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Lebensmittelverpackungen haben vielfältige Funktionen: das Produkt muss vor Feuchtigkeit und Oxidation, aber auch gegen mechanische Belastungen geschützt werden. Behälter oder Tüten – ob aus Kunststoff oder Papier – werden daher oft mit einem speziellen Material versehen, das aus mehreren dünnen Schichten verschiedener verklebter Kunststoffe besteht und somit eine stabile Mauer gegenüber äußeren Einflüssen bildet. Damit weder Wasserdampf noch Sauerstoff die Qualität von Wurst, Fleisch oder Käse beeinträchtigen, sind bis zu sieben Schichten nötig. Das Problem: Die für diesen Mehrschichtverbund benutzten Klebstoffe wie Polyurethan sind in der Regel erdölbasiert und bilden keine gute Sauerstoffbarriere. Forscher vom Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung (IVV) in Freising haben nun eine pflanzliche Alternative entdeckt – die mehr kann.

Die Entdeckung der Klebrigkeit von Proteinen

Im Rahmen des Verbundprojektes „Barriereklebstoff für Lebensmittelverpackungen auf Basis von pflanzlichen Mizellenproteinen“ nahm das Team um Andreas Stäbler dafür Agrarreststoffe als Rohstoffquelle ins Visier. Schon länger ist nämlich bekannt, dass Proteine eine gute Sauerstoffbarriere aufweisen. Auf die Klebewirkung kamen die Fraunhofer-Forscher eher durch Zufall. „Nach der Fällung extrahierter Proteine schimpften die Techniker beim Reinigen der Anlagen,  dass das Zeug so klebrig ist“, berichtet Projektleiter Andreas Stäbler. Dieser unangenehme Nebeneffekt sollte sich als äußerst nützlich erweisen. Die Idee, einen pflanzenbasierten Klebstoff mit Barrierefunktion zu entwickeln, war geboren.

Agrarrohstoffe für Proteingewinnung testen

Das auf drei Jahre angelegte Forschungsvorhaben wird im Rahmen des Ideenwettbewerbs „Neue Produkte für die Bioökonomie“ seit 2014 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit insgesamt 300.000 Euro unterstützt. Für die Sondierungsphase von August 2014 bis April 2015 galt es zunächst, ein bestehendes Proteingewinnungsverfahren auf verschiedene Rohstoffe zu testen. Im Anschluss konnte mit dem entstandenen Produkt eine erste Klebstoffformulierung  entwickelt werden.

Lupinen-Proteine als Vorbild

Ausgangspunkt der Forschungsarbeiten war dabei eine in früheren Projekten optimierte Methode, um Mizellenproteine aus der Lupine zu gewinnen. Hierbei wurden die mithilfe einer Salzlösung extrahierten Proteine zur Fällung schlagartig verdünnt. „Durch den Ionenschock ändert das Protein seine Struktur und akkumuliert zu runden Aggregaten – sogenannten Mizellen. Durch diese strukturelle Umfaltung kommt die Klebrigkeit zustande“, erläutert Stäbler.

Foodstuffs packaging has a variety of functions: The product has to be protected against humidity and oxidation, but also against mechanical stresses. Therefore containers or bags – whether of plastic or paper – are often coated with a special material consisting of several thin layers of different glued plastics to form a durable protection against external influences. To ensure that neither water vapour nor oxygen impair the quality of meat or cheese, up to seven layers are needed. The problem: The adhesives used to keep these layers together, such as polyurethane, are generally mineral oil based and do not make a good barrier against oxygen. Researchers from the Fraunhofer Institute for Process Engineering and Packaging (Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung, IVV) in Freising have now discovered a plant-based alternative – that actually performs better.

The discovery that proteins stick

As part of the 'Barrier adhesive for foodstuffs packaging based on vegetable micelle proteins' joint project, Andreas Stäbler and his team selected residual matter from agriculture as a potential source of raw materials. For it has been known for some time that proteins form effective barriers against oxygen. But the Fraunhofer researchers happened upon their adhesive properties more or less by chance. "Following precipitation of extracted proteins, the technicians who had to clean the apparatus kept complaining how sticky the stuff is," reports project manager Andreas Stäbler. This irritating secondary effect was to prove highly useful, however. The idea of developing a plant-based adhesive with a barrier function was born.

Testing agricultural raw materials as protein sources

The three-year research programme has been supported by the Federal Ministry for Education and Research (Bundesministerium für Bildung und Forschung) with a total of 300,000 euros since 2014 as part of the 'New products for bio-economics' idea competition. In the pilot phase from August 2014 to April 2015 the work was concentrated on testing an existing protein production method on a range of raw materials. After this, the product that was developed could be used as a basis for an initial adhesive formula.

Lupin proteins as forerunners

The starting point for the research work was a method for producing micelle proteins from lupins that had been optimized in previous projects.  This involves sudden dilution of proteins that have been extracted with the aid of a saline solution. "The resulting ionic shock causes a change in the protein structure. It accumulates to spherical aggregates – so-called micelles. This structural refolding is what causes the stickiness," explains Stäbler.

In investigating agricultural residues, the researchers concentrated their attention especially on oil production waste, such as press cakes from sunflower and rapeseed oil production. At the same time, the new precipitation method was tested on bitter lupins. As a result, however, the researchers found that the protein production method could not be applied as effectively on other raw materials without modification. Thus the sunflower and rapeseed press cakes produced considerably lower yields than the lupins at first. In the meantime, the researchers believe they have found the reason for this. "We think the differing results from the extraction process can be put down to the amino acid structures specific to the raw materials, which lead to individual spatial arrangement patterns," explains project participant and bio-engineer Daniela von der Haar.

Increased micelle yield for rapeseed and sunflowers

"We are now able to achieve high quantities of micelle proteins from rapeseed and sunflower press cakes as well," says project manager Andreas Stäbler. So it proved to be possible to adapt the production process to cater for various raw materials as early as the current feasibility study.

Improving the adhesive properties of the lupin

Regarding the adhesive formula, there is still some work to be done. For instance, the micelle proteins from lupins showed good oxygen barrier values, but their adhesive effect was not as good as that of mineral oil based polyurethane systems. The researchers are now concentrating their efforts on improving the adhesive effect. In this respect, softeners such as glycerine or sorbitol show some promise. "By now we have been able to achieve a very good bond between paper and plastic. So far, though, when it comes to sticking plastic to plastic the residual water does not dry off sufficiently – we need to optimize this more," reports Stäbler.

The researchers hope that by the end of the two-year feasibility study in the coming year they will have solved this problem as well. "We have a functioning water-based system. But in the end we want to develop an adhesive system that can be used in other packaging systems as well," says von der Haar. To this end, the Fraunhofer team is working together with the Technical University of Munich and the Detmold adhesives manufacturer Jowat SE.

Reducing adhesive layers and costs

As well as the participating adhesives manufacturer from Detmold, other companies in that sector as well as firms from the packaging and film treatment industry are showing interest in the plant-based barrier adhesive. But the bio-adhesive would be suitable for more than just the protection of foodstuffs.  It would also provide a natural means of protecting electronic components from oxidation. "We want to combine the properties of barrier adhesive, bonding agent and oxygen barrier in a single material. This would allow us to reduce the number of layers needed from currently seven to three, namely paper, barrier adhesive and plastic layers. That would amount to cost savings of up to 40 percent," explains Andreas Stäbler.

Author: Beatrix Boldt

Um die Bioökonomie dauerhaft als zukünftige Wirtschaftsform zu etablieren, müssen nicht nur technologische Innovationen entwickelt werden, sondern auch geeignete Voraussetzungen auf politischer, wirtschaftlicher und gesellschaftlicher Ebene geschaffen werden. Dieser Anforderung widmet sich der Förderschwerpunkt „Bioökonomie als gesellschaftlicher Wandel“.  In der ihm zugehörigen Fördermaßnahme „Neue Formate der Kommunikation und Partizipation in der Bioökonomie“ geht es darum, die Gesellschaft aktiv in die Gestaltung der Bioökonomie miteinzubeziehen und sich somit noch stärker mit den aus gesellschaftlicher Perspektive als relevant betrachteten Aspekten der Bioökonomie auseinanderzusetzen.

Es sollen neuartige Formate, Instrumente und Methoden entwickelt und erprobt werden, die dazu beitragen, eine fundierte öffentliche Debatte über die Ziele und die Ausgestaltung der Bioökonomie zu fördern und damit möglichst breite Teile der Gesellschaft stärker einzubinden und/oder bürgerschaftliches Engagement zu stärken. Eine besondere Herausforderung liegt dabei im Umgang mit der Vielschichtigkeit, der Abstraktheit, der Offenheit der Entwicklung und dem teilweise kontroversen Charakter der Bioökonomie. Die durchgeführten Maßnahmen sollen gleichzeitig wissenschaftlich evaluiert werden, um zusätzlich – auch in andere Themenbereiche übertragbares – Wissen bezüglich der Erfolgsfaktoren von innovativen Kommunikations- und Partizipationskonzepten zu generieren.

Um ein möglichst breites – und interdisziplinäres – Spektrum von Sichtweisen aufzugreifen, sollten sich dazu Akteure aus unterschiedlichen Tätigkeitsfeldern zu Verbünden zusammenschließen. Idealerweise sollten WissenschaftlerInnen (bspw. aus den Sozial-, Politik-, Geistes-, Wirtschafts- und/oder Naturwissenschaften) mit VertreterInnen der organisierten Öffentlichkeit (bspw. Verbänden, NGOs) und AkteurInnen mit besonderen Vermittlungs- bzw. Kommunikationskompetenzen (bspw. aus den Bereichen Medien, Ausstellungswesen, Kunst/Design) zusammenarbeiten.

Italy is the second most important industrial country in the EU after Germany. The north is mainly industrialised, the south predominantly agricultural. The food sector, with its typical offerings such as olive oil, wine and pasta, is regarded as a supporting pillar of the country's economy. However, chemical exports contribute much toward its economic power. Therefore, future opportunities for the bioeconomy exist in the chemical industry in particular. To this end, the companies already modify former petrochemical plants. Italy does not have a national bioeconomy strategy. Rather, developments in this field are driven by industry.

Innovationen sind der Treiber auf dem Weg in eine biobasierte Wirtschaft. Ideen gibt es viele, doch nicht immer finden kreative Köpfe auch die passenden Partner in Wissenschaft, Wirtschaft und Gesellschaft, um diese auch umsetzen zu können. Mit dem neuen Förderkonzept „Innovationsräume Bioökonomie“ will das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) den Strukturwandel von einer erdölbasierten hin zu einer nachhaltigen, biobasierten Wirtschaft beschleunigen.

Innovationsbündnisse zur Bioökonomie schmieden

Im Rahmen eines Wettbewerbs werden Innovationsbündnisse gesucht, in denen Partner aus Wissenschaft, Wirtschaft und Gesellschaft Ideen für die Bioökonomie branchenübergreifend entwickeln und umsetzen. Innovationsraum-Konzepten, die in einem mehrstufigen Auswahlprozess punkten können, winkt ein Förderbudget von bis zu 20 Millionen Euro über fünf Jahre. Der Umfang der Förderung hängt jedoch von der Höhe der von den Projektpartnern aus der Privatwirtschaft aufgewendeten Mitteln ab.

Mit dem neu aufgelegten Förderformat soll eine Innovationskultur geschafften werden, die neue Formen der Zusammenarbeit auf dem Feld der biobasierten Wirtschaft definiert, gestaltet und aufgebaut. Die „Innovationsräume“ sollen allen Akteuren Freiräume schaffen, um Ideen und Vorhaben leichter anzukurbeln und umzusetzen. Hier könnten Partner von Hochschulen und Universitäten leichter mit Vertretern der Wirtschaft in Kontakt treten, um Ideen zu präsentieren. Im Gegenzug erhalten Unternehmen die Chance, frühzeitig einen Einblick in neue wissenschaftlich-technologische Entwicklungen zu nehmen.

Allianzen thematisch offen

Die Einbindung von Mittelstand und Großindustrie spielt in dieser neuen Innovationskultur eine entscheidende Rolle. „Denn für einen Wandel zur biobasierten Wirtschaft müsse die Bioökonomie eine breitere Palette von Verfahren, Produkten und Dienstleistungen entwickeln und Unterstützer und Anwender derselben finden“, heißt es im Ausschreibungstext der Fördermaßnahme. Eine Besonderheit: Thematisch gibt es für die Innovationsräume keine Vorgaben. Inhaltliche Leitplanken sind allenfalls die Handlungsfelder der "Nationalen Forschungsstrategie BioÖkonomie 2030", das Konzept "Bioökonomie als gesellschaftlicher Wandel" und der "Wegweiser Bioökonomie".

Mit dem Wettbewerb „Innovationsräume Bioökonomie“ werden die besten Ideen ausgewählt und gefördert. Der Weg zur Förderung umfasst mehrere Schritte:

• Die Ideen müssen zunächst nur kurz skizziert werden (Skizzenphase)
• Erst in der nächsten Phase erfolgt eine detaillierte Ausarbeitung der Konzeptideen (Konzeptionsphase)
• In der zweiten Phase der Förderung werden von den Partnern des Innovationsraums bis zu fünf Jahre lang Forschungs- und Entwicklungsvorhaben durchgeführt (Umsetzungsphase)

Bis zu 20 Mio. Euro Förderbudget

In der Umsetzungsphase stehen je Innovationsraum bis zu 20 Mio. Euro zur Verfügung. Die Einzel- oder Verbundprojekte können dabei über einen Zeitraum von fünf Jahren gefördert werden. Projekte von Hochschulen und Forschungseinrichtungen werden mit bis zu 100 Prozent, die von Unternehmen bis zu 50 Prozent von BMBF gefördert. Die unternehmerische Förderung ist jedoch an einen Eigenanteil von mindestens 50 Prozent der Kosten gebunden. In diesem Fall werden für jeden Euro Eigenmittel Fördergelder in Höhe von 1,50 Euro gewährt.

Mit der Administration der Fördermaßnahme „Innovationsräume Bioökonomie“ hat das BMBF den Projektträger Jülich (PtJ) betraut. Projektskizzen können bis zum 17. Februar 2017 beim Projektträger Jülich eingereicht werden.

Leichte Fahrzeuge, die im Verbrauch sparsam sind und so die Umwelt weniger belasten – so sollen die Autos der Zukunft aussehen. In der Autostadt Wolfsburg wurde jetzt der Grundstein für die übernächste Generation der Fahrzeugtechnik gelegt. Im Beisein von Bundesforschungsministerin Johanna Wanka wurde in Nähe des VW-Stammsitzes der LeichtbauCampus Open Hybrid LabFactory eingeweiht. Die Forschungsfabrik ist ein Aushängeschild privat-öffentlicher Investitionen. Rund 60 Mio. Euro haben das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), das Land Niedersachsen, die Stadt Wolfsburg sowie die Industriepartnern, allen voran die Volkswagen AG, bisher in Bau und Ausstattung des viergeschossigen Neubaus in der Hermann-Münch-Straße investiert.

200 Mio. Euro für die Leichtbauforschung

Der erste Spatenstich erfolgte im Dezember 2014. Auf knapp 5.200 Quadratmetern entstanden nun für knapp 200 Mitarbeiter und 150 Studenten neue Büros, Labore und ein Technikum. In den kommenden 15 Jahren sollen weitere 200 Mio. Euro in Forschungsprojekte am Leichtbaucampus fließen. 30 Mio. Euro stellt dabei das BMBF im Rahmen der Förderinitiative „Forschungscampus – öffentlich-private Partnerschaft für Innovationen“ bereit. „Die Forschungsfabrik ist das weit über Wolfsburg hinaus beachtete Ergebnis einer fruchtbaren Zusammenarbeit von Wissenschaft und Wirtschaft. Hier wird das Auto der Zukunft entwickelt“, äußerte Bundesforschungsministerin Johanna Wanka bei der feierlichen Eröffnung am 22. September in Wolfsburg. Die Forschungsfabrik ermögliche, neue Produkte, Verfahren und Dienstleistungen schneller umzusetzen, so Wanka weiter.

Kompetenzen bündeln

Der LeichtbauCampus demonstriert eine neue Art der Zusammenarbeit von Wissenschaft und Wirtschaft. Hier werden Experten aus Universitäten, Forschungseinrichtungen und Industrie gleichberechtigt zusammenarbeiten und ihre Kompetenzen auf dem Feld der Leichtbauforschung bündeln. Unter der Federführung des Niedersächsischen Forschungszentrums für Fahrzeugtechnik der TU Braunschweig werden neben Volkswagen, die Fraunhofer-Gesellschaft, sowie sieben weitere international tätige Unternehmen und zahlreiche Projektmitglieder unter dem Dach zusammenarbeiten. In der Open Hybrid LabFactory sollen Schlüsseltechnologien für Fahrzeugkarossen und Antriebsysteme der neuen Autogeneration entstehen, die auch kostengünstig in größeren Stückzahlen produziert werden können. „Dieser Campus soll Maßstäbe setzen bei der Entwicklung von emissionsärmeren, sicheren und gleichzeitig kostengünstigeren Fahrzeugen. Er soll wegweisend sein für die Forschung auf dem Gebiet des automobilen Leichtbaus“, erklärte der Vorstandsvorsitzende der Volkswagen AG, Matthias Müller.

Auf dem Weg zur nachhaltigen Automobilindustrie

Bisherige Leichtbaulösungen sind noch teuer und ineffizient in der Ressourcennutzung und daher noch ein Nischenprodukt. Der neu eröffnete Forschungscampus soll das ändern. Dafür wollen die Partner auch die so genannte Hybridbauweise weiter vorantreiben. Dabei soll die gesamte Wertschöpfungskette für hybride Bauteile abgebildet, von der Konzeption über die Herstellung, den Fertigungsprozessen bis hin zum Recycling abgebildet werden. Ziel ist es, verschiedene Werkstoffe wie Metall, Kunststoff und textile Strukturen möglichst zu leichten Bauteilen zusammenzufügen, so dass die neuen Konstruktionen auch in Punkto Sicherheit und Leistung mit den konventionellen Autos mithalten können. „Leichter und dennoch sicher – das sind wichtige Parameter auf dem Weg zu einer nachhaltigen Automobilindustrie“, betonte auch Niedersachsens Ministerpräsident Stephan Weil.

Unter dem Dach der Forschungsfabrik werden gleich drei Fraunhofer-Einrichtungen- das Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, das Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU und das Institut für Holzforschung Wilhelm-Klauditz-Institut WKI, ihre Kompetenzen im Bereich Leichtbau und Elektromobilität einbringen. Von der gebündelten Kompetenz sollen auch Studenten und Nachwuchsforscher profitieren.

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It is estimated that the country's energy needs will be fivefold within the next 25 years. By 2025, the government plans for biodiesel to cover 20% of the energy sector’s demand. It is to be obtained mainly from agricultural and forestry waste products. In its "National Biodiesel Mission", the country also identified the jatropha plant as a beacon of hope. However, the expectations that were given to this plant as a supplier of biodiesel have not yet been met. In addition to biofuels, there are many opportunities for innovation in the food sector.

Die Herstellung von Leder hat eine lange Tradition. Lange bevor die Chemie im 19. Jahrhundert bei der Ledergerbung Einzug hielt, nutzte der Mensch vor allem pflanzliche Stoffe, um Häute zu gerben und sie so für sich nutzbar zu machen. Diese in den Hintergrund getretene Tradition der Ledergerbung hat Heinz-Peter Germann mit neuen Mitteln wiederbelebt. Der bei Darmstadt aufgewachsene Chemiker zählt heute zu den bekanntesten Lederexperten. „Alles was von der klassischen Chemie abweicht, hat mich schon immer interessiert“, sagt der 58-Jährige. Von Anbeginn seiner Karriere galt sein besonderes Interesse den Naturstoffen, konkret den Peptiden und Eiweißen mit ihren natürlichen Eigenschaften, Dinge und Prozesse zu verändern.

Seine Begeisterung für die Lederherstellung wurde bereits während seines Studiums der Peptid- und Eiweißchemie an der Hochschule Darmstadt geweckt. Hier war es vor allem sein späterer Doktorvater Eckhardt Heidemann, der mit seiner Arbeitsgruppe auch das Feld der Lederforschung ins Visier nahm und Germann den Impuls für seine spätere berufliche Karriere gab. „Mich hat fasziniert, dass so ein Gebrauchsmaterial auch seinen Ursprung in chemischen Prozessen hat und erst mithilfe der Chemie zu einem schönen Material wird.“

Nachhaltige Gerbmethode gesucht

85 Prozent aller weltweit produzierten Lederwaren werden heute mit Chrom-III-Salzen gegerbt. Mithilfe des Metallsalzes gelingt es, die verderblichen Tierhäute in ein geschmeidiges, stabiles und beliebig färbbares Material umzuwandeln. Doch bei allen Vorteilen: die Chemikalie birgt Gefahren für Umwelt und Gesundheit und das behandelte Leder sowie Lederreststoffe aus der Produktion sind aufgrund des (Schwer-)Metallgehalts ungeeignet für einen biologischen Kreislauf. Auch die vor ca. drei Jahrzehnten aufkommende chromfreie Alternative, mit Glutaraldehyd zu gerben, erbrachte keinen entscheidenden Durchbruch in der Nachhaltigkeit, da eine toxische Reaktivchemikalie mit stark ätzender Wirkung auf die Haut zum Einsatz kommt, die – wie alle anderen synthetischen Alternativprodukte – aus fossilen Rohstoffen erzeugt wird.

„Das war der Ansporn nach einem ökologisch nachhaltigen Ledergerbverfahren zu suchen – basierend auf einem nachwachsenden Rohstoff und ohne Einschränkung auf die Nutzung oder die biologische Abbauarbeit der Reststoffe.“ Die Lederherstellung gesünder und nachhaltiger zu machen, wurde somit zur Lebensmaxime von Heinz-Peter Germann. Lange bevor die Bioökonomie hierzulande Fuß fasste, suchte der naturverbundene Chemiker nach alternativen Gerbverfahren. Als Direktor des einstigen Lederinstituts in Reutlingen trieb er seine Visionen voran, forschte und lehrte von 1987 bis zur Schließung der Einrichtung 2011.

Olivenreststoffe nutzen

2006 entstand im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojekts der Reutlinger Lederspezialisten mit der Firma N-Zyme BioTec, die Idee, Olivenreststoffe wie die Blätter zum Gerben zu nutzen. „Am Anfang war ich gar nicht so fasziniert. Erst bei näherer Betrachtung zeigten sich die Vorteile“, erinnert sich Germann.

Mikrobielle Gemeinschaften nehmen in Ökosystemen weltweit eine Schlüsselposition ein. Sie spielen bei essenziellen biologischen Funktionen vom Kohlenstoff- über den Stickstoffkreislauf in der Umwelt bis hin zur Regulation von Immun- und Stoffwechselprozessen in tierischen oder menschlichen Körpern eine wichtige Rolle. Sie eingehender zu erforschen, ist daher das Ziel vieler Wissenschaftler.

Bei Bakterien wird die ribosomale RNA entziffert

Genomforscher weltweit setzen inzwischen voll auf sogenannte Next Generation Sequencing-Technologien (NGS): Die aktuellen Geräte können mit geringem personellem Aufwand innerhalb kürzester Zeit eine wahre Flut von Sequenzierungs-Daten produzieren. Die Sequenzanalyse sogenannter bakterieller 16S-rRNA-Gene ist heutzutage die häufigste unter den Identifikationsmethoden von Bakterien. Die 16S-rRNA-Gene gelten als ideale molekulare Marker für die Rekonstruktion von Verwandtschaftsgraden unter Organismen, weil an ihnen die gesamte Entwicklungsgeschichte eines Organismus abgelesen werden kann. Die Abkürzung rRNA steht für ribosomale Ribonukleinsäure.

Gigantischer Berg aus Rohdaten

Im Sequenz Read Archive (SRA), eine öffentliche bioinformatische Datenbank fürs Archivieren von Sequenzen, sind inzwischen über 100.000 solcher 16S-rRNA–Sequenzen als Datensätze zusammengekommen. Denn die neuen technischen Verfahren der DNA-Sequenzierung haben den Umfang und die Komplexität genomischer Forschungsdaten in den vergangenen Jahren explosionsartig anwachsen lassen. Im SRA schlummern Datensätze, die in ihrer Gesamtheit bisher nicht auswertbar sind. „Über all die Jahre wurden aber nicht nur Sequenzen von humanen Umgebungen wie Darm oder Haut genommen, sondern ebenso vom Boden oder aus dem Ozean“, erklärt Thomas Clavel vom Zentralinstitut für Ernährungs- und Lebensmittelforschung (ZIEL) an der TU München.

Plattform führt Datensätzen zusammen

„Wir haben jetzt ein Tool geschaffen, womit sich diese Datenbanken in relativ kurzer Zeit durchsuchen lassen, um Verwandtschaften unter Bakterien zu erkennen“, sagt Clavel . Die neue Plattform heißt Integrated Microbial Next Generation Sequencing (IMNGS) und ist über www.imngs.org allgemein zugänglich. Wie IMGS funktioniert, wird am Beispiel des Darmbakteriums Acetatifactor muris  im Fachjournal „Scientific Reports“ detailliert beschrieben.

„Ein Wissenschaftler kann damit binnen einiger Stunden eine Abfrage durchführen, um zu überprüfen, in welcher Art von Proben wie etwa Boden- oder Darmproben das ihn interessierende Bakterium noch zu finden ist – beispielweise ein pathogener Erreger aus dem Krankenhaus. Diese Querverbindungen auszulesen war bisher nicht möglich.“

Grundlage für die Routinediagnostik

Bald könnten solche bioinformatischen Sequenzierungen aus der täglichen klinischen Routinediagnostik nicht mehr wegzudenken sein. Ein kritischer Punkt ist dabei aber, dass die vielen Unterarten der mikrobiologischen Gemeinschaften beschrieben werden müssen, da sie nicht ganz so leicht identifiziert und nummeriert werden können. „Das wird die große Herausforderung sein“, sagt Clavel – „die Qualität der Daten ist noch nicht gut genug, die Beschreibungen der einzelnen Proben in der Datenbank sind unvollständig und somit die Vergleichsmöglichkeiten per IMNGS derzeit noch eingeschränkt.“

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Die Muskeln des Holzes sind seine Zellwände. Denn über die Menge an Wasser, die sie aufnehmen, steuern sie das Verhalten des Holzes: welche Kräfte es ausübt, welchen Belastungen es standhält oder wie es etwa die Schuppen von Tannen- oder Kiefernzapfen bewegt. Wie der Wassergehalt der Zellwände die Eigenschaften des Holzes bestimmt, wie also dessen Muskeln funktionieren, beschreiben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam, des Institute de Chimie Séparative de Marcoule und der Universität Montpellier nun mit einem mathematischen Modell. Die Forscher berichten im „New Journal of Physics“ über ihre Arbeit. Die Formel erweitert nicht nur das Verständnis, wie Holz zu seinen mechanischen Eigenschaften kommt, sondern könnte auch helfen, ungiftige Holzschutzmittel zu entwickeln.

Holz ohne Rinde muss imprägniert werden

Was dem Holz im Baum Elastizität und Härte gibt, macht Holz als Werkstoff schnell unbrauchbar. Denn wenn es keine Rinde mehr gibt, die das Holz schützt, wird es zu einer leichten Beute für Pilze, sobald es erst einmal feucht ist. Daher bestrichen römische Bootsbauer Schiffrümpfe schon in der Antike mit Pech, damit das Holz kein Wasser aufnimmt. Und in den vergangenen 300 Jahren imprägnierten sie den natürlichen Werkstoff ebenso wie alle Handwerker, die Holz für einen Außeneinsatz präparieren, mit Creosoten, die aus dem mit Pech verwandtem Teer gewonnen werden. Da diese Substanzen aber krebserregend sind, haben die Gesundheitsbehörden vieler Länder sie inzwischen weitgehend verboten.

Forscher suchen alternative Chemikalien, die Holz ebenso effektiv schützen. „Diese Suche dürfte mit unserem Modell einfacher werden“, sagt Luca Bertinetti, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung. Denn die Formel beschreibt, wieviel Wasser Holzzellen, genauer gesagt deren Wände, abhängig von der relativen Luftfeuchtigkeit speichert. Sie kann dabei auch wiedergeben, wie eine Substanz, mit der der natürliche Werkstoff behandelt wird, die Wasseraufnahme beeinflusst.

Zellwand als Geflecht von Molekülfasern  

In einem ersten Schritt hin zu ihrer Formel, betrachteten die Wissenschaftler, wie die Wände der Holzzellen aufgebaut sind und wie sich diese Struktur verändert, wenn sie Wasser aufsaugt. Bei der Zellwand handelt es sich um ein natürliches Verbundmaterial, besteht sie doch aus verschiedenen biologischen Polymeren: Zum einen wird sie von parallel angeordneten Cellulosefasern durchzogen, die im trockenen Zustand etwa die Hälfte ihrer Masse ausmachen. Um die Cellulosefasern winden sich zum anderen Fäden von Hemicellulose und Lignin. Beide Molekülketten sind an zahlreichen Stellen mit der Cellulose fest verbunden. Die Hemicellulose- und Ligninfasern speichern das Wasser, das die Zellwand aufnimmt, wie in einem Schwamm. Die Mischung der beiden Komponenten quillt auf und weitet die Cellulosebündel. „Wie viel Wasser die Zellwand aufnehmen kann, hängt entscheidend von den Kräften ab, die dabei wirken“, sagt Luca Bertinetti. Daher haben er und seine Kollegen in ihrem Modell eine Bilanz der wichtigsten Kräfte aufgestellt.

Den größten Beitrag leistet die Hydratationskraft: Sie schiebt die Cellulosefasern auseinander, weil sich die Wassermoleküle gerne auf den wasseranziehenden Fasern der Cellulose und der Hemicellulose anlagern. Der Beitrag der Hemicellulose wird zwar dadurch aufgehoben, dass die Ligninfasern Wasser abstoßen. Unterm Strich bleibt aber die anziehende Wirkung der Cellulose, die einen Sog erzeugt.

Holz berechenbarer gemacht

Es gibt jedoch auch Kräfte, die das Quellen des Holzes eher behindern. Auch diese haben Luca Bertinetti und seine Kollegen in ihrer Formel berücksichtigt. Forscher, die neue Holzschutzmittel entwickeln, könnten genau davon profitieren, dass sich nun erstmals eine Bilanz aller wichtigen Kräfte, die bei der Wasseraufnahme wirken, aufstellen lässt.

„Holzingenieure können nun nämlich berechnen, wie es sich auf die Quellfähigkeit des Holzes auswirkt, wenn sie einzelne Kraftbeiträge in dieser Bilanz verändern“, so Bertinetti. So können sie mithilfe der Formel abschätzen, wieviel Wasser Holz noch aufnimmt, wenn sie etwa die Hydratationskraft schwächen. Diese lässt sich durch wasserabstoßende Substanzen auf die Cellulose oder Hemicellulose verringern. „Früher musste ein Holzingenieur durch Versuch und Irrtum testen, wie verschiedene Holzbehandlungen die Wasseraufnahme beeinflussen“, sagt Luca Bertinetti. Die Potsdamer Forscher haben mit ihrem Beitrag das Holz also ein gutes Stück weit berechenbarer gemacht.

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