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Das Berliner Biotech-Unternehmen Organobalance hat gemeinsam mit BASF ein probiotisches Lutschbonbon entwickelt, das den wichtigsten Karieserreger Streptococcus mutans aus dem Speichel verdrängt. In den zuckerfreien Pastillen enthaltene Milchsäurebakterien verklumpen mit den schädlichen Mikroben und hindern sie daran, sich auf dem Zahnschmelz abzulagern. So lässt sich Karies verhindern, wie eine klinische Pilotstudie zeigt, die in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazin „Probiotics and Antimicrobial Proteins“ erschienen ist. Im Moment forschen die Mikrobiologen an weiteren Möglichkeiten, wie Bakterien- und Hefestämme gegen Krankheiten eingesetzt werden können.

Das Produktionsverfahren, in dem die winzigen Nützlinge fermentiert, geerntet und anschließend getrocknet werden, hat der Chemiekonzern BASF entwickelt. Die Mikroben werden durch Erhitzen abgetötet, bevor sie einer zuckerfreien Bonbonmasse beigemischt werden. Dass schlussendlich echte Lutschbonbons dabei herauskamen, war der Beitrag des bekannten deutschen Hustenbonbon-Fabrikanten Dr. Soldan. Den betreffenden Lactobacillus-Stamm steuerte die Organobalance GmbH aus ihrer umfassenden Stammdatenbank bei.

Wirkung in klinischer Studie bestätigt

Kürzlich testeten die Forscher die Bondbons erstmals am Menschen. In einer Placebo-kontrollierten Doppelblind-Studie verabreichten sie den Probanden ihre Bakterien-Pastillen. Das Ergebnis: Bereits nach kurzer Zeit sank die Zahl der Karieserreger im Speichel. Die toten Bakterien verklumpten mit S. mutans. So wurden die Erreger daran gehindert, sich in Plaques auf dem Zahnschmelz abzulagern und wurden beim Schlucken aus der Mundhöhle entfernt. Der Gebrauch der getöteten Bakterienkulturen in Lutschbonbons könne somit das Kariesrisiko deutlich senken, schreiben die Forscher in ihrer Publikation.

Bakterienstamm ist hochselektiv und sicher

In Laborversuchen stellten die Mikrobiologen zuvor fest, dass ein spezieller Bakterienstamm von L. paracasei ausschließlich mit dem Übeltäter Streptococcus mutans verklumpt. Sowohl in der klinischen Studie als auch im Reagenzglas seien andere Bakterien der Mundflora unbeeinflusst geblieben, heißt es in der Veröffentlichung. Für den genauen biologischen Vorgang, wie die Milchsäurebakterien bestimmte Krankheitserreger verdrängen, gibt es mehrere Erklärungsansätze. „Ob die probiotischen mit den unerwünschten Bakterien interagieren können, hängt von den individuellen Oberflächenstrukturen der Bakterienstämme ab“, erklärt Klaus Pellengahr von Organobalance. „Man braucht für die Interaktion also keine lebende Bakterie, solange die Oberflächenstrukturen der Zelle erhalten bleiben“, so Pellengahr weiter. „Es handelt sich hier um Lebensmittelorganismen, wie sie alltäglich in Milchprodukten verzehrt oder seit Jahrtausenden zur Lebensmittelherstellung genutzt werden. Daher ist die Methode absolut unbedenklich“, versichert der Forscher.

Diversität der Mikroben nutzen

Bisher war das Mittel der Wahl zur Kariesvorbeugung fluorhaltige Zahnpasta. Das Konzept der Berliner soll noch einen Schritt weitergehen: „Wir härten nicht mehr nur den Zahnschmelz gegen die Säure, die durch Kariesbakterien verursacht wird“, erklärt Mikrobiologin Christine Lang von Organobalance, „sondern wir reduzieren die Zahl der Bakterien, so dass es im Idealfall erst gar nicht zu einer Belastung für den Zahnschmelz kommt.“ Bereits vor einiger Zeit haben die Wissenschaftler eine Bakterien-haltige Zahnpasta entwickelt, die in Kroatien vermarktet wird. Zudem verfolgen sie auch in anderen Bereichen die Strategie, Hefen und Bakterienstämme mit probiotischer Wirkung zu identifizieren und damit gegen Krankheiten vorzugehen. Gegen den Erreger Helicobacter pylori kann das Unternehmen ebenfalls einen wirksamen Lactobacillus-Stamm aus seinem Arsenal vorweisen. Helicobacter ist mitunter für die Entstehung von Magengeschwüren verantwortlich. „Wir freuen uns sehr darüber, dass uns der Schritt von Laborversuchen zu erfolgreichen klinischen Studien in beiden Indikationen gelungen ist, und wir die Wirksamkeit unserer Bakterienstämme somit erstmals in vivo bestätigen konnten“, sagt Pellengahr.

Milchsäurebakterien, auch als Lactobacillales bekannt, sind gefragte Helfer und Zusätze in der Lebensmittelindustrie. Doch das Potenzial dieser nützlichen Bakterien ist weitaus größer, wie die Berliner Organobalance GmbH in einer klinischen Studie demonstriert hat. In der hauseigenen Sammlung von Bakterien und Hefestämmen fanden die Organobalance-Forscher dieses Mal einen Organismus, der gegen trockene Haut helfen kann: das Bakterium Lactobacillus brevis DSMZ17250.

Extrakt lindert Entzündungen und schützt Haut

Im Rahmen der Studie wurde die Wirkung eines Milchsäurebakterien-Extraktes an Probanden getestet, die unter chronisch trockener Haut litten. Im Ergebnis der vierwöchigen Behandlung zeigte sich, dass Lactobacillus brevis nicht nur entzündungshemmend wirkt, sondern auch die Besiedlung der Haut durch schützende, symbiotische Mikroorganismen fördert, wie das Team im Fachjournal „Beneficial Microbes“ berichtet.

Bakterium verbessert Mikrobiom der Haut

Die tägliche Behandlung mit dem zellfreien Lactobacillus-Extrakt führte danach zu einer signifikanten Verbesserung der geschädigten Haut. Mithilfe der Milchsäurebakterien konnte der Feuchtigkeitsverlust der Haut und damit auch Symptome wie Juckreiz, trockene oder brennende Haut deutlich reduziert werden. Auch wurde die Hautmikrobiota verbessert und das Wachstum verschiedener Bakterienstämme wie Staphylococcus epidermidis, die positive, schützende Eigenschaften auf die Haut haben, nachweislich gefördert.

Basis für neue Hautpflege-Produkte

"Der Extrakt, den wir aus natürlichen Bakterien gewonnen haben, kann die Basis für verschiedene Hautpflege-Produkte sein", sagt Organobalance-Geschäftsführerin Christine Lang. Organobalance entwickelt seit 2001 Produkte auf Basis probiotischer Bakterienkulturen sowie Hefeproduktionsstämme für Lebensmittel, Kosmetik, Futtermittel, Landwirtschaft und Pharma. Darunter unteranderem probiotische Wirkstoffe gegen Karies, Magenbeschwerden oder bakteriell bedingten Schweißgeruch. Seit September gehört das Berliner Biotechnologie-Unternehmen zum dänischen Enzymspezialisten Novozymes. Nach dem Erfolg der Studie soll der hautfreundliche Bakterienextrakt ebenfalls in Kosmetikprodukten zur Anwendung kommen. Dafür wurde der neue Kandidat an die Organobalance Medical AG auslizensiert, die zukünftig unter dem Namen Belano Medical AG firmiert.

Ameisen sind emsige Arbeiter. Die sozialen Insekten formen einen Superorganismus mit einer klaren Rollenverteilung. Zudem kooperieren die Ameisen mit anderen Lebewesen, die ihnen Schutz vor Fraßfeinden bieten oder sie mit Nahrung versorgen. Dass Ameisen wie viele Lebewesen in Symbiose zu anderen Tieren und Pflanzen leben ist zwar nicht neu. Forscher der Ludwigs-Maximilians-Universität München sind jedoch einer außergewöhnlich engen Lebensgemeinschaft der Insekten auf die Spur gekommen.

Gezielter Kaffeanbau in luftiger Höhe

Auf den Fidschi-Inseln im südpazifischen Ozean entdeckte ein Team um die Botanikerin Susanne Renner eine Ameisenspezies, die gezielt hoch oben in den Baumwipfeln Pflanzen anbaut, in deren Hohlräumen sie später nisten kann. Bei der Ameisenart handelt es sich um Philidris nagasau, die nachweislich ein besonderes Gärtner-Talent besitzt. Mindestens sechs eng verwandte Arten der Kaffeepflanzengattung Squamellaria werden von ihr kultiviert. Und das bereits seit drei Millionen Jahren, wie die Forscher im Fachjournal „Nature Plants“ berichten. „Als Wirtsbaum dienen drei bis vier Arten, die auch für die Ameisen vorteilhaft sind: Entweder, weil sie gut zugänglichen Nektar bilden, oder weil sie eine besonders weiche Rinde haben, sodass die Ameisen bestehende Risse leicht vergrößern können“, sagt Susanne Renner.

Partner für Ewig aus Tradition

Wie echte Pflanzenzüchter wählten auch die Ameisen nur geeignete Samen aus. Die von ihnen testweise ausgelegten Reiskörner oder andere Samen wurden von den Ameisen nicht beachtet. Stattdessen wählten sie jeweils nur Samen von der auf Bäumen wachsenden Pflanzeart Squamellaria aus und platzierten diese in den Rissen der Wirtsbaumrinde, wo sie im Laufe der Zeit auskeimten und zur Kaffeepflanze heranwuchsen. Der Studie zufolge entwickelten die Kaffeesamen dafür im Laufe der Jahrmillionen einen besonders geformten „Fuß“, der ihnen hilft, aus der Rindenspalte heraus ans Licht zu wachsen.

Dabei bilden sie knollige Gewächse, in deren Hohlräume die Ameisen ein und aus gehen, um die werdende Pflanze mit Kot und Urin zu düngen, da sie als Epiphyt, sogenannte Aufsitzerpflanze, keine Nährstoffe aus dem Boden aufnehmen kann. Je größer die Pflanze wird, um so größer wird auch der Hohlraum, den die Armeisen als geschützten Wohnraum nutzen. Die Symbiose zwischen der Kaffeepflanzenart Squamellaria und dem Armeisenvolk Philidris nagasau ist den Forschern zufolge inzwischen so eng, dass keiner ohne den Anderen mehr existieren kann. Die Münchner Botaniker vermuten, dass die Ameisen im Laufe der Jahrmillionen eine besonders effiziente Art der Vermehrung der Wirtspflanze entwickelt haben, nachdem sich die Kaffeepflanze an das Leben auf dem Baum gewöhnt hatte.

Damit der Anbau von gentechnisch veränderten Nutzpflanzen in Deutschland verboten werden kann, hat die Bundesregierung einen Entwurf zur Änderung des Gentechnikgesetzes vorgelegt. Damit soll nun insbesondere die Ausnahmeregelung „Opt-out“ gesetzlich verankert werden. Aber auch im Hinblick auf den Forschungszweig der Synthetischen Biologie sind Änderungen vorgesehen.

Der Änderungsentwurf 18/10459 soll die Ausnahmeregelung 2015/412 des Europäischen Parlaments und des Rates vom 11. März 2015 zur Änderung der Richtlinie 2001/18/EG umsetzen, nach der EU-Mitgliedstaaten nationale Anbauverbote oder Beschränkungen auch für solche gentechnisch veränderten Organismen (GVO) beschließen können, die in der EU zugelassen sind.

Ausnahmen für den Anbau von Gentechnik-Pflanzen

Die Regelung sieht vor, dass in Deutschland künftig Bund und Länder gemeinsam über den Anbau gentechnisch veränderter Pflanzen bestimmen. Dem Verfahren nach können Unternehmen den Anbau von GVO auf EU-Ebene beantragen, woraufhin die Bundesrepublik noch während des laufenden Antragsverfahrens die Firma auffordern kann, Deutschland vom Anbau auszuklammern.

Zuvor müssen die Bundesländer Stellungnahmen an das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) abgeben. Votiert eine Mehrheit der Länder für ein Verbot, teilt das Bundesministerium dem jeweiligen Unternehmen die Entscheidung mit. Widerspricht der Unternehmer der Entscheidung, muss die Bundesregierung den Anbau für ganz Deutschland „aus wichtigen Gründen“ beschränken oder verbieten, da das Unternehmen dem Verbot sonst nur in Teilen Deutschlands nachkommen muss.

Die Begründung könne aber nur aus einem regionalen oder lokalen Kontext erfolgen, der gleichzeitig für das gesamte Bundesgebiet gültig sein muss. Ist es bis zu diesem Punkt noch nicht zu einem flächendeckenden Anbauverbot gekommen, sollen die Bundesländer in einem letzten Schritt Verbote mit Hilfe von Verordnungen auf Basis zwingender Gründe durchsetzen können. Dafür kämen umweltpolitische Ziele in Betracht, etwa der Schutz der biologischen Vielfalt oder sozioökonomische Auswirkungen auf die kleinbäuerliche Landwirtschaft oder agrarpolitische Ziele wie die Förderung des ökologischen Landbaus oder Reinheit des Saatguts in Gebieten mit Saatgutvermehrungsflächen. Darüber hinaus sollen auch die Stadt- und Raumordnung, die Bodennutzung oder die Wahrung der öffentlichen Ordnung zur Begründung angeführt werden können.

Synthetische Biologie: Monitoring gesetzlich verankert

Auch zum Thema "Synthetische Biologie" enthält der Gesetzesänderungsentwurf Neues: So wird nun erstmals gesetzlich verankert, dass die Kommission für die Biologische Sicherheit (ZKBS) zuständig für ein wissenschaftliches Monitoring der synthetischen Biologie ist. Die ZKBS ist eine unabhängige Kommission beim Bundesamt für Verbraucherschutz, die Bund und Länder bei der Sicherheitsbewertung von gentechnischen Organismen und Anlagen berät. Sie führt bereits seit Jahren ein Monitoring für das Thema „Synthetische Biologie“ durch.

Am 2. Dezember beschäftigte der Änderungsentwurf die Bundestagsausschüsse, am 16. Dezember wird der Bundesrat diskutieren.

sk,pg

Als Trendsetter würde sich Martin Bastmeyer nicht bezeichnen. Und doch ist er einer der Ersten, der die Chancen des 3D-Druckes für die Zellbiologie erkannte, als die Technologie hierzulande noch in den Kinderschuhen steckte. Im September wurde der Karlsruher Forscher für die Entwicklung der ersten 3D-Designer-Petrischale mit dem Erwin-Schrödinger-Preis der Helmholtz-Gemeinschaft ausgezeichnet, gemeinsam mit dem Physiker Martin Wegener und dem Chemiker Christopher Barner-Kowollik.

In Trier aufgewachsen begeisterte sich Bastmeyer wie andere Kinder auch für die Natur und sammelte Käfer. „Anfangs interessierte mich eher die klassische Biologie. Erst im Hauptstudiengang habe ich gemerkt, dass mich die Zellbiologie doch wesentlich mehr interessiert als die Zoologie.“ Während seines Biologiestudiums und der anschließenden Promotion an der Universität Kaiserslautern rückte zunehmend die Entwicklungsneurobiologie in den Fokus des Biologen. „Diese Disziplin war damals in dem spannenden Stadium, in dem man sich von Beschreibenden weg hin zu den molekularen Mechanismen bewegte“, erinnert sich Bastmeyer.

Neue Technologien im Visier

Grundlegende Fragen, wie eine Zelle auf molekularer Ebene funktioniert oder wie Signale verarbeitet werden, treiben Bastmeyer bis heute an. Dabei bewegte er sich abseits bewährter Pfade und hielt stets Ausschau nach neuen Technologien, die seine Suche nach Antworten unterstützen können. So entdeckte er Mitte der 1980-iger Jahre die Videomikroskopie für seine Doktorarbeit, als die Elektronenmikroskopie noch das Standardwerkzeug im Labor war. „Ich habe früh angefangen, mir neue Techniken anzueignen, ehe es andere Leute gemacht haben“, sagt der Forscher.

Nach seiner Dissertation forschte Bastmeyer in Tübingen am Max-Planck-Institut für Biologie, am Lehrstuhl für Entwicklungsneurobiologie an der Universität Konstanz und am Salk Institute in San Diego. Nach weiteren Jahren in Konstanz und einer ersten Professur für Neurobiologie an der Universität Jena kam er 2004 an die Universität Karlsruhe, dem heutigen KIT, wo er seither lehrt und forscht.

Der Blick über den Tellerrand seines eigenen Fachbereiches ist für den Entwicklungsneurobiologen selbstverständlich. Bereits 1995 hatte eine damals eher zufällige Zusammenarbeit mit Physikern in Konstanz, dem Forscher ein neues Werkzeug zur Zellkultivierung in die Hand gegeben. „Dadurch habe ich wieder völlig neue Techniken kennengelernt und konnte anfangen, Zellen auf zweidimensionalen, mikrostrukturierten Substraten zu kultivieren“.

Umgebung der Zellen simulieren

Doch die seit über einem Jahrhundert bewährte Tradition, Zellen in der Kulturschale zu züchten und zu analysieren, stößt an Grenzen. Der Grund: In der Petrischale verhalten sich Zellen anders als im Körper. „In unserem Körper kommen Zellen in einer komplexen dreidimensionalen weichen Umgebung vor. Um Zellen adäquat zu erforschen, ist es daher wichtig, die Prozesse, die in der Umgebung ablaufen, möglichst real abzubilden“, erklärt Bastmeyer. Eine Zellkultur zu etablieren, deren Bedingungen so sind, wie sie im Körper herrschen, ist das Ziel des Forschers. Die damals aufkommende 3D-Technologie schien die Lösung zu sein.

Zellen in 3D zu kultivieren, ist ein großer Trend in der Biomedizin. Bastmeyer fehlt es aber an der Systematik, welche eine Quantifizierung der einzelnen Parameter ermöglicht. „Es gibt ganz viele verschiedene Faktoren, die auf die Zellen einwirken und die muss man einzeln kontrollieren können“.

Mikrogerüste in 3D bauen

2005 wurde der Biologe auf die Arbeit von Wegener am Nachbarinstitut für Angewandte Physik und Nanotechnologien in Karlsruhe aufmerksam. Der Physiker befasste sich damals mit laserbasierter Lithografie. Hier wurden Mikrogerüste mithilfe eines Lasers in einen speziellen Fotolack geschrieben, der einer 3D-Schicht gleicht. Konkret heißt das: Der Fotolack härtet nur an den Stellen aus, die der Laserstrahl belichtet. So entsteht ein Gerüst. Bastmeyers Vorschlag, auf diesem Mikrometer großen 3D-Gestell Zellen züchten zu wollen, stieß anfangs auf wenig Begeisterung bei seinem Kollegen: „Er war, glaube ich, etwas verwundert. Aber ein paar Monate später sagte er, wir können das mal ausprobieren“.

2008 bekam das Duo Unterstützung von dem Chemiker Christoph Barner-Kowollik vom Institut für technische Chemie und Polymerchemie. Er entwickelte schließlich Fotolacke, die eine gezielte Funktionalisierung ermöglichen. Somit konnten nun Biomarker punktgenau angebraucht werden, mit denen die Zellen wechselwirken können.

Zellreaktionen im Modell beobachten

Das Gebilde selbst gleicht einem Hocker, dessen Beine durch ein Gitter verbunden sind. Seit vier Jahren ist das 3D-Gestell einsatzbereit. Nicht nur die 3D-Architektur, sondern auch die Beschaffenheit des Gebildes können bestimmt werden. „Inzwischen können wir zwei bis drei Signalmoleküle gezielt in dem 3D-Gerüst unterbringen. Wir können entscheiden, welche Proteine wo angebracht werden und analysieren, wie die Zelle reagiert“, erklärt Bastmeyer nicht ohne Stolz.

Herzmuskel-, Bindegewebsbildungs- und auch Stammzellen konnte der Karlsruher Forscher auf dieses Weise bereits kultivieren und analysieren. Als nächstes will er Nervenzellen in dieser Umgebung untersuchen. Momentan sieht Martin Bastmeyer das preisgekrönte Werk noch als ein Werkzeug der Grundlagenforschung. „Wir denken aber natürlich darüber nach, die Prozesse schneller und großflächiger zu machen und irgendwann in eine Anwendung zu gehen“. Anhand des dreidimensionalen Mikrogerüsts könnten beispielsweise Gewebemodelle für die Pharmaforschung gedruckt werden und so eine Alternative zu den umstrittenen Tierversuchen sein.

Autorin: Beatrix Boldt

Ob Kinderspielzeug, Getränkeflaschen oder Lebensmittelverpackungen: Biobasierten und biologisch abbaubaren Kunststoffen gehört die Zukunft. Verbraucher, die bewusst auf ressourcenschonende und nachhaltig erzeugte Produkte achten, geben der Biokunststoffindustrie weltweit Rückenwind und machen die Branche zu einem Wachstumsfeld. Dieses positive Bild zeichnet die aktuelle Marktstudie von European Bioplastics, die in Zusammenarbeit mit dem nova-Institut erstellt und im Rahmen der 11. European Bioplastics Konferenz in Berlin vorgestellt wurde. "Der Markt für Biokunststoffe wird trotz der niedrigen Ölpreise mittelfristig um 50 Prozent wachsen", teilte Vorstandsvorsitzender François de Bie bei dem Treffen mit. Der Studie zufolge wird die Produktionskapazität für Biokunststoffe weltweit von derzeit 4,2 Mio. Tonnen auf etwa 6,1 Mio. Tonnen im Jahr 2021 ansteigen.

Bioplastik vor allem in Verpackungen

Mit einem Anteil von 40 Prozent (1,6 Mio. Tonnen) kamen 2016 in der Verpackungsindustrie auch weiterhin die meisten Biokunststoffe zum Einsatz. Aber auch andere Branchen ziehen inzwischen nach. So bestehen 22 Prozent aller Gebrauchgüter aus Bioplastik und 14 Prozent aller Anwendungen im Automobil- und Verkehrsbereich. Auch im Baugewerbe kommen mit 13 Prozent immer öfter biobasierte Stoffe zur Anwendung, vor allem technische Hochleistungspolymere. "Die Daten verdeutlichen einen wichtigen Trend, der von einer steigenden Nachfrage der Verbraucher angetrieben wird, Kunststoffprodukte ressourceneffizienter zu gestalten und die Emission von Treibhausgasen sowie die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen zu reduzieren", sagte de Bie.

Biobasierte Kunststoffe sind Markttreiber

Die Experten von "European Bioplastics" kommen zu dem Ergebnis, dass die Entwicklung insbesondere auf die erheblichen Investitionen von Unternehmen in Forschung und Entwicklung von biobasierter Produktlösungen zurückzuführen ist. Zu den größten Wachstumstreibern zählen danach biobasierte, nicht biologisch abbaubare Kunststoffe, wie beispielsweise Polyurethane (PUR) sowie biobasiertes Polyethylen (PE) und biobasiertes Polyethylenterephthalat (PET). Der Anteil dieser biobasierten, langlebigen Kunststoffe an den weltweiten Kapazitäten lag 2016 bei über 75 Prozent. 2021 soll ihr Anteil auf 80 Prozent ansteigen. Hierbei soll vor allem die Produktionskapazität von Polyhydroxyalkanoate (PHA) bis 2021 um das Vierfache wachsen. Als Gründe werden der Produktionsausbau in Asien und den USA sowie die Inbetriebnahme der ersten PHA-Anlage in Europa gesehen.

Chirurgisches Nahtmaterial oder Stents, die Medikamente freisetzen sind mit Substraten beschichtet, die Wirkstoffe abgeben oder auf denen Biomoleküle und Zellen besser haften können. Mit einer speziellen Methode, der sogenannten Gasphasenbeschichtung (CVD) wird der Film aufgebracht. Dabei werden die Ausgangsverbindungen verdampft, bei hoher Temperatur aktiviert und auf Oberflächen abgeschieden, wo sie dann polymerisieren. Das Problem: Für medizinische Implantate, die nur kurzzeitig im Körper bleiben und sich selbst abbauen, gab es bisher noch keine ebenso abbaubare Gasphasenbeschichtung. Forscher vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben dafür nun eine Lösung gefunden.

Abbaubarer Polymerfilm für Medizin und Lebensmittelverpackungen

Gemeinsam mit Wissenschaftlern aus den USA und China präsentieren sie im Fachjournal „Angewandte Chemie“ erstmals eine CVD-Methode, die einen abbaubaren Polymerfilm bildet. Daran können ebenfalls über spezielle Seitengruppen Biomoleküle oder Wirkstoffe andocken. „Unsere neuen abbaubaren Polymerfilme könnten breite Anwendung für die Funktionalisierung und Beschichtung von Oberflächen finden, in den Biowissenschaften über die Medizin bis hin zur Lebensmittelverpackung“, erklärt Joerg Lahann, Co-Direktor des Instituts für Funktionelle Grenzflächen am KIT.

Monomer-Duo sorgt für Wasserlöslichkeit

Die bioabbaubare Polymer-Beschichtung wurde durch die Co-Polymerisation zweier spezieller Monomertypen möglich: Die bisher für dieses Verfahren eingesetzten Paracyclophane wurden dafür mit zyklischen Keten-Acetalen kombiniert. Während die klassischen Polymere auf Basis der Paracyclophane ausschließlich über Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen verknüpft sind, lagert sich das Keten-Acetal während der Polymerisation so um, dass Ester-Bindungen innerhalb des Polymerrückgrates entstehen, die sich in wässriger Umgebung nun spalten lassen.

Unbedenklich nachgewiesen

Wie schnell sich die Polymer-Beschichtung abbaut, hängt Lahann zufolge vom Mengenverhältnis der Monomer-Arten und den Seitengruppen der Monomere ab. „Polare Seitengruppen machen den Polymerfilm weniger wasserabweisend und beschleunigen den Abbau, da leichter Wasser eindringen kann. Die Abbaugeschwindigkeit kann so der entsprechenden Anwendung angepasst werden“, erläutert der Forscher. Dass das Abbauprodukt gesundheitlich unbedenklich, also nicht toxisch ist, haben die Forscher an Zellkulturen bereits nachgewiesen.

Die Laubfärbung der Bäume und das Rascheln von Laub unter den Füßen prägen den Herbst. Die Pflanzen bereiten sich so auf die trockene Winterzeit vor. Doch auch im Sommer gibt es Pflanzen, die ihre Blütenblätter nach der Bestäubung abwerfen. Verantwortlich für den Prozess des Blattabwurfs sind – wie seit wenigen Jahren bekannt – Peptidhormone. Diese speziellen Hormone steuern nicht nur beim Menschen, sondern auch bei Pflanzen Wachstumsprozesse und sorgen dafür, dass Insekten Abstand halten. Wie diese Peptidhormone gebildet werden, ist bislang völlig unklar.

Pflanzenphysiologen der Universität Hohenheim haben diesen grundlegenden Mechanismus der Pflanzenwelt nun im Detail aufgeklärt. Für ihre Untersuchungen bedienten sich die Forscher der Modellpflanze Ackerschmalwand. Wie das Team um Andreas Schaller im Fachjournal „Science“ berichtet, wird das Peptidhormon in der Pflanze aus einem größeren Protein herausgeschnitten. Die Forscher konnten nicht nur klären, wie der Prozess genau funktioniert, sondern auch welche speziellen Enzyme, Proteasen genannt, die Spaltung des Proteins regulieren.

Proteasen mit Pilzerreger gehemmt

Der Studie zufolge sind am Blattabwurf gleich mehrere Proteasen beteiligt, die einspringen, sobald eines der Spezialenzyme ausfällt. Um hinter den Mechanismus zu kommen, mussten die Forscher daher alle Proteasen gleichzeitig in ihrer Aktivität hemmen. „Wir bringen die Pflanze dazu, selbst genau an der Blütenansatzstelle einen Hemmstoff zu bilden. Und dafür nehmen wir einen anderen Organismus als Werkzeug“, erläutert Schaller. Bei dem Werkzeug handelt es sich um einen Pilz der Kartoffeln befällt: den Erreger der Kraut- und Knollenfäule. Er ist in der Lage, den Hemmstoff zu bilden. Das hemmstoffbildende Gen des Erregers schleusten die Pflanzenphysiologen sodann in die Ackerschmalwand ein. Das Ergebnis: Kein Blatt wurde von der Pflanze abgeworfen. „Daher wissen wir nun, dass die Proteasen für diesen Vorgang verantwortlich sind“, so Schaller.

Proteasen-Trio für Blattabwurf verantwortlich

Im Rahmen der Untersuchung konnten das Team schließlich auch jene Proteasen identifizieren, welche die Blätter zum Fallen bringen. Dafür hatten die Forscher die Proteasen aus der Modellpflanze isoliert und getestet, welche von ihnen das Peptid spalten kann. Schließlich identifizierten sie drei Kandidaten, die für den Blattabwurf verantwortlich sind. „Es handelt sich um sogenannte Subtilasen, eng verwandt mit Substanzen, die in Waschmitteln gegen Proteinflecken zum Einsatz kommen“, berichtet Schaller. Die Forscher gehen davon aus, dass dieser Prozess in ähnlicher Weise auch in anderen Pflanzen abläuft und daher für die Natur als auch die Landwirtschaft enorm wichtig ist.

Zwanzig vielversprechende deutsche Startups aus den Life Sciences hatten jüngst die Gelegenheit, um die Gunst von Investoren zu werben. Ende November hatte das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) zur Investmentlounge nach Schloss Ziethen ins Berliner Umland geladen. Vor allem Projektteams, die im Rahmen der „Gründungsoffensive GO-Bio“ durch das BMBF gefördert wurden, haben sich hier 30 Wagniskapitalgebern und Business Angeln vorstellen können.

Die Höhe des gesuchten Kapitals variierte von einer Million Euro bis hin zu 20 Millionen Euro – je nach Geschäftsidee ist der Bedarf an frischem Geld unterschiedlich verteilt. Während manch Gründer sich erst noch aus dem akademischen Umfeld in Richtung Wirtschaft vorarbeitet, waren einige der Projekte schon weiter fortgeschritten. Viele der 20 Geschäftsideen wurden in der Vergangenheit durch GO-Bio unterstützt.

Umweltschützer warnen seit Langem vor einem Rückgang der biologischen Vielfalt auf der Erde und mahnen zu einem schonenden Umgang mit den Ressourcen. Diese Warnung unterstreicht auch der diesjährige „Living Planet Report“ der Umweltorganisation WWF. Er zeigt deutlich, welche Tier- und Pflanzenarten oder Gebiete der Erde bedroht sind.

Helmholtz-Forscher an der Spitze des Autorenteams

Zum Schutz der Biodiversität sind daher Innovationen erforderlich, welche die gesamte Wertschöpfungskette erfassen. Das Wissen um den Status Quo ist hierfür unerlässlich. Mit dem Start der weltweiten Bestandsaufnahme zur biologischen Vielfalt und den Dienstleistungen ökologischer Systeme will der Weltbiodiversitätsrat IPBES (Intergovernmental Science Policy Platform on Biodiversity and Ecosystem Services) mit exakten Daten und Fakten die Basis für zukünftiges Handeln schaffen. Auch die Bundesregierung unterstützt die Arbeit des internationalen Wissenschaftlerteams. Zur Spitze der Autorengruppe gehört auch ein deutscher Forscher: Josef Settele vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) wurde zum Co-Vorsitzenden berufen.

Wissenbasierte Daten für politische Entscheidungen

„Die Politik braucht wissenschaftsbasierte Daten und Fakten, um Strategien für die Zukunft zu entwickeln, die den Menschen vermittelt werden können“, sagte Bundesforschungsministerin Johanna Wanka zum Start der globalen Untersuchung. Auch Bundesumweltministerin Barbara Hendricks betonte die Notwendigkeit einer soliden Faktenlage für gute wissenschaftliche Entscheidungen. „Dieser Bericht wird eine solche Grundlage sein. Ich hoffe, dass ambitionierte politische Entscheidungen zum Schutz der globalen Artenvielfalt folgen werden“.

Ökosystemdienstleistungen im Blick

In den kommenden drei Jahren will das Autorenteam den aktuellen Zustand der globalen Biodiversität untersuchen sowie die Entwicklungen bis zum Jahr 2050 prognostizieren. Im Fokus der Betrachtung stehen dabei die Auswirkungen auf das Wohl des Menschen. Dabei richtet sich der Blick der Forscher nicht nur auf die Ökosystemleistungen von Land, Binnengewässern und Küstenzonen, sondern auch auf die Ozeane, deren Tier- und Pflanzenwelt durch Überfischung und Vermüllung in Gefahr ist. Im Mai 2019 soll der Bericht zur globalen Biodiversität abgeschlossen sein. Es ist für den 2012 gegründeten Weltbiodiversitätsrat der aktuell wichtigste Report.

The results: the total European bioeconomy amounted to €2.1tn turnover in 2013, roughly half of which came from the food, feed and beverages sectors. The so-called bio-based industries – chemicals and plastics, pharmaceuticals, paper and paper products, forest-based industries, textile sector, biofuels and bioenergy – contributed with €600bn.

The total employment in the European bioeconomy stood at 18.3 million employees, with primary biomass production (agriculture, forestry & fishery) as the biggest contributor (58%). But not all of Europe is created equally. The analysis shows different situations in different member states. Eastern European Poland, Romania and Bulgaria, for example, are strong in primary production and their commodities’ sectors have a high employment-to-turnover ratio.

Germany, Italy and France ahead of the game

Western and Northern European countries, on the other hand, generate a much higher turnover and thus have lower employment-to-turnover ratios. Germany, Italy and France are the front runners for the bioeconomy. The three states shared the highest turnover and employment in the EU.

Renewable raw-materials are the key

“The Bio-based industry is already an important part of the European economy and a pivotal element in the transition towards a sustainable, circular economy in Europe with renewable raw materials as key enablers,” said Marcel Wubbolts, Chair of BIC. “Europe should continue on this path and create stable policies to further accelerate the European Bioeconomy.” The BIC also noted that, according to an internal survey, the consortium’s own members are currently investing more than €2.1bn in new demo and flagship infrastructure. “The commitment of the industry is there, and the new BBI public-private partnership certainly shows its first impact,” commented Dirk Carrez, Executive Director of BIC. “Now politics have to follow and enable a swift transition from fossil to bio-based resources.”

And to help the company move forward in this endeavour, the Essen-based company has acquired French start-up Alkion Biopharma SAS. The start-up, which is based in Evry, specialises in the creation of biotechnological active ingredients from plant biomass to be used in cosmetics. Alkion Biopharma was founded as a spin-off from the Imperial College in London in 2011. The company has developed methods for cultivating plant biomass under laboratory conditions and obtaining extracts from the biomass with an exceptionally high yield of complex ingredients. The entire process takes place without altering the plant genome.

Reinforcing the power of nature

"We are simply reinforcing the strength of nature. This results in unique, innovative cosmetic actives," said Dr Franck Michoux, founder and CEO of Alkion. He believes the affiliation with Evonik will provide outstanding opportunities for successful marketing of this technology. The purchase price of the deal has not been disclosed. By purchasing Alkion, Evonik expands its portfolio in the Personal Care Business Line in the area of active ingredients. "Thanks to its formulation and application expertise, Evonik enjoys an excellent reputation in the cosmetics industry. We are resolutely continuing along this path with the acquisition of Alkion," said Dr Tammo Boinowitz, head of the Personal Care Business Line at Evonik.

Tailor-made active ingredients from plant biomass

By taking over the French biotech company, Evonik is strengthening its portfolio of speciality active ingredients. “This allows us to offer customers product concepts to set themselves apart from competitors,” said Boinowitz. Evonik is now able to offer its customers highly effective customised plant-based active ingredients that live up to their product claims.

Three years ago, Evonik turned its business towards sustainability. Just recently, the Essen-based company bought Norwegian biotech company Medpalett AS. Medpalett’s most important product is anthocyanin containing berry extract, which the Norwegian company has produced from Scandanvian blueberries and blackcurrants from New Zealand since 2000, and sells under the name Medox as a dietary supplement in Scandinavia. The speciality company also uses sustainable production methods in the field of feed production. Furthermore, Evonik is developing a process for the chemical industry to recover important but oil-based polymer components from the renewable resourse palm kernel oil.

A team of scientists from the Technical University of Munich (TUM) have discovered an unusual way to protect mortar from moisture. When mortar is being mixed, the scientists add a biofilm – a soft, moist substance produced by bacteria, which makes it highly resistant to water absorption. This enables the concrete to self-heal by closing the cracks autonomously.

Oliver Lieleg, a professor of biomechanics at the Institute of Medical Engineering (IMETUM) mainly works with biopolymer-based hydrogels, or put simply, the slim formed by living organisms. These included bacterial biofilms, such as dental plaque and the slimy black coating that forms on the inside of sewage pipes. “Biofilms are generally considered undesirable and harmful. They are something you want to get rid of,” says Oliver Lieleg. “I was therefore excited to find a beneficial use for them.”

Conversation invokes inspiration

It was during a conversation with a colleague at TUM that Lieleg came up with the idea of using biofilms to alter the properties of construction materials. TUM professor Christian Große investigates self-healing concrete whose cracks close autonomously. One variant of this concrete contains added bacteria. Activated by the ingress of water, the bacteria close the cracks in the concrete with metabolic products containing calcium. Lieleg chose to use mortar instead of concrete for his own project. Instead of mending cracks after damage has occurred, his aim is to prevent moisture from penetrating into mortar in the first place. Invading water can lead to serious problems, for example by inducing the growth of mould or widening existing microcracks through freeze-thaw-cycles. To prevent such water ingress, Lieleg takes the advantage of the fact that some bacterial films are highly water-repellent.

A soil bacterium produces the bio-supplement

The key ingredient in the new material is a biofilm produced by the bacterium Bacillus subtilis. “Bacillus subtilis normally lives in soil and is a very common microorganism,” explains Oliver Lieleg. “For our experiments, we used a simple laboratory strain that grows rapidly, forms plenty of biomass and is completely harmless.” Lieleg’s team bred the bacterial film on standard culture in the lab, and then added the moist film to the mortar powder.

Results showed that in the generated hybrid mortar, water was significantly less able to wet the surface compared to untreated mortar. To reach this result, the scientists measured the contact angle between water droplets and the surface. The steeper the angle, the more spherical the drops are, the less likely the liquid is soaked into the material. With untreated mortar, this angle is only 30 degrees or less but three times as high for drops on the hybrid mortar. The contact angle of water drops on the synthetic fluoropolymer polytetrafluoroethylene (PTFE), better known by the trade name “Teflon” have a similarly high contact angle.

The lotus effect

Tiny crystalline spikes cover the surface of the hybrid mortar, explaining its water-repellent properties. This is called the lotus effect, which also occurs on the leaves of the lotus plant. The small spikes on the leaves ensure that only a small part of a water droplet is actually in contact with the leaf surface. Consequently, the droplet easily rolls of the leaf when the leaf is tilted. A cross-section of hybrid mortar shows that crystalline spikes are evenly distributed on the mortar surface and can also be found throughout the bulk volume of the mortar.

This concept is the central theme of a commentary from the current issue of the scientific journal Nature (2016, Bd. 535, S. 221), presented by experts from the German Bioeconomy Council and the OECD. In the article, the authors summarise the final communiqué of the Global Bioeconomy Summit 2015 in Berlin, at which more than 700 experts from 82 nations met last November. Over the two-day event, the participants set themselves the goal of increasing the involvement of the bioeconomy in sustainable development and the battle against climate change. The Bioeconomy Council of the Federal Government invited delegates from all over the world to attend the first Global Bioeconomy Summit. Four of the five authors from the article in Nature are members of the Germany Bioeconomy Council, a panel of bioeconomy experts that advises the Federal Government on biobased economies: head of the council’s office Beate El-Chichakli, co-chairs Christine Lang and Joachim von Braun, Councillor Daniel Barben and Jim Philp, a policy analyst of the OECD in Paris.

World’s first Global Bioeconomy Summit

The authors were members of the 37 member international advisory committee at the Global Bioeconomy Summit held from 24 to 26 November last year in Berlin. Over the two-day event, the participants had set themselves the common goal of increasing the involvement of the bioeconomy in sustainable development and the battle against climate change: to reduce fossil fuel worldwide and use renewable raw materials sustainably and efficiently for food and everyday life, whilst protecting the ecosystems.

The Bioeconomy Council invited delegates from all over the world to attend the first Global Bioeconomy Summit. At the end of the Summit, the participants agreed on a final communiqué, highlighting five priorities.

Laying foundations for the future

Summing up with regard to the Sustainable Development Summit in New York and the upcoming climate negotiations in Paris, Christine Lang, Co-Chair of the Bioeconomy Council, said, "Sustainability is one of the top issues on the political agenda. 2015 is the year of major international negotiations. The Global Bioeconomy Summit has laid the foundations to integrate the bioeconomy in this process." New policy and research initiatives for the bioeconomy in many countries have been triggered since the Summit was held.

Re-establishing harmony between people and nature

“The vision of the bioeconomy is to reconcile people and nature,” said Joachim von Braun co-chair of the Bioeconomy Council. The central message of the authors in Nature: bio-based industries such as agricultural and forestry, the food industry, biotechnology, the bioenergy sector or green chemistry are particularly important for the achievement of the climate and sustainability goals. “In the future, the bioeconomy should be regarded as a whole, and therefore more comprehensive than in the past, and integrated into global political processes," stresses Christine Lang, co-chair of the Bioeconomy Council. The strategies and developments of the bioeconomy vary across the world. An adaptation to local circumstances and regional specialisation makes good sense and is important.

However, what works in one country can cause problems in another. “Dialogue is needed, coordinated global priorities and common approaches to prevent such adverse impacts,” emphasises Daniel Barben, a member of the Council.

Global Bioeconomy Summit

www.gbs2015.com

Five priorities of a global political agenda

The authors define five key elements of an international policy agenda to pave the way to a bio-based economy:

1. Strengthen international cooperation between governments and public and private research in the field of bioeconomy.

2. The bioeconomy’s contributions towards the Sustainable Development Goals should be rendered measurable.

3. Not just individual sections but the bioeconomy as a whole should be considered in the global negotiations for COP 21, the Sustainable Development Goals and trade agreements.

4. Education, joint learning and dialogue should be driven forward.

5. Promote flagship projects of the bioeconomy that develop solutions to global problems together.

The Bioeconomy Council of the German Federal Government also introduces these cornerstones to the German bioeconomy in order to network the bioeconomy and enable it to compete globally.

Researchers from the Hohenstein Institute and the Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB in Stuttgart have discovered a renewable alternative. With the help of water-resistant proteins, so-called hydrophobics, which are stored in the walls of fungi, the researchers hope to create a natural dirt and water blocker for textiles. The joint project has just begun.

Come rain, wind or snow, thanks to modern water and dirt-repellent textiles, we’re equipped to cope with all kinds of weather. But regardless of how popular the functional clothing is, the impregnation process is controversial. Perfluorianted and polyfluroinated chemicals (PFC) are used in the hydrophobization process. PFC consists of carbon chains of different lengths, in which the hydrogen atoms are completely (perfluorinated) or partially (polyfluorinated) replaced by fluorine atoms.

This extremely stable bond can only be dissolved under very high-energy expenditure and is virtually non-biodegradable. Researchers from the Hohenstein Institute in Bönnigheim and the Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB in Stuttgart have now started a research project to develop a new kind of textile finishing with water and dirt-repellent properties that is harmless to humans and the environment.

Fungi proteins produced biotechnologically

The researchers are focusing on water-resistant (hydrophobe) proteins, so-called hydrophobins. These protein molecules occur naturally in the cell walls of fungi, where they have a water-repellent function. During the course of the project, the researchers hope to produce fungi proteins biologically and eventually apply them to textiles.

Proteins are given anchors

The hydrophobic proteins are provided with an "anchor " that can bind selectively and stably to the cellulose fibres. The principle of the anchor protein finishing has already been implemented in a feasibility study. Using a cellulose anchor, the researchers succeeded in binding a fluorescent green protein marker onto various textiles.

Sustainable functional clothing

The goal of the recently launched joint project is to find an economically and sustainably functionalization of textiles. The project is being driven by biotechnologists and textile scientists and assisted by a committee composed of various industry representatives from the textile and biotech industry. Water and dirt-repellent properties of textiles are not only important for outdoor activities, but are also important in the medical and automobile industries such as the protection of fibres against microbial decomposition.

Following the successful completion of another round of funding on the crowdfunding platform Startnext, the start-up GloW efficiency off-grid GmbH wants to offer the stove yaMbao that was originally designed for use in developing countries, to the German barbequing market. The barbeque gadget runs on uncarbonised, dry, and chunky biomass e.g. pellets, wood, or chopped wood. This is much more efficient and environmental friendly than using charcoal or fossil fuels. The outdoor cooker can be heated using garden remains such as plant cuttings and can therefore be used as a waste disposal.

In Germany, cooking over an open fire is seen as an adventurous activity that goes hand in hand with camping. Open fireplaces in closed rooms are commonplace in many countries in Asia, Africa and South America. Yet the health hazards of inhaling burnt wood have long been disregarded. Now a study has been published that for the first time shows a connection. The WHO estimates that annually around two million people die from the effects of smoke wood, half of them are children under five.

Biogas cooker uses garden waste

Two years ago start-up GloW efficiency off-grid GmbH from Lower Saxony developed an alternative stove, the “GloW yaMbao” which uses rough, dry biomass like wood, pellets, plant cuttings effectively, without harming people around the hotplate. Via crowdfunding platform Startnext, the start-up was able to raise money to advance the alternative stove. The GloW yaMbao is a so-called microwood gasification stove, which uses rough, dried biomass like wood or pellets for cooking

New barbeque for German gardens

The stove that was originally developed for developing countries has meanwhile been “tested, used and loved!” the developers report. The concept of clean cooking has apparently convinced garden and barbeque enthusiasts in Germany too. Now, the energy-saving cooker from Glow, which expands with a detachable grill plate, has conquered the domestic market. To do this, the young company secured another round of funding on the crowdfunding platform Startnext. Within two months, Glow were able to convince 82 small investors and raise around €8,200. With the money, they especially want to advance the sales of the stove in Germany.

Wood gas produces charcoal for fertilising

With the new biogas ovens the young company has not just developed a barbeque. As well as an oven, the device has a special composition in which biomass such as branches can be converted to gas at a high temperature. Water vapour and oxygen is released and part of the biomass is converted to gas. The result is a constant burning gas flame at the top of the stove that consumes little energy and reaches the required cooking or grilling temperature within five minutes.

In addition, the combustible wood gas produces charcoal, which is retained in the lower part and can be reused, or used as fertilizer for garden soils. The bottom line is that the Glow stove is more than just a new barbecue. It can also be used as a waste disposal for shrub and tree cuttings in the garden, making it a clean, healthy and effective alternative to controversial types of wood charcoal such as tropical timber.

And now, researchers from a wastewater treatment plant in Rotenburg an der Fulda have shown that algae can also clean waste water. The cleaning abilities of algae were demonstrated during the Hessian pilot project “phosphorus removal by microalgae”. The research project has been funded by the Hessian Ministry for the Environment, Climate Change, Agriculture and Consumer Protection together with the public utilities of Rotenburg since 2015 over a two-year period with a total of €620,000. Under the direction of a working group from the Competence Center of Energy and Environmental Technology (ZeuUS) at the Technical University of Central Hesse (THM), together with the Bremen-based company Phytolutions GmbH, the researchers have allowed microalgae to grow in a so-called photobioreactor whilst exposed to sunlight and carbon dioxide to be used at the municipal utilities in German city Rotenburg an der Fulda.

Filtering nutrients from wastewater

The aim of the project: using the microalgae, the amount of nutrients and valuable minerals that are pumped into the Fulda is reduced, to lower the concentration of phosphorus and nitrogen in the treatment plant’s wastewater, and to use the biomass produced from the algae for the production of biogas. That is to say, phosphate and nitrogen are created during the wastewater treatment plant processes. The algae then consume the phosphate and nitrogen, using it to grow, thus producing biomass, which afterwards can be separated.

Positive interim result

A year after the project began, the researchers took stock of the results, “The goal has definitely been achieved, which proves its suitability for everyday application,” announced project leader Ulf Theilen proudly. The microorganisms evidently fulfilled all of the experts’ expectations. Afterwards, the photobioreactors phosphates were barely detectable in the water samples. The nitrogen content was also said to be lower than expected.

Cutting down on chemicals with algae

The project managers at the municipal utilities in Rotenburg are confident that in the future by using algae, they can dispense with chemicals, so-called precipitants, which until now have been used for phosphorous removal in the wastewater treatment plants. The researcher's next step is to examine whether using algae plants on a large scale for wastewater treatment is economically promising. With the completion of the pilot project in 2017 – if all goes to plan, a guide on using the new algae-based wastewater treatments plant will be published.