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Umweltfreundlicher Gerbstoff

Bei der industriellen Herstellung von Leder kommen normalerweise Gerbstoffe auf Basis von Schwermetallsalzen wie Chrom zum Einsatz. Eine natürliche und umweltschonendere Alternative bieten Olivenblätter. Sie enthalten sekundäre Inhaltsstoffe, die die Pflanzen eigentlich für die Abwehr von Fraßschädlingen einsetzen. Diese bilden die Basis für ein biologisch abbaubares Gerbmittel.

Vom Abfall zum Rohstoff

Olivenblätter fallen bei der Ernte im Mittelmeerraum jährlich im Tonnenmaßstab an, werden aber bisher meist als Grünabfall verbrannt. Die wet-green GmbH hat gemeinsam mit der N-Zyme Biotec GmbH ein Verfahren entwickelt, das die Gerbstoffe aus den Blättern in wässriger Lösung extrahiert. Damit lassen sich giftige Säuren und Salze beim Gerben einsparen. Der Stoff hat eine IMO-Zulassung und erlaubt die Herstellung  von Premium-Leder nach dem IVN-Naturleder-Standard. Dadurch wird nicht nur die Umwelt geschont, sondern auch besonders hautverträgliches  Leder gewonnen.

Marktreife

Die wet-Green GmbH bietet ihr mit dem umweltfreundlichen Gerbverfahren hergestellten Leder mehreren Industriekunden an, die es für ihre Produkte nutzen. Darauf greifen Möbelhersteller ebenso zurück wie Autohersteller. 

From waste to olive leather

Olive leaves fall by the tonne during the annual harvest of olives in the Mediterranean and until now have been burned as green waste. Two German companies Wet-green GmbH and N-Zyme Biotech GmbH have developed a process that extracts the tannins from the olives leaves in an aqueous solution. This reduces toxic acids and salts in the tanning process. The leather has IMO approval and allows the production of premium leather according to the IVN Natural Leather Standard.

Environmentally friendly tannins

In the industrial production of leather tanning agents, heavy metal salts such as chrome are usually used. Olive leaves are a natural, environmentally friendly alternative. They contain secondary ingredients, which the plants use as a pest defence. This forms the basis for a biodegradable tanning agent. It not only protects the environment, it also makes the leather extremely skin friendly.

Ready for the market

Wet-Green GmbH offers several industrial clients an environmentally friendly process that uses olive leather for their products. Furniture and car manufacturers are already using this procedure.

Bei der Erzeugung erneuerbarer Energien haben Biogasanlagen im Vergleich zu Windrädern oder Photovoltaikanlagen einen entscheidenden Vorteil: Sie können Strom unabhängig vom Wetter erzeugen und speichern.  „Die Stärke von Biogasanlagen ist, dass sie flexibel sind. Sie können bei Bedarf Strom und Wärme erzeugen und auch Strom ins Netz einspeisen – oder die Energie bei Stromüberschuss als Biogas speichern“, erklärt Josef Hofmann, Professor für Energie- und Umwelttechnik an der Hochschule Landshut. Gemeinsam mit Forschern der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf in Freising hat Hofmann ein Verfahren entwickelt, dass Biogasanlagen effektiver machen und Anlagenbetreibern neue Geschäftsfelder offenbaren soll.

Hintergrund: Derzeit werden auf Grundlage des Erneuerbare-Energien-Gesetzes EEG nur Anlagen gefördert, die kontinuierlich übers Jahr Biogas erzeugen. Noch können die Betreiber mit einem festen Tarif für den Strom rechnen, den sie ins Netz einspeisen. 2020 endet jedoch der Vertrag. Dann ist Flexibilität angesagt. „Viele Anlagen werden sich dann nicht mehr lohnen, wenn die Betreiber nicht umdenken“, schätzt Hofmann.

Biomethan als neuer effektiver Energiespeicher

Die Forscher haben dafür eine Lösung parat. Sie setzen auf die Umwandlung von Biogas in flüssiges Biomethan. Der Vorteil: Biomethan ist um ein vielfaches energiereicher als Biogas. Es kann über Monate stabil in wärmeisolierten Tanks gelagert werden und bei Bedarf wieder in Wärme- oder elektrische Energie umwandelt werden. „Die Flüssigkeit lässt sich viel länger und effektiver speichern als Biogas“, sagt Hofmann.

Gastrennungsanlage spaltet Biogas 

Gemeinsam mit Kollegen der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf haben die Landshuter eine Gastrennungsanlage entwickelt, die Biogas in Biomethan und Kohlendioxid spaltet. In einem ersten Schritt musste dafür das Biogas gereinigt werden. Dafür war das Freisinger Teams um Oliver Falk verantwortlich. Um schädigende Stoffe wie Schwefelwasserstoff zu entfernen, haben sie verschiedene Eisenpräparate und Aktivkohlefilter getestet und geschickt miteinander kombiniert. Das Ergebnis: „Im gereinigten Biogas ist kein Schwefelwasserstoff mehr nachweisbar“, so Falk. Der noch enthaltene Anteil ist zumindest so verschwindend gering, dass er etwa einem Salzkorn in einem Liter Wasser gleicht.

Biokraftstoff und Trockeneis als Nebenprodukt

Im Anschluss wurde das gereinigte Biogas in mehreren Stufen auf minus 162 Grad Celsius in der Laboranlage abgekühlt. „Mit unserem Verfahren gewinnen wir Biomethan mit einer Reinheit von 99,9 Prozent. So wäre es auch als Rohstoff für die chemische Industrie interessant, etwa zur Herstellung von Grundchemikalien wie Wasserstoff oder Methanol.“ Biomethan könnte aber auch zur Herstellung von Biokraftstoff verwendet werden und somit neben der Strom- und Wärmeproduktion für Betreiber von Biogasanlagen ein neues Geschäftsfeld bieten.

Demonstrationsanlage in Landshut kommt

Eine Beschichtung für den Wärmetauscher in der Gastrennungsanlage sorgte dafür, dass Kohlendioxid dort zu Schnee wird, der als Trockeneis weiter verkauft werden kann. Die Vermarktung von Trockeneis als Nebenprodukt der Biogaserzeugung könnte für die Anlagenbetreiber zu einer neuen Einnahmequelle werden. Trockeneis wird unter anderem in Flugzeugen zum Kühlen von Lebensmittel oder in der Kunststoff- und Stahlindustrie zum Reinigen von Kunststoff- und Metalloberflächen genutzt. Nach dem Erfolg der Gastrennungsanlage im Labor soll das Prinzip nun auf die Größe einer Biogasanlage übertragen werden. 2017 soll in Landshut eine Demonstrationsanlage gebaut werden. 

bb

Altersdiabetes, auch als Typ-2-Diabetes genannt, zählt weltweit zu den größten Volkskrankheiten. Neben Übergewicht, Bewegungsmangel und genetische Veranlagung, ist die nichtalkoholische chronische Fettlebererkrankung ein Treiber der Krankheit. Wie hohe Fettleberwerte innerhalb weniger Wochen zum Schmelzen gebracht werden können, zeigt eine aktuelle Studie vom Deutschen Institut für Ernährungsforschung (DIfE) und dem Deutschen Zentrum für Diabetesforschung (DZD). Wie die Forscher im Fachjournal „Gastroenterology“ berichten, gelang es ihnen mit eiweißreicher Kost die Leberfettwerte von Patienten mit Typ-2-Diabetes innerhalb von nur sechs Wochen um bis zu 48 Prozent zu senken.

Nudeln und Brot mit Erbsenproteinen

Bei der Ernährungsstudie wurden der Effekt von zwei verschiedenen Eiweißdiäten auf den Stoffwechsel bei insgesamt 37 Frauen und Männer im Alter von 49 bis 78 Jahren untersucht. So bekam die eine Gruppe speziell gefertigte Nudeln und Brot zu essen, die mit pflanzlichen Eiweißen aus Hülsenfrüchten wie Erbsenproteinen angereichert war. In der Vergleichsgruppe wurde dagegen ausschließlich tierische Eiweißkost in Form magerer Milchprodukte sowie weißem Fleisch und Fisch serviert. In beiden Diäten trug der jeweilige Eiweißanteil zu 30 Prozent zur Energiezufuhr bei. Der Anteil der Kohlenhydrataufnahme lag bei 40 und jener der Fettzufuhr bei 30 Prozent der Energiezufuhr.

Positiver Effekt auf Stoffwechsel beobachtet

Das Ergebnis: Ganz gleich welche Kost die Studienteilnehmer erhielten, der Effekt auf den Stoffwechsel war bei allen positiv. „Das Leberfett nahm deutlich ab, bei der Hälfte der Studienteilnehmer sogar um mehr als 50 Prozent. Damit verbunden beobachteten wir günstige Veränderungen des Leber- und Fettstoffwechsels, eine verbesserte Insulinempfindlichkeit der Teilnehmer und zudem eine deutliche Abnahme des Botenstoffs "fibroblast growth factor 21" im Blut“, so Olga Pivovarova, die neben Mariya Markova federführend zur aktuellen Studie beigetragen hat. Welche Funktion der Botenstoff bei der Senkung der Leberfettwerte spielt, ist noch nicht geklärt und soll in weiteren Studien untersucht werden. Die Forscher vermuten allerdings, dass das Hormon, dass von Leber und Muskulatur ans Blut abgegeben wird, verschiedene Organe und auch das Fettgewebe beeinflusst und von der Menge der wichtigsten Nährstoffe, Fett, Kohlenhydrate und Eiweiße, abhängt.

Weitere Untersuchungen sollen nun zeigen, ob der positive Effekt eiweißreicher Kost auch bei jüngeren Patienten mit Typ-2-Diabetes anschlägt. „Denn die von uns in der Studie beobachteten günstigen Effekte könnten auch altersabhängig sein, da die Studienteilnehmer im Schnitt das 60. Lebensjahr überschritten hatten. Sofern keine Nierenerkrankungen vorliegen, spielt eine ausreichende Eiweißversorgung besonders in dieser Altersgruppe eine wichtige Rolle, wenn man zum Beispiel an die mit dem Alter oft einhergehende Abnahme der Muskelmasse denkt“, erklärt Studienleiter Andreas Pfeiffer vom DIfE.

Forscher empfehlen Hülsenfrüche als Eiweißspender

Auch wenn noch nicht Fragen beantwortet sind: Aus gesundheitlichen und "umweltrelevanten" Gründen raten die Ernährungsforscher, den täglichen Eiweißbedarf mit pflanzlichen Proteinquellen zu decken wie Erbsen, Linsen und Bohnen sowie Mandeln und Nüssen. Vor allem Hülsenfrüchte sind genauso eiweißreich wie etwa mageres Fleisch, Eier oder fettarme Milchprodukte. Die Produktion von tierischem Eiweiß ist jedoch teuer und belastet die Umwelt. Die Deutsche Gesellschaft für Ernährung (DGE) empfiehlt Erwachsenen, täglich 0,8 Gramm Eiweiß pro Kilogramm Körpergewicht aufzunehmen.  

bb

Damit ein Laser Laserstrahlen - also gebündelte Lichtstrahlen - erzeugen kann, braucht es zwei Dinge: Ein Medium, welches angeregt wird und das Licht verstärkt. Und eine Struktur, die das Licht im Medium hält. Dafür werden klassischerweise Kristalle wie Rubin oder Gase wie Helium oder Stickstoff eingesetzt. Während ein konventioneller Laser über Spiegel geordnet zielgerichtet in eine Richtung leuchtet, strahlt ein sogenannter Zufallslaser durch seine unregelmäßige Mediumsstruktur in die verschiedensten Richtungen. „Die Voraussetzung für einen Zufallslaser ist ein definiertes Maß an struktureller Unordnung im Inneren“, erklärt Daniel Van Opdenbosch von Technischen Universität München.

Zellstoffpapier als natürliches Lichtmedium

Gemeinsam mit Physikern der Universität Rom haben die Münchner den ersten steuerbaren Zufallslaser basierend auf natürlichen Strukturen gebaut. Wie das Team im Fachjournal „Advanced Optical Materials“ berichtet, ist es ihnen erstmals gelungen, „eine biologische Struktur als Vorlage für einen technischen Zufallslaser zu verwenden". Als Lichtmedium nutzten die Forscher gewöhnliches Filterpapier aus Zellstoff, wie es in den Laboren zu finden ist. „Wegen seiner langen Fasern und der daraus resultierenden stabilen Struktur erschien es uns als geeignet“, sagt Van Opdenbosch.

Wirre Struktur lenkt Licht in alle Richtungen

Im Zufallslaser wird das Licht also entlang zufälliger Pfade entsprechend der unregelmäßigen Struktur im Inneren des Mediums gestreut. Das Zellstoffpapier bot diese chaotische innere Struktur. „Unser Laser ist insofern zufällig, weil das – über die biogene Struktur des Labor-Filterpapiers – in verschiedene Richtungen abgelenkte Licht auch in die Gegenrichtung gestreut werden kann“, beschreibt Daniel Van Opdenbosch das Prinzip.

Lichtstreuung wie in der Sonnencreme

Dafür wurde das Zellstoff-Papier im Labor mit Tetraethylorthotitanat, einer metallorganischen Verbindung, imprägniert und anschließend bei 500 Grad Celsius ausgebrannt. Zurück blieb der Keramikstoff Titandioxid. Das Material  wird auch in Sonnencremes als Lichtschutz verwendet. „Der Effekt in Sonnencremes basiert auf der starken Streuung von Licht an Titandioxid, was wir auch für unseren Zufallslaser brauchten“, erklärt Van Opdenbosch.

Zufälligkeit ist steuerbar

Dass auch ein Zufallslaser steuerbar ist, haben die Forscher der Universität Rom im Rahmen der Grundlagenstudie gezeigt. Mithilfe eines Spektrometers konnten sie verschiedene im Material entstehende Laserwellenlängen unterscheiden und getrennt voneinander lokalisieren. „Der Versuchsaufbau, mit dem die Proben kartiert wurden, bestand aus einem grünen Laser, dessen Energie verändert werden konnte, aus Mikroskopielinsen und einem mobilen Tisch, mit dem die Probe abgefahren werden konnte. Damit konnten die Kollegen herausfinden, dass bei verschiedenen Energielevels unterschiedliche Bereiche des Materials verschiedene Laserwellen ausstrahlen“, sagt Van Opdenbosch. Der Laser konnte somit nicht nur nach Belieben eingestellt werden. Auch Richtung und Helligkeit der Strahlung waren je nach Bedarf veränderbar.

Noch steht die Forschung bei der Entwicklung von Zufallslasern zwar am Anfang. Doch sein Potenzial ist sichtbar. "Solche Materialien können beispielsweise als Mikro-Schalter oder Detektoren für strukturelle Änderungen nützlich sein", sagt Van Opdenbosch. Auch die Produktionskosten könnten mithilfe von Zufallslasern gesenkt werden.

bb

Tassen, Kinderspielzeug oder Schuhe problemlos auf dem Kompost entsorgen: Dieses Ziel hat Thorsten Perl mit seinem neuen 3D-Druckmaterial. Mit seinem Eberswalder Start-up BioInspirations ist der Erfinder des nachhaltigen Druckfilaments dabei, gemeinsam mit Geschäftspartner Brian Cotty, nicht nur die 3D-Druck-Gemeinde für "WillowFlex" zu begeistern.

Simply dispose of cups, toys or shoes by throwing them onto the compost heap: That is what Thorsten Perl had in mind when developing his new 3D printer material. Together with his business partner Brian Cotty and their BioInspirations start-up based in the German city Eberswalde, the inventor of this sustainable printing filament is gaining enthusiasts for 'WillowFlex', and not just amongst 3D printer fans.

Die ersten toten Wildvögel wurden vor knapp zehn Tagen an drei Seen in der Nähe der schleswig-holsteinischen Stadt Plön gesichtet. Schnell stand fest: Vorallem Reiherenten, Schwäne und Gänse waren mit dem hochpathogenen Grippe-Erreger H5N8 infiziert. Erste Opfer der Vogelgrippe in Zuchtbetrieben folgten. In einer Hühnerfarm in Grumby im Kreis Schleswig-Flensburg mussten am Wochenende daher 30.000 Zuchthühner vorsorglich getötet, nachdem Tausende Tiere im Stall an dem Virus verendet waren. Auch hier konnten die Tierseuchenexperten von Friedrich-Loeffler-Institut (FLI) in Greifswald  das Virus nachweisen.

Noch ist unklar, wie der Erreger in die Ställe der modernen Zuchtfarm in Grumby gelangen konnte. Außer einer Lüftungsanlage, sind die Tiere von der Außenwelt komplett abgeschlossen. „Dass der Erreger einen solchen Betrieb erreicht, ist ungewöhnlich“, äußerte FLI-Präsident, Thomas Mettenleiter, gegenüber dem NDR.

Stallpflicht statt Freilauf

Die Wissenschaftler vom Nationalen Referenzlabor für aviäre Influenza am FLI sind seither dabei, die Ursache des Ausbruchs zu erforschen. Weitere Fälle wurden inzwischen auch aus Baden-Württemberg, Mecklenburg-Vorpommern und vom Bodensee gemeldet. Um die Ausbreitung der Geflügelpest einzudämmen, wurde in mehreren Bundesländern bereits Stallpflicht angeordnet.

Die Säulen der Food-Tech-Branche sind der Acker- und Pflanzenbau (Crop Science), die Agrartechnologie (AgTech), digitale Landwirtschaft (Digital Farming) und Lebensmittelverarbeitung (Food Processing). Junge Firmen drängen in diesen Bereichen auf den Markt und fordern traditionelle Produktionsmodelle heraus. Sie suchen Lösungen für mehr Nachhaltigkeit und Möglichkeiten, eine ständig wachsende Weltbevölkerung zu versorgen. In der Studie werden verschiedene Fragen diskutiert: Wer kümmert sich um das Essen von morgen? Vor welchen Herausforderungen steht die Landwirtschaft der Zukunft? Und welche Technologien machen sie zukunftsfähig?  Die Studie bietet Einsichten in Entwicklungen und Trends dieses Wirtschaftszweigs, dessen Investitionsvolumen 2015 auf 2 Milliarden Dollar stieg.

Sie haben einen Biosuperkondensator geschaffen: Wissenschaftler der Ruhr-Universität Bochum und der schwedischen Universität Malmö präsentieren im Fachjournal „Angewandte Chemie“ eine Biobrennstoffzelle, die sowohl effektiv Energie erzeugen als auch speichern kann. „Eine solche Technik könnte zum Beispiel interessant sein für miniaturisierte Geräte, die sich selbst kabellos mit Energie versorgen sollen. Das ist insbesondere für implantierbare miniaturisierte Sensoren wichtig“, sagt Wolfgang Schuhmann vom Bochumer Lehrstuhl für Analytische Chemie.

Polymergel sorgt für Energiefluss

Das Besondere: Der Biosuperkondensator nutzt an den beiden Elektroden Enzyme. So wird mithilfe eines Enzyms an einer Elektrode Glukose zu Treibstoff verbrannt, während an der anderen Elektrode ein Enzym Sauerstoff zu Wasser umsetzt. Um den elektrischen Kontakt zwischen den beiden Elektroden herzustellen, sind die Enzyme in ein elektronenleitendes Gel, auch Redoxpolymer genannt, eingebettet. Beim Aufladen und Speichern der Energie gibt dieses Polymergel an einer Elektrode Elektronen ab und wird dabei positiv aufgeladen. An der anderen Elektrode nimmt es die Elektronen auf und wird so negativ geladen. „Beim Entladeprozess gleichen sich die Ladungen aus, und es fließt ein Strom“, erklärt Schuhmann.

Leichtgewicht mit hoher Kapazität

Mithilfe des enzymatischen Prozesses sind erstmals Energieerzeugung- und speicherung in einem System gekoppelt. Im Test erwies sich die Biobrennstoffzelle dann auch als äußerst stabile und dauerhafte Energiequelle. Sie ist leicht, hat aber eine hohe Kapazität und kann so große Ladungsmengen aufnehmen. Das Fazit der Forscher: „Wir sehen diese Arbeit als Startpunkt für zukünftige Strategien in der Entwicklung von neuen, hochfunktionalen und gleichzeitig kostengünstigen elektrischen Energiequellen auf Biobasis“.

bb

Insgesamt 18,3 Millionen Menschen arbeiteten laut dieser Studie im Jahr 2013 in der Bio-
ökonomie und erwirtschafteten 2,1 Billionen Euro Umsatz. Mehr als ein Viertel des Gesamt-
umsatzes, 600 Milliarden Euro, wurde im Bereich der biobasierten Industrien generiert. Hier waren 3,2 Millionen Menschen beschäftigt. Wichtigste Datenquelle für alle Bereiche der Bioökonomie war Eurostat. Die Studie wurde 2016 veröffentlicht und soll jährlich aktualisiert werden.

The primary biomass production, mainly agriculture plus forestry and fishery employs 58% of all employees but is responsible for a relatively low turnover (21%). More than a quarter of the total turnover, i. e. €600 billion, is achieved by the biobased sector.

Eurostat was used as the main source of data for all sectors of the bioeconomy. Some sectors, such as the forest-based industry, are fully bio-based and thus fully accounted to the bioeconomy. For other sectors such as the chemical industry, the bio-based shares were estimated and included in the data.

The data, generated by nova-Institute on behalf of the Bio-based Industries Consortium (BIC) will be updated annually.

Insekten sind nicht Jedermanns Sache. Forscher sehen Fliegenmade, Heuschrecke und Co. wegen ihres hohen Proteingehalts jedoch längst als alternative Nahrungsquelle für Mensch und Tier. Doch das Potenzial der Insekten geht weit über Teller und Trog hinaus. Auch bei der Suche nach neuen Wirkstoffen wie Antibiotika stehen die Tiere im Fokus der Wissenschaftler. Am künftigen Fraunhofer-Institut für Bioressourcen in Gießen sollen daher neben Bakterien und Pilzen vor allem Insekten als Nahrungs- und Wirkstoffquelle genauer erforscht werden.

Bund und Land tragen Baukosten

Der Bau des 30 Mio. Euro teuren Forschungsgebäudes ist mit dem symbolischen Spatenstich durch Hessens Ministerpräsident Volker Bouffier gestartet. Das Bauvorhaben wird jeweils zur Hälfte vom Land Hessen und dem Bund finanziert. 2019 soll das Forschungsgebäude fertig sein. „Insekten gehören zu den erfolgreichsten Tier- und Organismengruppen der Welt. Dieser relativ junge Forschungsbereich hat enorme Wachstumschancen und potenzielle Anwendungsbereiche. Deshalb fördert das Land Hessen die sogenannte Gelbe Biotechnologie mit einem beachtlichen Startkapital“, sagte Bouffier beim Spatenstich.

Auf dem knapp 4.000 m2 großen Gelände am Leihgesterner Weg/Ecke Ohlebergsweg entstehen bis 2019 auf drei Etagen ein abgegrenzter Labortrakt sowie ein öffentlicher Büro- und Foyerbereich. Herzstück des gläsernen Forschungsgebäudes ist ein überglastes Atrium, um das sich auf drei Seiten Büros im Obergeschoss ranken. Rund 100 Mitarbeiter der Fraunhofer-Projektgruppe Bioressourcen sollen hier künftig unter einem Dach mit Wissenschaftlern der Justus-Liebig-Universität (JLU) Gießen in Insekten, Bakterien und Pilzen nach neuen Wirkstoffen für Medizin, Pflanzenschutz und Industrie forschen.

Gießener Naturstoffforscher vereint

„Die JLU hat inzwischen deutschlandweit eine führende Rolle bei der Entwicklung von modernen biotechnologischen Methoden zur umweltschonenden und nachhaltigen Bekämpfung von Schad- und Vektorinsekten. Durch die Vernetzung mit starken Partnern im Fraunhofer-Verbund wird dieses innovative Forschungsgebiet am Standort Gießen weiter gestärkt“, sagte Andreas Vilcinskas, Koordinator des LOEWE-Zentrums für Insektenbiotechnologie und Bioressourcen und Leiter der Projektgruppe Bioressourcen des Fraunhofer IME.

Mit dem Neubau gewinnt auch das 2014 gegründete Sanofi-Fraunhofer-Exzellenzzentrum für Naturstoffforschung an Bedeutung, das die weltgrößte industrielle Stammsammlung von Mikroben beherbergt. Hier suchen die Forscher unter anderem nach neuen Wirkstoffen für Antibiotika. Bisher sind Insekten als Naturstoffbibliothek aber auch hinsichtlich möglicher gesundheitlicher Risiken als Nahrungs- und Futtermittel weitestgehend unerforscht. Um Vorbehalte abzubauen, hatte das Bundesamt für Risikobewertung (BfR) erst kürzlich gefordert, Insekten stärker auf toxikologische und mikrobiologische Sicherheitsaspekte zu untersuchen.

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Wissenschaftler des Lehrstuhls Biomaterialien der Universität Bayreuth haben ein neues, in der Natur von Florfliegen abgesondertes Seidenprotein erfolgreich im Labor hergestellt. Felix Bauer und Thomas Scheibel waren zunächst von den Eigenschaften dieses Naturproduktes fasziniert: Das Proteinsekret wird von den Fliegen nach dem Absondern in die Länge gezogen. Anders als bei den von Spinnen hergestellten, dehnbaren Fasern, entsteht nach dem Aushärten ein zugfester und biegesteifer Stab. Die im Labor erzeugte Kopie einer solchen Struktur erreichte 90 Prozent der Stabilität des Vorbilds aus der Natur, berichten die beiden Forscher in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie.

Gemeine oder auch Grüne Florfliegen haben eine besondere Strategie entwickelt, um ihre Eier vor Fressfeinden zu schützen. Statt sie zu verstecken, werden sie sichtbar unter einem Blatt an einem Stiel hängend präsentiert. Der ausgehärtete Seidenstiel hat einen Durchmesser von nur zehn Mikrometern. Er ist so starr, dass er das Ei auch dann noch hält, wenn man das Blatt um 180 Grad wendet. Dabei wird der Stiel durch das Gewicht des Eis weder gekrümmt noch zusammengepresst. Die Eier sind durch ihren langen Stiel zwar deutlich sichtbar – Länge und Robustheit des Seidenstängels sorgen aber dafür, dass sie für Fressfeinde trotzdem kaum erreichbar sind.

Thomas Scheibel und Felix Bauer von der Universität Bayreuth ist es jetzt gelungen, einen solchen Stiel im Labor zu synthetisieren. Die nötigen Seidenproteine dafür ließen die Materialwissenschaftler das Laborbakterium Escherichia coli herstellen. Dafür versorgten sie es zunächst mit dem DNA-Bauplan eines bestimmten Seidenproteins. Nach der Zugabe eines speziellen Zuckers begannen die Bakterien dann mit deren Herstellung. Der zentrale Baustein der künstlich hergestellten Seidenproteine besteht aus 48 Aminosäuren. Ähnlich den Gliedern einer Kette wiederholt sich dieser Baustein achtmal. Außerdem befinden sich – wie bei allen natürlichen Seidenproteinen – an Anfang und Ende dieser Kette spezielle Stücke, die die Eigenschaften des Seidenmoleküls maßgeblich bestimmen. Die Forscher erreichten mit ihrem Stab aus „Kunst-Seide“ stolze 90 Prozent der Stabilität des tierischen Vorbilds.

Geschäftsmodell Spinnenseide

Thomas Scheibel beschäftigt sich schon länger mit tierischen Seidenproteinen. Seide kann nur von Gliederfüßern (Arthropoden) hergestellt werden. Dazu zählen neben den Insekten, zu denen Florfliege und Seidenspinner gehören, auch Krebstiere, Spinnentiere und Tausendfüßer. Scheibel ist der Erfinder der Spinnenseidentechnologie, auf welcher der Erfolg des Martinsrieder Unternehmens Amsilk beruht. Die Firma stellt Biopolymere wie zum Beispiel Spinnenseide in großtechnischem Maßstab her. Angefangen hat alles mit Scheibels Erfolg 2007 beim BMBF-Ideenwettbewerb „Bionik – Innovationen aus der Natur“ (mehr...). Über die momentan in der Entwicklung befindlichen Produkte (mehr...) sprach Amsilk-Chef Axel Leimer auf der „International Industrial Convention on Biomimetics“ vergangenes Jahr in Berlin.

Das erste rein von Menschenhand hergestellte Spinnennetz ist in Martinsried aufgespannt. In seinen Materialeigenschaften steht das Kunstwerk seinem natürlichen Vorbild, dem Netz der Gartenkreuzspinne, in nichts nach. Das Spinnennetz ist ein Produkt des Biotechnologie-Unternehmens Amsilk. Nach vielen Jahren Tüftelei ist es dem Spin-off der TU München gelungen, biotechnologisch hergestellte Spinnenseide zu Fasern zu verarbeiten – und das in einem Spinnprozess, der sich für die Produktion im industriellen Maßstab eignet. Der am 11. März 2013 erstmals vorgestellte Zwirn ist außergewöhnlich reißfest und verträglich. Unter dem Namen „Biosteel“ sind die Fasern für den Einsatz in Hightech-Textilien, etwa für Sport, Medizin und Militär, vorgesehen.

Es ist ein Meilenstein, den selbst Thomas Scheibel lange nicht für möglich gehalten hat. Der Biomaterialforscher von der Universität Bayreuth hatte einst die biotechnologische Produktion des Spinnenseide-Proteins durch die Mikrobe Escherichia coli entwickelt und so die Grundlagen für die Gründung von Amsilk gelegt. „Aber ich habe immer proklamiert: Niemand wird es schaffen, den Spinnfaden in seinen mechanischen Eigenschaften nachzubauen“, erzählt Scheibel.

Technischer Spinnprozess von der Natur inspiriert

Heute ist er stolz, dass er sich getäuscht hat – und der Nachbau in Eigenregie nun geglückt ist. In enger Kooperation mit den Bioingenieuren von Amsilk hat Scheibel bei Spinnen erforscht, wie die Tiere das flüssige Seidenprotein in wenigen Millisekunden zu einem festen Faden formen, der nicht verklumpt. Unter anderem wurden diese Arbeiten auch durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt.

Das rekombinante Spinnseidenprotein von Amsilk ist als Rohmaterial ein weißes Pulver, das ohne großen Aufwand in Fässern gelagert werden kann. Soll aus dem weißen Staub ein Faden werden, wird im Labor zunächst eine Spinnlösung hergestellt und diese kann dann in einem technischen Prozess zu einem endlosen Mono- oder Multifilament gesponnen werden.

Auf Spulen aufgewickelt harren die künstlichen Spinnseide-Fäden ihrer weiteren Verarbeitung. „Wir haben den skalierbaren Prozess im Labormaßstab etabliert“, bilanziert Amsilk-Geschäftsführer Axel Leimer. Im Laufe dieses Jahres solle nun eine Pilotanlage aufgebaut und die Faserproduktion im Technikumsmaßstab optimiert werden.

Immer mehr Menschen sterben an Infektionskrankheiten, weil gängige Antibiotika-Präparate zunehmend keine Wirkung mehr zeigen. Unter dem Dach des neu gegründeten Zentrums für Naturstoffforschung in Gießen wollen der französische Gesundheitskonzern Sanofi und die deutsche Fraunhofer-Gesellschaft die Entwicklung neuer Therapien von Infektionskrankheiten vorantreiben. Ein Schwerpunkt ihrer Arbeit wird die Suche nach natürlichen Substanzen für neue Antibiotika bilden.

Penicillin ist wohl der bekannteste Wirkstoff aus der Natur, um bakterielle Infektionen zu behandeln. Durch die Zunahme von antibiotikaresistenten Erregern haben viele existierende Präparate in den letzten Jahren allerdings ihre Wirkung verloren. Dabei handelt es sich nicht nur um ein nationales, sondern ein globales Problem. Nach Einschätzung der Weltgesundheitsorganisation zählen Antibiotika-Resistenzen zu den „größten Gefahren für die menschliche Gesundheit“. Mit ihrer Allianz wollen sich der deutsch-französische Arzneimittelhersteller Sanofi und das Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie (IME) in Aachen nun gemeinsam der Suche nach neuen Wirkstoffen widmen. „Die Bekämpfung von Infektionskrankheiten ist weltweit ein drängendes Problem mit einem großen medizinischen Bedarf. Besonders in Krankenhäusern gibt es immer mehr schwere, oft lebensbedrohliche Infektionen“, sagt Elias Zerhouni, Konzernvorstand für Forschung und Entwicklung bei Sanofi.

Sanofi öffnet erstmals Naturstoffsammlung

Das Exzellenzzentrum für Naturstoffforschung soll an das ebenfalls neue Zentrum für Insektenbiotechnologie in Gießen angegliedert werden, das bereits für sechs Jahre durch die LOEWE-Initiative des Hessischen Ministeriums für Wissenschaft und Kunst unterstützt wird. Von 2014 bis 2016 fördert das Land das Forschungsprogramm des Insektenbiotechnologie-Zentrum mit rund 18 Millionen Euro. Weitere 30 Millionen Euro werden gemeinsam mit dem Bund in einen Neubau investiert, mit dem 2015 begonnen werden soll. In welcher Form sich der Pharmakonzern finanziell am Zentrum beteiligt, darüber gab Sanofi auf Nachfrage keine Auskunft. Zunächst wird das 18-köpfige Forscherteam in den Sanofi-Laboren in Frankfurt/Höchst seine Arbeit  aufnehmen. Der Umzug nach Gießen ist für 2017 geplant.
Schwerpunkt der Allianz ist die Erforschung und Optimierung von in der Natur vorhandenen chemischen und biologischen Substanzen, hauptsächlich für die Behandlung von Infektionskrankheiten. Der Pharmariese wird in die Kooperation erstmals seine Naturstoffstammsammlung – mehr als 100.000 Mikroorganismen wie Pilze und Bakterien – öffnen und mit den Fraunhofer-Forschern teilen. Damit soll die die Entwicklung neuer Antibiotika vorangetrieben werden – denn schon seit langem sind Neuzulassungen auf diesem Feld Mangelware, wie aktuelle Zahlen des Verbands forschender Arzneimittelhersteller (VfA) belegen. Allerdings ist die Pharmabranche in den letzten Jahren wieder aktiver geworden. So gehört Sanofi neben AstraZeneca, GlaxoSmithKline, Basilea Pharmaceutica und Janssen zu jenen Pharmaunternehmen, die sich bereits seit 2012 im Rahmen der europäischen Innovative Medicines Initiative (IMI) im millionenschweren Forschungsprogramm „NewDrugs4Bad Bugs" für den Kampf gegen antibakterielle Resistenzen einsetzen.

Zentrum nicht nur für Medizin interessant

Die Fraunhofer-Allianz bezieht sich allerdings nicht nur auf Antibiotika. So erhält Sanofi die Exklusivrechte für die Verwertung aller neuen Arzneimittelsubstanzen für Mensch und Tier. Im weiteren Interesse stehen neue Wirkstoffe zur Behandlung von Diabetes oder seltenen Krankheiten. „Das erste Fraunhofer-Zentrum für Naturstoffforschung geht aber auch weit über die Arzneimittelforschung hinaus“, betont Rainer Fischer, geschäftsführender Institutsleiter des Fraunhofer IME. So dürfen die Fraunhofer-Forscher alle Innovationen für die Bereiche Pflanzenschutzmittel und Materialwirtschaft nutzen. Auch für diese Branchen bietet das neue Zentrum „beträchtliche wirtschaftliche Möglichkeiten“, glaubt Fischer.

bb