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The soil is teeming with microorganisms. Researching them is not easy because many of them cannot yet be cultivated in the laboratory. Therefore, researchers often record so-called metagenomes - the entirety of the genes of the microorganisms in a sample. More than 200,000 such metagenomes are available in public databases. But there is a problem: the data sets in them are not subject to a uniform standard, making it difficult to put the data to use. A team from the Helmholtz Centre for Environmental Research (UFZ) has now processed 15,000 of these data records according to uniform standards and merged them into a new database. This was published in the scientific journal "Nucleic Acids Research".

Standardized metadata

The data are taken from the databases "MG Rast" and "Sequence Read Archive". However, the datasets are often incomplete and not uniformly marked. For example, information on the temperature of the soil sample can be stored in Kelvin, Fahrenheit or Celsius. "This makes it more difficult for interested users to further process the data," says Ulisses Nunes da Rocha, microbial ecologist at the UFZ. For the new "TerrestrialMetagenomeDB" database, the researchers have therefore standardized all metadata such as temperature, pH value and geographical coordinates according to an existing standardization methodology.

Die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) hat vier neue Jungunternehmen in ihr „Green Start-up Sonderprogramm“ aufgenommen: AckerCompany, HEDERA und BRIVE Fleet Solutions aus Berlin sowie DroidDrive aus Aachen. Insgesamt erhalten die Start-ups eine Förderung in Höhe von 428.000 Euro. Die Unternehmen verbinden Klimaschutz und Digitalisierung, jedoch auf ganz unterschiedliche Weise.

Gemüsegärten für Unternehmen

AckerCompany verfolgt das Ziel, dass Unternehmen firmeneigene Gärten anlegen, in denen die Mitarbeiter gemeinsam Gemüsebeete beackern und ernten. Das soll den Teamgeist ebenso stärken wie die Wertschätzung von Natur und Lebensmitteln. Eine App soll mit Tipps und bürotauglichen Rezeptideen die Teams unterstützen und zugleich einen Wettbewerb zwischen mehreren Gruppen ermöglichen.

Einfachere Mikrokredite

HEDERA möchte die Vergabe von grünen Mikrokrediten in Entwicklungs- und Schwellenländern vereinfachen. Digitale Produkte sollen helfen, den Bedarf und die Nachhaltigkeit eines Investments einheitlich und unkompliziert gegenüber Investoren darzustellen. Das soll die grünen Mikrokredite zudem günstiger machen. „Grün“ bedeutet dabei beispielsweise, dass mit den Mikrokrediten Alternativen zu Brennholzöfen, Kerosinlampen oder Dieselgeneratoren geschaffen werden. Darüber hinaus sollen die Akteure digital vernetzt werden.

Effizienterer Flotteneinsatz

BRIVE entwickelt eine App für die Smartphones der Fahrer von Paketdiensten, Speditionen und Taxiunternehmen. Sie bewertet anonymisiert deren Fahrweise und macht Vorschläge für ein umweltfreundlicheres und fahrzeugschonenderes Fahrverhalten. Mittelfristig soll die App zudem die optimale Route berechnen und dabei Faktoren wie das aktuelle Lieferaufkommen und Straßensperrungen berücksichtigen. Das spart dem Unternehmen Kosten. Das Plus könnte auch teilweise als Belohnung an die Fahrer weiterreicht werden.

Elektromobile Zustellhelfer

DroidDrive hat sich die Entenfamilie zum Vorbild genommen: Das Start-up entwickelt kleine elektrische Fahrzeuge, die autonom einem Führungsfahrrad oder einer Führungsperson folgen – wie die Entenküken ihrer Mutter. So könnten bei der Paketzustellung in Innenstädten und dicht besiedelten Gebieten große Lieferfahrzeuge ersetzt werden. Stau, Parkprobleme und Umweltbelastungen würden vermieden. Auch über Leasing- und Sharing-Modelle für Privatpersonen denkt das Unternehmen nach. Langfristig könnten die Fahrzeuge zudem ohne Führungsperson ihren Job erledigen.

Seit Beginn des Green Start-up-Sonderprogrammes im April vergangenen Jahres hat die DBU damit insgesamt zwölf Jungunternehmen mit rund 1,5 Mio. Euro gefördert. Perspektivisch sollen alle Start-ups nach der Pilotphase in die reguläre Projektförderung der DBU übernommen werden. Das Sonderprogramm stellt weitere 1,5 Mio. Euro zur Verfügung und will künftig vor allem „Grüne Gründerinnen“ in den Fokus nehmen.

bl

Drei Forschungseinrichtungen bündeln ihre Kräfte, um die Auswirkungen menschengemachter Umweltveränderungen auf die chemische Kommunikation der Insekten besser zu verstehen: Die Max-Planck-Gesellschaft, die Universität Lund und die Schwedische Universität für Agrarwissenschaften haben Ende Januar 2020 gemeinsam das virtuelle Max Planck Center „next Generation Insect Chemical Ecology“ (nGICE) gegründet.

Was passiert mit dem Geruchssinn?

Im Fokus der Forschung steht die Frage, wie Landwirtschaft, Industrialisierung und Klimawandel die chemische Kommunikation der Insekten verändern. Wie wirken sich höhere Durchschnittstemperaturen, Treibhausgase und Luftverschmutzung auf den Geruchssinn der Insekten aus, welche Anpassungsstrategien haben die Tiere? Diese Fragen sind keineswegs rein akademischer Natur, hat sich die Population der Insekten doch in den vergangenen Jahrzehnten stark verändert: Ihre Biomasse geht insgesamt massiv zurück, darunter auch die der landwirtschaftlich wichtigen Bestäuber. Gleichzeitig vermehren sich Schädlinge wie der Borkenkäfer rasant und Krankheitsüberträger dringen in Regionen vor, die ihnen bislang aus klimatischen Gründen verwehrt waren.

Ausbreitung von Krankheiten bekämpfen

„Europa ist lange von Krankheiten verschont geblieben, die von Insekten übertragen werden, doch in den letzten Jahren haben sich Krankheiten wie das West-Nil-Fieber und das Chikungunya-Fieber weiter nach Norden ausgebreitet“, schildert Rickard Ignell, Experte für die Ökologie von krankheitsübertragenden Insekten an der Schwedischen Universität für Agrarwissenschaften. Auch die Ausbreitung von Malaria und Dengue-Fieber werde durch den Klimawandel begünstigt. „Wir hoffen, dass wir durch die Kooperation im Max Planck Center neue Methoden zur Bekämpfung dieser Erkrankungen entwickeln können.“

Das ist eines der Ergebnisse der Studie „Der Lebensweg eines T-Shirts – eine Ökobilanz“, die am Fachbereich Sustainable Engineering der Technischen Universität Berlin im Auftrag des Industrieverbandes Körperpflege- und Waschmittel e. V. (IKW) erstellt wurde.

Für die Studie wurden möglichst realistische Annahmen getroffen. Betrachtet wurde ein handelsübliches weißes Baumwoll-T-Shirt. Das T-Shirt wurde außerhalb Europas hergestellt, in Deutschland gekauft, getragen, 44-mal gewaschen, getrocknet und schließlich entsorgt.

Zur Herstellung, zum Vertrieb, zur Pflege während der Nutzungsphase sowie zur Entsorgung werden Ressourcen, z. B. Wasser, benötigt, die das Gewicht des T-Shirts um ein Vielfaches übersteigen. Zudem werden während des „Lebenszyklus“ eines T-Shirts Treibhausgase freigesetzt, die etwa 3,7 Kilogramm CO₂ entsprechen.

Die Studie zeigt, dass Baumwollproduktion und T-Shirt-Herstellung maßgeblich die meisten der betrachteten möglichen Effekte auf die Umwelt, z. B. Landnutzung, Süßwassernutzung, Verbrauch von Rohstoffen wie Erzen, Metallen und Mineralien bestimmen sowie negative Auswirkungen auf Gewässer und ihre Lebewesen haben. T-Shirt-Herstellung und die Nutzungsphase, also das Waschen und Trocknen des T-Shirts, haben einen relevanten Einfluss auf das Treibhauspotenzial und den Ressourcenverbrauch Wasser („Potenzielle Wasserverknappung“).

Die Bioökonomie braucht eine breite Akzeptanz in der Gesellschaft, wenn der Wandel hin zu einer nachhaltigen Wirtschaftsweise gelingen soll. Doch wie kann jeder Einzelne von der Vision einer ressourcen- und umweltschonenden Welt überzeugt werden? Nachwuchswissenschaftler und junge Forscherteams haben ihre Vorstellungen dazu formuliert. Die 15 besten Kommunikationsideen zur Bioökonomie sind im Rahmen des diesjährigen Hochschulwettbewerbs zum Wissenschaftsjahr mit einem Preisgeld von jeweils 10.000 Euro ausgezeichnet worden.

Bioökonomie-Forschung verstehen und erleben

Der Hochschulwettbewerb wird von Wissenschaft im Dialog jährlich zum Thema des Wissenschaftsjahres im Auftrag des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) durchgeführt. In diesem Jahr steht die Bioökonomie im Rampenlicht. Die Siegerteams kommen von Hochschulen und Universitäten aus Aachen, Düsseldorf, Bayreuth, Düsseldorf, Freiburg, Hamburg, Hohenheim, Kassel, Mittweida, Nürnberg, Köln/Bonn und Osnabrück. Mit ihren Ideen wollen sie dazu beitragen, wissenschaftliche Erkenntnisse zur Bioökonomie verständlich zu machen und den Dialog mit der Öffentlichkeit darüber zu fördern.

Kreative Kommunikationsideen

Die Bandbreite der preisgekrönten Ideen wie auch der anvisierten Kommunikationswege ist groß: Zu den beleuchteten Themen zählen neue Lebensmittel, biobasierte Textilien, Pflanzenzucht, Aquakultur oder Kreislaufwirtschaft mittels Pilzen. Die Kommunikationsformate sind entweder Konferenzen, Workshops, Apps oder Videos. Aber auch ein Festival im Zeichen der Bioökonomie oder ein Escape Room sollen das Thema der Öffentlichkeit auf unterhaltsame Weise näherbringen.

Escape Room zum Thema Nachhaltigkeit

Zu den Gewinnern des diesjährigen Hochschulwettbewerbes gehören auch Thomas Schmitt und Rebekka Riebl von der Universität Bayreuth. Mit ihrem Konzept eines Escape Rooms für mehr Nachhaltigkeit wollen sie die breite Öffentlichkeit auf spielerische Weise für die Notwendigkeit einer stärkeren Verknüpfung von Ökonomie und Ökologie sensibilisieren. „Unser Escape Room soll Jugendlichen und Erwachsenen vor Augen führen, wie wichtig funktionierende Ökosystemdienstleistungen für die Bioökonomie sind. Darüber hinaus wollen wir den Blick für die Bedürfnisse Anderer weiten und kooperatives Handeln fördern“, so Riebl. Wie im virtuellen Spiel müssen die Protagonisten auch hier kooperieren und in einer Landschaft wesentliche Kriterien einer nachhaltigen und gerecht organisierten Bioökonomie wie etwa die Verteilung natürlicher Ressourcen regeln, um die Freiheit zu erlangen.

Lederherstellung: gesundheitsgefährdend, umweltschädlich, schmutzig

Einige Schritte in der Lederproduktion sind extrem unappetlich. Um die Tierhaut verarbeiten zu können und haltbar zu machen, muss sie gegerbt werden. Bei klassischen Gerbungsverfahren kommen Substanzen zum Einsatz, die die Gesundheit schädigen und Böden und Gewässer erheblich belasten. Neben den Schadstoffen ist auch die Tierhaltung ein Problem, denn nicht jede Tierhaut ist ein Abfallprodukt.

Statt klassischer Gerbungsverfahren können nachhaltige pflanzliche Lösungen genutzt werden. Vorzugsweise setzen die Pflanzengerber dabei auf nachwachsende Rohstoffe wie Früchte und Rinden, die biologisch abbaubar sind (siehe Sessel).

Von der Schale zum Accessoire

Aber auch zur Verwendung von Tierhaut gibt es Alternativen. Eine davon zeigt ein junges Unternehmen aus Niedersachsen, das nachhaltige und ressourcenschonende Taschen aus Apfelresten kreiert. Entwickelt wurde das Apfelleder von der Firma Frumat in Bozen. Werden Äpfel zu Saft oder Pürree verarbeitet, bleiben Rückstände zurück. Die Stängel, Fasern und Schale werden getrocknet und anschließend zu einem feinen Pulver vermahlen. Das Pulver trägt man Schicht für Schicht auf einen Canvas auf, anschließend wird es geprägt, damit der Lederlook entsteht.

In den Taschen von nuuwai stecken etwa 50% Appleskin, der Rest besteht aus biologisch abbaubarem Polyurethan (PU), das für die Stabilität benötigt wird. Das Innenleben der Handtasch besteht aus recycelten Plastikflaschen und Fischernetzen.

Marktreife

Die Handtasche und diverse andere Produkte aus Apfelleder werden über das Label „nuuwai“ vertrieben.

Leather production: hazardous to health and harmful to the environment

Some steps in leather production are extremely unsavory. In order to be able to process and preserve the hide, it has to be tanned. Classical tanning processes use substances that are harmful to health and pollute soils and waters considerably. In addition to the harmful substances, animal farming is also problematic, because not every animal skin is a waste product.

Instead of classic tanning processes, sustainable plant-based solutions can be used. Plant tanners prefer to use renewable raw materials such as fruits and bark that are biodegradable (see also arm chair).

From peel to accessory

But there are also alternatives to the use of animal skin. One of them comes from a young company from Lower Saxony that creates sustainable and resource-conserving bags from apple waste. The apple leather was developed by the Frumat company in Bolzano. If apples are processed into juice or puree, some residues remain. The stalks, fibres and skin are dried and then ground to a fine powder. The powder is applied to a canvas layer by layer and then embossed to create the leather look.

The nuuwai bags contain about 50% of the so-called Appleskin, the rest is biodegradable polyurethane (PU), which is needed for stability. The inside of the handbag is made of recycled plastic bottles and fishing nets.

Market readiness

The handbag and various other products made of apple leather are sold under the label "nuuwai".

Mehr als die Hälfte des weltweit konsumierten Speisefisches stammt inzwischen aus Aquakulturen. Damit Zuchtfisch ebenso wie Wildfang einen hohen Gehalt an für die Ernährung wertvollen Omega-3-Fettsäuren besitzt, müssen diese dem Fischfutter zugesetzt werden. In der Regel erfolgt das in Form von Fischmehl und Fischöl. Das ist wenig nachhaltig, da hierzu jährlich Millionen Tonnen Wildfisch gefangen werden müssen. Der Lebensmittelhändler Kaufland hat jetzt als erster Anbieter in Deutschland Zuchtlachs ins Sortiment aufgenommen, dessen Omega-3-Fettsäure-Quelle vor allem aus Algenöl besteht.

Omega-3-Fettsäuren aus Algen

„Für die Aufzucht von einem Kilogramm Lachs soll umgerechnet künftig weniger als ein Kilogramm Futter-Wildfisch verwendet werden“, verspricht Robert Pudelko, CSR Einkauf Deutschland bei Kaufland. Möglich macht das neue Angebot das Biotechnologieunternehmen Veramaris, ein Joint Venture von Evonik (Deutschland) und DSM (Niederlande). Veramis gewinnt fermentativ aus natürlichen Meeresalgen ein Öl, das reich an den wertvollen Omega-3-Fettsäuren EPA und DHA ist. Mit dem Öl werden dann die Lachse in den norwegischen Aquakulturen gefüttert, deren Fleisch Kaufland unter der Eigenmarke „K-Blue Bay“ seit Ende Februar an den SB-Theken aller deutschen Filialen verkauft.

Gesund und nachhaltig

„Es freut uns zu sehen, dass wir es durch die gemeinsame, kontinuierliche Arbeit mit allen Partnern entlang der Wertschöpfungskette geschafft haben, den Kunden einen nachhaltig gesunden Lachs anzubieten“, sagt Gaëlle Husser, Global Business Development Director bei Veramaris. Nach Einschätzung des Unternehmens sind lediglich 10% der Weltbevölkerung ausreichend mit Omega-3-Fettsäuren versorgt. Vermaris verfolgt daher das Ziel, mit seiner Innovation den weltweiten Markt in Richtung einer nachhaltigeren Fischzucht beeinflussen zu können.

Kaufland engagiert sich nach eigenen Angaben seit zehn Jahren für ein nachhaltiges Fischsortiment. Dazu zählen Maßnahmen wie die Auslistung stark gefährdeter Fischarten und ein nahezu durchgängig zertifiziertes Eigenmarkensortiment. 

bl

Ein wertvoller Rohstoff, der bislang vor allem verbrannt wird: das Biopolymer Lignin. Es ist einer der Hauptbestandteile von Pflanzen und eine vielversprechende Alternative zu Erdöl, um daraus Kunststoffe zu gewinnen. „Lignin ist die größte Quelle natürlich vorkommender aromatischer Verbindungen, wird bislang aber vor allem als Nebenprodukt oder Brennstoff in der Papierindustrie angesehen”, bedauert Mats Johansson von der Königlichen Technischen Hochschule (KTH) Stockholm. „Jedes Jahr werden Millionen Tonnen davon produziert, die als kontinuierlicher Rohstoffstrom für neue Produkte zur Verfügung stehen könnten.“

Uneinheitlicher Molekülaufbau

Es gibt jedoch einen guten Grund, weshalb sich die Industrie schwer damit tut, Lignin stofflich zu nutzen: Wie die meisten Naturstoffe gibt es eine gewisse Variabilität im Aufbau der Ligninmoleküle. Das führt zu unterschiedlichen Materialeigenschaften, die sich bislang schlecht steuern lassen. Röntgenanalysen am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY könnten das jetzt ändern. Im Fachjournal Applied Polymer Materials berichten die Wissenschaftler über Unterschiede in der Nanostruktur kommerziell erhältlicher Lignine und wie diese sich auf die Materialeigenschaften auswirken.

Größe und Anordnung der Bausteine entscheidend

So habe sich gezeigt, dass das Lignin mal aus größeren und mal aus kleineren Bausteinen zusammengesetzt ist, erläutert Hauptautor Marcus Jawerth von der KTH Stockholm. „Das hat je nach Anwendung Vorteile: Es macht das Lignin härter oder weicher, indem sich die sogenannte Glasübergangstemperatur ändert, bei der das Biopolymer einen zähflüssigen Zustand annimmt.“ Auch die Anordnung bestimmter molekularer Strukturen zueinander beeinflusst, wie sich das Lignin verhält.

Systematischer Überblick geplant

Die Forscher wollen nun durch weitere Untersuchungen einen systematischen Überblick erstellen, wie verschiedene Parameter die Lignin-Eigenschaften beeinflussen. „Das ist enorm wichtig, um die Materialien reproduzierbar herzustellen und vor allem die Materialeigenschaften vorherzusagen“, betont DESY-Forscher Stephan Roth. „Wenn man das Material industriell einsetzen möchte, muss man die molekulare Struktur verstehen und mit den mechanischen Eigenschaften korrelieren.“

Enormes Potenzial für Biokunststoffherstellung

Etwa zwei Drittel des heute meist verbrannten Lignins aus der Papierherstellung könnten künftig als Rohstoff für die Kunststoffherstellung genutzt werden, schätzt Roth. „Lignin gehört mit Zellulose und Chitin zu den häufigsten organischen Verbindungen der Erde und hat enormes Potenzial, erdölbasierte Plastik-Rohstoffe zu ersetzen“, resümiert der Forscher. Zum Verbrennen sei es viel zu wertvoll.

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One valuable raw material that has so far mainly been burned is the biopolymer lignin. It is one of the major components of plants and a promising alternative to crude oil for the production of plastics. "Lignin is the largest source of naturally occurring aromatic compounds, but so far it has mainly been regarded as a by-product or fuel in the paper industry," says Mats Johansson of the Royal Institute of Technology (KTH) Stockholm regretfully. "Millions of tons of it are produced every year, which could be available as a continuous stream of feedstock for new products".

Non-uniform molecular structure

There is, however, a good reason why the industry is struggling to use lignin as a material: Like most natural products, there is a certain variability in the structure of the lignin molecules. This leads to different material properties that have so far been difficult to control. X-ray analyses at the German Electron Synchrotron DESY could now change this. In the journal Applied Polymer Materials, the scientists report on differences in the nanostructure of commercially available lignins and how these affect the material properties.

Size and arrangement of the building blocks are crucial

It has been shown that the lignin is sometimes composed of larger and sometimes smaller building blocks, explains lead author Marcus Jawerth of KTH Stockholm. "This has advantages depending on the application: It makes the lignin harder or softer by changing the so-called glass transition temperature at which the biopolymer assumes a viscous state." The arrangement of certain molecular structures in relation to one another also influences how the lignin behaves.

Systematic overview in the pipeline

The researchers are now planning to carry out further investigations in order to gain a systematic overview of how different parameters affect the lignin properties. "This is extremely important in order to produce materials reproducibly and, above all, to predict the material properties," emphasizes DESY researcher Stephan Roth. "If you want to use the material industrially, you have to understand its molecular structure and correlate it with its mechanical properties."

Enormous potential for bioplastics production

Roth estimates that about two thirds of the lignin from paper production, which is currently the most commonly burned lignin, could be used in future as a raw material for the production of plastics. "Together with cellulose and chitin, lignin is one of the most common organic compounds on earth and has enormous potential to replace petroleum-based plastic raw materials," the researcher sums up. It is far too valuable to burn, he argues.

bl/um

Der Bedarf an Naturkautschuk ist groß und steigend, insbesondere in der Reifenindustrie. Bislang wird er vor allem über den Anbau des in den Tropen beheimateten Kautschukbaums gedeckt. Dessen Vorkommen könnten künftig nicht mehr genügen, um der Nachfrage zu begegnen. Der Forschungsverbund TAKOWIND III möchte deshalb eine Alternative schaffen, die sich auf europäischen Äckern anbauen ließe. Im Fokus steht dabei der Russische Löwenzahn.

Kautschukgehalt steigern

Der Russische Löwenzahn Taraxacum koksaghyz bildet in seiner Wurzel Kautschuk, der ähnliche Eigenschaften aufweist wie das Produkt des Kautschukbaumes Hevea brasiliensis. Im Forschungsverbund TAKOWIND III wollen das Pflanzenzüchtungsunternehmen Eskusa, die Westfälische Wilhelms-Universität Münster und das Julius-Kühn-Institut für Kulturpflanzen den Russischen Löwenzahn als Kautschukquelle optimieren. Dazu soll die Pflanzen mit ihrem einheimischen Verwandten, dem Gemeinen Löwenzahn gekreuzt werden.

In den vorhergehenden Verbundprojekten ist es bereits gelungen, den Kautschukgehalt in den Wurzeln gegenüber der Wildpflanze zu steigern. Für den kommerziellen Einsatz ist das jedoch noch nicht ausreichend. Die gezielte Anwendung neuer genetischer Erkenntnisse soll dabei helfen.

Praktische Anbaufragen klären

Außerdem wollen die Projektpartner eine Reihe weiterer praktischer Fragen klären, darunter solche zur Aussaatfähigkeit, zur Blütenbildung über mehrere Jahre und zur Ausbreitung der Pflanzen. Nicht zuletzt gilt es zu untersuchen, über wie viele Jahre sich eine Pflanze produktiv nutzen lässt. Darüber hinaus müssen die Forscher im Blick behalten, welche Eigenschaften und Qualität der jeweils gewonnene Kautschuk aufweist.

Das Ministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) fördert den in vier Teilvorhaben gegliederten Forschungsverbund TAKOWIND III über den Projektträger Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe.

bl

Die intensive Viehhaltung hat mehrere Umweltprobleme zur Folge. Eines davon geht auf Sojabohnen als Futtermittel zurück. Aufgrund ihres hohen Energie- und Proteingehaltes sind sie zwar aus Ernährungssicht das Futter der Wahl für viele Nutztierarten. Doch für ihren Anbau werden Regenwälder zerstört, der Transport aus Südamerika bedingt hohe CO₂-Emissionen und zumindest in weiten Teilen Europas wird nicht gern gesehen, dass die meisten Sojafelder mit gentechnisch veränderten Pflanzen bestellt werden. Agrarforscher entwickeln nun eine heimische Alternative.

Störende Inhaltsstoffe entfernen

Ackerbohnen und vor allem Erbsen werden schon lange in der Tierfütterung genutzt und sind ebenfalls reich an Proteinen. „Sie können aber mit Soja bisher nicht mithalten, auch weil sie viele sogenannte antinutritive Inhaltsstoffe enthalten“, erklärt Annette Zeyner, Professorin für Tierernährung an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU). Darunter versteht man Stoffe, die die Aufnahme wertvoller Nährstoffe bei der Verdauung behindern. Gemeinsam mit dem Sächsischen Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie (LfULG) verfolgen Zeyner und ihr Team im Projekt „SilaToast“ deshalb einen neuen Ansatz, um diese antinutritiven Inhaltsstoffe zu beseitigen.

Toasten bei der richtigen Temperatur

Zum einen zeigte sich, dass bereits durch das Silieren antinutritive Inhaltsstoffe weitgehend abgebaut werden. Der Clou aber ist: Toastet man die Hülsenfrüchte, reduziert die Wärmebehandlung die lästigen Substanzen noch weiter. „Der Knackpunkt ist, dass zu heißes Toasten wiederum die Proteine schädigt", schildert Zeyner die Herausforderung. Die Forscher haben daher die optimale Temperatur und Dauer des Toastens ermittelt und den Feuchtigkeitsgehalt der Silage optimiert.

Vorteile für Tier und Umwelt

Das neue Verfahren birgt noch weitere Vorteile, wie die Wissenschaftler im Fachjournal Livestock Science berichten: Durch die Wärmebehandlung werden die Proteine im Wiederkäuermagen später verdaut. Dadurch wird zum einen weniger Stickstoff mit den Exkrementen ausgeschieden, zum anderen können über den Dünndarm des Tieres mehr wertvolle Aminosäuren aufgenommen werden.

Ob silierte und getoastete Erbsen die gesetzlich vorgeschriebenen Nährwerte erfüllen, wird derzeit getestet. Bewährt sich das Futter in der Praxis, ist es nicht nur für Rinder und Schafe, sondern auch für Schweine und Geflügel geeignet.

bl

Intensive livestock farming causes several environmental problems. One of them is related to the use of soybeans as animal feed. Their high energy and protein content makes them the feed of choice for many livestock species. However, rainforests are destroyed for their cultivation, transport from South America causes high CO2 emissions and, at least in large parts of Europe, most consumers dislike the fact that most soya fields are cultivated with genetically modified plants. Agricultural researchers are now developing a domestic alternative using toasted feed peas.

Removing undesirable ingredients

Field beans and especially peas have long been used in animal feed and are also rich in proteins. "But at this point they don’t measure up to soy, partly because they contain many so-called anti-nutritive factors," explains Annette Zeyner, Professor of Animal Nutrition at the Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU). These are substances that hinder the absorption of valuable nutrients during digestion. Together with the Saxon State Office for Environment, Agriculture and Geology (LfULG), Zeyner and her team are therefore pursuing a new approach in the "SilaToast" project to eliminate these antinutritive ingredients.

Toasting at the right temperature

On the one hand, it was shown that even by ensiling, antinutritive ingredients are largely degraded. The trick, however, is that if the pulses are toasted, the heat treatment reduces the undesirable substances even further. "The sticking point is that overheating in turn damages the proteins," says Zeyner, describing the challenge. The researchers therefore determined the optimum temperature and duration of toasting and optimized the moisture content of the silage.

Advantages for animals and the environment

The new method has even more advantages, as the scientists report in the journal Livestock Science: Through the heat treatment, the proteins are later digested in the stomach of ruminants. As a result, less nitrogen is expelled with the excrements, and more valuable amino acids can be absorbed through the animal's small intestine.

Whether ensiled and toasted peas meet the legally prescribed nutritional values is currently being tested. If the feed proves itself in practice, it is not only suitable for cattle and sheep, but also for pigs and poultry.

bl/um

CRISPR-Cas9 hat die Molekularbiologie revolutioniert. Das enzymatische System funktioniert wie eine Schere, die DNA an einer definierten Stelle schneiden kann, um Gene zu deaktivieren oder neue Gensequenzen einzufügen. Damit CRISPR-Cas9 die richtige Stelle zum Schneiden findet, wird es mit einer zielabhängigen sogenannten guide-RNA kombiniert. Doch selbst die irrt zu einem gewissen Prozentsatz bei der Zielfindung. Wissenschaftler der Max-Planck-Forschungsstelle für die Wissenschaft der Pathogene in Berlin und der Medizinischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg haben das System nun optimiert und eine höhere Spezifität erzielt.

Struktur von Cas9 analysiert

„Ein unbeabsichtigter Schnitt an der falschen Stelle im menschlichen Genom kann tiefgreifende Folgen haben. Deshalb brauchen wir ein spezifischeres System", erläutert Michael Böttcher, Juniorprofessor an der Medizinischen Fakultät der Martin-Luther-Universität. Rund um den Globus suchen Wissenschaftler daher nach Möglichkeiten, wie das CRISPR-Cas-System weniger Fehler macht. Das deutsche Team hat dazu die Struktur und Funktionsweise des Cas9-Enzyms analysiert und variiert. Über die Ergebnisse berichten die Forscher im Fachjournal „Nature Chemical Biology“.

Aminosäuren der Brückenhelix entscheidend

Ein bestimmter Bereich von Cas9 wird als Brückenhelix bezeichnet. Wie sich herausstellte, ist die Brückenhelix daran beteiligt, wie Cas9 mit der guide-RNA und der Zielsequenz der DNA interagiert. Maßgeblich ist dafür eine bestimmte Aminosäurenabfolge von Cas9, die in Verbindung mit der guide-RNA eine Schleifenform an der Ziel-DNA erzeugt. Erst dadurch wird der Doppelstrang der DNA geöffnet und das CRISPR-Cas9-System kann die Genom-Editierung beginnen.

Erfolg auch an menschlichen Zellen

Die Forscher haben in einem zweiten Schritt neue Varianten des Cas9-Enzyms erzeugt, bei denen die entscheidende Aminosäurenfolge variiert wurde. Einige dieser Varianten erwiesen sich als verlässlicher als das normale Cas9-Enzym: Sie schnitten die DNA deutlich seltener an unbeabsichtigten Stellen. Eines dieser modifizierte Enzyme bewährte sich auch in menschlichen Zellen. „Unsere Ergebnisse bieten eine neue Grundlage für die weitere Optimierung von CRISPR-Cas9“, resümiert Emmanuelle Charpentier, Direktorin der Max-Planck-Forschungsstelle für die Wissenschaft der Pathogene. Darüber hinaus müsse jedoch noch mehr über die Biochemie der CRISPR-Cas-Systeme gelernt werden, um sie weiter verbessern zu können.

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CRISPR-Cas9 has revolutionized molecular biology. The enzymatic system works like scissors that can cut DNA at a defined location to deactivate genes or insert new gene sequences. To make sure that CRISPR-Cas9 finds the right place to cut, it is combined with a target-specific so-called guide RNA. However, even this guide RNA makes a certain percentage of mistakes in finding the target. Scientists from the Max Planck Research Unit for the Science of Pathogens in Berlin and the Medical Faculty of the Martin Luther University Halle-Wittenberg have now optimized the system and achieved a higher specificity.

Structure of Cas9 analyzed

"An unintended cut at the wrong place in the human genome can have profound consequences. That is why we need a more specific system," explains Michael Böttcher, junior professor at the Medical Faculty of Martin Luther University. Scientists around the globe are therefore looking for ways to make the CRISPR-Cas system less prone to error. The German team has analyzed and varied the structure and function of the Cas9 enzyme. The researchers report on their results in the journal "Nature Chemical Biology".

Amino acids of the bridge helix are critical

A certain area of Cas9 is called the bridge helix. As it turned out, the bridge helix plays a crucial role in how Cas9 interacts with the guide RNA and the target sequence of the DNA. This is mainly due to a specific amino acid sequence of Cas9, which, in combination with the guide RNA, forms a stable loop on the target DNA. In such a loop, the Cas9-bound guide RNA pairs with the complementary strand of the DNA target sequence while displacing the second DNA strand, thereby enabling Cas9 to cut both DNA strands.

Success also on human cells

In a second step, the researchers created new variants of the Cas9 enzyme in which the crucial amino acid sequence was varied. Some of these variants proved to be more reliable than the normal Cas9 enzyme: they cut the DNA much less frequently at unintended sites. One of these modified enzymes also proved its worth in human cells. "Our results provide a new basis for further optimization of CRISPR-Cas9," summarizes Emmanuelle Charpentier, Director of the Max Planck Research Unit for the Science of Pathogens. However, she adds that more needs to be learned about the biochemistry of CRISPR-Cas systems in order to further improve them.

bl/um

Das Zoologische Forschungsmuseum Alexander Koenig – Leibniz-Institut für Biodiversität (ZFMK) der Tiere und das Centrum für Naturkunde der Universität Hamburg (CeNak), haben die nächste Stufe im Aufbau eines Leibniz-Instituts für die Analyse des Biodiversitätswandel (LIB) mit Standorten in Bonn und Hamburg genommen. In einer öffentlichen Stellungnahme hat sich der Wissenschaftsrat positiv zu diesem Konzept geäußert und empfiehlt dessen Umsetzung. Die endgültige Entscheidung über die Einrichtung eines LIB wird im Frühjahr 2020 in der gemeinsamen Wissenschaftskonferenz von Bund und Ländern (GWK) getroffen.

Biodiversitätswandel verstehen

Gerade angesichts des Klimawandels ist die Frage nach den Ursachen für den Biodiversitätswandel und der Entwicklung von Handlungsstrategien hochaktuell und von großer gesellschaftlicher Bedeutung. Mit ZFMK und CeNak könnten nach Ansicht des Wissenschaftsrats zwei forschungsstarke Partner zusammenkommen, deren wertvolle zoologische Sammlungen einander ideal ergänzen. Da in Deutschland und international an vielen Stellen zur Biodiversität geforscht wird, empfiehlt der Wissenschaftsrat den beiden Partnereinrichtungen, das Profil des geplanten gemeinsamen Instituts weiter zu schärfen und eng mit anderen Forschungseinrichtungen zusammen zu arbeiten.

Zwei starke Forschungspartner kommen zusammen

Im Juni 2018 hatte bereits der Senat der Leibniz-Gemeinschaft zu der großen gesellschaftlichen wie auch wissenschaftlichen Bedeutung der naturkundlichen Forschungsmuseen Stellung bezogen und deren Stärkung begrüßt. Durch die positive Stellungnahme des Wissenschaftsrates ist nun ein weiterer, wichtiger Meilenstein erreicht worden. „Sollte diese strategische Erweiterung gelingen, eröffnen sich ganz neue Möglichkeiten der Erforschung des Biodiversitätswandels und des Wissenstransfers sowohl auf nationaler als auch internationaler Ebene“, erläutert Bernhard Misof, kommissarischer Direktor des ZFMK.

„Mit Spannung erwarten wir nun den letzten Meilenstein – die Entscheidung der Gemeinsamen Wissenschaftskonferenz von Bund und Ländern“, freut sich Matthias Glaubrecht, der Wissenschaftliche Direktor des CeNaks, über den Fortschritt der Entwicklungen. „Das positive Votum bringt uns auch einen entscheidenden Schritt weiter auf dem Weg zu einem „Evolutioneum“, einem neuen naturkundlichen Forschungsmuseum für Hamburg.“

Hamburg plant Neubau für das Evolutioneum

Als Fenster der Wissenschaft soll das „Evolutioneum“ in der Metropole Hamburg und darüber hinaus die Rolle des Menschen als zunehmend wichtiger Einflussfaktor auf der Erde buchstäblich begreifbar machen. Für und das Evolutioneum und damit den Hamburger Standort des LIB hat die Hansestadt Hamburg einen Neubau in Aussicht gestellt.

Der Wissenschaftsrat begrüßt in seiner Stellungnahme das Hamburger Bauvorhaben ausdrücklich. Das Gremium hatte in der Vergangenheit bereits mehrfach darauf hingewiesen, dass die zoologischen Sammlungen Hamburgs völlig unzureichend untergebracht sind und dies zu schweren Schäden und Verlusten an den Sammlungsbeständen führen könne.

bl/pg

Mit der Nationalen Bioökonomiestrategie will die Bundesregierung den Wandel von einer auf fossilen Rohstoffen basierenden Wirtschaft hin zu einer biobasierten, nachhaltigen Wirtschaft forcieren. Biokunststoffe, Biokraftstoffe, biotechnologische Herstellungsprozesse – in vielen Bereichen hat der Wandel bereits eingesetzt. Aber welche Akteure beeinflussen diesen Wandel, wie sollte sich die Politik verhalten und wie sähe eine echte Bioökonomie aus? Darauf geben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung (ISI) Antworten in dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekt „Transformation-Bio“.

Wichtige Wechselwirkungen zwischen den Teilbereichen

Die Forscher um Projektleiter Sven Wydra haben die vorhandenen wissenschaftlichen Publikationen analysiert, aber auch Stakeholder interviewt und Experten-Workshops organisiert. Herausgekommen sind vier Szenarien, wie sich die Bioökonomie bis zum Jahr 2040 entwickeln könnte – und wovon das jeweils abhängt. „Im Projekt zeigte sich, dass es den einen Weg hin zur Bioökonomie nicht gibt, sondern vielmehr ein großes Spektrum an Transformationsmustern, die auch auf Wechselwirkungen zwischen den unterschiedlichen Bioökonomie-Segmenten zurückzuführen sind“, erläutert Wydra. Diese Segmente seien eng miteinander verwoben, etwa durch technologische Synergien. Politische Entscheidungen, die auf ein Segment gerichtet sind, hätten somit erhebliche Auswirkungen auf die anderen Segmente und damit auf die Gesamtentwicklung der Bioökonomie.

Einfluss der Sektoren Energie und Mobilität

Zwei entscheidende Einflussfaktoren haben die Forscher identifiziert: Zum einen die großen wirtschaftlichen Akteure in den Sektoren Energie und Mobilität, aber auch Material- und Produktionswirtschaft. Ihre Schwerpunktsetzungen bestimmten den Bedarf an den jeweiligen bioökonomischen Produkten. Dabei wurde deutlich, dass in jedem Fall ein steigender Bedarf an Biomasse entstehen wird. Die Forscher empfehlen daher, deren nachhaltige Produktion auszubauen, aber auch die Nutzung effizienter zu gestalten und beispielsweise die Lebensmittelverschwendung zu minimieren.