragen. „Es geht darum, von der Biologie, die offensichtlich sehr robust ist, das Wirkprinzip abzuschauen und dann eine neue Technologie zu bauen, die ebenso robust funktioniert und auch noch skalierbar ist.“ Nicht nur Vogel- und Fischschwärme, sondern auch Bakterien dienen ihm als Vorbild. Koeppl zufolge entwickeln auch sie ab einer bestimmten Dichte eine ähnliche „kollektive Dynamik“ wie Vogelschwärme.

Die Natur dient Forschern seit jeher als Vorbild. Bei der Entwicklung neuer Materialien wie Oberflächenbeschichtungen stand die Natur schon öfters Pate. Doch um sie zu kopieren, muss man sie verstehen. Und das ist die Herausforderung, die Koeppl zu meistern versucht, und das mit der gesamten Bandbreite seines Ingenieurwissens. Gerade bei der Modellierung genetischer Logikschaltkreise ringt Koeppl noch immer mit vielen unbekannten Faktoren, die eine Vorhersage erschweren. „Man kann nur bekannte Effekte modellieren. Teilweise sind diese aber nicht bekannt“, sagt er. „Auch haben wir noch ein unvollständiges Bild von einer Einzelzelle wie E. coli oder Hefe. Und es gibt Proteine, die irgendeine Funktion übernehmen, die wir bisher noch nicht kennen.“

Schaltkreise in biologischen Systemen integrieren

Für Koeppl sind diese „Störfaktoren“ eine willkommene Herausforderung. Die in der Elektrotechnik als Nichtlinearitäten und Rauschen bezeichneten Hemmnisse will er auch in biologischen Systemen aufspüren. Deshalb verbringt der Forscher auch Zeit im Labor. Anders als in seiner Jugend experimentiert er nicht mit technischen Geräten, sondern mit Zellen. „Wir fügen genetische Schaltkreise in die Zelle ein und dann setzen wir beispielsweise die Zelle unter Stress. So kann man sehen, wie sich der synthetische Schaltkreis verändert, was für den Einbau in die Zelle wichtig ist“, erklärt Koeppl.

Koeppl ist überzeugt, dass mithilfe der Modellierungsmethoden aus der Ingenieurswelt wie Differenzialgleichungen auch synthetisch-biologische Schaltkreise modelliert werden können. Zunächst muss Koeppl im Labor die Störfaktoren ausloten, um am Ende genetische Schaltkreise so konstruieren zu können, dass sie dagegen gewappnet sind. In der Zelle sollen diese dann selbstständig agieren und dort bestimmte Funktionen übernehmen.

Biochemische Reaktionen per Computer vorhersagen

Dazu bedarf es vor allem eines: Daten aus der lebenden Zelle, die verraten, wie sich der eingefügte Schaltkreis innerhalb einer Zelle verhält. Und Daten aus biophysikalischen Modellen, um damit Gleichungen aufzustellen, wie Koeppl erläutert. Dabei hilft den Bioingenieuren auch das maschinelle Lernen. „Das verwenden wir, um solche Schaltkreismodelle zu kalibrieren, um unbekannte Parameter aus Trainingsdaten zu schätzen“, sagt Koeppl.

Die Mission des Forschers: biochemische Reaktionen in der Zelle wie ein Architekt am Computer entwerfen. „Die Synthetische Biologie muss vorhersagbar werden, wenn sie den Ingenieursansatz ernst nimmt“, betont Koeppl. „Denn ein Grundprinzip in der Ingenieurwissenschaft ist die Kombinierbarkeit von Komponenten. Man muss Teile und Systeme vorhersagbar wie Lego zusammensetzen können.“

Autorin: Beatrix Boldt