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Das Genome Editing, auch Genomchirurgie genannt, birgt enormes Zukunftspotenzial. Mögliche Anwendungen für Genscheren wie CRISPR-Cas & Co. sind vielfältig. Pflanzenforschern und Züchtern eröffnen sich mit den neuen Präzisionswerkzeugen ganz neue Möglichkeiten, um ertragreiche und robuste Nutzpflanzen züchten zu können. Der Vorteil: Mithilfe der Genomchirurgie können leichter und präziser als bisher Veränderungen einzelner DNA-Bausteine im Erbgut vorgenommen werden, was im Züchtungsprozess Zeit und Kosten spart. Hinsichtlich der optimalen Nutzung des Genome Editing in der Nutzpflanzenzüchtung gibt es jedoch noch reichlich Forschungsbedarf. Auch wie genom-editierte Pflanzen von den Regulierungsbehörden eingestuft werden sollen, ist noch unklar.

Genscheren und Hilfsmethoden optimieren

Um Wissenslücken zu schließen und das Genome Editing als hochinnovative Technologie voranzutreiben, hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) eigens eine neue Fördermaßnahme zur Pflanzenforschung aufgelegt. Im Fokus der neuen Förderinitiative „Nutzpflanzen der Zukunft“ steht dabei die Optimierung vorhandener Systeme wie CRISPR-Cas. Gefragt sind etwa innovative Genscheren, die neue Funktionen aufweisen und sogar mehrere Gene parallel bearbeiten können. Im Fokus steht jedoch auch die Verbesserung Genome-Editing-unterstützender Verfahren. Um die Baupläne für die Genscheren in Pflanzenzellen zu schleusen, sind neuartige zellbiologische Transfertechniken gefragt. Die genom-editierten Zellen müssen in späteren Schritten dann auch so kultiviert werden, dass daraus eine ganze Pflanze wird. Auch für diese Gewebekulturverfahren sind verbesserte Ansätze nötig.

April 22 has been dubbed “Earth Day” since 1970, when millions of Americans first demonstrated for a healthy and sustainable environment. Since then the movement has only grown and taken on major issues such as global warming and clean energy.

In January 2017, after the resounding success of the “Women’s March” in the U.S. and worldwide, and around the time the designated science advisor of the new Trump administration called climate scientists a “glassy-eyed cult”, and early budget reports offered grim prospects for the U.S. sciences, the idea for a “Scientist’s March on Washington” was born. However, the support grew faster and wider than anyone had anticipated, and soon it became the global movement "March for Science". The date for the march has been set – rather fittingly – for April 22, “Earth Day”, and so far more than 500 cities worldwide are participating.

Politicians, Nobel Laureates, and research institutes support the March

The movement may have started out as a statement against the Trump presidency, but it has become so much more than that in the last couple months. Now, it is a “movement to defend the vital role science plays in our health, safety, economies, and governments” – with global support. In Germany alone there will be events held in 20 locations - including Helgoland, which will probably host the smallest March for Science worldwide. The biggest demonstration, however, is anticipated to be taking place in Berlin. Here, people will meet on April 22 at 1pm in front of the Humboldt University, and will march to the Brandenburg Gate. On the way there the march will stop briefly in front of the Hungarian embassy to support academic freedom in Hungary, after the recent implementation of a new law. At the Brandenburg Gate a number of speeches are planned – including one by Michael Müller, the Governing Mayor of Berlin, but also other well-known science journalists, such as Ranga Yogeshwar.

Among the long list of supporters of the March for Science in Germany are not only the names of countless individual scientists, but also Nobel Laureates, as well as the president of the German Council of Science and Humanities, and the presidents of the Max Planck Society, Fraunhofer Society, Helmholtz Society, and the overarching Alliance of Science Organisations in Germany.

Die deutsche Forschungslandschaft in der Bioökonomie ist sehr breit aufgestellt. Innerhalb der naturwissenschaftlichen Disziplinen erstreckt sie sich von den Agrarwissenschaften bis zur Chemie, von der Biodiversität bis zu den Ernährungswissenschaften, von der Umwelttechnologie bis zur Materialwissenschaft, von den Energietechnologien bis zur Prozess- und Verfahrenstechnik. Hinzukommen Querschnittsfelder wie die Biotechnologie oder die Informations- und Kommunikationstechnologie sowie geisteswissenschaftliche Disziplinen wie die Sozial-, Wirtschafts-, Politik- und Rechtswissenschaften.

Die Bundeshauptstadt ist in diesem Jahr erstmals Schauplatz der Internationalen Gartenausstellung. Seit dem 13. April sind die Tore zum rund 104 Hektar großen Areal im Berliner Stadtteil Marzahn für die Besucher geöffnet. Bereits am ersten Wochenende zu Ostern tauchten nach Angaben der Veranstalter 40.000 Menschen in das „Mehr aus Farben“ ein und ließen sich von Blumenmeer sowie Gartenbau und Landschaftsarchitektur beeindrucken. Zu den Top-Attraktionen der bis Mitte Oktober dauernden Gartenschau zählt neben den "Gärten der Welt" die neu aufgebaute Kabinenseilbahn.

Doch die beliebte Garten- und Landschaftsschau ist längst mehr als nur ein Schaufenster für exotische Gewächse und Zierpflanzen, sowie Plattform für Gartentrends und Pflanztipps. Das IGA-Gelände in mitten von Hochhäusern zwischen den „Gärten der Welt“ und dem Wuhletal ist zugleich Kulisse, um Bioökonomie - als ein nachhaltiges und biobasiertes Wirtschaften - hautnah zu erleben.

Natur spielerisch erleben

So werden auf dem IGA-Campus neben grünen Themen wie Gärtnern und Pflanzen, biologische Vielfalt und gesunde Ernährung auch aktuelle global drängende Fragen zu Nachhaltigkeit, fairem Handel oder Klimawandel und Umweltschutz diskutiert und veranschaulicht. Die knapp 2.500 Veranstaltungen des IGA-Campus richten sich vorrangig an die jüngsten Besucher, um sie auf spielerische Weise der Natur näher zu bringen. 

Ackerkulturen der Welt auf 2000 m²

Ein Erfahrungspark für Landwirtschaft mit besonderer Perspektive ist der an den IGA-Campus angrenzende „Weltacker“ vom Projekt 2000 m². Auf 2000 Quadratmetern wurden hier maßstabsgetreu Nutzpflanzen wie Weizen, Mais, Reis oder Soja so angepflanzt, wie sie anteilig weltweit angebaut werden. Die Angebote reichen von der „AckerTour“ über Projekte rund um Fragen zu Klimawandel, Agrobiodiversität, industrieller Landwirtschaft oder Fleischkonsum. Zugleich wollen die Akteure Antworten auf drängende globale Fragen zur Ernährungssicherheit geben, wobei die Rolle der Gentechnik, die Größe der Anbauflächen sowie das Thema Biosprit kritisch hinterfragt wird.

Die Zuckerrübe ist eine der jüngsten Neuzugänge auf den Äckern der gemäßigten Breiten. Erst im 18. Jahrhundert war es deutschen Pflanzenzüchtern gelungen, den Zuckergehalt der Runkelrübe mehr als zu verdoppeln. Das war die Basis für die industrielle Zuckerproduktion. Heute stammt etwa ein Drittel des weltweit konsumierten Zuckers aus der Zuckerrübe (Beta vulgaris), rund 25 Mrd. Euro werden jährlich damit erwirtschaftet. Außerdem werden die Rüben auch in der Herstellung von Bioenergie verwendet, beispielsweise für Bioethanol.

Der namensgebende Zucker in den Zuckerrüben wird durch Photosynthese in jeder Zuckerrübenpflanze von Grund auf neu synthetisiert. Bei einer modernen, erntereifen Pflanze macht der gespeicherte Zucker dann etwa 18% des Frischgewichts der Pflanze aus.

Dabei sammelt sich der Zucker in Zellhohlräumen der Rübe an, den sogenannten Sammel-Vakuolen. Allerdings war bis vor Kurzem noch nicht bekannt, wie der Zucker überhaupt in diese Vakuolen gelangt.

Dem Zucker-Transporter auf der Spur

Wie der Zuckertransport in der Rübe genau funktioniert, stand im Fokus eines deutschlandweiten Verbundprojekts unter der Leitung des Pflanzenbiochemikers Ulf-Ingo Flügge von der Universität zu Köln. An dem Projekt „Betamorphosis“ waren außerdem die Universitäten Erlangen, Kaiserslautern und Würzburg sowie von Industrieseite die Südzucker AG und die KWS Saat AG beteiligt. Das Verbundprojekt wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen von „Plant 2030“ über einen Zeitraum von dreieinhalb Jahren mit insgesamt knapp 1,9 Mio. Euro gefördert. Das Ziel: den Ertrag und Zuckergehalt der Rübe erhöhen.

„Im Prinzip dreht sich alles um Source-Sink-Beziehungen“, bringt Flügge das Projekt auf den Punkt. In den Photosynthese-Organen der Pflanze, den Blättern, wird die Saccharose hergestellt. Die Pflanzenforscher sprechen daher von „Source“ (Quelle). Von den Blättern aus gelangt das Photosyntheseprodukt Zucker dann über die Leitgefäße in das Speichergewebe der Pflanze. Bei der Zuckerrübe handelt es sich hierbei um die Pfahlwurzel, bzw. die Rübe, die auch als „Sink“-Gewebe bezeichnet wird.

In ihren Bemühungen, den Zuckerertrag der Rüben durch herkömmliche Züchtung weiter zu steigern, gerieten die Züchter an ihre Grenzen. Unklar war jedoch, woran es lag: Kann in den Blättern nicht mehr produziert werden, oder sind die Speicherkapazitäten in der Rübe ausgereizt? „Bei der Kartoffel haben wir zuvor zeigen können, dass über eine Erhöhung der Sink-Kapazität der Stärkeertrag beträchtlich erhöht werden kann. Das haben wir durch eine Überexpression zweier Transporter am Ort der Stärkeproduktion in der Knolle erreicht“, so Flügge.

The sugar beet is one of the more recent arrivals on the fields of the world’s temperate zones, not least because it took until the 18th century for German plant breeders to significantly increase the sugar content of fodder beet. Once this had been achieved, the groundwork was laid for the industrial production of sugar. Today, about one third of the sugar consumed worldwide derives from sugar beet (Beta vulgaris), generating an annual turnover of around €25 billion. Beet is also used in the production of bioenergy, including bioethanol.

In every single sugar beet, the eponymous sugar is newly synthesised from the ground up via the process of photosynthesis. The sugar that can be stored in a modern and harvestable plant accounts for around 18% of the fresh weight of the plant. This valuable ingredient is concentrated in hollow spaces in the cells of the beet, the so-called ‘collecting vacuoles’. Until recently however, it was not known how the sugar accumulates in these vacuoles.

Tracking down the sugar transporters

The precise functioning of structures for sugar transportation in beet has been the focus of a Germany-wide collaborative project titled ‘Betamorphosis’, which was headed by plant biochemist Ulf-Ingo Flügge at the University of Cologne. The universities of Erlangen, Kaiserslautern and Würzburg as well as the industrial divisions of Südzucker AG and KWS Saat AG were also involved in the project, which was funded with nearly €1.9 million over a period of three and a half years by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF) within the scope of the initiative ‘Plant 2030'. The overarching objective: to increase the yield and sugar content of beet.

“In essence, it’s all about source-sink relationships,” summarises Ulf-Ingo Flügge. Sucrose is produced in the leaves - the photosynthesis organs of the plant. The plant researchers refer to them as the ‘source’. This photosynthesis product is then transported away from the leaves through the capillaries of the plant and into the storage tissue. In the case of sugar beet, this tissue is the taproot – also referred to as the ‘sink tissue’.

The efforts of breeders to further increase sugar yields from beet using conventional breeding eventually came up against their natural limits. However, the causes of these limits remained unclear: are the leaves unable to produce any more sugar, or have the storage capacities of the beet been reached? “In the case of the potato, we have previously demonstrated that increasing the sink capacity can considerably increase the starch content. We achieved this through an overexpression of two transporters proteins at the site of starch production in the tuber,” says Flügge.

Traditionelles Heilwissen ist in der Kultur vieler Länder Afrikas bis heute tief verwurzelt. Viele Jahre von der evidenzbasierten Medizin vernachlässigt, stehen die Geheimnisse der Medizinmänner heute in der pharmazeutischen Forschung hoch im Kurs. Auf der Suche nach Wirkstoffen für neue Antibiotika oder Krebsmedikamente gewinnen immer mehr Heilpflanzen an Bedeutung. So fanden Wissenschaftler vor einigen Jahren in dem strauchähnlichen Baum Phyllanthus engleri Substanzen, die Epilepsie, Husten, Bauchschmerzen und sogar Nierenkrebs heilen könnten.

Heilpflanzen aus Botswana, Äthopien und Tansania

In einem neuen internationalen Forschungsprojekt wollen Wissenschaftler der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) nun gemeinsam mit der University of Botswana, der Addis Ababa University in Äthiopien und der University of Health and Allied Sciences in Tansania in afrikanischen Gewächsen nach Heilkräften gegen Aids, Tuberkulose und Wurmerkrankungen suchen. Das Vorhaben wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und dem Akademischen Auslandsdienst in den kommenden vier Jahren mit insgesamt 800.000 Euro unterstützt.

Den Wirkstoffen auf der Spur

Im Fokus stehen dabei Pflanzen, die in den Ländern Äthiopien, Botswana und Tansania bereits medizinisch genutzt werden. "Wir wollen ökologisch gefährdete, therapeutisch wirksame und kommerziell nutzbare Pflanzen zunächst identifizieren und schließlich kultivieren", erklärt Projektleiter Peter Imming vom Institut für Pharmazie der MLU. Bei der Suche nach den Heilpflanzen arbeiten die Hallenser Forscher mit dem Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie in Halle zusammen. "Unser Ziel ist, wissenschaftlich zu begründen, welche Inhaltsstoffe für die Wirkung der Arzneipflanzen verantwortlich sind", sagt Imming.

Anbau und kommerzielle Nutzung vor Ort geplant

Darüber hinaus hofft das Team um Imming, Pflanzen zu finden, aus denen sich pharmazeutische Hilfsstoffe gewinnen lassen. „Hilfsstoffe sind für die Wirksamkeit von Arzneien essenziell und werden in größeren Mengen benötigt als die eigentlichen Wirkbestandteile", betont er. Hierbei werden die Hallenser von Experten des Instituts für Angewandte Dermatopharmazie sowie von der äthiopischen University in Addis Ababa unterstützt.

Der Plan: Jene Pflanzen die wissenschaftlich als Heilpflanzen identifiziert wurden, sollen später kultiviert und in den afrikanischen Ländern angebaut werden, um den heilenden Wirkstoff vor Ort in großen Mengen für medizinische Zwecke nutzen zu können. "Gelingt es uns, dies nach Abschluss des Forschungsprojekts in unternehmerische Hände vor Ort abzugeben, wäre das ein nachhaltiger Erfolg", so Immig.

bb

Mehr als zehn Prozent der Ernte wichtiger Nutzpflanzen wie Weizen oder Kartoffeln gehen jährlich durch Nematodeninfektionen verloren. Nematoden (Fadenwümer) sind mikroskopisch kleine Parasiten, die ihren Wirtspflanzen Nährstoffe und Wasser entziehen. Forschern der Universität Bonn und dem Sainsbury Laboratory in Norwich haben einen Rezeptor auf der Pflanzenoberfläche entdeckt, der Nematoden erkennt, und daraufhin eine Abwehrreaktionen gegen die Eindringlinge auslöst. Die Ergebnisse haben sie im Fachjournal "PLOS Pathogens" publiziert.

Ein Rezeptor gegen viele Nematoden

Die Pflanzenforscher aus Bonn und Norwich identifizierten ein Gen namens NILR1 in der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), das es den Gewächsen ermöglicht, die Nematoden zu erkennen. Das Team konnte aber auch bereits nachweisen, dass Nutzpflanzen wie Tomaten und Zuckerrüben ebenfalls über dieses Gen verfügen. Florian Grundler von der Universität Bonn erklärt: „NILR1 ist der genetische Code für ein Rezeptorprotein, das auf der Oberfläche von Pflanzenzellen sitzt und andere Moleküle binden und erkennen kann. Vermutlich erkennt NILR1 ein von den Nematoden abgegebenes Molekül, und leitet die Aktivierung der pflanzlichen Immunabwehr ein.”

Das Besondere an dem Fund: NILR1 erkennt ein breiteres Spektrum von Nematoden. Es wurden zwar schon einige Rezeptorproteine identifiziert, allerdings waren diese jeweils hochspezifisch für bestimmte Nematodenarten. Diese Besonderheit betont auch Shahid Siddique, Arbeitsgruppenleiter in der Molekularen Phytomedizin: „Das Gute an NILR1 ist, dass es in verschiedenen Nutzpflanzen vorkommt und dass es gegen viele Nematodenarten Schutz verleiht.“

Signal der Nematoden führt zu neuem Pflanzenschutz

Das nächste Ziel der Forscher ist es, das Molekül zu isolieren, welches an NILR1 bindet und dadurch die Immunabwehr aktiviert. Die Ergebnisse der Wissenschaftler könnten neue Perspektiven für die Züchtung resistenter Pflanzen eröffnen. Denn sobald das Signalmolekül der Nematoden charakterisiert ist, steht potenziell eine neue Generation von natürlichen Substanzen zur Verfügung, mit der sich Abwehrreaktionen der Pflanze aktivieren und somit Nematoden sicher und umweltfreundlich bekämpfen lassen.

jmr

Schon seit 1970 wird der 22. April auch als „Earth Day“ betitelt. Damals gingen erstmals Millionen Amerikaner auf die Straße, um für eine gesunde und nachhaltige Umwelt zu demonstrieren. Seitdem ist diese Bewegung immer mehr gewachsen, und befasst sich inzwischen auch mit den Themen „Globale Erwärmung“ und „Grüne Energie“. In den ersten Wochen nach dem Amtsantritt von Präsident Trump in den USA gab es zahlreiche Kundgebungen – so auch der „Women’s March“. Angespornt von dessen Erfolg und etlichen negativen Äußerungen der Trump-Regierung bezüglich Wissenschaft und Forschung schlossen sich einige Wissenschaftler in den USA zusammen, und planten einen „Scientist’s March on Washington“. Die Idee wuchs jedoch schnell über sich hinaus und wurde zu einem weltweiten Event – dem „March for Science“. Als Termin für die Kundgebung wurde passenderweise der 22. April 2017 – „Earth Day“ – ausgewählt. Mittlerweile sind an dem Tag Kundgebungen in über 500 Städten weltweit geplant.

Forschungsorganisationen, Nobelpreisträger, Politiker dabei

Auch wenn die Kundgebung ursprünglich einer „Anti-Trump-Stimmung" entwachsen ist, so geht es inzwischen doch um viel mehr als das. Mittlerweile geht es den Veranstaltern darum, die Bedeutung der Wissenschaft für unser tägliches Leben, aber auch für unsere Gesundheit, Sicherheit, Wirtschaft und in der Politik hervorzuheben – und das mit Unterstützern weltweit. Allein in Deutschland sind an 20 Orten 21 Veranstaltungen rund um den "March for Science" geplant. Unter anderem auch in Helgoland, wo es vermutlich die weltweit kleinste Kundgebung geben wird.

Die größte deutsche Demonstration ist hingegen in Berlin geplant. Hier werden sich die Teilnehmer um 13:00 Uhr vor der Humboldt-Universität treffen, um dann zum Brandenburger Tor zu marschieren. Unterwegs ist auch ein Zwischenstopp vor der Ungarischen Botschaft geplant, hier wird der Zug sich demonstrativ für die Freiheit der Wissenschaft stark machen, die erst vor Kurzem durch Änderungen des Hochschulgesetzes infrage gestellt wurde. Vor dem Brandenburger Tor werden prominente Akteure sprechen, unter anderem der Regierende Bürgermeister von Berlin, Michael Müller, und der Wissenschaftsjournalist und TV-Moderator Ranga Yogeshwar. Auf der langen Liste der Unterstützer des March for Science in Deutschland finden sich neben den vielen Namen einzelner Wissenschaftler auch Nobelpreisträger, sowie der Deutsche Wissenschaftsrat und die Allianz der Wissenschaftsorganisationen.

Frösche sind ein wichtiger Bestandteil des ökologischen Gleichgewichts. Zum einen sind sie eine bevorzugte Nahrungsquelle für viele Vögel und Säugetiere, zum anderen verspeisen sie selbst enorme Mengen von Insekten, und sind somit unabdingbar bei der Kontrolle von Schädlingen. In Deutschland und Europa werden Froschschenkel als Delikatessen immer beliebter. Wird die steigende Nachfrage jedoch durch Wildfänge anstelle von nachhaltigen Zuchtfarmen gedeckt, kann das ökologische Gleichgewicht schnell aus den Fugen geraten. Deswegen hat ein Forscherteam des Museums für Naturkunde Berlin eine neue Methode der Isotopenanalyse entwickelt, um die Herkunft der Froschschenkel eindeutig zu bestimmen.

Isotopenanalyse verrät Herkunft

Jährlich werden rund 500 Millionen Frösche verzehrt. Damit sich diese großen Mengen  nicht negativ auf das Ökosystem auswirken, werden Frösche – ähnlich wie Hühner oder Rinder –  nachhaltig auf Farmen gezüchtet. Kostengünstiger sind jedoch illegale Fänge und die Verarbeitung von Wildfröschen. Dem wollen Forscher des Naturkundemuseum in Berlin eine Herkunftserkennung mittels Isotopenanalyse entgegensetzen. Das Team um Carolin Dittrich veröffentlichte seine Ergebnisse im Fachjournal „Ecology and Evolution“.

Viele Elemente kommen in der Natur mit unterschiedlichen Gewichten (Isotopen), und somit mit unterschiedlichen chemischen Eigenschaften vor. Je nach dem wie die Isotope zusammengesetzt sind, lässt dies Rückschlüsse über die Herkunft und Lebensweise der getesteten Tiere zu. Denn die Isotopen-Zusammensetzung variiert überall auf der Erde, und einige seltenere, schwere Isotope reichern sich auch über die Nahrungskette an. Zum Beispiel ist der Anteil von schwerem Stickstoff im Gewebe größer, je mehr tierische Nahrung aufgenommen wurde.

Auskunft über den Speiseplan

Im Fall der Frösche haben Carolin Dittrich und ihre Kollegen die Zusammensetzung der stabilen Isotope von Stickstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff in den Muskeln und Knochen der Froschschenkel untersucht. Dittrich erklärt: „Dadurch können wir herausfinden, von was sich ein Tier hauptsächlich ernährt hat. Und selbst die Vielfalt des Speiseplans ist in der Signatur der Isotopen festgehalten.“ So konnte das Team feststellen, dass die Froschschenkel mit großer Wahrscheinlichkeit tatsächlich aus den angegebenen Ländern stammten – allerdings nur teilweise auch wirklich auf Farmen aufwuchsen. Laut der Isotopenanalyse wuchs etwa die Hälfte der Tiere unter natürlichen Bedingungen – also in freier Wildbahn – auf.

Für die Stabilität des Ökosystems

Zudem konnten die Forscher mittels molekularer Analysen feststellen, dass die Artangaben auf den Verpackungen nicht immer korrekt waren. Ihr Ziel: Die neue Methode soll ein Werkzeug für den Naturschutz und Zoll werden, um die Herkunft von Froschschenkeln zu überprüfen, und so den Handel mit Tieren aus Wildpopulationen weiter zu minimieren. Mark-Oliver Rödel, Wissenschaftler am Museum für Naturkunde Berlin, fasst die Bedeutung und zukünftigen Möglichkeiten der Ergebnisse zusammen: „Dadurch könnte der Jagddruck von natürlichen Populationen genommen, zur Stabilität von Ökosystemen beigetragen, und somit letztlich auch der jeweiligen Bevölkerung geholfen werden.“

jmr

The CRISPR-Cas system is a revolutionary and unique genome editing tool. It is the basis for countless new molecular research projects. And especially the applied research in the biotechnology sector is benefiting from the new approach – which is why it is being hailed as a remarkable breakthrough worldwide. There are currently a number of global projects underway that are investigating how best to apply the genome editing tool – medical researchers and plant breeding programs alike are testing and applying the new method.

Charpentier has been a director at the Max Planck Institute for Infection Biology in Berlin since 2015, where she is heading the department “Regulation in Infection Biology”. In the future she will be managing her own research centre: The Max Planck Unit for the Science of Pathogens. The unit will initially be situated at the MPI for Infection Biology, but will most likely receive its own address in the near future. In early April the Joint Science Conference (Gemeinsame Wissenschaftskonferenz – GWK) decided to integrate this new research unit into its federal funding system.

Charpentier originally discovered CRISPR-Cas as a part of the natural virus-defence system occurring in bacteria. These microbes stop viruses by cutting their DNA. After working in the US and Austria, she moved to the University in Umeå in 2009. In 2012 Charpentier and her collleague Jennifer Doudna published a complete manual on the CRISPR-Cas cutting mechanism in the journal Science. Since then researchers worldwide have been using this new genome editing mechanism.

In early 2013 Charpentier moved to Germany where she held an Alexander von Humboldt Professorship at the Helmholtz Centre for Infection Research in Braunschweig. Over the last few years Charpentier has received a number of prestigious academic awards for her groundbreaking work.

jmr/pg

Chronische Wunden wie sie etwa als Langzeitfolge von Diabetes auftreten, heilen nur schwer. Die Gefahr, dass über die verletzte Haut Erreger eindringen, ist somit groß. Wissenschaftler vom Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden und der Klinik für Dermatologie der Universität Leipzig haben nun gemeinsam spezielle Hydrogel-Wundauflagen entwickelt, die nachweislich den Heilungsprozess bei chronischen Wunden beschleunigen. Der Clou: Wie ein Schwamm bindet das Material entzündungsfördernde Stoffe aus dem Wundbereich - und unterstützt somit den Heilprozess. Wie die Wissenschaftler im Fachjournal „Science Translation Medicine“ berichten, handelt es sich dabei um eine Klasse natürlich vorkommender Kohlenhydrate, um sogenannte Glykosaminoglykane.

Hydrogel bindet entzündungsfördernde Signalproteine

Im Rahmen der Studie hatte das Team einen neuen Ansatz zur Neutralisierung entzündungsfördernder Signalproteine, sogenannter Chemokine, untersucht. Die Chemokine sorgen dafür, dass Immunzellen in die Wunden einwandern. Durch die biomolekularen Wechselwirkungen von Hydrogel und Chemokinen konnten die entzündungsfördernden Signalproteine aus der Haut gebunden und somit ausgeschaltet werden.

Breites Potenzial für medizinische Anwendungen

In Tierversuchen mit diabetischen Mäusen konnten die Forscher die entzündungsdämpfende Wirkung des neuartigen auf eine Wundauflage aufgebrachten Hydrogels bereits nachweisen. Das Team ist zuversichtlich, dass das neuartige Material nicht nur neue Behandlungsmöglichkeiten für chronische Hautwunden bietet, sondern auch für andere medizinische Anwendungen geeignet ist. Die Entwicklung der Hydrogel-Wundauflage wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Transregio-Sonderforschungsbereichs „Funktionelle Biomaterialien zur Steuerung von Heilungsprozessen in Knochen- und Hautgewebe“ gefördert.

bb/pg

Despite great advances in technologies, precise weather forecasts are still very difficult to make. Thus, many researchers rely on computer models. However, these models are built upon specific data sets, which are difficult to come by. In particular agriculture requires exact forecasts and is largely negatively affected by the ongoing climate change.

An international team of researchers is now establishing a new Land-Atmosphere Feedback Observatory (LAFO), in order to track changes in weather and climate. Their hope is that this will  provide additional information to benefit the global food security. LAFO director and climate expert Volker Wulfmeyer at the University of Hohenheim emphasizes: “It is very important for society and businesses to be able to better predict droughts or heavy precipitation so they can give more precise advance warning.”

Investigating climate change on 9 square kilometres

On the western side of the University of Hohenheim, on 9 square kilometres of the Heidfeldhof, the new Land-Atmosphere Feedback Observatory (LAFO) is being built. The institute will remain part of the Hohenheim Research Center for Global Food Security and Ecosystems. Furthermore, a number of German and international research partners will be involved, such as the Institute of Meteorology and Climate Research at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT), and the Terrestrial Environmental Observatories (TERENO) at the Helmholtz Society.

The researchers aim to decipher wind, temperature, and humidity fluctuations in the lower atmospheric layers. Additionally, they plan to investigate the turbulent transportation of moisture and warmth up to a height of around two kilometres. The Carl Zeiss Foundation is supporting the project with €800.000 over four years.

Combined know-how for LAFO

In order to understand the complex processes underlying weather- and climate phenomenons, LAFO will approach the questions threefold: for remote sensing the LIDAR systems (Light Detection and Ranging) will be used. These systems are able to measure turbulent wind, temperature, and moisture structures in the atmosphere at the same time. The second pillar will be sensors that measure energy flows on the land surface and the state of the soil and vegetation. These measurement stations will determine the exchange of energy, water, and trace gases between the land surface and the atmosphere near the soil. Moreover, there will be a soil moisture measurement network at play, which will serve to investigate the connection between evaporation and soil moisture. The third approach will entail devices to characterize the vegetation.

jmr

Alte, morsche Bäume sind viel mehr als nur Brennholz. Sie sind der Lebensraum zahlreicher Vögel, Insekten und Mikroben, die für den Erhalt des Ökosystems Wald sorgen. Auch der Nutzen des alternden Holzes für Klima und Natur ist durch Studien belegt. Biodiversitätsforscher machen sich daher seit Langem für den Erhalt des sogenannten Totholz im Wald stark, um das Leben im Ökosystem zu schützen. Im Projekt „FunWood IV“ wollen Wissenschaftler der Universität Coburg nun den Einfluss der vermodernden Bäume auf das Ökosystem Wald genauer untersuchen und dabei auch die Auswirkungen der Land- und Forstwirtschaft auf die Biodiversität von Totholz analysieren.

Mechanismen des Holzabbaus erkunden

Ziel des Projektes ist es herauszufinden, wie die Mechanismen beim Holzabbau wirken und wie diese die Biodiversität beeinflussen. Dabei stehen auch die Intensität der Waldbewirtschaftung und ihr Einfluss auf das Waldökosystem im Fokus der Studie. Bekannt ist, dass der Masseverlust je nach Holzart, Pilzart und Temperatur variiert. In Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Institut für Umweltforschung in Leipzig will das Coburger Team um Matthias Noll daher Totholz aus drei Waldgebieten in Deutschland untersuchen. Dafür wurden in der Schorfheide-Chorin, in Hainich-Dün und in der Schwäbischen Alb auf je 12 Flächen jeweils 13 verschiedene Stämme alternden Holzes darunter Eiche, Kiefer und Birke ausgelegt.

DFG unterstützt Waldforschung

In regelmäßigen Abständen wollen die Forscher Holzproben auf die darin lebenden Mikroorganismen untersuchen und daraus Proteine extrahieren, um die Rolle der Mikroben beim Holzabbau zu erkunden. Anhand neuer Holzstäbe, die in die Tothölzer eingesetzt werden, soll der Verlauf des Abbaus aufgezeigt und untereinander verglichen werden. Proben von Holzmehl sollen den Forschern wiederum Antwort auf die Frage geben, wie sich Temperaturschwankungen auf das mikrobielle Ökosystem auswirken. Das Vorhaben wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Schwerpunktprogramms Biodiversitäts-Exploratorien mit 400.000 Euro gefördert. Die Nutzung von Totholz und deren Bedeutung für die Biodiversität stehen auch in dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) seit 2015 geförderten Verbundvorhaben "Bioholz" im Fokus.

bb

Kirschessigfliegen gehören zu der Familie der Fruchtfliegen (Drosophila), und sind eine landwirtschaftliche Plage. Sie haben sich in den letzten zehn Jahren vom Südosten Asiens nach Europa und Nordamerika ausgebreitet. Während viele Fruchtfliegenarten matschige und bereits leicht faulende Früchte für ihre Eiablage aussuchen, bevorzugt die Kirschessigfliege D. suzukii hingegen reife Früchte. Auf Grund des resultierenden Larvenfraß und Infektionen an der Einstichstelle verfaulen diese dann aber schnell. Dadurch richten die Kirschessigfliegen in der Landwirtschaft bei Früchten wie Kirschen, Himbeeren, Pfirsichen, Trauben oder Erdbeeren verheerende Schäden an.

Unterschiedliche Vorlieben beim Eiablageplatz

Für die Eiablage nutzen alle Fruchtfliegenweibchen ihren Legestachel, um die Haut der Früchte zu durchdringen. Ein Team aus Münchner Biologen (LMU und TU) um Nicolas Gompel und Ilona Grunwald Kadow hat mit franzöischen Kollegen untersucht, warum Kirschessigfliegen sich in ihrem Verhalten von ihren nahen Verwandten unterscheiden. Ihre Ergebnisse auf der Basis von genetischen und verhaltensbiologischen Experimenten haben sie im Fachjournal „Current Biology“ veröffentlicht.

Die Forscher gingen davon aus, dass evolutionäre Veränderungen den beobachteten Unterschieden zu Grunde liegen. Sie untersuchten dazu, wie drei nahe Verwandte – die Fruchtfliegenarten Drosophila melanogaster, D. biarmipes und D. suzukii, ihren bevorzugten Eiablageplatz auswählen.

Fliege kann reife Früchte „schmecken“

Im Vergleich zu ihren Verwandten besitzen D. suzukii einen vergrößerten und gezahnten Legestachel, mit dem sie auch die straffe Haut reifer Früchte durchstechen können. Zudem scheinen diese Fliegen gezielt reife Früchte für die Eiablage auszuwählen. „Aus unseren Ergebnissen schließen wir, dass sich im Verlauf der Evolution der Wahrnehmungsapparat von D. suzukii zunehmend verändert hat, sodass die Fliegen eine Vorliebe für die typischen Eigenschaften reifer Früchte entwickelten“, sagt Gompel.

Denn mit ihren Versuchen konnten die Forscher zeigen, dass sowohl die Festigkeit des Obstes als auch sein chemischer Duft-Cocktail, der für das jeweilige Reifestadium typisch ist, bei der Auswahl des Ablageplatzes eine Rolle spielen. Mit anderen Worten fühlen, riechen und „schmecken“ die Fliegen also ihre bevorzugte Eiablagestelle heraus.

Genetische Ursachen für Anatomie und Verhalten ermitteln

D. melanogaster legt die Eier bekanntermaßen in faulende und etwas matschige Früchte, während D. suzukii die straffe Haut reifer Früchte bevorzugt. D. biarmipes hingegen liegt genau dazwischen. Diese Fliegen sind zwar nicht so fixiert auf faulendes Obst wie D. melanogaster, können ihre Eier aber aufgrund der Anatomie ihres Legestachels nur in weiche oder beschädigte Früchte legen. Dies ist ein weiteres Indiz dafür, dass sich Verhalten und Stachelanatomie zusammen weiterentwickelt haben. Allerdings vermutet Gompel, dass der vergrößerte Legestachel eine sekundäre Errungenschaft darstellt. In einem nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler nun auch den genetischen Grundlagen der veränderten Wahrnehmung auf den Grund gehen. „Möglicherweise beruhen sie auf Modifikationen in Genen, die für Rezeptoren der Sinneswahrnehmung codieren“, sagt Gompel. „Wir wollen auch erforschen, wie sich diese Modifikationen auf die beteiligten Nervenzellen auswirken.“

jmr

Damit Urzeitpflanzen aus dem Wasser auf das Land übersiedeln konnten, mussten sie eine Schutzschicht entwickeln, die sie vor der Austrocknung schützt. Diese wachsartige Oberfläche, die sogenannte Kutikula, entwickelte sich bei Pflanzen vor mehr als 450 Millionen Jahren und ermöglichte es ihnen, sich auch auf dem Land auszubreiten und komplexe Ökosysteme auszubilden.

Deutsch-französisches Forscherteam

Ralf Reski von der Universität Freiburg und Danièle Werck-Reichhart vom Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) Institut für Pflanzenmolekularbiologie (IBMP) in Straßburg leiteten das Forschungsteam, das seine Ergebnisse im Fachjournal „Nature Communications“ veröffentlicht hat. Darin beschreiben sie den biochemischen Reaktionsweg, der bei Moosen für die Entwicklung der Kutikula verantwortlich ist.

Die Forscher untersuchten die Entstehung der Kutikula an der Moospflanze Physcomitrella patens, welche Reski bereits vor 30 Jahren zu einem weltweit anerkannten Modellorganismus etabliert hat. Das Besondere an Moosen ist, dass bei ihnen kein Lignin vorkommt. Das Biopolymer Lignin, sowie Cutin und Suberin werden jedoch von den evolutionär jüngeren Samenpflanzen verwendet, um ihre Schutzschicht herzustellen. Vor allem das Lignin führt zu einer Verholzung der Zellwände und ermöglicht es Bäumen, hoch zu wachsen. Bisher war allerdings nicht bekannt, welcher biochemische Reaktionsweg bei Moosen zur Ausbildung der Kutikula führt.

Ein gemeinsamer Vorfahre von Moosen und Samenpflanzen

Im Detail zeigen die Ergebnisse, dass das Enzym CYP98 aus der Familie der Cytochrome P450 eine entscheidende Rolle für die Kutikulaentwicklung spielt: Während es in Samenpflanzen die Produktion von Lignin einleitet, ist es im Moos zuständig für die Ausbildung einer Kutikula, die zu einem großen Teil aus Phenolen besteht. Schalten die Forscher das für die Synthese des Enzyms maßgebliche Gen ab, entwickelt das Moos keine Kutikula. Dadurch ist die Pflanze weder gegen äußere Einflüsse geschützt, noch kann sie komplexe Organe ausbilden. Ein wichtiger Bestandteil des Phenolstoffwechsels ist Kaffeesäure. Wenn Forscher die betroffenen Moose mit Kaffeesäure versorgten, konnten sie den Gendefekt kompensieren.

Die Schlussfolgerung: die Entwicklung der Kutikula bei den Moosen ging der Evolution von Lignin, Cutin und Suberin in Samenpflanzen zeitlich voraus. Somit wurde die Kutikula also vermutlich das erste mal von Ur-Landpflanzen, den gemeinsamen Vorfahren von Moosen und Samenpflanzen, gebildet. Diese Ur-Landpflanzen, konnten auf Grund der Kutikula das Wasser verlassenen, auf Steinen wachsen und so die Grundlage für alle heutigen Ökosysteme auf den Kontinenten schaffen. Neben der Bedeutung für die Pflanzenevolution erhofft sich Reski weitere Vorteile durch die neuen Erkenntnisse: „Zudem ermöglichen sie eine neue biotechnologische Strategie, Biopolymere in Pflanzen herzustellen – abseits der wissenschaftlich gut untersuchten Produktion von Lignin bei Bäumen.“

Moose als Überlebenskünstler

Außerdem strebt Reski unter der Federführung der Universität Freiburg und des zusammen mit dem Korea Polar Research Institute (KOPRI/Südkorea) und mit dem Koreaner Hyoungseok Lee weiterführende Kooperationsprojekte an. In ihrem nächsten Forschungsprojekt untersuchen sie das Genom eines antarktischen Vertreters der Moosart Sanionia uncinata, und vergleichen es mit dem Genom des Modellmooses Physcomitrella patens, das nicht in der Antarktis wachsen kann. Reski erwarten von dieser Kooperation neue Erkenntnisse über die Anpassung der Pflanzen an raue Umweltbedingungen. Denn obwohl die Antarktis mehr als 100 Moosarten beheimatet, ist bisher noch nicht bekannt wie Pflanzen unter solch widrigen Witterungs- und Boden-Bedingungen überhaupt überleben können. „Wir werden in dem Moos nach noch unbekannten Signalmechanismen suchen, die sich seit Millionen von Jahren entwickelt haben, um das Leben in entlegenen und unwirtlichen Orten zu ermöglichen.“

jmr

Den Kohlendioxid-Ausstoß zu drosseln ist eines der zentralen Ziele, die auch die Bundesregierung mit ihrer Klimapolitik und der aufgelegten Nachhaltigkeitsstrategie verfolgt. Trotz aller Bemühungen, stiegen die Emissionen nach einer Studie des Umweltbundesamtes 2016 im Vergleich zum Vorjahr um etwa 4 Millionen Tonnen auf rund 906 Millionen Tonnen an. Energiewirtschaft und chemische Industrie gelten noch immer als Hauptverursacher des Klimagases. Im Kopernikus-Projekt P2X fördert die Bundesregierung daher vielversprechende Ansätze, den Klimakiller Nummer eins sinnvoll als Rohstoff oder Baustein für innovative Produkte in der Chemie- und Energiewirtschaft zu nutzen.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt das Vorhaben im Rahmen der Förderinitiative „Chemische Prozesse und stoffliche Nutzung von CO₂“ mit 30 Mio. Euro. Weitere 8,3 Mio. Euro werden von Industriepartnern beigesteuert. „Mit unserer Maßnahme tragen wir dazu bei, langfristig einen Strukturwandel unserer Industrie einzuleiten – weg vom Öl und hin zu einer grünen Wirtschaft", sagte Bundesforschungsministerin Johanna Wanka bei der Eröffnung der 3. Statuskonferenz der Förderinitiative Anfang April in Berlin.

Mit Strom CO₂ in Kohlstoffverbindungen verwandeln

Experten sind sich einig: CO₂ könnte als Quelle für Kohlenstoff die teure und endliche Ressource Erdöl zum Großteil bei der Herstellung von Chemikalien und Kunststoffen ersetzen. Im Kopernikus-Projekt P2X werden daher die Kompetenzen aus Energiewirtschaft und chemischer Industrie auf dem Feld der sogenannten „Co-Elektrolyse“ gebündelt. Dabei wird Kohlendioxid mithilfe regenerativ erzeugten Stroms zu Kohlenstoff verwandelt. Mit der RWTH Aachen, dem Forschungszentrum Jülich und der Dechema sind insgesamt 17 Forschungseinrichtungen, 26 Industrieunternehmen sowie drei zivilgesellschaftliche Organisationen an dem visionären Projekt beteiligt. Erste Ergebnisse der dabei zur Anwendung kommenden sogenannten Power-to-X-Technologie stellten die Forscher kürzlich im Fachjournal „Angewandte Chemie“ vor.