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In einigen Jahren könnte Raps einen wichtigen Beitrag zur menschlichen Ernährung leisten: Forscher der TU München haben die chemische Verbindung identifiziert, die Raps einen bitteren Beigeschmack verleiht. Im Fachmagazin „Journal of Agricultural and Food Chemistry“ berichten sie von ihrer Analyse. Diese eröffnet Wege, künftig Rapsprodukte ohne diesen Bitterstoff herzustellen.

Wertvolle Proteinquelle

Raps ist eigentlich reich an für die Ernährung wertvollen Proteinen. Dennoch ist das Getreide bei uns vor allem Energie- und Futterpflanze; lediglich als Öl findet es sich in manchen Küchen. Der bittere Geschmack sekundärer Pflanzenstoffe macht den Proteinextrakt ungenießbar. Vor dem Hintergrund einer wachsenden Weltbevölkerung und dem damit verbundenen steigenden Bedarf an Eiweiß wollten die Münchener Lebensmittelchemiker Raps dennoch als neue Proteinquelle erschließen.

Nur eine Verbindung für Bitterkeit verantwortlich

Mittels massenspektrometrischer Analysen und Geschmackstests haben die Forscher untersucht, welche Bestandteile des Rapsschrots für dessen Bitterkeit verantwortlich sind. Es stellte sich heraus, dass der unangenehme Geschmack auf eine einzelne Verbindung zurückgeht, die den Namen Kaempferol-3-O-(2‘‘‘-O-sinapoyl-ß-sophorosid) trägt. Zusätzlich ermittelten die Chemiker, ob vielleicht nur eines der Isolate der beiden Hauptproteine vom Raps dieses Geschmacksmolekül beinhaltet. Tatsächlich wies das Cruciferin-Isolat zehnmal so viel Bitterstoff auf wie das Napin-Isolat. Doch die Geschmackstester empfanden auch die geringere Menge als unangenehm bitter.

Künftig Sorten ohne Bitterstoff?

„Da wir den Verursacher der bitteren Fehlnote nun kennen, lassen sich sehr viel leichter geeignete technologische Verfahren oder züchterische Strategien entwickeln, mit denen sich aus Rapssaat wohlschmeckende, eiweißreiche Lebensmittel herstellen lassen“, erläutert Co-Autorin Corinna Dawid das Potenzial der Entdeckung. Gefördert wurde ihre Arbeit vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen des RaPEQ-Projekts mit rund 400.000 Euro.

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Wer als Mensch an der Decke entlang laufen möchte, benötigt vermutlich Konrads Spezialkleber aus der Geschichte „Pippi Langstrumpf“ oder einen anderen technischen Trick. Einige Tiere verfügen jedoch von Natur aus über die Fähigkeit, die Schwerkraft zu besiegen, und können Wände oder Decken entlangkrabbeln. Am Beispiel der Jagdspinne haben deutsche Forscher untersucht, welche molekularen Strukturen den Tieren ermöglichen, die enormen mechanischen Belastungen dauerhaft auszuhalten, die auf deren winzige Hafthärchen wirken.

Analyse mittels Hightech-Röntgengeräten

Im Fachjournal „Journal of the Royal Society Interface“ berichtet das Forschungsteam der Universität Kiel und des Helmholtz-Zentrums Geesthacht (HZG) über den Aufbau der nur einige Hundert Nanometer langen Hafthärchen, von denen die Jagdspinne Cupiennius salei rund tausend Stück an jeder Beinspitze besitzt. Möglich wurde die Aufklärung der Struktur durch spezielle Röntgenstrahlenquellen an der European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble, Frankreich, und am Deutschen Elektronen-Synchrotron in Hamburg. Daraus, wie diese Röntgenstrahlen gestreut werden, können die Forscher auf wenige Nanometer genaue Rückschlüsse auf die Materialzusammensetzung ziehen.

Spezielle Molekülanordnung fängt Kräfte ab

„Wir fanden heraus, dass die Chitinmoleküle an der Spitze der winzigen Hafthaare der Spinne speziell angeordnet sind: Die parallel verlaufende Faserstruktur verstärkt die Hafthärchen“, fasst Martin Müller, Werkstoffphysiker am HZG, die Untersuchungen zusammen. Diese Struktur folgt den Zug- und Haftkräften, die auf die Härchen wirken, und fängt die Belastungen auf, die beim Anhaften und Ablösen der Spinnenbeine auftreten. „Außerdem ist bemerkenswert, dass die Chitin-Fasern in anderen Teilen der Spinnenbeine in unterschiedlichen Richtungen verlaufen, ähnlich wie bei Sperrholz. Diese Struktur macht den Schaft des Spinnenbeins in verschiedene Richtungen biegbar“, ergänzt Biomechaniker Clemens Schaber von der Universität Kiel, Erstautor der Studie.

Biologisches Prinzip technisch imitieren

Da beispielsweise auch Geckos ähnliche Härchen besitzen, vermuten die Forscher hinter dieser Struktur ein zentrales, biologisches Prinzip, das ihnen ermöglicht, auf verschiedenen Untergründen haften zu können. Um neue, besonders belastbare Materialien zu entwickeln, könnten diese die speziellen Molekülanordnungen auf Nanoebene imitieren. Noch ist das eine große technische Herausforderung. Doch Fortschritte beim 3D-Druck auf der Nanoskala könnten das eines Tages möglich machen, glauben die Wissenschaftler.

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Anyone who wants to walk along the ceiling as a human probably needs Konrad's super glue from the story "Pippi Longstocking" or another technical trick. However, some animals naturally have the ability to defy gravity and can crawl along walls or ceilings. Using the hunting spider as an example, German researchers have investigated which molecular structures enable the animals to permanently withstand the enormous mechanical stresses that act on their tiny adhesive hairs.

Analysis using high-tech X-ray equipment

In the specialist journal "Journal of the Royal Society Interface", the research team of the University of Kiel and the Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) reports on the structure of the  bristle-like hairs (so-called setae), which are only a few hundred nanometres long. The Cupiennius salei hunting spider has about a thousand of these hairs on each leg tip. The determination of the structure was made possible by special X-ray sources at the European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble, France, and at the German Electron Synchrotron in Hamburg. From the way these X-rays are scattered, the researchers can draw conclusions about the composition of the material with an accuracy of just a few nanometers.

Special molecular arrangement absorbs forces

“This method revealed that the chitin molecules in the spider adhesive hairs have a very specific arrangement at the very tips of the hairs. The material of the tips strengthens the adhesive hairs in the direction of the pull off force because of the presence of parallel oriented chitin fibres,” said Martin Müller, materials physicist at the HZG, summarizing the investigations. This structure follows the tensile and adhesive forces acting on the hairs and absorbs the stresses that occur when the spider legs adhere and detach. “Another remarkable insight is that the chitin fibres in other parts of the spider legs run in different directions. This structure, which is similar to plywood, makes the hair shaft stable in different directions of bending,” adds biomechanic Clemens Schaber from the University of Kiel, first author of the study.

Technically imitating the biological principle

Since geckos, for example, also have similar hairs, the researchers assume that this structure is based on a central biological principle that enables them to adhere to different substrates. In order to develop new, particularly resilient materials, these could imitate the special molecular arrangements at the nano level. This is still a major technical challenge. But progress in 3D printing on the nanoscale could one day make this possible, the scientists believe.

Eine internationale Langzeitstudie lieferte 2017 erstmals den Beweis für das dramatische Insektensterben in Deutschland. Die Datenanalyse ergab: Von 1989 bis 2016 ging die Zahl der fliegenden Insekten um 76% zurück. Zu den bedrohten Insekten zählen auch Bienen. Doch wie kann man die natürlichen Bestäuber schützen? Vier Jahre lang haben Forschende, Unternehmen und Imker im Rahmen des EU-Forschungsprojektes SmartBees untersucht, was den Bestand der Honigbienen bedroht, und Gegenmaßnahmen entwickelt, um die Vielfalt der Spezies zu schützen. Mit einem Gesamtbudget von 6 Millionen Euro war SmartBees das bislang größte EU-Projekt, das auf die Erhöhung der Nachhaltigkeit der Imkerei zielte. Die Arbeit der 16 Projektpartner aus 11 Ländern wurde vom Länderinstitut für Bienenkunde Hohen Neuendorf e.V. koordiniert.

Bienen-Spezies in Resten noch vorhanden 

Um die verbliebene Bienen-Vielfalt zu ermitteln, wurden seit 2014 über 2.200 Völker aller zehn auf dem Kontinent vertretenen Bienen-Subspezies analysiert. Das Ergebnis ist durchaus positiv: Demnach sind alle europäischen Bienenarten zumindest in Restbeständen noch vorhanden. Damit das so bleibt, liefert das EU-Projekt Bienenzüchtern gleich ein neues Werkzeug mit: einen DNA-Chip. Mithilfe des Chips können Imker künftig die Herkunft ihrer Bienen-Spezies selbst bestimmen und so dazu beitragen, dass die Bienen in der Region gehalten werden.

Züchternetzwerk zur Rettung der Bienen gegründet 

Im Rahmen des Projektes wurde dafür ein Netzwerk in über zehn Ländern etabliert und dessen Mitglieder in den modernen Zuchtmethoden geschult. Das International Honey Bee Breeding Network (IHBBN) ist eine Plattform, die Züchter europaweit verbindet. Im Ergebnis des Projektes entstand zudem die zentrale Zuchtdatenbank namens beebreed.eu. Die Daten sollen Bienenzüchtern eine effiziente Zuchtplanung ermöglichen. 

Varroa-Milbe bedroht Bienen

Darüber hinaus konnte das Projekt die wichtigste Ursache aufzeigen, die zum Bienensterben führt, und die Grundlage schaffen, das Artensterben durch Selektion resistenter Bienen einzudämmen. Als Hauptfeind der Bienen wurde die Varroa-Milbe ausgemacht. Dabei handelt es sich um einen eingeschleppten Parasiten der Bienenbrut, der über seinen Speichel gefährliche Viren überträgt, das Immunsystem der Bienen schwächt und so eine Vermehrung der Viren begünstigt. Darüber hinaus konnten die Forscher Gene der Biene ausfindig machen, die für die Varroa-Resistenz von entscheidender Bedeutung sind. „Das Smartbees-Projekt hat nicht nur wertvolle neue Erkenntnisse gebracht, die die Bienenhaltung in Europa nachhaltig positiv beeinflussen werden. SmartBees ist auch ein gutes Beispiel dafür, welche Synergieeffekte europäische Forschungskooperationen erbringen können“, resümiert der Koordinator des Projektes Kaspar Bienefeld.

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In 2017, an international long-term study provided proof for the first time of the dramatic death of insects in Germany. Data analysis showed that the number of flying insects fell by 76% between 1989 and 2016. Bees are also endangered insects. But how can natural pollinators be protected? For four years, researchers, companies and beekeepers have been investigating what threatens the honeybee population as part of the EU research project SmartBees and developing countermeasures to protect the diversity of the species. With a total budget of 6 million euros, SmartBees was the largest EU project to date to increase the sustainability of beekeeping. The work of the 16 project partners from 11 countries was coordinated by the State Institute for Bee Research Hohen Neuendorf e.V.

Colonies of bee species still remaining

To determine the remaining bee diversity, over 2,200 colonies of all ten bee subspecies represented on the continent were analyzed since 2014. The result is quite positive: all European bee species are still present, at least in residual populations. In order to keep it that way, the EU project provides beekeepers with a new tool: a DNA chip. With the help of the chip, beekeepers will in future be able to determine the origin of their bee species themselves and thus contribute to keeping the bees in the region.

Breeder network founded to save bees

Within the framework of the project, a network was established in more than ten countries and its members were trained in modern breeding methods. The International Honey Bee Breeding Network (IHBBN) is a platform that connects breeders throughout Europe. As a result of the project the central breeding database called beebreed.eu was created. The data should enable beekeepers to plan their breeding efficiently.

Varroa mite threatens bees

In addition, the project was able to identify the most important cause of bee mortality and create the basis for controlling species mortality by selecting resistant bees. The Varroa mite was identified as the main enemy of the bees. This is an introduced parasite of the bee brood, which transmits dangerous viruses via its saliva, weakens the immune system of the bees and thus favors an increase of the viruses. In addition, the researchers were able to identify bee genes that are of crucial importance for varroa resistance. "The Smartbees project has not only provided valuable new insights that will have a lasting positive impact on beekeeping in Europe. SmartBees is also a good example of the synergy effects that European research cooperations can generate," concludes the project coordinator Kaspar Bienefeld.

Insgesamt 528 Publikationen aus den Jahren 1990 bis 2018 und 33 Vergleichsparameter zwischen ökologisch und konventionell wirtschaftenden Betrieben wurden betrachtet. So ergaben sich mehr als 2.800 Einzelvergleiche. Besonderes Augenmerk wurde auf die Bereiche Wasserschutz, Bodenfruchtbarkeit, biologische Vielfalt, Klimaschutz und -anpassung, Ressourceneffizienz und Tierwohl gelegt.

Die Ergebnisse der Studie ermöglichen ein differenziertes Bild und zeigen das Potenzial des Ökolandbaus in den jeweiligen Bereichen.

An dem interdisziplinären Verbundprojekt waren das Thünen‐Institut, die Universität Kassel, die Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft, die Justus‐Liebig Universität Gießen, das Leibniz‐Zentrum für Agrarlandschaftsforschung, die TU München und das Zentrum für angewandte Forschung und Technologie an der HTW Dresden beteiligt. Gefördert wurde das Projekt mit Mitteln des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) im Rahmen des Bundesprogramms ökologischer Landbau und andere Formen nachhaltiger Landwirtschaft.

In der Natur herrscht Krieg: Mikroorganismen kämpfen permanent mit chemischen Molekülen gegen andere Mikroorganismen, um sich Vorteile zu verschaffen. Forscher der Universität Tübingen haben nun ein solches Molekül identifiziert, das sich als potentes und zugleich für Menschen harmloses Herbizid einsetzen ließe. Im Fachjournal „Nature Communications“ berichten sie von ersten Versuchen mit dem neuen Wirkstoff.

Ein simpler Zucker stoppt den Stoffwechsel

Dabei handelt es sich um ein spezielles, aber relativ simples Zuckermolekül mit dem chemischen Namen 7-desoxy-Sedoheptulose. Der Zucker, den Cyanobakterien herstellen, ist ein sogenanntes Antimetabolit: Er tritt im Stoffwechsel eines Organismus‘ an die Stelle eines chemisch ähnlichen Moleküls und blockiert so den Stoffwechselprozess. Für den betroffenen Organismus kann das tödlich sein.

Im Fall der 7-desoxy-Sedoheptulose hemmt das Molekül das Wachstum zahlreicher Pflanzen, Bakterien und Pilze. Die Tübinger Forscher konnten mittels Massenspektrometrie nachweisen, dass der Zucker dazu ein Enzym aus dem sogenannten Shikimatweg blockiert. Dieser Stoffwechselweg existiert nicht in tierischen und menschlichen Zellen, weshalb von dem Zuckermolekül für Menschen wahrscheinlich keine Gefahr ausgeht. Das konnten die Wissenschaftler bereits in ersten Versuchen belegen.

Unbedenklich für Menschen und Tiere

Der Shikimatweg ist aber genau der Stoffwechselprozess, den auch das verbreitete Unkrautvernichtungsmittel Glyphosat blockiert. „Anders als bei Glyphosat handelt es sich bei dem neu entdeckten Desoxy-Zucker um ein reines Naturprodukt, für das eine gute Abbaubarkeit und eine geringe Ökotoxizität erwartet wird“, sagt Erstautor Klaus Brilisauer. Langfristiges Ziel sei, umstrittene Herbizide und damit auch deren gesundheitlich bedenkliche Abbauprodukte zu ersetzen. Bis es so weit ist, müssen die Wirksamkeit im Feld, die Abbaubarkeit im Boden und die Unbedenklichkeit gegenüber Nutztieren und Menschen jedoch noch in Langzeitstudien bestätigt werden.

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There ia war raging in nature: to gain advantages, microorganisms permanently use chemical molecules to fight against other microorganisms. Researchers at the University of Tübingen have now identified a molecule that could be used as a potent herbicide and that is harmless to humans. In the specialist journal "Nature Communications", they report on the first experiments with the new active substance.

A simple sugar stops the metabolism

The special but relatively simple sugar molecule has the chemical name 7-deoxy-sedoheptulose. The sugar produced by cyanobacteria is an antimetabolite: it replaces a chemically similar molecule in the metabolism of an organism and thus blocks the metabolic process. This can be fatal for the affected organism.

In the case of 7-deoxy-sedoheptulose, the molecule inhibits the growth of numerous plants, bacteria and fungi. The researchers from Tübingen were able to use mass spectrometry to show that the sugar blocks an enzyme from the Shikimat pathway. This metabolic pathway does not exist in animal or human cells, which is why the sugar molecule probably poses no danger to humans. The scientists have already been able to prove this in initial experiments.

Safe for humans and animals

However, the Shikimat pathway is precisely the metabolic process that is also blocked by the widespread herbicide glyphosate. “In contrast to glyphosate, the newly discovered deoxy sugar is an entirely natural product. We believed it to have good degradability and low ecotoxicity," said first author Klaus Brilisauer. The long-term goal is to replace controversial herbicides and thus also their degradation products that are harmful to health. Until then, the efficacy in the field, the degradability in the soil and the harmlessness to farm animals and humans will have to be confirmed in long-term studies.

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Wenn die Blütenknospen sprießen, ist der Frühling nicht mehr weit. Sie sind für uns Menschen das lang ersehnte Signal, dass der Winter bald zu Ende ist. Doch viele Pflanzen brauchen die Kälteperiode, um Knospen bilden und erblühen zu können. Das gilt insbesondere für ältere Pflanzen. Diesen Mechanismus haben Forscher vom Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtung in Köln genauer untersucht. Sie wollten wissen, inwiefern das Alter der Pflanzen deren Empfänglichkeit für Kälte beeinflusst.

Blühverhalten ein- und mehrjähriger Pflanzen im Visier

Wie die Forscher im Fachjournal „Science“ berichten, bestimmt die Aktivität des Proteins SPL15 das Alter, in dem mehrjährige Pflanzen in Kälte blühen. Zwar besitzen auch einjährige Gewächse das Protein. Diese sind jedoch nicht auf die Kälte angewiesen, um Knospen sprießen zu lassen. Einjährige Pflanzen keimen und blühen auch, sobald die Tage länger und wärmer werden. Um das unterschiedliche Blühverhalten bei Kälte von ein- und mehrjährigen Pflanzen zu ergründen, nahm das Team um Pflanzenforscher George Coupland die mehrjährige Alpen-Gänsekresse (Arabis alpina) und die einjährige Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) ins Visier.

Spezielles Protein kontrolliert Blütenbildung 

Die Alpenkresse blüht nur nach längerer Kälte. Sie wächst in 3.000 Meter Höhe und hat das Talent, als junge Pflanze die Blüte nach der kalten Jahreszeit noch um einige Wochen zu verzögern. Hier stellten die Forscher fest: Die Blütenbildung wird eindeutig von der Aktivität des Proteins SPL15 kontrolliert – und das gleich doppelt. Zunächst übernimmt ein Protein namens PEP1 die Kontrolle und unterdrückt die Bildung des Kälteblüherproteins SPL15. PEP1 wird jedoch während einer längeren Kälteperiode blockiert, so dass SPL15 aktiv werden kann und die Knospenbildung auslöst.

Bei der jungen Alpenkresse entdeckten die Forscher noch einen weiteren Blühmechanismus. Diese Jungpflanzen bilden in hoher Konzentration eine kurze Ribonukleinsäure, die sogenannte microRNA156. Auch diese verhindert die Produktion des Kälteblüherproteins SPL15. Vergleichbares zeigte sich bei der einjährigen Ackerschmalwand, die auch als sehr junge Pflanze nach Kälte blühen kann. Im Unterschied zur Alpenkresse erfolgt hier die Knospenbildung nicht bei Kälte, sondern erst bei wärmeren Temperaturen. Der Grund: Das Kälteblüherprotein ist aktiv, weil die PEP1-Produktion weiter unterdrückt wird.

Molekulare Unterschiede bei Blütenknospenbildung 

Die Studie der Kölner Pflanzenforscher belegt auch: Die Bildung der Blütenknospen bei ein- und mehrjährigen Pflanzen ist auf molekularer Ebene sehr verschieden. „Durch den Austausch eines einzigen Gens können wir eine wichtige Eigenschaft von ein- auf mehrjährige Pflanzen übertragen“, erklärt George Coupland. Das Team hatte die genetische Information des PEP-1-Proteins der mehrjährigen Alpen-Gänsekresse durch die der einjährigen Pflanzen ersetzt, so dass diese nun auch als junge Pflanze bei Kälte blühen konnte. Die Kölner Wissenschaftler haben damit einen Weg eröffnet, durch die gezielte Veränderung des Blühverhaltens Pflanzen besser an klimatische Bedingungen anzupassen.

bb

Fett ist nicht gleich Fett

Während Algen in Japan zu den Grundnahrungsmitteln gehören, steht das Meeresgemüse hierzulande nur selten auf dem Speiseplan. Dabei sind Algen kalorienarm und liefern nicht nur viele wertvolle Vitamine, Mineralstoffe und Proteine, sondern auch die wertvollen Omega-3-Fettsäuren. Diese halten Herz und Gefäße jung, können aber von unserem Körper nicht selbst hergestellt werden.

In Deutschland populär – die Wurst

Deutschland ist bekannt für seine Vielfalt an Wurstsorten. Die Auswahl an der Metzgertheke ist groß. Im Durchschnitt verspeist jeder Deutsche jährlich etwa 30 kg Wurst und Schinken. Das Wurstmachen ist in Deutschland eine alte Handwerkskunst,. Diese hat im Laufe der Zeit über 1.500 verschiedene Wurstsorten hervorgebracht. Eine neue Variante fügte ein Unternehmen aus Schleswig-Hostein hinzu. Dort hatte man die Idee, Algen zu „verwursten". Die „Algenwurst“ enthält weder Fleisch noch Soja, sondern wird aus einer im Nordatlantik heimischen nährstoffreichen Meeresalge hergestellt.

Damit schlägt man zwei Fliegen mit einer Klappe: Zum einen werden die Menschen mit den wertvollen Nährstoffen der Alge versorgt, zum anderen können Algen eine wichtige Alternative zur Nahrungssicherung der Zukunft sein. Algen können praktisch überall angebaut werden und sie wachsen zehnmal schneller als alle anderen Pflanzen.

Marktreife

Vier Wurst-Alternativen aus Algen sind bereits erhältlich: eine Bratwurst, Currywurst, Wiener Wurst und ein Grillburger.

Glyphosat ist ein umstrittenes Unkrautvernichtungsmittel, das im Verdacht steht, krebserregend zu sein. Experten warnen zudem, dass Partikel des Pestizids auch über den Boden ins Grundwasser oder gar in Nahrungsmittel gelangen könnten. Noch darf der Unkrautvernichter hierzulande weiter genutzt werden. Im November 2017 hatte die EU-Kommission die Zulassung des Pestizids um fünf Jahre verlängert.

Pestizide einfach und schnell vor Ort aufspüren

Forscher und Unternehmen aus Dresden und Leipzig haben in den vergangenen Jahren an einem Messgerät gearbeitet, mit dessen Hilfe schnell und unkompliziert Glyphosat im Wasser und in Lebensmitteln nachgewiesen werden kann - und das obendrein kostengünstig. Die Entwicklung wurde auch vom Bundesforschungsministerium (BMBF) unterstützt. In den kommenden drei Jahren wollen die Kooperationspartner ihre bereits patentierte Technologie nun zur Markreife bringen. Mithilfe dieses biochemischen Tests sollen Pestizide schnell und einfach vor Ort aufgespürt werden können. Bisherige Nachweisverfahren sind aufwendig und teuer und können nur im Labor durchgeführt werden.

An der Entwicklung sind Forscher der Universität Leipzig, der Technischen Universität Dresden sowie die sächsischen Unternehmen Anvajo GmbH, UMEX GmbH und IfU GmbH Privates Institur für Umweltanalysen beteiligt. „Das Projekt führt die in den sächsischen Firmen und an den beiden sächsischen Universitäten vorhandenen Expertisen zusammen und bildet eine Plattformtechnologie für eine neue Art von einfach handhabbaren Vor-Ort-Analysesystemen, die in unterschiedlichen Anwendungen für einen breiten Nutzerkreis einsetzbar und wirtschaftlich vermarktbar sein soll“, sagt Kai Ostermann von der TU Dresden. Das jetzige Vorhaben, mit einem Gesamtvolumen von 1,9 Mio. Euro, wird von der UMEX GmbH Dresden geleitet und vom Land Sachsen und dem Europäischen Fond für Regionale Entwicklung (EFRE) gefördert.

Zwei Messsysteme für Diagnostik- und Verbraucherbereich

Mit der Entwicklung des Schnelltests wollen die Kooperationspartner auch zu einer sachlichen Diskussion über das Thema Glyphosat beitragen und helfen, Verunsicherungen in der Gesellschaft abzubauen. Geplant sind zwei Messsysteme für den Diagnostik- und Verbraucherbereich. Sie sollen auf dem Gebiet der Lebensmittelüberwachung, bei öffentlicher Gewässerüberwachung und Wasserversorgung wie in Umweltlaboren, Wasserwerken oder Abwasserverbänden einsetzbar sein. Darüberhinaus ist ein Messsystem geplant, das im Handel, in der dezentralen Trinkwasserversorgung, in kleinen und mittleren Unternehmen der Getränkeindustrie sowie in Einrichtungen des Gesundheitswesens Einsatz finden könnte. „Am Ende sollte ein kleines Tischgerät stehen, gegebenenfalls auch ein tragbares Handgerät, in das ein Auslesechip eingesteckt wird. Wir orientieren uns dabei an einem System unseres Projektpartners, der Firma Anvajo", erklärt Thilo Pompe vom Institut für Biochemie der Universität Leipzig. Pompe geht davon aus, dass in Zusammenarbeit mit Pilotkunden erste Geräte im Jahr 2023 auf dem Markt sein könnten.

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Viele Nahrungspflanzen wie Erdbeeren sind zur Bestäubung auf Bienen und andere Insekten angewiesen. Setzen die Bauern dabei auf natürlich vorkommende Populationen, spielt der Standort des Anbaus eine große Rolle, wie Agrarwissenschaftler der Universität Göttingen im Fachjournal „Agriculture, Ecosystems & Environment“ berichten.

Hecken verbinden Lebensräume

Die Forscher haben sich dabei speziell mit Hecken auseinandergesetzt. Hecken gelten als wichtiges Landschaftselement, um die Fragmentierung von Lebensräumen zu verhindern und Insekten und Vögeln Schutzräume und Nahrung zu bieten. Wie sich Hecken auf den Ertrag angrenzender landwirtschaftlicher Produkte auswirken, war bislang wenig erforscht. In der Studie untersuchten die Forscher anhand von Erdbeeren, inwiefern die Lage des Feldes Einfluss auf die Bestäubungsleistung der Insekten hat. Dabei verglich das Team drei Szenarien des Erdbeeranbaus: inmitten einer Graslandschaft ohne Hecken, angrenzend an isolierte Hecken sowie Erdbeerfelder bei Hecken, die eine durchgängige Verbindung zu Waldflächen haben.

Standort beeinflusst Bestäubung

„Wir wollten nicht nur die positiven Effekte der Bestäuber, sondern auch mögliche negative Effekte durch schädliche Insekten untersuchen“, erläutert Denise Castle, Erstautorin der Studie. „Deshalb haben wir neben den blütenbesuchenden Fliegen und Bienen auch die in den Blüten fressenden Rapsglanzkäfer in die Studie aufgenommen.“ Das erwies sich als gute Entscheidung: Denn während die Käfer unabhängig vom Standort vergleichbare Schäden anrichteten, zeigte sich ein deutlicher Einfluss des Standorts auf die Bestäubung.

Bessere Qualität und Quantität durch verbundene Hecken

Gegenüber Erdbeerpflanzen an verbundenen Heckensystemen fiel der quantitative Ertrag bei isolierten Hecken 29% und ohne Hecken 32% geringer aus. Noch deutlicher wurde der Einfluss des zusammenhängenden Heckensystems bei der Qualität der Früchte: Bei Anbauten an waldverbundenen Hecken waren 90% der Erdbeeren vermarktungsfähig, an isolierten Hecken nur noch 75% und ohne Hecken lediglich 48%. Selbstbestäubte Kontrollpflanzen erreichten nur eine Quote von 41%.

Agrarökologe Ingo Grass bringt die wirtschaftliche Bedeutung der Hecken als Lebensräume von Agrarlandschaften auf den Punkt: „Der Marktwert der Erdbeeren war mit 14,95 Euro pro 1.000 Früchte an den mit Waldrändern verbundenen Hecken am höchsten und nahm mit zunehmender Isolation deutlich ab. 1.000 Früchte, die in den Grasstreifen geerntet wurden, erzielten nur noch einen Marktwert von 9,27 Euro.“

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Phosphat in den Ausscheidungen von Nutztieren wie Schweinen und Geflügel stellt ein doppeltes Problem dar: Als Teil der Gülle belastet es zum einen Böden, zum anderen könnte es die Ernährung der Tiere bereichern, wären diese in der Lage, es bei der Verdauung aufzunehmen. Die Biotechnologie hat als Antwort auf dieses Problem Enzyme namens Phytasen gefunden: Werden diese dem Futtermittel beigemischt, setzen sie das im pflanzlichen Futter gebundene Phosphat frei und auch nicht-wiederkäuende Tiere können es verwerten. Biologen der Universität Göttingen haben nun Mitglieder dieser Enzymfamilie entdeckt, die über bislang bei Phytasen nicht bekannte Möglichkeiten verfügen. Über die Details berichten die Forscher im Fachjournal "mBio".

Vielfalt an bislang unbekannten Phytasen

Bislang waren vier Gruppen von Phytasen bekannt. Sie alle entstammen Organismen, die Forscher im Labor kultiviert und analysiert haben. Die Zahl der Organismen, die noch nicht im Labor untersucht wurden – oder bei denen es nicht gelingt, sie im Labor zu kultivieren –, ist jedoch weitaus größer. Genetiker analysieren daher direkt die gesamte DNA, die sie in bestimmten Umweltproben finden. Mithilfe der sogenannten Metagenomanalyse können sie auch Gene von Mikroorganismen analysieren, die im Labor nicht zu entdecken wären. Durch Vergleiche mit bekannten, ähnlichen Genen lassen sich dann Rückschlüsse auf deren Funktion ziehen. Auf diese Weise haben die Göttinger Forscher eine Vielfalt an Phosphatasen und Phytasen identifiziert, darunter neue Phytase-Subtypen mit bislang vollkommen unbekannten funktionellen Gruppen und neuen Eigenschaften.

Großes Potenzial für neue Prozesse

„Die derzeit kommerziell eingesetzten Phytasen stammen aus der Kultivierung einzelner Stämme von Mikroorganismen“, erläutert der Göttinger Mikrobiologe Rolf Daniel. „Dabei wird viel Potenzial zur Entwicklung neuer, effektiverer Prozesse durch den Einsatz verbesserter Enzyme verschenkt.“ Die neu entdeckten Enzyme könnten daher nicht nur die Herstellung von Futtermittelzusätzen verbessern, auch wenn die Wissenschaftler darin das größte kommerzielle Potenzial sehen. Aufgrund der neuen funktionellen Gruppen der Phytasen eröffnen diese auch große Chancen für die Entwicklung und Optimierung von Phytase-basierten Prozessen für die industrielle Anwendung, die Biotechnologie und im Bereich umweltverträglicher Technologien. Auch machen die schwindenden natürlichen Phosphor-Ressourcen und die Belastung der Phosphor-Lagerstätten mit Schwermetallen dringen neue Strategien zur Gewinnung und Wiederverwertung der Phosphate notwendig.

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China ist mit 50% des Weltmarktvolumens der größte Markt für Babynahrung. Die deutsche Jennewein Biotechnologie GmbH möchte diesen Markt nun für ihre humanen Milch-Oligosaccharide erschließen und hat dazu eine Kooperationsvereinbarung mit der Inner Mongolia Yili Industrial Group geschlossen. Gemeinsam mit dem chinesischen Marktführer bei Milchprodukten will Jennewein eine Säuglingsnahrung und weitere Milchprodukte entwickeln, die speziell auf den chinesischen Markt zugeschnitten sind. Darüber hinaus soll in der Zusammenarbeit das Mikrobiom Neugeborener weiter erforscht werden.

Spezielle Zucker für eine gesunde Säuglingsentwicklung

Humane Milch-Oligosaccharide sind Bestandteile der Muttermilch, die sich wegen ihrer Komplexität auf chemischem Weg bislang nicht herstellen lassen. Deshalb enthalten die meisten heute erhältlichen Säuglingsersatznahrungen keine dieser speziellen Milchzucker. Jennewein Biotechnologie hat jedoch vor einigen Jahren ein biotechnologisches Verfahren für deren Herstellung entwickelt und damit die Weltmarktführerschaft bei humanen Milch-Oligosacchariden erlangt. Die speziellen Zucker schützen beispielsweise vor Krankheitserregern wie dem Norovirus und beeinflussen aufgrund ihrer präbiotischen Eigenschaften das Mikrobiom des Kindes, was für eine gesunde Entwicklung von großer Bedeutung ist.

Bereits in Europa und den USA aktiv

„Wir setzen uns dafür ein, dass auch chinesische Eltern und ihre Kinder von den Vorteilen humaner Milch-Oligosaccharide für die Entwicklung eines gesunden Mikrobioms der Neugeborenen profitieren können“, sagte Stefan Jennewein, Geschäftsführer und Mitgründer von Jennewein Biotechnologie, zum Abschluss der Kooperationsvereinbarung. Jennewein habe bereits in ausgewählten europäischen Ländern und den USA humane Milch-Oligosaccharide eingeführt und freue sich nun sehr auf die Zusammenarbeit mit Yili.

Seit vielen Jahren Erforschung der Muttermilch

Gerrit Smit, Managing Director des Yili Innovation Center Europe, erklärte seinerseits: „Die Yili Group engagiert sich bereits seit vielen Jahren für die Erforschung der Zusammensetzung der chinesischen Muttermilch und hat dazu unter anderem die Einrichtung einer chinesischen Muttermilch-Datenbank initiiert.“ Man freue sich daher sehr auf die künftige Zusammenarbeit mit Jennewein. Erst kürzlich hatte Jennewein eine neue Betriebsstätte erworben, um die Produktion humaner Milchzucker auszubauen. 

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China is the largest market for baby food with 50% of the world market volume. The German Jennewein Biotechnologie GmbH now wants to develop this market for its human milk oligosaccharides and has signed a cooperation agreement with the Inner Mongolia Yili Industrial Group. Together with the Chinese market leader in dairy products, Jennewein intends to develop an infant formula and other dairy products specifically tailored to the Chinese market. In addition, the cooperation will further research the microbiome of newborns.

Special sugars for healthy infant development

Human milk oligosaccharides are components of breast milk that cannot yet be produced chemically due to their complexity. This is why most baby substitutes available today do not contain any of these special milk sugars. However, a few years ago Jennewein Biotechnologie developed a biotechnological process for their production and thus achieved world market leadership in human milk oligosaccharides. The special sugars protect against pathogens such as the norovirus and, due to their prebiotic properties, influence the child's microbiome, which is of great importance for healthy development.

Already active in Europe and the USA

"We are committed to ensuring that Chinese parents and their children can also benefit from the advantages of human milk oligosaccharides for the development of a healthy microbiome in newborns," said Stefan Jennewein, Managing Director and co-founder of Jennewein Biotechnologie, at the conclusion of the cooperation agreement. Jennewein has already introduced human milk oligosaccharides in selected European countries and the USA and is now looking forward to working with Yili.

Many years of research into breast milk

Gerrit Smit, Managing Director of the Yili Innovation Center Europe, explained: "The Yili Group has been committed to researching the composition of Chinese breast milk for many years and has initiated, among other things, the establishment of a Chinese breast milk database for this purpose". They are therefore very much looking forward to working with Jennewein in the future. Just recently, Jennewein acquired a new plant to expand the production of human lactose.

bl/um

Es gibt Forschungsvorhaben, bei denen geht es buchstäblich um die Wurst. Eines davon ist das Projekt „BioPro: Biotechnologische Prozessentwicklung für neuartige Membranen auf Basis Kollagen“. Ein Verbund aus vier Partnern hat darin nach Wegen gesucht, Folien aus Kollagen nachhaltiger und homogener herzustellen, als es mit dem seit 125 Jahren etablierten Standardverfahren möglich ist. Die Praxistauglichkeit überprüfte das Weinheimer Unternehmen NATURIN Viscofan GmbH am Beispiel eines seiner Produkte: einer naturidentischen Hülle für Wurst.

Enzyme statt chemischer Prozessschritte

„Wir wollten den Herstellungsprozess optimieren, indem wir in der Prozessabfolge chemische Schritte durch Enzyme ersetzen“, erläutert Hans-Jörg Menger, der bei Naturin den Bereich Innovation und Diversifikation verantwortet. Die chemische Umwandlung des Kollagens sollte durch Enzyme unterstützt werden. Ziel sei es, Kollagen aus seiner natürlichen Struktur zu einer Membran zu extrudieren, die von der Lebensmittelindustrie verwendet werden kann.

Zunächst mussten geeignete Enzyme identifiziert werden. In Frage kamen sogenannte Proteasen – jedoch nicht alle. Um die Reißfestigkeit der Membran nicht zu beeinträchtigen, durften die Enzyme die Fasern nicht verkürzen. Projektpartner N-Zyme BioTec GmbH aus Darmstadt identifizierte fünf potenziell geeignete Enzyme, die Naturin im Projektverlauf erprobte. Diese Enzyme sollten die groben Makrokollagenfibrillen „auffasern“ und so die feinen Mikrokollagenfibrillen freilegen. Wie bei einem Teppich sollten diese Fibrillenfasern anschließend neu verwoben werden und eine Membran mit definierter Dicke und unterschiedlichen Durchlässigkeiten für wasseranziehende oder wasserabstoßende Substanzen bilden. Außerdem sollte das Verfahren die benötigte Kollagenrohmasse drastisch verringern, ebenso den Bedarf an Wasser, Energie und Chemikalien. Einen alternativen Weg innerhalb des Projektes verfolgte dabei die ASA Spezialenzyme GmbH. Sie sollte die Kollagenfolien in gewünschter Dicke aus Kollagen-Nanofibrillen mittels neuer Enzyme synthetisieren.

Prozessbedingungen an Enzyme anpassen

Bis es so weit war, musste Naturin jene Prozessschritte, in denen Enzyme eingesetzt werden sollten, an deren Wirkungsbereich anpassen – definiert vor allem durch Temperatur, Druck und pH-Wert. Um die bestmöglichen Voraussetzungen zu schaffen, hatten die Forscher die technisch möglichen Rahmenbedingungen der Prozesse bereits bei der Enzymauswahl berücksichtigt. „Nicht immer ließen sich die Schritte komplett anpassen“, berichtet Menger. Trotzdem konnte sein Team die Parameter sowohl im Labormaßstab als auch im halbtechnischen Maßstab so weit optimieren, dass am Ende ein wirtschaftlicher Prozess mit Enzymen möglich wäre.

Um die Ergebnisse der Enzymaktivitäten bewerten und das am besten geeignete Enzym auswählen zu können, hat Naturin gemeinsam mit dem Institut für Biologische Verfahrenstechnik an der Hochschule Mannheim eine Fasermessmethode entwickelt. Mit diesem speziellen mikroskopischen Verfahren analysierten die Projektpartner Länge, Dicke und Struktur der Fasern, wie sie nach dem Einsatz der Enzyme vorlagen. Nicht immer stimmten alle Parameter mit den Anforderungen überein, aber ein Enzym erwies sich als geeignet. „Unsere theoretischen Erwartungen haben sich in der Praxis alle bestätigt“, freut sich Menger.

The standard process for producing collagen films has been established for 125 years. Now, a consortium of four partners has been looking for ways to to this a more sustainable and homogeneous way in the project "BioPro: Biotechnological process development for novel collagen-based membranes". The Weinheim-based company NATURIN Viscofan GmbH tested the practical suitability of one of its products: a nature-identical casing for sausages.

Enzymes instead of chemical process steps

"We wanted to optimize the manufacturing process by replacing chemical steps with enzymes in the process sequence," explains Hans-Jörg Menger, who is responsible for Innovation and Diversification at Naturin. The chemical conversion of collagen was to be supported by enzymes. The aim is to extrude collagen from its natural structure into a membrane that can be used by the food industry.

First, suitable enzymes had to be identified. So-called proteases were considered - but not all of them. In order not to impair the tensile strength of the membrane, the enzymes were required not to shorten the fibres. Project partner N-Zyme BioTec GmbH from Darmstadt identified five potentially suitable enzymes that Naturin tested during the course of the project. These enzymes were to "fibrillate" the coarse macrocollagen fibrils and thus expose the fine microcollagen fibrils. As with a carpet, these fibrils were then rewoven to form a membrane with a defined thickness and different permeabilities for water-attracting or water-repellent substances. In addition, the process should drastically reduce the amount of collagen raw material required, as well as the need for water, energy and chemicals. ASA Spezialenzyme GmbH pursued an alternative path within the project. The company was to synthesise the collagen films in the desired thickness from collagen nanofibrils using new enzymes.

Adapting process conditions to enzymes

Until then, Naturin had to adapt the process steps in which enzymes were to be used to their range of action - defined primarily by temperature, pressure and pH value. In order to create the best possible conditions, the researchers had already taken the technically possible framework conditions of the processes into account when selecting the enzymes. "It is not always possible to completely adapt the steps," said Menger. Nevertheless, Menger's team was able to optimize the parameters both on a laboratory and semi-technical scale to such an extent that an economic process using enzymes would ultimately be possible.

In order to evaluate the results of enzyme activities and select the most suitable enzyme, Naturin and the Institute of Biological Process Engineering at the Mannheim University of Applied Sciences have developed a fibre measurement method. Using this special microscopic method, the project partners analyzed the length, thickness and structure of the fibres as they existed after the use of the enzymes. Not all parameters met the requirements, but one enzyme proved to be suitable. "Our theoretical expectations have all been confirmed in practice," said Menger.