Nach aktuellen Prognosen ist ein Anstieg des Marktanteils von Biopolymeren am globalen Kunststoffmarkt auf etwa 10% innerhalb der nächsten fünf Jahre zu erwarten. Der Trend zu biobasierten und biologisch abbaubaren Kunststoffen ergibt sich vor allem aus der weltweiten Abfallproblematik und den steigenden Umweltauflagen für die Industrie. Das kürzlich an den Start gegangene Internet-Portal BioFoN will die Akteure aus Wissenschaft und Wirtschaft zum Thema biobasierte Polymerwerkstoffe entlang der gesamten Wertschöpfungskette hierzulande besser vernetzen. Benjamin Baudrit vom SKZ – Das Kunststoff-Zentrum in Würzburg koordiniert das Projekt.
Aktuelle Veranstaltungen
Hilfreich und unverzichtbar
Folienverpackungen im Obst- und Gemüseregal, bei Müsli und Flocken, Süßigkeiten, Hülsenfrüchten, Nudeln, Wurst und Käse bis hin zum Tierfutter. Im Nahrungsmittelbereich sind sie unverzichtbar geworden, die praktischen transparenten Folien, die es uns möglich machen, das Produkt zu begutachten, und es außerdem vor äußeren Einflüssen schützen. Aber gibt es keine nachhaltigen Alternativen? Diese Frage stellte sich auch ein Start-up aus Schleswig-Holstein und ließ eine alte Technik wieder aufleben.
Altes Verfahren ...
Bereits 1869 wurde in den USA ein Patent erteilt auf einen ersten „thermoplastischen“ Kunststoff, der aus stark erhitztem und unter hohem Druck in eine Form gepresstem Kollodium bestand. Der Kunststoff aus Nitrocellulose und Kampfer erhielt den Namen „Zelluloid“. Bis in die 1930er Jahre wurden Kunststoffe fast ausschließlich aus nachwachsenden Rohstoffen, hauptsächlich Holz, hergestellt. Dann wurde Erdöl als Rohstoff eingesetzt und erwies sich als günstiger und vielseitiger.
... neu belebt
Die Superseven GmbH knüpfte an die alte Technik an und verhalf der Folie aus Holz zu einer Renaissance. Die plastikfreie bedruckbare Folienverpackung, die unter dem Namen Repaq Cellulose vertrieben wird, ist zu 100% biologisch kreislauffähig. Den Rohstoff für Repaq Cellulose liefern Rest- und Abfallhölzer aus FSC-zertifizierter Forstwirtschaft. Die Folie fühlt sich genauso an wie jede andere transparente Tüte oder wie jede andere Schutzfolie. Nach ihrer Nutzung wird sie spurlos verrotten, je nach Materialmix sogar innerhalb weniger Wochen im ganz normalen Gartenkompost.
Marktreife
Verpackt werden neben Lebensmitteln und Spielwaren auch Textilien, Zeitschriften und Papierwaren, Hygieneartikel, aber auch elektronische Waren und Bauteile. Noch ist das junge Unternehmen nur im B2B-Sektor tätig. Doch steht es bereits in Verhandlungen mit Großhändlern, um künftig auch kleinere Margen anbieten zu können.
In vielen Ländern der Erde ist Reis das Hauptnahrungsmittel. Kleinbauern, vor allem in Südasien und Afrika, leben vom Anbau der wichtigen Nahrungspflanze. Doch ihre Lebensgrundlage und Nahrungssicherheit ist durch die Pflanzenseuche Bakterienbrand bedroht. Dafür verantwortlich ist der Erreger Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo). Allein in Indien verursacht das Bakterium jedes Jahr Ernteverluste im Wert von etwa 3,6 Milliarden Dollar. Das internationale Forscherkonsortium Healthy Crops ist dem Ziel, die Pflanzenseuche auszurotten, nun einen entscheidenden Schritt nähergekommen.
Im Fachjournal Nature Biotechnology stellen die Wissenschaftler in gleich zwei Studien neue Werkzeuge für den Kampf gegen den bakteriellen Krankheitserreger vor. In der einen Studie präsentieren sie zwei populäre Reissorten, die resistent sind gegen verschiedene Erreger des Bakterienbrands. In der anderen zeigen sie ein Werkzeug, mit dessen Hilfe neue Ausprägungen des Erregers schnell diagnostiziert werden können.
Nährstoffversorgung des Erregers blockiert
Doch wie ist es den Forschern gelungen, den Reiserreger auszutricksen? „Wir verhindern, dass das Xoo-Bakterium Nährstoffe von der Pflanze rauben kann, um sich zu vermehren“, erklärt Bing Yang von der University of Missouri. Frühere Untersuchungen haben offengelegt, wie sich die gefährlichen Bakterien Zugang zur Nährstoffkammer der Reispflanze verschaffen, die sie zur Vermehrung brauchen. Demnach schleusen die Xoo-Bakterien sogenannte TAL-Effektoren in die Reiszelle ein. Diese sind der Schlüssel für die pflanzliche Vorratskammer. Sie aktivieren die „SWEET-Gene“ der Reispflanze und setzten dadurch sogenannte SWEET-Promotoren in Gang, die wiederum Zucker aus der Reiszelle zu den Bakterien transportieren.
Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass einige Reissorten gegen bestimmte Stämme des Xoo-Erregers jedoch resistent sind. Den Forschern zufolge haben hier die Pflanzen ihr Schloss so geändert, dass der bakterielle Schlüssel zur Vorratskammer nicht mehr passt. Gleichzeitig stieß das Team aber auch auf Xoo-Bakterien, die sich an diese Veränderung angepasst haben und mit jeweils anderen Schlüsseln den Zugang attackieren.
Zwei neue resistente Reispflanzen vorgestellt
Wie das Team im Fachjournal Nature Biotechnology berichtet, konnten sechs verschiedene Angriffspunkte in den SWEET-Promotoren von drei verschiedenen SWEET-Genen nun identifiziert werden. „Mit diesem Wissen und den Werkzeugen, die wir entwickelt haben, können wir mindestens so schnell neue resistente Reissorten entwickeln wie die Bakterien neue Schlüssel“, sagt der Leiter des Konsortiums, Wolf Frommer, vom Institut für Molekulare Physiologie der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf.
Diagnose-Set zum Aufspüren der Krankheitserreger
Einschließlich des neu entwickelten Diagnose-Kits, das die Forscher in der zweiten Studie vorstellen, ist nun der Weg für den schnellen und zielgerichteten Einsatz neuer Resistenzen geebnet, um den Bakterienbrand bei Reis langfristig auszurotten. „Wir haben jetzt die Möglichkeit, das Bakterium auszutricksen, in dem wir ihm einen Schritt voraus sind“ , ergänzt Ricardo Oliva, Erstautor und Leiter des IRRI-Teams. Das „SWEETR-RESISTANCE KIT“ soll Reisbauern und Forschern schon bald in Asien und Afrika bereitgestellt werden.
Am Healthy-Crops-Konsortium sind neben der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und der University of Missouri die University of Florida in den USA, das Tropenzentrum für Agrarforschung (CIAT) in Kolumbien, das Institut de Recherche pour le Développement (IRD) in Frankreich und das Internationale Institut für Reisforschung (IRRI) auf den Philippinen beteiligt. Die Forschung wurde unter anderem durch die Bill & Melinda Gates-Stiftung gefördert.
bb
In many countries of the world, rice is a staple food. Small farmers, especially in South Asia and Africa, live from the cultivation of this important crop. However, their livelihood and food security are threatened by the plant disease bacterial blight. This is caused by the pathogen Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo). In India alone, the bacterium causes annual harvest losses worth around 3.6 billion dollars. The international research consortium Healthy Crops has now taken a decisive step towards the goal of eradicating the plant disease.
In the scientific journal Nature Biotechnology, the scientists present new tools for the fight against the bacterial pathogen in two studies. In one study, they present two popular rice varieties that are resistant to various bacterial blight pathogens. In the other, they show a tool that can be used to quickly identify new forms of the pathogen.
Nutrient supply of the pathogen blocked
But how did the researchers manage to trick the rice pathogen? "We're preventing the Xoo bacterium from stealing nutrients from the plant to multiply," explains Bing Yang of the University of Missouri. Previous research revealed how dangerous bacteria gain access to the rice plant's nutrient chamber, which they need to multiply. The Xoo bacteria introduce so-called TAL effectors into the rice cell. These are the key to the plant pantry. They activate the "SWEET genes" of the rice plant and set so-called SWEET promoters in motion, which in turn transport sugar from the rice cell to the bacteria.
Earlier investigations have shown that some rice varieties are resistant to certain strains of the Xoo pathogen. According to the researchers, the plants have changed their locks in such a way that the bacterial key no longer fits into the pantry. At the same time, the team also came across Xoo bacteria that have adapted to this change and attack with different keys.
Two new resistant rice plants presented
As the team reported in the journal Nature Biotechnology, six different targets have now been identified in the SWEET promoters of three different SWEET genes. "With this knowledge and the tools we have developed, we can develop new resistant rice varieties at least as quickly as the bacteria can develop new keys," says Wolf Frommer, head of the consortium at the Institute of Molecular Physiology at Heinrich Heine University in Düsseldorf.
Diagnostic set for the detection of pathogens
With the newly developed diagnostic kit presented by the researchers in the second study, the way has now been paved for the rapid and targeted use of new resistances to eradicate bacterial blight in rice in the long term. "We now have the opportunity to outwit the bacterium by being one step ahead of it," says Ricardo Oliva, first author and head of the IRRI team. The "SWEETR-RESISTANCE KIT" will soon be made available to rice farmers and researchers in Asia and Africa.
The Healthy Crops Consortium includes the Heinrich Heine University in Düsseldorf, the University of Missouri, the University of Florida in the USA, the Tropical Centre for Agricultural Research (CIAT) in Colombia, the Institut de Recherche pour le Développement (IRD) in France and the International Rice Research Institute (IRRI) in the Philippines. The research was supported by the Bill & Melinda Gates Foundation, among others.
bb/um
In seinem jüngsten Bericht hatte der Weltbiodiversitätsrat (IPBES) ein dramatisches Bild zur globalen Lage der Artenvielfald gezeichnet. Danach nimmt die Zahl der Tier- und Pflanzenarten weltweit dramatisch ab und war noch nie so hoch wie heute. Die Ursachen dafür sind vielfältig. Das Berliner Start-up Ark-Biodiversity, das sich selbst als ein grünes Hightech-Unternehmen bezeichnet, hat eigenen Angaben zufolge eine Technologie parat, die „zumindest eine der Ursachen des globalen Artensterbens“ adressiert: den weltweiten illegalen Handel mit geschützten und bedrohten Lebewesen und daraus hergestellten Produkten.
„Ich glaube nicht an ein Überleben der Menschheit ohne Artenvielfalt, und nicht an die Erhaltung der Artenvielfalt, wenn unsere Gesellschaften nicht gemeinsam Mechanismen finden, Biodiversität zu bewerten und Geschäftsmodelle zu entwickeln, die von ihrem Erhalt profitieren“, sagt Unternehmensgründer Alexander Olek. Der Biochemiker ist in der hiesigen Biotech-Branche kein Unbekannter: Unter anderem gründete er 1998 das Berliner Biotech-Unternehmen Epigenomics.
Universeller genetischer Fingerabdruck
Bei dem Test handelt es sich um einen universellen genetischen Fingerabdruck, den „universal fingerprint of life“, mit dem alle Lebewesen und ihre Produkte identifiziert und charakterisiert werden können. Die molekulare Diagnostiktechnologie basiert auf sogenannten Mikrosatelliten, die auch bei Abstammungsgutachten oder in der Forensik Verwendung finden. Den neuen Artenbestimmungstest hat sich Ark-Biodiversity patentieren lassen.
Er soll wissenschaftliches Know-how, neueste genomische Methoden und Big-Data-Technologien vereinen. Dem Unternehmen zufolge erlaubt die Technologie, „aus jeglichem höheren Lebewesen einen komplexen genetischen Fingerabdruck zu generieren. Das universelle genetische Adress-System des Berliner Start-ups könnte, so die Entwickler, kombiniert mit modernen Daten-und Transaktionstechnologien wie Blockchain helfen, wichtige Fragen zur Eindämmung des illegalen Handels sowie der Züchtung geschützter und bedrohter Arten und Ökosysteme zu beantworten.
Kapital vom Hightech-Gründerfonds
Hierfür konnte das Berliner Unternehmen den Hightech-Gründerfonds (HTGF) nun als Investor für die Weiterentwicklung der Technologie gewinnen. Über die Höhe der Finanzierung wurde nichts bekannt. „Das Geschäftsmodell der Ark-Biodiversity zeigt, dass ein Investment in Nachhaltigkeit auch wirtschaftlich attraktiv sein kann. Wir freuen uns zusammen mit dem mutigen und gleichzeitig erfahrenen Gründerteam auf diese Weise High-Tech in den Dienst des Artenschutzes zu stellen“, kommentiert Tobias Faupel, Senior Investment Manager des HTGF die erste Finanzierungsrunde.
bb/pg
Wie kann die Deutsche Nachhaltigkeitsstrategie als Beitrag zur Agenda 2030 für nachhaltige Entwicklung effizient umgesetzt werden? Welche besondere Verantwortung und Möglichkeit hat die Wissenschaft dabei? Über diese Fragen debattierten im Mai Vertreter von 15 wissenschaftlichen Beiräten der Bundesregierung in Berlin. Der nunmehr zweite Beirätedialog wurde von der Wissenschaftsplattform Nachhaltigkeit 2030 (wpn2030) in Kooperation mit Sustainable Development Solution Network Germany (SDSN Germany) initiiert. „Für die Herausforderungen nachhaltiger Entwicklung müssen Wissenschaft und Politik gemeinsam neue Wege gehen“, resümiert Patrizia Nanz, Co-Vorsitzende der Wissenschaftsplattform Nachhaltigkeit 2030. Gleichzeitig sei „mehr Kooperation über Grenzen hinweg“ für das Erreichen der Ziele der Deutschen Nachhaltigkeitsstrategie entscheidend. „Das gilt für die politischen Entscheider und ausführenden Ressorts ebenso wie für die beratende Wissenschaft“, sagte Nanz.
Die Wissenschaftsplattform Nachhaltigkeit 2030 wurde 2017 als wissenschaftliche Begleitinstanz für die Umsetzung der Deutschen Nachhaltigkeitsstrategie gegründet. Ihre Ziele sind es insbesondere, die Wissenschaft für Nachhaltigkeit zu aktivieren und den Austausch zwischen Wissenschaft, Politik, Wirtschaft und Zivilgesellschaft zu intensivieren.
Fragen quer zu Disziplinen und Politikfeldern bearbeiten
Das Treffen zeigte einmal mehr, wie groß die Bereitschaft der verschiedenen Beiräte zur Zusammenarbeit ist und wie nötig es ist, künftig noch enger zu kooperieren. Drängende Fragen sollen daher künftig verstärkt „quer zu Disziplinen und Politikfeldern“ bearbeitet werden, betonten die Dialogteilnehmer. Das Treffen verdeutlichte aber auch, wie groß der Handlungsdruck etwa bei Klimaschutz, Biodiversität und Landwirtschaft ist. Hier sei es die Politik, die auf viele dieser Herausforderung oft viel zu langsam und zu wenig ambitioniert antworte, resümieren die Experten.
Wissenschaftliche Empfehlungen konsequenter umsetzen
„Mit Blick auf die Ziele der Deutschen Nachhaltigkeitsstrategie sind die Herausforderungen und der Handlungsdruck enorm groß. Bislang verpasst die Umsetzung der Strategie viele ihrer Zielkorridore“, betonte Ina Schieferdecker, Mitglied im Lenkungskreis der wpn2030. Die Beiräte erwarten von der Bundesregierung, künftig konsequenter wissenschaftliche Empfehlungen zu Nachhaltigkeitsfragen umzusetzen. Einfache Lösungen für die vielschichtigen Nachhaltigkeitsprobleme seien nicht zu erwarten, stellte Nanz klar. „Umso wichtiger ist ein entschlossenes Zusammenwirken von Politik, Gesellschaft und Wissenschaft.“
Anreize für wissenschaftliche Politikberatung schaffen
Im Beirätedialog wurde auch darauf verwiesen, dass Wissenschaftler ihre gesellschaftliche Verantwortung durch wissenschaftliche Politikberatung noch zu selten wahrnehmen, weil es dafür zu wenig Anreize gibt. Hier sehen die Experten das Wissenschaftssystem in der Pflicht, solche Anreize stärker zu fördern und dafür Qualitätskriterien und Anerkennungssysteme weiterzuentwickeln.
Wissenschaftsplattform Nachhaltigkeit 2030 wird vom Lösungsnetzwerk für nachhaltige Entwicklung Deutschland (SDSN Germany), dem Deutschen Komitee für Nachhaltigkeitsforschung (DKN Future Earth) sowie dem Forschungsinstitut für Nachhaltigkeitsstudien IASS getragen und von einem breit besetzten Lenkungskreis gesteuert. Dem Kreis gehören neben Wissenschaftlern unterschiedlicher Forschungsorganisationen und Universitäten auch Leopoldina-Präsident Jörg Hacker sowie der Co-Vorsitzende des Bioökonomierates, Joachim von Braun, an.
bb
Ob Elektroautos oder eine vollständig regenerative Stromversorgung: Beide für den Klimaschutz so wichtigen Bereiche der Energiewende setzen leistungsfähige Stromspeicher voraus. Bislang sind Batterien jedoch ökologisch und sozial oft problematisch, da sie bestimmte Metalle benötigen, deren Abbau Mensch und Umwelt schädigt. Forscher des Max-Planck-Instituts (MPI) für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Golm haben sich daher das Ziel gesetzt, alle problematischen Komponenten von Batterien durch nachwachsende Rohstoffe zu ersetzen.
Vanillin statt Lithium
Die erste Assoziation ist dabei für viele Menschen das Alkalimetall Lithium, häufig in Verbindung mit Kobalt. „Was man braucht, sind ganz allgemein Substanzen, die Elektronen abgeben und danach auch wieder aufnehmen können“, erklärt MPI-Forscher Clemens Liedel. „Das können Metalle sein, die dann zu Metallionen werden, aber auch organische Substanzen.“ Eine vielversprechende organische Substanz, mit der sein Team sich befasst, ist Vanillin. Der Aromastoff der Vanille lässt sich unkompliziert aus Lignin und damit aus Holz herstellen. Grundsätzlich könnte Vanillin Lithiumkobaltoxid als Kathodenmaterial ersetzen. Allerdings handelt es sich dabei um ein sprödes Pulver, was einige chemische Kniffe erforderlich macht. Eine Variante, die die Chemiker getestet haben, ist der Einsatz eines Bindemittels wie Chitosan, das sich beispielsweise aus Garnelenschalen gewinnen lässt, kombiniert mit Ruß, der ebenfalls aus Biomasse erzeugt werden kann. Aktuell entwickelt das Team um Liedel ein reines Vanillin-Kohlenstoff-Gemisch, das ohne Bindemittel auskommen könnte.
Ionische Flüssigkeit als Elektrolyt
Für den Ladungsaustausch in Batterien sorgen Elektrolyte. „Aktuell sind hier Lösungen giftiger Lithiumsalze in brennbaren organischen Carbonaten üblich“, schildert Liedel. Auch hierfür hat sein Team eine Alternative gefunden – sogenannte ionische Flüssigkeiten. „Ionische Flüssigkeiten sind gut leitend für andere Ionen, kaum flüchtig und damit auch schwer entflammbar.“ Außerdem sind sie rein organisch und können aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugt werden. Für die Lösung, mit der die MPI-Forscher derzeit arbeiten, gilt letzteres immerhin schon zur Hälfte. Ein weiterer Vorteil der ionischen Flüssigkeiten besteht darin, dass ihre elektrochemischen Parameter sich gut einstellen lassen.
Auch für die Separatoren, die zwischen den Polen einer Batterie einen Kurzschluss verhindern, weiß Liedel eine Alternative aus erneuerbaren Rohstoffen: das bereits zuvor verwendete Chitosan. Das haben die Forscher zu einem feinporigen Netzwerk verknüpft. Versuche damit seien bereits erfolgreich gewesen: „Vor allem die Anionen wandern gut durch die Poren“, berichtet Liedel.
Zusammenbau der Biobatterie
An einer Alternative für Lithium bei der Anode arbeitet Liedels Kollege Martin Oschatz und wurde bei Natrium fündig. In Verbindung mit einem speziell gestalteten Kohlenstoffpolymer und Ruß sind erste Tests bereits erfolgreich verlaufen.
Während Oschatz seinen Ansatz weiterentwickeln möchte, um damit bessere Superkondensatoren herzustellen, will Liedel nun die unterschiedlichen Komponenten zu einer Biobatterie zusammenfügen. „Wir müssen aber noch einige Detailfragen klären“, sagt Liedel. Offen ist beispielsweise, wie gut sich die ionische Flüssigkeit mit dem biobasierten Elektrodenmaterial Vanillin chemisch verträgt. Unterstützung bekommt der Chemiker dabei von der Deutschen Forschungsgemeinschaft, die die Entwicklung polymerbasierter Batteriewerkstoffe sechs Jahre lang mit 12 Mio. Euro fördert – unter anderem auch das Projekt des MPI-Forschers.
bl
Electric cars or a fully regenerative power supply: Both areas of energy system transformation, which are so important for climate protection, require efficient power storage systems. So far, however, batteries have often been ecologically and socially problematic because they require certain metals that can only be mined to the detriment of humans and the environment. Researchers at the Max Planck Institute (MPI) for Colloids and Interfaces in Golm have therefore set themselves the goal of replacing all the problematic components of batteries with renewable resources.
Vanillin instead of lithium
The first association for many people is the alkali metal lithium, often in combination with cobalt. " We need substances that release electrons and can then reabsorb them," explains MPI researcher Clemens Liedel. "These can be metals, which then become metal ions, but also organic substances." One promising organic substance that his team is working on is vanillin. The aroma substance of vanilla can be easily produced from lignin and thus from wood. In principle, vanillin could replace lithium cobalt oxide as cathode material. However, it is a brittle powder, which requires some chemical tricks. The chemists have tested the use of a binder such as chitosan, which can be obtained from shrimp shells, for example, combined with carbon black, which can also be produced from biomass. Liedel and his team are currently developing a pure vanillin-carbon mixture that could do without binding agents.
Ionic liquid as electrolyte
Electrolytes provide the charge exchange in batteries. "Currently, solutions of toxic lithium salts in flammable organic carbonates are common," Liedel explains. Here, too, his team has found an alternative - so-called ionic liquids. "Ionic liquids are good conductors for other ions, are hardly volatile and therefore flame-retardant. They are also purely organic and can be produced from renewable raw materials. TAnother advantage of ionic liquids is that their electrochemical parameters can be easily adjusted. Another advantage of ionic liquids is that their electrochemical parameters can be easily adjusted.
Liedel also has a renewable resource alternative for the separators that prevent a short circuit between the poles of a battery: the aforementioned chitosan. The researchers have combined this into a fine-pored network. "The anions in particular migrate well through the pores," reports Liedel.
Assembling the biobattery
Liedel's colleague Martin Oschatz is working on an alternative to lithium for the anode and found it in sodium. In combination with a specially designed carbon polymer and carbon black, initial tests have already been successful.
While Oschatz wants to further develop his approach in order to produce better supercapacitors, Liedel now wants to combine the different components to create a biobattery. "However, we still have some details to clarify," says Liedel. It is still unclear, for example, how well the ionic liquid chemically combines with the biobased electrode material vanillin.
The chemist is supported by the German Research Foundation (DFG), which is funding the development of polymer-based battery materials for six years with 12 million euros - including the MPI researcher's project.
bl/um
Proteine bilden die Grundlage aller Prozesse in lebenden Zellen. Um diese Prozesse zu verstehen, ist es wichtig, die beteiligten Proteine zu identifizieren und auch zu erkennen, wann sie von der Norm abweichen und so möglicherweise ursächlich für Krankheiten sind. Forscher der TU München haben nun ein Verfahren entwickelt, mit dem große Mengen Proteine mit bislang unerreichter Verlässlichkeit analysiert werden können. Bislang ist die Massenspektrometrie (MS) das bioanalytische Verfahren der Wahl, um Proteine zu identifizieren. Durch die Bestimmung der Masse der Moleküle kann die Art und Menge der in einer Probe vorhandenen Eiweißmoleküle ermittelt werden, die MS hat jedoch methodische Schwächen: Sie erfasst immer nur einen kleinen Teil der Aminosäuren eines Proteins und gleicht diese Sequenz mit Datenbanken ab, um daraus auf das Protein rückzuschließen. Das führt auch zu Fehlern.
Algorithmus mit Millionen Massenspektren trainiert
Informatiker und Chemiker der TU München haben mit 100 Millionen Massenspektren von Proteinen einen selbstlernenden Algorithmus trainiert, von dem sie im Fachjournal „Nature Methods“ berichten. Dieses neuronale Netzwerk verwendet das gesamte gemessene Spektrum, um Proteine zu identifizieren. „Dadurch verpassen wir weniger Proteine und es passieren 100-mal weniger Fehler“, erläutert Biochemiker Bernhard Küster. „Prosit“, wie die Forscher die Künstliche Intelligenz getauft haben, arbeitet somit deutlich schneller als bisherige Systeme und obendrein praktisch fehlerfrei.
Universell einsetzbare Software
„Prosit ist auf alle Organismen dieser Welt anwendbar, auch wenn man deren Proteome vorher nie untersucht hat“, betont Bioinformatiker Mathias Wilhelm. Das ermögliche Untersuchungen, die vorher nicht denkbar waren. In der Medizin soll die neue Methode Geräte revolutionieren, die nach Biomarkern im Blut oder Urin von Patienten suchen oder Therapien hinsichtlich der Wirksamkeit überwachen. „KI-Methoden wie Prosit werden schon bald das Forschungsfeld der Proteomik nachhaltig verändern, da sie in nahezu allen Bereichen der Proteinforschung eingesetzt werden können.“
Auch für die Grundlagenforschung erwartet Kollege Küster große Fortschritte: „Wir erhoffen uns hier einen erheblichen Erkenntnisgewinn, der sich mittel- und langfristig in der Behandlung von Erkrankungen von Mensch, Tier und Pflanze niederschlagen wird.“ Prosit wurde im Rahmen des Forschungsprogramms ProteomeTools entwickelt und vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit rund 3,3 Mio. Euro gefördert. Die neue KI-Methode ist über die Plattform ProteomicsDB verfügbar.
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Proteins form the basis of all processes in living cells. In order to understand these processes, it is important to identify the proteins involved and also to recognize when they deviate from the norm and thus possibly cause diseases. Researchers at the Technical University of Munich have now developed a method with which large quantities of proteins can be analyzed with unprecedented reliability. So far, mass spectrometry (MS) has been the bioanalytical method of choice for identifying proteins. By determining the mass of the molecules, it is possible to determine the type and quantity of protein molecules present in a sample. However, MS has methodological weaknesses: it only records a small part of the amino acids of a protein and compares this sequence with databases in order to arrive at the protein. This can lead to errors.
Algorithm trained with millions of mass spectra
Computer scientists and chemists at the Technical University of Munich have trained a self-learning algorithm with 100 million mass spectra of proteins, which they report on in the scientific journal "Nature Methods". This neuronal network uses the entire measured spectrum to identify proteins. As a result, "we miss fewer proteins and make 100 times fewer mistakes," explains biochemist Bernhard Küster. "Prosit", as the researchers called the artificial intelligence, works much faster than previous systems and makes practically no errors.
Universally applicable software
"Prosit is applicable to all organisms in the world, even if their proteomes have never been examined before," stresses bioinformatician Mathias Wilhelm. This makes it possible to carry out investigations that were previously inconceivable. In medicine, the new method is intended to revolutionize devices that search for biomarkers in the blood or urine of patients or monitor therapies with regard to their effectiveness. "AI methods such as Prosit will soon change the field of proteomics, as they can be used in almost every area of protein research."
His colleague Küster also expects great progress in basic research: "We hope to gain a considerable amount of knowledge here, which, in the medium and long term, will be reflected in the treatment of diseases suffered by humans, animals and plants." Prosit was developed as part of the ProteomeTools research program and funded by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF) with around 3.3 million euros. The new AI method is available via the ProteomicsDB platform.
bl/um
Knappe fossile Ressourcen und Klimawandel sind nur zwei Herausforderungen, denen sich Wirtschaft und Gesellschaft künftig gleichermaßen stellen müssen. Forschung und Politik sind sich einig: Die Bioökonomie hat das Potenzial, diese komplexe Aufgabe zu meistern. Dabei gilt es nicht nur, fossile Rohstoffe wie Erdöl durch nachwachsende Rohstoffe zu ersetzen. Die Entwicklung einer biobasierten Wirtschaft muss nachhaltig und kreislauforientiert gestaltet werden – so hat es auch die Europäische Kommission in ihrer aktualisierten Bioökonomie-Strategie ausgerufen.
Land will Vorbild für nachhaltiges Wirtschaften werden
Baden-Württemberg zählte 2013 zu den ersten Bundesländern mit einer eigenen Bioökonomie-Forschungsstrategie. Nun hat die Landesregierung eine ressortübergreifende Politikstrategie beschlossen: Die Landesstrategie „Nachhaltige Bioökonomie Baden-Württemberg“ vom Juni 2019 zielt nun darauf ab, mit innovativen biologischen Konzepten erneuerbare oder recycelbare Rohstoffquellen zu erschließen, die Treibhausgasemissionen zu senken, natürliche Ressourcen zu schonen und die Biodiversität zu stärken. Aber nicht nur das: „Baden-Württemberg soll zu einem Beispielland für eine nachhaltige und kreislauforientierte Wirtschaftsform werden“, so Landwirtschaftsminister Peter Hauk und Umweltminister Franz Untersteller im Vorwort des Strategiepapiers. Ihre beiden Häuser sind federführend für Ausarbeitung und Gestaltung der Landesstrategie.
Die Anfang Juni vorgestellte Strategie entstand im Dialog mit allen relevanten Akteuren. Das nun präsentierte ressortübergreifende Konzept umfasst 37 Maßnahmen, die dazu beitragen sollen, die ambitionierten Ziele zu erreichen. Dazu gehört auch, dass vorhandenes Wissen aus Forschung und Entwicklung in praktische Anwendungen zu überführen und dafür entsprechende Rahmenbedingungen für die Wirtschaft zu schaffen, um die Potenziale auszuschöpfen.
Ländlichen Raum stärken
Der Minister für Ländlichen Raum und Verbraucherschutz betonte, dass mit der Landesstrategie insbesondere auch die ländlichen Räume in Baden-Württemberg durch die Schaffung neuer Arbeitsplätze gestärkt werden sollen. Große Potenziale sieht Hauk in einer verstärkten stofflichen und energetischen Nutzung von Nebenprodukten und Reststoffen aus der Land- und Ernährungswirtschaft sowie von Holz aus nachhaltiger und heimischer Waldbewirtschaftung.
Ein weiterer Schwerpunkt der Landesstrategie liegt im Ausbau und der Weiterentwicklung der Biogasanlagen. „Biogasanlagen bieten günstige Schnittstellen für eine umfassende und dezentrale Biomassekonversion zu vielfältigen Produkten, wie Fasern, Plattformchemikalien, Nährstoff- und Energieprodukten“, sagte Minister Hauk.
Ressourcenschonung durch effiziente Kreislaufwirtschaft
Mit der neuen Strategie will die Landesregierung die Bioökonomie auch in Industrie und urbanen Räumen implementieren. Im Konzept werden daher verschiedene Maßnahmen formuliert, die konkret das städtische und industrielle Entwicklungspotenzial ins Auge fassen. „Abfälle und Abwasser beispielsweise enthalten nutzbare Rohstoffe, die wir zurückgewinnen können“, erklärt Umweltminister Franz Untersteller. „Es geht um innovative Biotechnologien zur Ressourcenschonung durch effiziente Kreislaufwirtschaft. Unser Ziel ist es, sogenannte Bioabfall- und Abwasserraffinerien als Reallabore und Pilotanlagen aufzubauen, um biologische und bioinspirierte Verfahren zu entwickeln und umzusetzen.“
Biologische Gewinnung anorganischer Rohstoffe
Bei der Erzeugung von Rohstoffen zur Gewinnung von Energie- und Stoffkreisläufen setzt die Landesregierung auf die Entwicklung von Technologien zur biologischen Gewinnung anorganischen Rohstoffe wie Metall, Phosphor und Chemikalien sowie das biotechnische CO2-Recycling. „Ich bin überzeugt, dass wir mit den Maßnahmen der Landesstrategie zur Bioökonomie dazu beitragen, die Wirtschaft in Baden-Württemberg nachhaltiger und damit zukunftsfähiger zu machen. Das Potenzial einer innovativen biobasierten oder biointegrierten Ökonomie ist enorm, es wird Innovationen anreizen und den Industriestandort Baden-Württemberg sichern helfen“, sagte Ministerpräsident Winfried Kretschmann.
50 Mio. Euro für nachhaltige Bioökonomie
Für die Umsetzung der geplanten Maßnahmen stellt die Landesregierung von 2020 bis 2024 insgesamt 50 Mio. Euro bereit. Das Budget speist sich jeweils zur Hälfte aus Mitteln des Ministeriums für Ländlichen Raum und Verbraucherschutz und dem Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft des Landes.
bb/pg
180 Mrd. Euro Umsatz macht die Lebensmittelindustrie jährlich in Deutschland. Doch nicht nur die großen Konzerne haben in diesem Markt eine Chance. Vor allem spezielle Verbraucheranforderungen wie Laktose- oder Glutenfreiheit sowie kohlenstoffarme, vegetarische und vegane Rezepturen bieten Potenzial für Nischenprodukte und damit für Start-ups. Die Hochschule Weihenstephan-Triesdorf (HSWT) hat nun einen Inkubator gegründet, um Food-Start-ups ihrer Studenten und Mitarbeiter zu unterstützen.
Gesamte Wertschöpfungskette abgebildet
Die HSWT deckt mit ihren Studiengängen die gesamte Lebensmittelwertschöpfungskette ab. Auch das nötige Wissen für angehende Gründer wird den 4.000 Studenten an der Hochschule vermittelt, insbesondere durch den Studiengang „Lebensmitteltechnologie“ mit den Modulen „Gründung eines Food Start-ups“, „Produktentwicklung“ und „Unternehmensführung". Ab Herbst 2019 starten zudem zwei neue Master-Studiengänge im Bereich „Lebensmittelqualität“. So überrascht es nicht, dass bereits fünf Food-Start-ups aus der HSWT hervorgegangen sind. Sie werden ebenfalls in den „Food Start-up Inkubator Weihenstephan“ (FSIWS) ziehen.
Technikums- und Laborflächen sowie Berater
Im Inkubator stehen den Jungunternehmern eigens für die Lebensmittelproduktion zugelassene Technikums- und Laborflächen zur Verfügung, um Lebensmittelmuster herzustellen und Pilotproduktionen aufzubauen. Außerdem werden sie von Experten der Industrie- und Handelkammer sowie den Food-Start-up-Spezialisten von Startinfood beraten.
Nächste Schritte schon geplant
Bis 2021 soll zudem ein neues Brau- und Getränkezentrum errichtet werden, das die verfügbaren Technikumsflächen verdoppelt. Bis dahin sollen auch weitere Partner für die Vernetzung gewonnen werden, beispielsweise das Fraunhofer Institut IVV, die Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft und das Wissenschaftszentrum Weihenstephan der TU München.
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Paukenschlag in der Stammzellforschung bei Nutztieren: Wissenschaftler vom Friedrich-Löffler-Institut (FLI) in Mariensee haben gemeinsam mit Kollegen aus Großbritannien und China bei Schweinen eine besonders entwicklungsfähige Variante von pluripotenten Stammzellen erzeugt: Mithilfe einer speziellen Nährlösung haben die Forscher embryonale Stammzelllinien (ES) mit „erweitertem Potenzial“ aus Schweineembryonen gewonnen (Expanded Potential Stem Cells, EPSCs). Über den Herstellungsweg berichtet das Konsortium im Fachjournal „Nature Cell Biology“.
Gewonnene Stammzellen sind mehr als pluripotent
Embryonale Stammzellen können sich zu jedem möglichen Zelltyp eines Organismus ausdifferenzieren. Außerdem lassen sie sich als Zelllinie unbegrenzt in Kultur halten, was mit bereits ausdifferenzierten Zellen nur begrenzt möglich ist. Bislang waren jedoch Versuche, aus größeren Säugetieren pluripotente embryonale Stammzellen zu gewinnen, nur eingeschränkt erfolgreich. Es entstanden dabei Zelllinien, die nicht alle Eigenschaften der Pluripotenz erfüllt haben und deshalb allenfalls als „ES‐ähnlich“ bezeichnet wurden.
Die mithilfe des Kulturmediums gewonnen EPSCs sind jedoch für die Stammzellforscherszene etwas Besonderes. „Sie haben sogar ein größeres Entwicklungspotenzial als pluripotente Stammzellen", sagt FLI-Forscherin Monika Nowak-Imialek zu bioökonomie.de. Das „erweiterte Potenzial“ besteht darin, dass aus ihnen nicht nur embryonales sondern auch extraembryonales Gewebe (Trophoblast) hervorgehen kann, wie etwa die Plazenta. „Unsere aus Schweineembryonen isolierten EPSCs sind die ersten gut charakterisierten Zelllinien von Schweinen weltweit", so Nowak-Imialek. Das Potenzial von EPSCs, sich zu jedem Zelltyp zu entwickeln, eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklungsbiologie, Regenerative Medizin, Organtransplantation, Krankheitsmodelle und bei der Suche nach potenziellen Medikamenten. Aber auch für die Tierzüchtung eröffnen sich hier neue Perspektiven.
Nutzung für Krankheitsmodelle und Medikamententests
Die pluripotenten Stammzellen haben viele Vorteile: die Zellen können leicht mittels Genom-Editierung verändert werden, um beispielsweise Krankheitsmodelle zu entwickeln. Sie eignen sich außerdem, um Organchips oder Organoide herzustellen, dreidimensionale Gewebeansammlungen, mittels derer die Verträglichkeit und Wirksamkeit von pharmazeutischen Substanzen getestet werden kann.
bl/pg
Big news in stem cell research in farm animals: Together with colleagues from Great Britain and China, scientists from the Friedrich Löffler Institute (FLI) in Mariensee, Germany, have created a novel variant of pluripotent stem cells in pigs. Using a special nutrient medium, the researchers have obtained embryonic stem cell lines (ES) with "expanded potential" from pig embryos (Expanded Potential Stem Cells, EPSCs). The consortium reports on the production process in the journal "Nature Cell Biology".
Obtained stem cells are more than pluripotent
Embryonic stem cells can differentiate into any possible cell type of an organism. In addition, they can be kept in culture as an unlimited cell line, which is only possible to a limited extent with already differentiated cells. So far, however, attempts to obtain pluripotent embryonic stem cells from larger mammals have had only limited success. The result was cell lines that did not fulfil all the properties of pluripotency and were therefore referred to as "ES-like".
However, EPSCs obtained with the culture medium are of particular interest to stem cell researchers. "They even have greater development potential than pluripotent stem cells," FLI researcher Monika Nowak-Imialek told bioökonomie.de. The "expanded potential" is that the stem cells can give rise not only embryonic but also extraembryonic tissue (trophoblast), such as the placenta. "Our porcine EPSCs isolated from pig embryos are the first well-characterized cell lines worldwide," said Nowak-Imialek. The potential of EPSCs to develop into any cell type opens up new opportunities for developmental biology, regenerative medicine, organ transplantation, disease models and the search for potential drugs. But it also opens up new perspectives for animal breeding.
Use for disease models and drug tests
Pluripotent stem cells have many advantages: the cells can easily be modified using genome editing, for example to develop disease models. They can also be used to produce organ chips or organoids, three-dimensional tissue collections that can be used to test the tolerability and efficacy of pharmaceutical substances.
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„Keine Aktion ohne Reaktion" – so lautet eine Redewendung, die zum Ausdruck bringt, dass jedes Handeln Folgen hat. Auch der Wandel von einer erdölbasierten hin zu einer nachhaltigen, biobasierten Wirtschaft zieht vielschichtige Veränderungen nach sich - und zwar weltweit. Soziologin Maria Backhouse ist überzeugt, dass „keine gesellschaftlichen Veränderungen, auch Technologieentwicklungen, im luftleeren Raum stattfinden", sondern „von sozialen Ungleichheitsverhältnissen von der globalen bis zur lokalen Ebene durchdrungen" sind. „Für uns stellt sich deshalb die Frage, inwieweit die existierenden sozialen Ungleichheiten durch die Förderpolitik von Bioökonomie verändert, rekonfiguriert, verstärkt oder aufgehoben werden.“
Im Projekt „Bioinequalities“ geht seit zweieinhalb Jahren eine siebenköpfige Nachwuchsgruppe an der Friedrich-Schiller-Universität Jena unter Leitung von Backhouse dieser Frage anhand von Bioenergie und der dafür notwendigen Biomasse – insbesondere Zuckerrohr, Soja und Palmöl – nach. Das Vorhaben wird über fünf Jahre mit rund 2,6 Mio. Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Initiative „Bioökonomie als gesellschaftlicher Wandel“ unterstützt.
Agrarsektor bestimmt vielerorts Ausrichtung der Bioökonomie
Im Fokus der Analysen stehen keine Zukunftsszenarien, sondern der Ist-Zustand. Fakt ist: Der Bioenergiesektor, insbesondere Biokraftstoffe der ersten Generation, ist eng an die Biomasseproduktion gekoppelt. Und Zuckerrohr, Soja oder Palmöl wird meist agrarindustriell produziert, wie Backhouse erklärt. Zweieinhalb Jahre nach Projektstart zieht die Forscherin nun eine erste Bilanz: „Im Bereich der Bioenergie und Biomasse läuft die Bioökonomie in den meisten Ländern auf die Förderung der Agrarindustrie hinaus. Denn der Agrarsektor bestimmt aktuell in vielen Ländern, wie die Bioökonomie auf politischer Ebene, national und international, diskutiert und verhandelt wird. Damit ist eine Reihe von sozioökologischen Problemen verbunden."
Bioenergie wird in den meisten Bioökonomie-Strategiepapieren als wichtiger Sektor präsentiert, den es im Fall von Biokraftstoffen schon seit mehreren Jahrzehnten gibt. Mit Brasilien, Malaysia, Argentinien sowie Deutschland, der Europäischen Union und China haben sich Backhouse und ihr Team wichtige internationale Akteure auf dem Bioenergie- und Biomassefeld für ihre Studie ausgewählt. „Wir untersuchen auf der lokalen und regionalen Ebene die Arbeitsverhältnisse und Landnutzungsrechte, aber auch die politische Ebene: Wer bestimmt mit, wie die Bioökonomie im jeweiligen Land oder auf der EU-Ebene ausgerichtet wird? Wer profitiert von staatlichen Anreizen für Bioenergien und wer nicht? ", erläutert die Projektleiterin.
"No action without reaction" is a phrase that implies that every action has consequences. The shift from a petroleum-based economy to a sustainable, bio-based one entails multi-faceted changes - on a global scale. Sociologist Maria Backhouse is convinced that "no social changes, including technological developments, take place in a vacuum", but are "permeated by social inequalities from the global to the local level". – "For us, this raises the question of the extent to which existing social inequalities are changed, reconfigured, reinforced or eliminated by the policy of promoting the bioeconomy. "
In the "Bioinequalities" project, a seven-member junior research group at the Friedrich Schiller University in Jena, led by Backhouse, has been investigating this question for two and a half years now. The group focuses on bioenergy and the biomass it requires - in particular sugar cane, soya and palm oil. Over five years, the project will be supported by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) with around 2.6 million euros within the framework of the funding programme "Bioeconomy as Societal Change".
Agricultural sector often dominates the bioeconomy
The analyses do not focus on future scenarios, but on the current situation. The fact is that the bioenergy sector, especially first-generation biofuels, is closely linked to biomass production. And sugar cane, soy or palm oil is mostly produced by the agricultural industry, Backhouse explains. Two and a half years after the start of the project, the researcher now takes stock: "In the field of bioenergy and biomass, the bioeconomy in most countries comes down to promoting the agricultural industry. In many countries, the agricultural sector currently determines how the bioeconomy is discussed and negotiated at a political level, nationally and internationally. A number of socio-ecological problems are associated with this."
In most bioeconomic strategy papers, bioenergy is presented as an important sector that has existed for several decades for biofuels. With Brazil, Malaysia, Argentina as well as Germany, the European Union and China, Backhouse and her team have selected important international players in the bioenergy and biomass field for their study. "We are investigating labor relations and land use rights at the local and regional level, but also at the political level: Who is involved in determining how the bioeconomy is organized in the respective country or at the EU level? Who benefits from government incentives for bioenergy and who does not? ", explains the project manager.