Aktuelle Veranstaltungen

Biobasiertes und nachhaltiges Wirtschaften ist ein echtes Zukunftsthema. Welche Bildungs- und Karrierechancen bietet die Bioökonomie und welche Möglichkeiten haben Jugendliche und Studierende, die Transformation hin zu einer nachhaltigen Gesellschaft mitzugestalten? Die Veranstaltung „Zukunftsperspektive Bioökonomie“ gab darauf Antworten. 130 vorwiegend junge Leute waren am 7. November ins Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) nach Berlin-Mitte gekommen, um sich über die zahlreichen Möglichkeiten zu informieren. Ein Team von bioökonomie.de um Kristin Kambach und Martin Reich hatte die Veranstaltung im Auftrag des BMBF organisiert.

Moderiert von Tobias Brügmann wartete das Event mit spannenden Impulsvorträgen, vier Diskussionsrunden und einer kleinen Ausstellung auf. Das Ziel: Die vielen Facetten der Bioökonomie als Forschungs- und Berufsfeld anschaulich machen. „In Zeiten des Wandels ist es um so wichtiger, junge Leute in die Gestaltung der Zukunft mit einzubeziehen“, sagte BMBF-Staatssekretärin Judith Pirscher in ihrem Grußwort. „Wenn es darum geht, etwas Sinnstiftendes zu tun, sind Sie in der Bioökonomie richtig.“ Denn Bioökonomie sei eine interessante Schnittstelle zwischen Wissenschaft, Innovation und Nachhaltigkeit, schaffe Zukunft und zugleich Karrierechancen.

Der Zustand der Wälder ist besorgniserregend. Viele Bäume leiden unter Dürre, Schädlingen und Stürmen. Die Folgen des Klimawandels haben bei Fichte, Kiefer, Buche und Eiche bereits deutliche Spuren hinterlassen – das geht aus dem aktuellen Waldzustandsbericht hervor. Demnach sind vier von fünf Bäumen krank. Eine neue Analysemethode, entwickelt an der Hochschule München, könnte helfen, das Ökosystem Wald zu schützen und vor weiteren Schäden zu bewahren.  

KI-basierte Waldvermessung aus der Vogelperspektive

Mithilfe von Fernerkundungsdaten der Sentinel-1- und Sentinel-2-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation ESA sowie Künstlicher Intelligenz (KI) wurde dafür im Rahmen des Projektes Wald5DPlus ein umfangreicher Datensatz angelegt zur Waldvermessung. Ein neu entwickelter Algorithmus sorgt dafür, dass Datenlücken, die durch Wolken entstehen, ausgeglichen werden. Auch Daten von Drohnen und Flugzeugen wurden den Forschenden zufolge verwendet, „um typische Waldmerkmale wie Baumarten, Höhen und Dichte zu berechnen“.

Im Ergebnis entstand eine Methode, die es Forschenden ermöglicht, Waldgebiete einfacher zu kartieren und zu analysieren – ohne, dass sie die Wälder betreten müssen. „Die Vermessung von Wäldern war bisher vor allem in schwer zugänglichen Gebieten sehr zeitaufwendig“, erklärt Andreas Schmitt, einer der Projektleiter. „Mit unserer Methode können wir den Zustand von Wäldern mit hoher Genauigkeit aus der Vogelperspektive erfassen.“

Großes Potenzial für Forstwirtschaft und Umweltschutz

Mithilfe der KI-gestützten Methode kann aber nicht nur der Baumbestand detailliert erfasst werden. Auch Vorhersagen, wie sich Wälder künftig verändern werden, sind möglich. „Wir setzen ein Puzzle aus verschiedenen Datenquellen zusammen. Erst durch das Zusammenspiel dieser Informationen erhalten wir ein vollständiges Bild des Waldes“, erläutert Sarah Hauser, wissenschaftliche Mitarbeiterin im Projekt.

Die Forschenden sind überzeugt, dass die neue KI-basierte Analysemethode großes Potenzial für Forstwirtschaft und Umweltschutz bietet. Eine Vorhersage könnte sich vor allem im Kampf gegen Waldschäden bewähren und für eine effiziente Bewirtschaftung sorgen. So könnten etwa „Waldschäden durch Schädlinge oder extreme Wetterereignisse frühzeitig erkannt und Maßnahmen zur Aufforstung besser geplant werden“, schreiben die Forschenden. „Unsere Methode hat sich als sehr effektiv erwiesen. An einer Versuchsfläche konnten wir beobachten, wie die KI korrekt das Wachstum von jungen Fichten unter alten Buchen vorhergesagt hat“, berichtet Schmitt.

Datensatz frei zugänglich

Das Vorhaben „Wald5Dplus“ wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert. Der gesammelte Datensatz zur Waldvermessung – einschließlich Skripte und Modelle – steht der Öffentlichkeit über zenodo.org zur Verfügung. „So möchten wir Forschenden und Interessierten weltweit die Möglichkeit geben, eigene Analysen durchzuführen und zur Erhaltung der Wälder beizutragen“, erklärt Hauser.

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The state of the forests is worrying. Many trees are suffering from drought, pests and storms. The consequences of climate change have already clearly left their mark on spruce, pine, beech and oak trees – according to the latest forest condition report. According to the report, four out of five trees are diseased. A new analysis method developed at Munich University of Applied Sciences could help to protect the forest ecosystem and prevent further damage.

AI-based forest survey from a bird's eye view

With the help of remote sensing data from the European Space Agency's Sentinel-1 and Sentinel-2 satellites and artificial intelligence (AI), a comprehensive data set was created for forest surveying as part of the Wald5DPlus project. A newly developed algorithm ensures that data gaps caused by clouds are compensated for. According to the researchers, data from drones and aeroplanes was also used ‘to calculate typical forest characteristics such as tree species, heights and density’.

The result was a method that enables researchers to map and analyse forest areas more easily - without having to enter the forests. ‘Until now, surveying forests has been very time-consuming, especially in areas that are difficult to access,’ explains Andreas Schmitt, one of the project leaders. ‘With our method, we can record the condition of forests with high accuracy from a bird's eye view.’

Great potential for forestry and environmental protection

However, the AI-supported method can be used to record more than just the tree population in detail. It is also possible to predict how forests will change in the future. ‘We are putting together a puzzle from various data sources. Only by combining this information can we obtain a complete picture of the forest,’ explains Sarah Hauser, research associate in the project.

The researchers are convinced that the new AI-based analysis method offers great potential for forestry and environmental protection. A prediction could prove particularly useful in the fight against forest damage and ensure efficient management. For example, ‘forest damage caused by pests or extreme weather events could be recognised at an early stage and reforestation measures could be better planned’, the researchers write. ‘Our method has proven to be very effective. At a test site, we were able to observe how AI correctly predicted the growth of young spruce trees under old beech trees,’ reports Schmitt.

Data set freely accessible

The ‘Wald5Dplus’ project was funded by the Federal Ministry for Economic Affairs and Climate Protection. The collected data set for forest measurement - including scripts and models - is available to the public via zenodo.org. ‘We want to give researchers and interested parties around the world the opportunity to carry out their own analyses and contribute to the conservation of forests,’ explains Hauser.

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Insekten sind reich an Proteinen. Mit einem durchschnittlichen Proteingehalt zwischen 35 % und 77 % sind Fliegen, Grillen oder Mehlwürmer eine nachhaltige Alternative zu Proteinen aus Fleisch oder Fisch. Lange Zeit durften Insekten in der EU nur als Tiernahrung genutzt werden. Mittlerweile sind vier Insektenarten auch für Lebensmittel zugelassen, darunter Mehlwürmer. Die Aufzucht der proteinhaltigen Tierchen in Insektenfarmen ist im Vergleich zur Rinderhaltung um ein Vielfaches nachhaltiger, da weniger Wasser und Fläche benötigt werden. Doch auch Insekten sind vor Krankheitserregern nicht gefeit.

Erreger in Mehlwurm-Zucht detektiert 

Forschende von den Fraunhofer-Instituten für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB sowie für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie IME haben einen Weg gefunden, Erreger in Insektenfarmen frühzeitig aufzuspüren und damit die industrielle Produktion sicherer zu machen. Im Rahmen des Leitprojektes „FutureProteins“ wurde ein System entwickelt, das eine Vielzahl von Krankheitserregern parallel, schnell und zuverlässig erkennt. Die Methode wurde an Mehlwürmern getestet.

Wenn Insekten befallen sind, ist es bisher nicht möglich, schnell und kosteneffizient zu handeln. Hier setzt die Arbeit der Forschenden an. „Von der Probenentnahme bis zur Analyse im Labor vergehen mehrere Stunden – die Befundung benötigt bis zu zwei Tage. Eine Zeitspanne, die den Ausfall einer gesamten Anlage zur Folge haben kann“, erläutert Projektleiter Jens Wetschky, Experte für Virus-basierte Technologien am Fraunhofer IGB.

Sogenannte Antigen-Tests sind spätestens seit der Corona-Pandemie allgemein bekannt. In der medizinischen Diagnostik sind sie schon lange etabliert, um bestimmte Viren in Speichel, Blut oder Urin nachzuweisen. Die dafür benötigten Antikörper stammen jedoch zum Großteil aus tierischen Zellen oder lebenden Tieren. Nun will das hannoversche Start-up Phaeosynt Antikörper aus Algen herstellen. Die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) fördert das Vorhaben mit 125.000 Euro.

„Die medizinische Biotechnologie ist ein hochinnovativer Bereich mit hohem, gesellschaftlichem Mehrwert, aber auch erheblichen Ressourcenaufwendungen“, erläutert DBU-Generalsekretär Alexander Bonde. „Das Umweltentlastungspotential des Konzepts von Phaeosynt ist erheblich, auch aus ethischer Sicht ist das Verfahren unbedingt förderwürdig.“

Schwangerschaftstest mit algenbasierten Antikörpern

Phaeosynt, eine Ausgründung der Universität Hannover, hat sich auf die Herstellung artfremder Proteine in Kieselalgen – meist Antikörper – spezialisiert. Mit finanzieller Unterstützung durch die DBU will das Gründerteam Stephanie Pfeil-Coenen, Alina Eilers und Stas Hans nun den ersten Schwangerschaftstest entwickeln, der auf veganen Antikörpern beruht. „Noch immer werden einige diagnostische Antikörper in lebenden Tieren gezüchtet“, erklärt Mitgründerin Alina Eilers. Diese Tierversuche können vor allem „bei mehrfacher Gewinnung der Antikörper“ den Tod der Tiere verursachen. Darüber hinaus werden für die Tierversuche erhebliche Ressourcen, Energie und Platz benötigt.

Tierversuche entfallen

Mit der Gewinnung der Antikörper aus Algen könnten Eilers zufolge daher gleich mehrere Probleme gelöst werden. „Diese gedeihen schon bei niedrigeren Temperaturen, nämlich 20 statt üblicherweise 37 Grad Celsius, und haben somit weniger Energiebedarf.“ Zudem sei die Algenkultivierung wesentlich simpler und robuster, erläutert Eilers. Bei der Antikörperproduktion aus Algen würden Tierversuche entfallen und auch Transportkosten, da ein Großteil der Antikörper derzeit in Asien produziert wird.

Zwei Patente hat das junge Unternehmen bereits eingereicht. Mit dem ersten veganen und tierversuchsfreien Schwangerschaftstest auf Basis von Kieselalgen erhofft sich das Start-up mehr „Sichtbarkeit“. Die Weimarer Firma Senova wird die Tests aus Biokunststoff herstellen.

Nutzen für Krankenhäuser und Labore

„Mit der guten Mischung aus Praxis- und Forschungsnähe ist Phaeosynt ein Musterbeispiel für umweltfreundliche Biotechnologie“, sagt DBU-Referent Hans-Christian Schaefer. Die Entwicklung des Schwangerschaftstests ist Schäfer zufolge nur der erste Schritt. „Die medizinische Diagnostik ist besonders abseits solcher verbrauchernahen Produkte ein riesiges Feld. Die DBU-Förderung kann zur Etablierung von Phaeosynt am Markt beitragen – zum Nutzen von Krankenhäusern, Laboren und zuliefernden Unternehmen.“

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So-called antigen tests have been common knowledge since the coronavirus pandemic at the latest. They have long been used in medical diagnostics to detect certain viruses in saliva, blood or urine. However, the antibodies required for this are largely derived from animal cells or living animals. Now the Hanover-based start-up Phaeosynt wants to produce antibodies from algae. The German Federal Environmental Foundation (DBU) is funding the project with 125,000 euros.

‘Medical biotechnology is a highly innovative field with high added value for society, but it also requires considerable resources,’ explains DBU Secretary-General Alexander Bonde. ‘The environmental relief potential of Phaeosynt's concept is considerable, and the process is also absolutely worthy of funding from an ethical point of view.’

Pregnancy test with algae-based antibodies

Phaeosynt, a spin-off from the University of Hanover, has specialised in the production of foreign proteins in diatoms - mostly antibodies. With financial support from the DBU, the founding team Stephanie Pfeil-Coenen, Alina Eilers and Stas Hans now want to develop the first pregnancy test based on vegan antibodies. ‘Some diagnostic antibodies are still bred in living animals,’ explains co-founder Alina Eilers. These animal experiments can cause the death of the animals, especially ‘if the antibodies are obtained several times’. In addition, animal testing requires considerable resources, energy and space.

No need for animal testing

According to Eilers, obtaining antibodies from algae could therefore solve several problems at once. ‘They already thrive at lower temperatures, namely 20 instead of the usual 37 degrees Celsius, and therefore require less energy.’ Algae cultivation is also much simpler and more robust, explains Eilers. Antibody production from algae would eliminate the need for animal testing and transport costs, as the majority of antibodies are currently produced in Asia.

The young company has already filed two patents. The start-up is hoping for more ‘visibility’ with the first vegan and animal-free pregnancy test based on diatoms. The Weimar-based company Senova will manufacture the tests from bioplastics.

Benefits for hospitals and laboratories

‘Phaeosynt is a prime example of environmentally friendly biotechnology with its good mix of practical and research-orientation,’ says DBU consultant Hans-Christian Schaefer. According to Schaefer, the development of the pregnancy test is only the first step. ‘Medical diagnostics is a huge field, especially away from such consumer-oriented products. DBU funding can help to establish Phaeosynt on the market - to the benefit of hospitals, laboratories and supplier companies.’

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Klimawandel, Wasser- und Ressourcenknappheit, Bodendegradation, Verlust der Biodiversität, aber auch Bevölkerungswachstum und Lebensmittelverschwendung setzen das aktuelle Ernährungssystem europaweit stark unter Druck. Die dauerhafte Ernährungs- und Lebensmittelsicherheit gehört daher zu den großen Herausforderungen der Zukunft. 

Um das Ernährungssystem in Europa bis 2050 nachhaltiger zu machen, wurde im Juni dieses Jahres die „European partnership for a sustainable Future of Food Systems – FutureFoodS“ ins Leben gerufen. Die EU-weite Partnerschaft zielt darauf ab, ein umweltfreundliches, soziales und faires, aber auch wirtschaftlich tragfähiges sowie gesundes und sicheres Ernährungssystem zu etablieren. In der Initiative haben sich 86 nationale und regionale Entscheidungsträger, Fördermittelgeber und Forschungseinrichtungen aus 29 Ländern zusammengeschlossen. Die FutureFoodS-Partnerschaft ist eine von mehreren ko-finanzierten Partnerschaften im Forschungsrahmenprogramm „Horizont Europa“ der EU-Kommission.

An der Partnerschaft beteiligen sich auch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und das Bundesministerium für Landwirtschaft und Ernährung (BMEL). Um die Transformation im Ernährungs- und Lebensmittelsystem voranzutreiben, hat das BMBF nun die Förderrichtlinie „FutureFoodS Call 2024: Transformation der Ernährungssysteme – Interaktionen neu gestalten, Innovationen vorantreiben und nachhaltige Ernährungsweisen stärken“ gestartet. Mit der Förderung von Verbundvorhaben zu Forschung und Entwicklung unter Beteiligung ausländischer Verbundpartner will das BMBF die Umsetzung der Nationalen Bioökonomiestrategie im internationalen Kontext stärken.

Transformation der Ernährungssysteme beschleunigen

Im Fokus der Förderung stehen Verbundprojekte mit europäischen Partnern, die den Wandel hin zu einer nachhaltigeren Lebensmittelproduktion und Ernährungsweise beschleunigen und somit widerstandsfähige europäische und globale Ernährungssysteme schaffen. Zudem müssen die Projekte eine europäische Perspektive bieten und Themen fokussieren, die für mindestens drei Projektpartner relevant sind. Im Fokus stehen Fragestellungen, die sich auf Aspekte nach der Ernte beziehen („post-harvest“).

Neuartige Geschäftsmodelle und Lebensmittel

Folgende Themenschwerpunkte werden gefördert:

• Der Weg zu nachhaltigen und widerstandsfähigen Ernährungssystemen: Dies beinhaltet zum Beispiel die Neugestaltung von marktbasierten Prozessen, Geschäftsmodellen, politische Maßnahmen sowie experimentelle Lösungsansätze. Projekte, die im Rahmen dieses Themas gefördert werden, sollen sich insbesondere mit der Zusammenarbeit und Vernetzung zwischen Akteuren des Ernährungssystems befassen.
• Neue Lebensmittel – Förderung von Innovationen in Lebensmittel- design, -verarbeitung und -versorgung durch veränderte nachhaltige Angebots- und Nachfragemuster: Hier sollen systemische Ansätze für das Design, die Verarbeitung und Bereitstellung neuartiger Lebensmittel entwickelt werden, deren Basis diverse Rohstoffquellen sind – wie Hülsenfrüchte, Getreide, Nüsse und Saaten aber auch Algen und Speisepilze sowie Lebensmittel, die auf Zellkulturbasis oder unter Einsatz von Mikroorganismen erzeugt werden.

Transnationale Verbundprojekte gefördert

Gefördert werden transnationale Verbundprojekte mit mindestens drei der in der Ausschreibung beteiligten Partnerländer. Die Projektziele müssen innerhalb von 24 bis maximal 36 Monaten realisierbar sein. Antragsberechtigt sind Hochschulen, außeruniversitäre Forschungseinrichtungen, Landes- und Bundeseinrichtungen mit Forschungsaufgaben sowie Unternehmen der gewerblichen Wirtschaft, insbesondere kleine und mittlere Unternehmen (KMU).
Die Laufzeit der zu fördernden Vorhaben beträgt in der Regel bis zu drei Jahre. Die Fördersumme beträgt pro Verbundvorhaben maximal 350.000 Euro.

Climate change, water and resource scarcity, soil degradation, loss of biodiversity, but also population growth and food waste are putting the current food system under severe pressure across Europe. Sustainable food and nutrition security is therefore one of the major challenges of the future.

In order to make the food system in Europe more sustainable by 2050, the ‘European partnership for a sustainable Future of Food Systems – FutureFoodS’ was launched in June of this year. The EU-wide partnership aims to establish an environmentally friendly, socially responsible and fair, but also economically viable, healthy and safe food system. The initiative brings together 86 national and regional decision-makers, funding organisations and research institutions from 29 countries. The FutureFoodS partnership is one of several co-financed partnerships in the EU Commission's ‘Horizon Europe’ research programme.

The Federal Ministry of Education and Research (BMBF) and the Federal Ministry of Agriculture and Food (BMEL) are also involved in the partnership. In order to drive forward the transformation of the food and nutrition system, the BMBF has now launched the funding guideline ‘FutureFoodS Call 2024: Transformation of food systems - reshaping interactions, driving innovation and strengthening sustainable diets’. By funding collaborative research and development projects involving foreign partners, the BMBF aims to strengthen the implementation of the National Bioeconomy Strategy in an international context.

Accelerating the transformation of food systems

The funding programme focuses on collaborative projects with European partners that accelerate the transformation towards more sustainable food production and nutrition and thus create resilient European and global food systems. In addition, the projects must offer a European perspective and focus on topics that are relevant for at least three project partners. The focus is on issues relating to post-harvest aspects.

Innovative business models and food

The following key topics will be funded:

• The path to sustainable and resilient food systems: This includes, for example, the reorganisation of market-based processes, business models, political measures and experimental approaches to solutions. Projects that are funded within the framework of this topic should focus in particular on cooperation and networking between players in the food system.
• New foods – promoting innovations in food design, processing and supply by changing sustainable supply and demand patterns: The aim here is to develop systemic approaches for the design, processing and provision of new types of food based on various raw material sources - such as pulses, cereals, nuts and seeds, but also algae and edible mushrooms as well as foods produced on a cell culture basis or using microorganisms.

Transnational collaborative projects funded

Funding is available for transnational collaborative projects with at least three of the partner countries involved in the call. The project objectives must be realisable within 24 to a maximum of 36 months. Universities, non-university research institutions, state and federal institutions with research tasks and commercial enterprises, in particular small and medium-sized enterprises (SMEs), are eligible to apply.
The duration of the projects to be funded is generally up to three years. The maximum funding amount per joint project is 350,000 euros.

Ob in Zeltplanen, Bratpfannen, Regenjacken oder Kosmetik: per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen – kurz PFAS – stecken in vielen Gegenständen. Die sogenannten Ewigkeitschemikalien sind beliebt, weil sie beständig sind und hohen funktionellen Ansprüchen gerecht werden. Doch die Beständigkeit der fossil basierten Chemikalien ist nachweislich ein Problem für die Umwelt, da sie in der Natur nicht abgebaut werden. Ein Forschungsteam unter Leitung der Freien Universität (FU) Berlin will nun ein umweltfreundliches Verfahren entwickeln, um PFAS aus kontaminiertem Wasser zu filtern.

Das Projekt „Biogene und zirkuläre Ansätze zur Entfernung von PFAS mit ligninbasierten Adsorbermaterialien“ wird von der VolkswagenStiftung in den kommenden vier Jahren mit insgesamt 1,39 Mio. Euro gefördert. Daran beteiligt sind neben der Freien Universität Berlin, die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) sowie das Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP).

Adsorbermaterialien aus biogenen Rohstoffen

Herkömmliche Filtermaterialien bestehen in der Regel aus synthetischen Harzen oder Aktivkohle. Im Fokus des Vorhabens steht daher die Entwicklung von Adsorbermaterialien auf Basis biogener Rohstoffe wie Lignin und Glycerol. Beide Rohstoffe sind Nebenprodukte, die bei der Papier- sowie Biodieselproduktion anfallen. Daraus will das Forschungsteam in den kommenden Jahren sogenannte funktionalisierte Adsorberperlen entwickeln. Dieses Filtermaterial wird speziell gestaltet, damit an der Oberfläche Schadstoffe wie PFAS binden und aus dem belastetem Wasser entfernt werden können.

Zirkulärer Ansatz im Blick

Darüber hinaus verfolgt das Forschungsteam einen zirkulären Ansatz und strebt die Regeneration der Adsorberperlen an. Ziel ist es, PFAS wieder vollständig aus dem Filtermaterial zu entfernen, um es wiederverwenden zu können. „Am Ende ihrer Lebensdauer können die Perlen in der Landwirtschaft zur Wasser- und Nährstoffrückhaltung im Boden genutzt werden“, schreiben die Forschenden.

Forschende der FU Berlin werden unterschiedliche Konzepte der Kombination von Lignin und Glycerol untersuchen, während am Fraunhofer-Institut die Verarbeitung und das Upscaling der biogenen Rohstoffe zu Adsorberperlen im Fokus steht. BAM und FU Berlin sind zudem gemeinsam für die Analytik verantwortlich. Sie untersuchen die Qualität der Rohlignine, die Oberflächenbeschaffenheit, Porosität und das Quellverhalten der fertigen Materialien und testen, wie viel PFAS die Perlen tatsächlich absorbieren können, sowie ihre Rezyklierbarkeit. 

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Als industrienahe Forschungseinrichtung arbeitet die Jenaer Innovent seit Jahren eng mit Unternehmen zusammen und unterstützt diese auf dem Weg von der Produktentwicklung bis zur Markteinführung mit fachlichem und technischem Know-how. Ein Schwerpunkt ist dabei die Forschung an innovativen und nachhaltigen Produkten und Verfahren für die Bioökonomie. Mit der Eröffnung des neuen S2-Labors stehen den Forschenden am Fachbereich Biomaterialien nun ganz neue Möglichkeiten für die Arbeit mit Mikroorganismen zur Verfügung.

Mikroorganismen wie Bakterien, Hefen und Pilze sind seit langem wichtige Werkzeuge der industriellen Biotechnologie. Sie sind Meister der Stoffumwandlung. Sie verwerten nachwachsende Roh- oder Reststoffe und stellen daraus neue Substanzen her, die fossile Komponenten wie Erdöl in Produkten ersetzen können.

Pathogene Organismen und gentechnisch veränderte Organismen im Blick

Hinsichtlich der Verwertung von Reststoffströmen oder der Produktion neuer nachhaltiger Materialien bedarf es robuster Organismen. Mikroorganismen passen sich jedoch ihren Umweltbedingungen an, sodass bestehende Verfahren angepasst werden müssen. So fallen in Prozessen Nebenstoffströme an, die bisher nur unzureichend genutzt werden können, weil sie nicht wirtschaftlich genug sind.

Materialentwicklungen zur Wirtschaftlichkeit führen

Das neue Innovent-Labor am Fachbereich Biomaterialien bietet den Forschenden zufolge nun die Möglichkeit, mit potenziell pathogenen Organismen wie Bakterien, Viren und Pilzen zu arbeiten und mit gentechnisch veränderten Organismen (GVO) zu forschen. Mithilfe der molekularen Mikrobiologie und der Möglichkeit der gentechnischen Veränderung sei es möglich, die bestehenden Herausforderungen zu meistern und potenzielle Materialentwicklungen zur Wirtschaftlichkeit zu führen, schreiben die Forschenden.

So können beispielsweise mithilfe von fluoreszenz-markierten Organismen neu entwickelte Biomaterialien effektiver auf ihre Eigenschaften wie antimikrobielle Aktivität oder Anti-Biofilm-Eigenschaften untersucht und die rekombinante Herstellung von Proteinen, die die Biofunktionalität eines Materials maßgeblich bestimmen, durchgeführt werden. „So wird es möglich, natürliche Quellen von Makromolekülen zu ersetzen und somit auch ethischen Aspekten bei der Herstellung von Material gerecht zu werden“, so die Forschenden.

Neue Ansätze für die Forschungs- und Entwicklungsarbeit

Zur modernen Ausstattung des neuen Labors gehören neben der Fluoreszenzmikroskopie auch PCR-Geräte zum Nachweis oder der Quantifizierung von biologischen Prozessen sowie Inkubationsschränke und Schüttler, in denen das Wachstum von Mikroorganismen wie Mikroalgen gezielt gefördert werden kann.

Nicht nur für die Bioökonomie, auch für die Entwicklung biobasierter Materialien im Bereich Medizintechnik bietet das Labor neue Ansätze für die Forschungs- und Entwicklungsarbeit.

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Der Mensch nutzt den Boden seit Jahrtausenden als Ressource. Doch Klimawandel und intensive Landwirtschaft setzen dem Ökosystem zu. Vor allem die Zahl der Bodentiere, die wichtige Funktionen im Stoffkreislauf übernehmen und den Boden fruchtbar machen, schrumpft. Forschende des Deutschen Zentrums für integrative Biodiversitätsforschung Halle-Jena-Leipzig (iDiv) und der Universität Leipzig zeigen nun, wie das Bodenökosystem von einer nachhaltigen Bewirtschaftung profitiert.

Energietransfer von Bodenlebewesen als Indikator

Im Rahmen der Studie hatte ein Team um Marie Sünnemann untersucht, wie sich intensive und nachhaltige Landnutzung heute und unter künftigen Klimabedingungen auf die Vielfalt der Bodenlebewesen in Acker- und Grünlandflächen auswirken. Dabei ging es vor allem um die sogenannten Energiekreisläufe und die Aktivitäten von Zersetzern, Pflanzenfressern und Räubern im Bodennahrungsnetz. Dieser Energietransfer diente den Forschenden zufolge als Indikator, um bewerten zu können, wie gut diese Kleinstlebewesen im Ökosystem ihre jeweilige Funktion erfüllen.  

Während Zersetzer organisches Material zersetzen und den Boden fruchtbar machen, können Mikrobenfresser beispielsweise verhindern, dass sich schädliche Pilze vermehren. Räuber halten wiederum die Anzahl der Pflanzenfresser wie Blattläuse in Schach und helfen so, Ertragseinbußen bei den Pflanzen zu vermeiden. Auch die Auswirkungen von Hitze und Dürre auf Mikroorganismen wie Bakterien und Pilze, Fadenwürmer, Springschwänze, Milben sowie größere Tiere wie Käfer, Spinnen, Tausendfüßer und Hundertfüßer wurden untersucht.

Bodenökosystem bei nachhaltiger Landnutzung widerstandsfähiger

Wie die Forschenden im Fachmagazin Global Change Biology berichten, lassen sich bei einer nachhaltigen Bewirtschaftung unterirdische Pflanzenfresser sowie Bodenmikroben besser kontrollieren, wodurch das Bodenökosystem widerstandsfähiger und besser gegen Störungen geschützt ist als bei einer intensiven Landnutzung.

Aktivität der Mikrobenfresser bei nachhaltiger Landnutzung größer

Bei einer nachhaltigen Landnutzung kam es „zu einer höheren Aktivität der Mikrobenfresser und zu einer stärkeren Kontrolle der Mikroorganismen durch diese“. Das heißt, kleine Räuber wie Nematoden regulieren die Mikrobenpopulation und halten sie im Gleichgewicht. Zudem sei die Kontrolle von Pflanzenfressern durch natürliche Gegenspieler in nachhaltig bewirtschafteten Acker- und Grünlandflächen insgesamt stärker ausgeprägt, wodurch eine übermäßige Vermehrung von Pflanzenfressern verhindert werde, berichten die Forschenden.

Die im Rahmen der Studie durchgeführten Feldexperimente fanden auf der Freiland-Versuchsanlage „Global Change Experimental Facility“ (GCEF) des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) in Bad Lauchstädt bei Halle (Saale) statt. Hier kann auf unterschiedlich intensiv genutzten Acker- und Grünland-Parzellen das Klima der Zukunft simuliert werden. 

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Ob Weizen, Tomate oder Erdbeere: Bei der Züchtung von Nutzpflanzen war bisher der Ertrag ein wichtiges Kriterium. Durch die gezielte Züchtung ging jedoch nicht nur die genetische Vielfalt verloren. Auch Merkmale, die Pflanzen vor Hitze, Trockenheit oder Kälte schützen, blieben auf der Strecke. Der Genpool von Wildpflanzen und älteren Sorten rückt daher zunehmend in den Fokus der Forschung. So auch am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Dort wurde das Genom der Walderdbeere (Fragaria vesca) unter die Lupe genommen, um kältetolerante Gene aufzuspüren.

In Folge des Klimawandels verschieben sich Jahreszeiten, sodass Nutzpflanzen wie Erdbeeren immer häufiger durch plötzlichen Frost geschädigt werden. „Durch den Klimawandel fällt es selbst der modernen Landwirtschaft immer schwerer, die fehlende Widerstandsfähigkeit der Nutzpflanzen durch Düngung und Feldpflege aufzufangen“, erklärt Peter Nick vom Joseph Gottlieb Kölreuter Institut für Pflanzenwissenschaften des KIT. „Wildpflanzen und deren Resilienzgene werden für die Landwirtschaft deshalb immer wichtiger.“

Ursachen für Widerstandskraft entschlüsselt

Die Forschenden identifizierten zunächst Genotypen von Walderdbeeren, die gegen Kälte tolerant und empfindlich sind. Dazu nutzten die Forschenden die Genbank Südwest im Netzwerk „Wildpflanzen mit Nutzungspotenzial für Ernährung und Landwirtschaft“. Dabei fand das Team „ein Paar von Genotypen“, das auf Kältestress völlig gegensätzlich reagierte.

Der Studie zufolge gab es zum einen Unterschiede, die bereits vor dem Kältestress sichtbar wurden. „Gewisse kälteregulierte Gene werden im kältetoleranten Genotyp viel stärker ausgelesen. Diese sorgen für die Produktion von Proteinen, die als zelleigenes Frostschutzmittel wirken und die Membran vor Gefrierschäden schützen“, erläutert Nick. Zum anderen wurden Unterschiede beobachtet, die erst durch den Kältestress verursacht werden. Wie die Forschenden im Journal of Experimental Botany schreiben, wird durch die Kälte die Membran der Pflanzenzelle steifer, was Auswirkungen auf Transportvorgänge und Enzymaktivität hat.

Kälteresiliente Erdbeeren züchten

„Wir haben nun Gene identifiziert, die bei dieser Kältesignalkaskade besondere Bedeutung haben und für die erfolgreiche Reaktion der robusten Walderdbeere sorgen“, berichtet der Botaniker. Damit haben die Karlsruher Forschenden die Voraussetzungen für zukünftige resilientere Züchtungen geschaffen. „In Zukunft können wir auf Basis dieser Ergebnisse Kulturerdbeeren züchten, die beispielsweise das Frostschutz-Protein verstärkt bilden. Dafür müssen wir keine Gentechnik hinzuziehen, sondern können auf natürliche Weise kreuzen“, so Nick. Auf Basis dieses molekularen Wissens sei es nun auch möglich, sehr schnell die dafür passenden Individuen auszusuchen. „Das Beispiel der Walderdbeere zeigt, dass wir die Landwirtschaft durch die Analyse von Wildarten zukünftig nachhaltiger und resilienter gestalten können“, resümiert der Forscher. 

bb

In der konventionellen Landwirtschaft gehört der Einsatz von Düngemitteln zur täglich Praxis. Sie versorgen Pflanzen mit Nährstoffen und sorgen für gute Erträge. Den exakten Bedarf an Dünger für eine Pflanze abzuschätzen, ist schwer möglich, wodurch mehr Chemikalien in die Umwelt gelangen als nötig. Hier setzt das Pilotprojekt 5G-PreCiSe an. Darin untersuchen Forschende der Hochschule Reutlingen unter realen Bedingungen, wie ein ressourceneffizienter und bedarfsorientierter Einsatz von Düngemitteln in der Landwirtschaft durch die Vernetzung von Systemen und Prozessen mithilfe von 5G gelingen kann.

Zusammenspiel von Technologien dank 5G

Die Feldversuche finden auf dem Ihinger Hof statt, einem Versuchsfeld der Universität Hohenheim in der Nähe von Stuttgart. Hier wurde für die Studie Winterweizen angebaut. Um den optimalen Zeitpunkt und die optimale Menge für die Düngung zu ermitteln, nutzen die Forschenden verschiedene Systeme, Programme und Cloud-Server, die mithilfe von 5G in Echtzeit miteinander kommunizieren können.

Im ersten Schritt lassen die Forschenden Drohnen über das Feld fliegen, die mit hochauflösenden Kameras Bilder der Pflanzen aufnehmen und diese über ein Softwaresystem an einen Edge-Cloud-Server senden. Dort werden die Bilder von der Software durch sogenanntes Stitching zu einem Gesamtbild zusammengefügt. So kann die Technik den Zustand und das Wachstum der Pflanzen erfassen.

Sensoren erfassen Umweltdaten

Direkt vor und während der Düngung übermitteln Sensoren weitere Umweltdaten wie Bodentemperatur und Bodenfeuchte an den Server. Den Forschenden zufolge wurde dafür im Rahmen des Projektes ein Sensorsystem entwickelt, das diese Parameter in 10, 20, 40 und 50 cm Bodentiefe ermittelt. Die Sensoren sind wiederum mit einer oberirdisch installierten Kontrolleinheit verbunden, die die Bodenwerte erfasst, aufbereitet und an den Server sendet. Durch den so ermittelten tatsächlichen Biomassewert pro Fläche könnten Landwirte den Düngeprozess optimal an die Gegebenheiten anpassen, um maximale Effizienz und Erträge zu erzielen, schreiben die Forschenden.

Wasser- und Pestizideinsatz optimieren

Im Pilotprojekt wird die Hightech-Methode zur Düngeoptimierung zunächst an Weizen erprobt. Ziel des Vorhabens ist es jedoch, mithilfe dieser Technik künftig auch den Einsatz von Wasser und Pestiziden in der Landwirtschaft zu optimieren. Das Pilotprojekt 5G-PreCiSe ist 2021 gestartet und wird bis Ende 2024 vom Bundesministeriums für Digitales und Verkehr gefördert.

am/bb

Proteine sind neben Fetten und Kohlenhydraten die Hauptnährstoffe, die der menschliche Körper braucht. Die Eiweiße dienen als Baustoff für Zellen und Gewebe, können Knochen und Gewebe reparieren oder steuern als Enzym Stoffwechselvorgänge im Körper. Forschende sind daher seit Jahren bestrebt, Proteine am Computer nachzubauen und mit besseren Eigenschaften zu versehen. Ein internationales Forschungsteam unter Leitung der Technischen Universität München (TUM) hat nun eine neue Methode entwickelt, um Proteine zu designen. 
Am Projekt waren neben der TUM auch Forschende aus China und den USA beteiligt.

Proteindesign mit Nobelpreis-Software

Den Forschenden zufolge nutzten sie für ihre Arbeit auch die Fähigkeiten der KI-basierten Software AlphaFold2. Deren Entwickler, Demis Hassabis und John Jumper, wurden in diesem Jahr mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnet. Die Software ermöglicht es, die Struktur sogenannter De-novo-Proteine mit hoher Genauigkeit am Computer vorherzusagen. 

Wie das Team im Fachjournal Science berichtet, wurde für die neue Proteindesign-Methode „die akkurate Strukturvorhersage von Alphafold2 zusammen mit einem sogenannten Gradient-Descent-Ansatz“ für effizientes Proteindesign kombiniert. Gradient Descent ist eine etablierte Methode zur Modelloptimierung, mit deren Hilfe Abweichungen zur gewünschten Zielfunktion der Proteine sichtbar und die Parameter schrittweise bis zum optimalen Ergebnis angepasst werden können. Die durch AlphaFold2 vorhergesagte Proteinstruktur neuer Proteine habe so mit der gewünschten Proteinstruktur abgeglichen werden können, berichten die Forschenden.

Proteinstruktur virtuell optimiert

Sie konnten auf diese Weise die neu entworfenen Aminosäureketten sowie die für Stabilität und Funktion des Proteins entscheidende Struktur virtuell immer weiter optimieren. „Über mehrere Wiederholungen hinweg verbessern wir die Anordnung der Aminosäuren, bis das neue Protein sehr nah an der Struktur dran ist, die wir gerne hätten“, sagt Christopher Frank, Doktorand am Lehrstuhl für Biomolekulare Nanotechnologie und Erstautor der Studie. Aus dieser optimierten Struktur könne dann die Abfolge von Aminosäuren ermittelt werden, die sich auch tatsächlich im Labor umsetzen lasse, heißt es.

Proteine mit bis zu 1.000 Aminosäuren entworfen

Dass die Methode funktioniert, hat das Team um den Münchner Molekularbiologen Hendrik Dietz bereits in der Praxis bewiesen: Der Studie zufolge wurden über 100 Proteine mithilfe der neuen Methode nicht nur virtuell entworfen, sondern auch im Labor hergestellt und experimentell überprüft. „Wir konnten beweisen, dass unsere designten Strukturen der echten Umsetzung sehr genau entsprechen“, so Christopher Frank. Entworfen wurden Proteine, die bis zu 1.000 Aminosäuren enthalten. „Wir nähern uns damit der Größe von Antikörpern an und können – wie bei Antikörpern auch – dann mehrere gewünschte Funktionen in ein solches Protein integrieren. Das könnten beispielsweise Motive zur Erkennung und Unterdrückung von Krankheitserregern sein“, ergänzt Dietz.

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Alongside fats and carbohydrates, proteins are the main nutrients that the human body needs. Proteins serve as a building material for cells and tissue, can repair bones and tissue or control metabolic processes in the body as an enzyme. Researchers have therefore been endeavouring for years to recreate proteins on the computer and give them better properties. An international research team led by the Technical University of Munich (TUM) has now developed a new method for designing proteins. 
In addition to TUM, researchers from China and the USA were also involved in the project.

Protein design with Nobel Prize software

According to the researchers, they also utilised the capabilities of the AI-based software AlphaFold2 for their work. Its developers, Demis Hassabis and John Jumper, were honoured with the Nobel Prize in Chemistry this year. The software makes it possible to predict the structure of so-called de novo proteins with high accuracy on the computer.

As the team reports in the journal Science, the new protein design method combines ‘the accurate structure prediction of Alphafold2 together with a gradient descent approach’ for efficient protein design. Gradient descent is an established method for model optimisation, with the help of which deviations from the desired target function of the proteins can be made visible and the parameters can be adjusted step by step until the optimum result is achieved. The researchers report that the protein structure of new proteins predicted by AlphaFold2 could thus be compared with the desired protein structure.

Protein structure virtually optimised

This allowed them to virtually optimise the newly designed amino acid chains and the structure that is crucial for the stability and function of the protein. ‘Over several repetitions, we improve the arrangement of the amino acids until the new protein is very close to the structure we would like to have,’ says Christopher Frank, PhD student at the Chair of Biomolecular Nanotechnology and first author of the study. This optimised structure can then be used to determine the sequence of amino acids that can actually be implemented in the laboratory.

Proteins designed with up to 1,000 amino acids

The team led by Munich-based molecular biologist Hendrik Dietz has already proven that the method works in practice: According to the study, over 100 proteins were not only virtually designed using the new method, but also produced in the laboratory and tested experimentally. ‘We were able to prove that our designed structures correspond very closely to the real implementation,’ says Christopher Frank. Proteins were designed that contain up to 1,000 amino acids. ‘This brings us close to the size of antibodies and - as with antibodies - we can then integrate several desired functions into such a protein. These could be, for example, motifs for recognising and suppressing pathogens,’ adds Dietz.

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