Aktuelle Veranstaltungen

Hülsenfrüchte wie Erbsen und Bohnen fristen in Deutschland noch immer ein Nischendasein auf den Äckern. Sie werden jedoch als Eiweißquelle und Stickstoffsammler bei Landwirten immer beliebter. Die aktuellen Daten zur Bodennutzung des Statistischen Bundesamtes belegen: Die Anbaufläche für Leguminosen ist in den vergangenen Jahren gewachsen. Spitzenreiter bei den Hülsenfrüchten sind demnach Erbsen. Hier hat sich das Areal von 38.000 Hektar in 2013 auf 87.000 Hektar in 2016 mehr als verdoppelt.

Sojaanbau erstmals statistisch erfasst

Während die landwirtschaftlichen Nutzflächen von Erbsen, Ackerbohnen und Süßlupinen in der Statistik seit Längerem einen festen Platz haben, wurde nun erstmals auch die Sojabohne in der Rubrik „Hülsenfrüchte zur Körnergewinnung“ berücksichtigt. Danach wurden 2016 bundesweit auf 15.770 Hektar Sojapflanzen angebaut. 2005 waren es nach Angaben des Deutschen Sojaförderrings nur 1.000 Hektar Nutzfläche. Seit 2012, wo die Anbaufläche etwa 6.000 Hektar betrug, hat die beliebte chinesische Hülsenfrucht auch hier stetig an Land gewonnen. In Deutschland sind vor allem Bayern und Baden-Württemberg mit bis zu 6.500 Hektar die Hauptsojaanbaugebiete. Auch wenn die Palette der Soja-Produkte breiter wird. Das Gros der Sojapflanzen wird in Deutschland zu Tierfutter verarbeitet.

Forscher arbeiten seit Jahren daran, Wasserstoff als Energieträger der Zukunft zu etablieren, um so eine Alternative zu Kohle oder Erdgas zu schaffen. Ein vielversprechendes Werkzeug zur Herstellung des Energiespeichers sind Enzyme. Die Supertalente der Bioindustrie können chemische Reaktionen entsprechend beeinflussen. „Um Wasserstoff in industriellem Maßstab mithilfe von Enzymen zu erzeugen, müssen wir deren Funktionsweise genau verstehen“, betont Thomas Happe von der Ruhr-Universität Bochum.

Hydrogenasen agieren in zwei Richtungen

Gemeinsam mit seinen Teamkollegen Martin Winkler ist es Happe gelungen, den entscheidenden Katalyseschritt bei der sogenannten Hydrogenase zu klären. Wie die Wissenschaftler im Fachjournal „Nature Communications“ berichten, haben Hydrogenasen das Talent in zwei Richtungen zu arbeiten. So können sie Protonen und Elektronen zu Wasserstoff umsetzen aber auch Wasserstoff in Protonen und Elektronen spalten. Beide Reaktionen finden jeweils im aktiven Zentrum der Hydrogenase statt, im sogenannten H-Cluster, das eine komplexe Struktur aus sechs Eisen- und sechs Schwefelatomen ist. Während des Katalyseprozesses durchläuft dieser Cluster dabei mehrere Zwischenzustände, wie die Bochumer Forscher herausfanden.

Bei der Spaltung von molekularem Wasserstoff (H₂) bindet das Wasserstoffmolekül zunächst an den H-Cluster. Es entsteht ein positiv geladenes Proton (H⁺) und ein negativ geladenes Hydrid-Ion (H^-), die dann schnell zu zwei Protonen und zwei Elektronen weiterreagieren. „Der Hydrid-Zustand des aktiven Enzyms, in dem also das Hydrid-Ion an das aktive Zentrum gebunden ist, gilt als hochgradig instabil – nachweisen konnte ihn bislang niemand“, so Winkler. Das ist dem Team um Happe und Winkler nun gelungen.

Reis ist eine der wichtigsten Nutzpflanzen weltweit und vor allem Grundnahrungsmittel in vielen Entwicklungsländern. Das Problem: Aufgrund der vielen Kohlenhydrate ist Reis zwar sättigend. Die Reiskörner enthalten aber keine Vitamine. Ein Vorläufer des lebenswichtigen Vitamins A, das Beta-Carotin, befindet sich allerdings in den Blättern der Kulturpflanze. Der Freiburger Pflanzenforscher Peter Beyer und Ingo Potrykus haben daher vor vielen Jahren bereits den "Goldenen Reis" entwickelt. Der Goldene Reis ist eine gentechnisch veränderte Reispflanze, die zwei Fremdgene enthält, durch die die Reiskörner fortan die Vitamin A-Vorstufe Beta-Carotin erzeugen können.

Nun haben die Forscher von der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg einen weiteren Schritt in der Beta-Carotin-Herstellung entschlüsselt: sie bestimmten die dreidimensionale Struktur jenes Enzyms, das in den grünen Teilen der Pflanze für einen frühen Schritt der Beta-Carotinoid-Biosynthese zuständig ist. Wie das Team um Peter Beyer und Oliver Einsle im Fachjournal „Structure“ berichtet, handelt es sich dabei um das Enzym Phytoen-Desaturase (PDS). Es wandelt die Vorstufe Phytoen in das sogenannte Z-Carotin um.

Bleichherbizid half bei der Strukturaufklärung

Dafür musste zunächst die Phytoen-Desaturase in hochreiner Form isoliert und kristallisiert werden, um mithilfe von Röntgenstrahlen ein Bild vom 3D-Aufbau zu erhalten. Die Strukturbiologen bedienten sich dabei aus der chemischen Trickkiste: sie setzen das in den 1970er Jahren entwickelte Bleichherbizid Norflurazon ein, um PDS zu inaktivieren. Weil Norflurazon die PDS gezielt ansteuert und inaktiviert, steht das Enzym den Pflanzen nicht mehr zur Verfügung, sie bleicht aus und stirbt.

Die 3D-Struktur von PDS offenbart: das Enzym ist teilweise in die Lipid-Doppelschicht der Plastiden eintaucht und ein wasserabweisender Kanal weist in das Innere des Biokatalysators. Über diesen Weg gelangt das Phytoenmolekül in einem ersten Schritt zum Reaktionszentrum des Enzyms, wo die Umwandlung der Hälfte des Phytoens zur nächsten Carotinoid-Zwischenstufe stattfindet. Die vollständige Umwandlung erfolgt erst, nachdem das Zwischenprodukt den Kanal auf demselben Weg wieder verlassen hat. Auf dem Rückweg kommt demnach ein weiteres, direkt benachbartes PDS-Enzym hinzu, das die Umwandlung veranlasst. Hierbei handelt es sich um ein Helfermolekül, ein sogenanntes Chinon, das in denselben Kanal eingeschleust wird, dabei überschüssige Elektronen aufnimmt und somit das Enzym für die nächste Stufe vorbereitet.

Entwicklung neuer Pflanzenschutzmittel

Das Wissen um das Vorkommen des Bleichherbizids im Inneren des Enzyms kann Forschern nun als Grundlage für die Entwicklung neuer Pflanzenschutzmittel zur Unkrautbekämpfung dienen. Gleichzeitig können mithilfe gentechnischer Verfahren gezielte Veränderungen in der Sequenz des Enzyms vorgenommen werden, um Nutzpflanzen zu schaffen, die resistenter gegen Unkraut sind.

bb/pg

Moderne Brauverfahren

Bier ist keine neue Erfindung. Schon rund 6000 vor Christus stellten die Sumerer in Mesopotamien das erste bierähnliche Getränk her. Damals legten die Menschen Brotreste für einige Tage ins Wasser und erzeugten so ein alkoholhaltiges Gebräu. Heute findet dieser biobasierte Prozess in Stahlkesseln statt. Grundstoff ist inzwischen die stärkereiche Gerste. Mithilfe von Wärme und Wasser wird die Gerste zunächst zum Keimen gebracht, bis sich daraus die Würze entwickelt. Dann kommen schließlich Hopfen und Hefen hinzu – Biotechnologen sorgen dafür, dass die nützlichen Mikroorganismen beim Bierbrauen gezielt zum Zuge kommen. Erst durch sie beginnt nämlich die alkoholische Gärung, die den Gerstensaft zum Bier macht. 

Glutenfreier Biergenuß

Gerste enthält Gluten. Das Klebereiweiß ruft bei Menschen mit Glutenunverträglichkeit Entzündungen der Darmschleimhaut hervor. Die einzige Behandlungsmöglichkeit der Zöliakie ist die lebenslange glutenfreie Ernährung. Um auch Menschen mit Zöliakie den Biergenuß zu ermöglichen, setzt Lammsbräu nach dem Brauprozess Transglutaminasen hinzu, die bei N-Zyme BioTec mithilfe von Mikroben hergestellt werden. Diese verändern die Glutenstruktur, sodass der Eiweißmix leichter entfernt werden kann.

Marktreife

Lebensmittel dürfen als glutenfrei gekennzeichnet werden, wenn sie einen Glutengehalt von maximal 20mg/kg (=20ppm) aufweisen. Die glutenfreien Biere von Lammsbräu liegen bei einem Glutengehalt von etwa 10ppm. Jede Tankcharge wird von einem Speziallabor auf den Abbau der Glutenfragmente überprüft.

Modern brewing

Beer is not a new invention. In 6000 BC the Sumerians already established the first beer-like drink in Mesopotamia. At that time, the people put some bread in the water for a few days, producing an alcoholic concoction. Today, brewing takes place in huge fermenters made of steel. The starch in malted barley is converted into sugar by enzymes. This solution is fermented with hops and yeast. 

Craft beer without gluten

For many gluten-intolerant people, beer is off the list of consumable products. The main raw material in beer production – malted barley – contains the gluten protein. Gluten can trigger inflammation of the intestinal mucus in people with gluten intolerance (celiac disease). To enable people with celiac disease to benefit from the beer, Lammsbräu uses transglutaminases after the brewing process. These transglutaminases are produced with microbes at N-Zyme BioTec and change the gluten structure so the protein mix can be removed more easily.

Ready for the market

For foods to be labelled gluten free, they have to have less than 20 parts per million gluten (ppm). According to Lammsbräu their products have less than 10ppm gluten.

Nutzpflanzen wie Raps und Mais sind hierzulande schon heute eine Alternative zu fossilen Rohstoffen. Nicht nur Lebens- und Verpackungsmittelhersteller auch Chemie- und Automobilindustrie sowie Energieversorger setzen zunehmend auf Biomasse aus nachwachsenden Rohstoffen. Die sogenannte „Tank-Teller“- Debatte hat indes den Blick weltweit für Abfall- und Reststoffe geschärft. Das Potenzial dieser Biomasse besser zu nutzen ist längst ein globales Forschungsziel, um Ernährungssicherheit trotz Klimawandel und wachsender Weltbevölkerung auch zukünftig garantieren zu können. Vor allem südlich der Sahara, wo Bauern schon heute klimabedingt gegen karge und unfruchtbare Böden kämpfen, könnte die Biomasse-Nutzung ein vielversprechender Ansatz sein.

Diskurs zur Biomassenutzung anstoßen

Forscher am Zentrum für Entwicklungsforschung in Bonn (ZEF) beschäftigen sich seit Jahren mit Fragen zur Ernährungssicherung in Afrika. Gemeinsam mit dem Forum für Agrarforschung in Afrika (Fara) hat das ZEF nun das erste deutsch-afrikanische Expertennetzwerk zur nachhaltigen Nutzung von Biomasse in Afrika gegründet. Die Experten machen sich dafür stark, dass das Thema Ernährungssicherheit bei der Entwicklung von neuen Biomassenutzungen nicht aus den Augen verloren wird. Im Zentrum steht daher das interaktive Internetportal BiomasseNet.org, das sich an Nutzer aller Fachrichtungen wendet und neben wissenschaftlichen Publikationen und Erfahrungsberichten auch Ansprechpartner der Biomasseanwender benennt. „Um eine Antwort auf die Frage zu finden, wie eine nachhaltige Landwirtschaft in Afrika gestaltet werden kann, wie Zielkonflikte aufgelöst werden können, müssen Wissenschaftler, Politiker, Unternehmen und Zivilgesellschaft an einen Tisch gebracht und ein Diskurs über das Thema angestoßen werden,“ betont ZEF-Projektleiterin, Christine Schmitt.

Dies geht aus einer Veröffentlichung einer Forschergruppe um Roland Geyer von der University of California hervor. Demnach wurden 1950 weltweit zwei Millionen Tonnen Kunststoffe hergestellt – im Jahr 2015 waren es bereits 380 Millionen Tonnen Plastik. Laut den Forschern fielen bis zum Jahr 2015 6,3 Milliarden Tonnen Plastikmüll an, nur neun Prozent wurden wieder verwertet. Zwölf Prozent wurden verbrannt und 79 Prozent landeten auf Deponien oder in der Umwelt.

This is the result of the publication of a research group by Roland Geyer from the University of California. According to this, two million tons of plastics were produced worldwide in 1950 - in 2015, it was 380 million tons of plastic. 

The researchers estimate that 8.3 billion tons of plastic have been produced to date. As of 2015, approximately 6.3 billion tons of plastic waste had been generated, around 9% of which had been recycled, 12% was incinerated, and 79% was accumulated in landfills or the natural environment. If current production and waste management trends continue, roughly 12 billin tons of plastic waste will be in landfills or in the natural environment by 2050.

The vanadium-dependent nitrogenase is an enzyme that catalyses two important processes: On the one hand it converts atmospheric nitrogen (N₂) to ammonia, on the other hand it reduces carbon monoxide (CO) to hydrocarbons. Today, both reactions are run on a big scale by chemical catalyses to produce ammonia and fuels for industry. In additon, ammonia is used as synthetic fertilizer to ensure the food production for at least half of the world’s population. Now, researchers of the University of Freiburg have described for the first time the 3D structure of the enzyme, which conducts both reactions in a biocatalytic way. They published their results in the scientific journal “Nature Chemical Biology”. The research was funded by the European Research Council (ERC) and by the German Research Foundation (DFG).

Special nitrogenase binds carbon monoxide

The vanadium-dependent nitrogenase derives from the soil bacterium Azotobacter vinelandii and belongs to the family of nitrogen-binding enzymes. For the biocatalysis the enzymes usually need an iron molybdenum cofactor. The special nitrogenase from Azotobacter vinelandii uses the molecule vanadium instead of molybdenum. Therefore, it is called vanadium(V)-dependent nitrogenase. This enzyme is also able to convert carbon monoxide to hydrocarbons. Due to its double function it is called “two-hit wonder”. However, the function of this complex and metal-containing enzyme system has only been partially explained so far.

3D structure of V-nitrogenase decoded

Researchers at the University of Freiburg have now decoded the spatial structure of the V-nitrogenase. “To do so, we have first crystallised the enzyme. Taking this as our basis, we used x-ray diffraction experiments to elucidate the spatial structure at the level of atomic resolution”, says Daniel Sippel of the biochemistry working group. “We also found that a bridging sulfide ion within the cofactor of V-nitrogenase is replaced with a chemically very different carbonate anion”, explains Oliver Einsle, professor for Biochemistry at the University of Freiburg. “What initially appeared to be only a minor difference has far reaching consequences on the geometric and electronic structure of the cofactor.”

Biotechnological potential

Nowadays, industrial processes are used to bind nitrogen and produce hydrocarbons. The processes were developed at the beginning of the 20^th century. The Haber-Bosch process can generate synthetic ammonia fertilizer, and coal can be converted to hydrocarbons by the Fischer-Tropsch synthesis. The Haber-Bosch process requires high pressure and 400 to 500 degree Celsius, thus, a lot of energy is needed. Since the 1990s there is an increasing interest in the Fischer-Tropsch process, because fuel can be produced not only from coal, but also from bio-waste, wood, industrial waste gases, and agricultural residues. Fuel derived via the Fischer-Tropsch synthesis has been allowed for use in aviation since 2009. “Our long-term goal is to make nitrogenase biotechnologically useful”, says Einsle. The V-nitrogenase might be an alternative to the industrial chemical process in the future.

bp

Mit fast 40 Prozent Eiweißgehalt ist die Lupine nicht nur eine hochkarätige Proteinquelle. Darüber hinaus wird die Hülsenfrucht als Stickstoffsammler für die natürliche Düngung der Böden geschätzt. Die an den Wurzeln sitzenden Knöllchenbakterien binden aber nicht nur Stickstoff, sondern ziehen selbst aus schwierigen und tiefen Böden Wasser. Wie die Lupine das macht, konnten Forscher der Universität Potsdam nun erstmals anhand von 3D-Aufnahmen nahezu in Echtzeit beobachten.

Zeitauflösung der Technik verbessert

Möglich wurde das durch die Weiterentwicklung einer Neutronenstrahl-Analysetechnik, die  am Helmholtz-Zentrum Berlin etabliert ist. Gemeinsam mit den Berliner Forschern ist dem Potsdamer Team um Christian Tötzke gelungen, die Zeitauflösung der Neutronentomographie-Bildgebungsanlage um mehr als das Hundertfache zu verbessern.

3D-Bilder im Zehn-Sekunden-Abstand

Mindestens eine Stunde Messzeit war bisher nötig, um an der Bildgebungsanlage mit Neutronentomografie eine detaillierte dreidimensionale Karte der Wasserverteilung zu erstellen. Nunmehr lieferte die Analysetechnik alle zehn Sekunden 3D-Aufnahmen, die in enger Folge ein Video ergeben, wie die Forscher im Fachjournal „Scientific Reports“ berichten. Durch den „Film“ wird deutlich, wie das Wasser aus dem Boden in die Höhe steigt und von den Lupinenwurzeln aufgenommen wird. „Dies war bislang mit dieser Zeitauflösung nur in Durchsicht durch die Probe, also in 2D, möglich“, erklärt Christian Tötzke.

Routieren statt verharren

Um den Wassertransport in Boden und Pflanzenwurzeln zu beobachten nutzen die die Wissenschaftler zusätzlich schweres, sogenanntes deuteriertes Wasser, das sich mithilfe von Neutronen von normalem Wasser gut unterscheiden lässt. Anders als sonst, musste das Bild-Objekt, die Lupine, für die Aufnahme nicht wie bei einer Fotografie regungslos verharren. Der Studie zufolge ließen die Forscher die Lupinenpflanze im Bodenzylinder langsam, aber durchgängig rotieren, während die Anlage fortlaufend sehr kurze Aufnahmen machte. Damit liefern die Potsdamer Forscher neue Erkenntnisse, die zu einem besseren Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Wurzeln und Böden beitragen. Sie sind überzeugt, dass die neue Highspeed -Analysetechnik auch geeignet ist, um Prozesse wie in Brennstoffzellen, Batterien oder Baustoffe schneller zu beobachten.

bb

Scientists from Potsdam, Berlin and Grenoble were able to use ultra-fast 3D neutron imaging to visualize the transport of water in the soil and the subsequent absorption by the roots of lupines. The ultrahigh-speed neutron tomography developed at the Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (Helmholtz Center for Materials and Energy, short: HZB) generates a complete 3D image every 1.5 seconds, seven times faster than before. The research team reports on the new process in the specialist journal "Optics Express". The findings are helpful in better understanding the water and nutrient uptake of crops. The measurements took place at the neutron source of the Laue Langevin Institute in Grenoble, France. The method is also interesting for the analysis of transport processes in other materials.

Capturing water flows in soil and roots

The uptake of water and nutrients by the roots of plants leads to complex interactions with the surrounding soil. "The tomographic method makes it possible to track 3D water paths from soil into roots over time," says Christian Tötzke, who heads the research team at the University of Potsdam. "These insights can help to develop strategies for more efficient and sustainable use of water and fertilizer in crop cultivation."

Neutrons are sensitive to light elements such as hydrogen contained in water. Neutron tomography can therefore be used to precisely map the water content, both in the roots and in the surrounding soil. How plants can obtain water and nutrients depends largely on the properties of the rhizosphere, a soil layer a few millimetres thick that surrounds the roots. This area includes not only the mineral and organic components of the soil, but is also influenced by root excretions and the activity of microorganisms.

New tomograph in Grenoble

Until now, 3D images with time-resolved neutron imaging took at least ten seconds per image. This made it difficult to document in detail rapid processes such as the infiltration of the root space with water. To enable more images in less time, a team led by HZB expert Nikolay Kardjilov optimized the method on the recently opened NeXT-Grenoble tomography instrument at the Laue-Langevin Institute (ILL), which is supplied with cold neutrons by a 60 megawatt research reactor.

By exploiting the much more intense neutron beam, it has been possible to reduce the recording time per tomogram to almost one second. "The result even exceeded our expectations," explains Tötzke: "The achieved acquisition rate was higher than assumed beforehand. Nevertheless, the signal-to-noise ratio and the spatial image resolution could be improved also."

Method optimized in Grenoble

Now that the technical feasibility of ultrafast neutron tomography has been demonstrated, Kardjilov and his team are working on further improving the method and applying it in other areas. Since the Berlin neutron source of the HZB will cease operation in December, the fast image build-up will be integrated into the NeXT instrument in Grenoble in order to investigate fast transport processes in other material systems in the future.

For example, high-speed neutron tomography could provide new insights into the hydraulic fracturing of porous rock formations or could be used to investigate ion transfer during fast charging and discharging of lithium batteries in order to increase the safety, capacity and durability of such energy storage systems.

pg/um

Die Zuckerrübe Beta vulgaris gehört neben Weizen und Mais zu den wichtigsten Nutzpflanzen. Ihre wirtschaftliche Bedeutung hat in den vergangenen Jahren zugelegt. Längst ist die Rübe nicht nur Zuckerlieferant, sondern auch Rohstoff für die Herstellung von Bioethanol und Biogas sowie neue biobasierte Materialien. Während jahrelang Ertrag und Zuckergehalt im Fokus der Pflanzenzüchtung standen, geht es heute vordergründig um Sorten, die gegen Schädlinge und Krankheiten resistent sind.

Grundlage für die Züchtung neuer Sorten ist die Entzifferung und die Analyse des Genoms der Rübe, an der Forscher seit vielen Jahren arbeiten. „Wenn wir die genetische Ausstattung kennen, kann man auch gezielt nach landwirtschaftlich bedeutenden Resistenzgenen oder etwa Zuckertransportern suchen“, erklärt Bernd Weisshaar vom Centrum für Biotechnologie (CeBiTec) der Universität Bielefeld.

Das Erbgut der Zuckerrübe im Visier

Im Rahmen des Verbundprojektes „AnnoBeet“ nahm der Bielefelder Genomforscher mit Kollegen vom Max-Planck-Institut für molekulare Genetik in Berlin (Heinz Himmelbauer), der Technischen Universität Dresden (Thomas Schmidt) sowie der KWS Saat AG und der Syngenta Seeds GmbH das Erbgut der Zuckerrübe ins Visier, um neue Gene aufzuspüren und diese bestimmten Eigenschaften zuzuordnen. Das Verbundvorhaben wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Förderinitiative „PLANT 2030“ von 2011 bis 2015 mit insgesamt 2,2 Mio. Euro gefördert.

„In AnnoBeet haben wir mit Bioinformatik-Methoden erst das gesamte Genom auf Gene untersucht, die mithilfe der Genomsequenz identifiziert werden können und dann zusammen mit weiteren molekularbiologischen Informationen Vorhersagen zur Funktion der gefundenen Gene gemacht“, erläutert Weisshaar.

Lücken in der Genomkarte schließen

Mit der Entschlüsselung des Genoms von Beta vulgaris hat das AnnoBeet-Team bereits 2014 Pionierarbeit geleistet. Eine erste Version der Genomsequenz, die im Fachjournal „Nature“ veröffentlicht wurde, ist das Ergebnis des früheren BMBF-Förderprojekts BEETSEQ. Doch die pure Genomsequenz als solche verrät nur wenig über die Funktion und Lage der einzelnen Gene auf den insgesamt 9 Chromosomen im Zellkern der Rübe. Genau hier setzte das Verbundprojekt AnnoBeet an: Den Forschern ging es darum, Lücken in der bereits vorhandenen Genomkarte zu schließen und aus Sequenzdaten nutzbare Informationen über bisher unentdeckte Zuckerrüben-Gene abzuleiten.

Mit 730 Millionen Basenpaaren ist das Zuckerrüben-Genom zwar deutlich kleiner und handlicher als etwa das Weizen-Genom mit seinen 17 Milliarden Basenpaaren. Dennoch stießen die Forscher auf ähnliche Probleme wie sie ihre Kollegen bei der Getreideart kennen. „In Pflanzengenomen gibt es häufig repetitive Abschnitte, sie bestehen aus sich immer wieder wiederholenden DNA-Bausteinen“, so Weisshaar. Die sich wiederholenden Genomstücke erschweren die korrekte Erfassung der Genomsequenz durch mathematische Algorithmen.

Neue Sequenziertechnik beflügelt Entschlüsselung

Moderne molekularbiologische Werkzeuge und smarte Bioinformatik-Software halfen schließlich dabei, das Genom auch nach komplexen Genen abzusuchen und die genetische Karte so zu verfeinern. Der Clou: Das Team um Himmelbauer erstellte Abschriften von aktiv abgelesenen Genen im Rübenerbgut (sogenannte complementary DNAs oder kurz cDNAs). Mit Hilfe neuester Sequenziertechniken wurden besonders lange und vollständige Sequenz-Daten dieser cDNAs erstellt. In einem zweiten Schritt nutzten die Pflanzenforscher die so erhaltenen Informationen, um die Genkopien im Erbgut exakt zu verorten.

Resistenzgene sichtbar gemacht und verfeinert

„So konnten wir zum Beispiel zahlreiche Gene festmachen, die etwas mit Resistenzen zu tun haben könnten“, berichtet der Pflanzengenetiker. Darüber hinaus seien diese Gene auch auf ihre sogenannte evolutionäre Abstammung untersucht worden, um herauszufinden, wie sich die Zuckerrübe zu den anderen Blütenpflanzen verhält. Und kürzlich fanden die Forscher mithilfe der Gen-Informationen in einer wilden Verwandten der Zuckerrübe ein wichtiges Resistenzgen.

Aber nicht nur das. „Wir haben nicht nur die Referenzsequenz verfeinert, sondern auch vier weitere Genotypen grob sequenziert und dann auf die Referenzsequenz abgebildet“, resümiert Weisshaar. Der Genetiker sieht damit die Projektziele „weitestgehend erreicht“, dennoch gebe es noch Lücken. „Ich würde die Genomsequenz gern weiter verbessern. Denn sie ist gut, aber noch nicht perfekt“, sagt er.

Genomsequenz für Pflanzenzüchter verfügbar

Fest steht: Die verfeinerten Genomsequenzen der Zuckerrübe sind bereits heute ein wertvoller Werkzeugkasten für die Pflanzenzüchtung. Die Daten sind über öffentliche Datenbanken wie die vom European Bioinformatics Institute (EMBL-EBI) für Forscher und Züchter frei verfügbar.

Autorin: Beatrix Boldt

Unsere Körper, Fensterscheiben oder Plastikflaschen – sie alle bestehen aus verschiedenen Molekülen. Der große Unterschied: während die Moleküle in unseren oder anderen lebenden Zellen in ständigem Austausch mit ihrer Umwelt stehen, befinden sie sich in künstlich produzierten Gegenständen in einem starren Zustand. Dies beeinträchtigt und erschwert allerdings den Abbau dieser Materialen. Zwei bayerische Forschungsgruppen, eine von der Universität Würzburg unter der Leitung von Dirk Kurth und eine von der Technischen Universität München unter der Leitung von Job Boekhoven, haben nun neue, außergewöhnliche Eigenschaften von Molekülen untersucht, die zu smarten Fensterscheiben oder selbstabbauenden Materialien führen könnten.

Ein Molekül zwischen flüssig und fest

Das Würzburger Team um Dirk Kurth hat eine bestimmte Klasse von Polymeren untersucht: die Metallo-supramolekularen Koordinationspolyelektrolyte oder kurz MEPE. Die Forscher berichten in der Fachzeitschrift „Chemistry – A European Journal“. Kurth ist Experte auf dem Gebiet der MEPE, denn er hat diese Stoffklasse Mitte der 1990er Jahre entdeckt und forscht seitdem an ihnen. „MEPE verfügen über herausragende elektrochrome Eigenschaften“, erklärt er. Das bedeutet: Legt man eine geringe Spannung von wenigen Volt an Materialien, die aus MEPE aufgebaut sind, ändern sich ihre Farbe. Damit eignen sie sich beispielsweise zur Herstellung einer innovativen Verglasung, sogenannter Smart Windows. Zudem besitzen sie noch weitere interessante Eigenschaften: Als Bestandteil poröser Festkörper sind sie in der Lage, ihr Fließverhalten im elektrischen Feld zu ändern. Ihre Eigenschaften können also zwischen flüssig und fest pendeln. Damit bieten sie sich beispielsweise auch für einen Einsatz in der Medizin an, um frisch operierte Gelenke vor hohen Belastungen zu bewahren.

Selbstbauendes molekulares Lego

Obwohl diese Eigenschaften für technologische Entwicklungen von zentraler Bedeutung sind, sind Aufbau und Entstehung dieser neuartigen Polymerklasse bisher kaum verstanden. Ihre Herstellung jedoch ist denkbar einfach. „Das ist eine Art molekulares Lego, bei dem sich die Türmchen von selbst aufbauen“, erklärt Kurth. Die Forscher müssen dazu nur im Labor zu einer Lösung eines Metallsalzes eine Lösung sogenannter Terpyridinliganden hinzufügen – der Rest geschieht ganz von selbst. Die Forscher konnten außerdem zum ersten Mal die genauen Bedingungen bestimmen, unter denen die Prozesse stattfinden. Somit können sie nun exakte Vorgaben definieren, um schließlich das Material mit den gewünschten Eigenschaften zu erhalten. Einen sehr einfachen Weg, den Prozess zu beschleunigen haben die Forscher auch entdeckt: Durch die Zugabe von Salz entstehen die MEPE schneller.

Our bodies, windows or plastic bottles – all of them are made up of different molecules. The big difference however: while the molecules in the human body or other living organisms are in constant exchange with their surroundings, artificially produced material is not. This in turn directly affects their ability to break down after being used. Two research teams out of Bavaria, one based in Würzburg and headed by Dirk Kurth and another one based in Munich headed by Job Boekhoven, found some extraordinary and new characteristics of molecules that could be used for light-detecting smart windows or for self-recycling materials.

A molecule between solid and liquid

The team of researchers surrounding Dirk Kurth were investigating a specific class of polymers: metallo-supramolecular coordination polyelectrolytes, MEPEs for short. They published their results in the journal „Chemistry – A European Journal“. Kurth has been a leading expert for the topic, since he discovered this type of polymers in the mid 1990s. “MEPEs possess extraordinary electrochromic properties”, explains Kurth. In other words, if one attaches a certain voltage to MEPE-based materials, it causes them to change their colour. This particular effect could for instance be applied in the development of innovative smart windows. In addition, they hold another interesting property: as part of porous solids they are able to change their flow characteristics within an electrical field. Therefore they can alternate between a solid and a liquid state. Based on these characteristics they could be very useful for several medical applications, for instance in order to protect freshly surgically restored joints from too much pressure.

Self-assembling molecular Lego

Although these properties are of high importance for technological developments, little is known about the development of this novel kind of polymers thus far. The production, however, is fairly simple: “It’s like a kind of molecular Lego – only with the structures are building themselves”, explains Kurth. All the researchers have to do is add a solution of Terpyridine ligands to a metal salt solution to initiate the process. Moreover, the researchers were able to assess the specific conditions necessary for the process. This allows them to define the settings in order to generate the coveted material in the end. One particularly easy way to enhance and fasten the process the researchers discovered: add salt to the mix.

Das entsprechende Gesetz hat der Bayerische Landtag Mitte Juli einstimmig verabschiedet. Damit wird Straubing zum 1. Oktober ein weiterer Standort der TUM und zugleich Universitätsstadt. Die anderen drei Campus-Standorte der TUM befinden sich in München, Garching und Weihenstephan. Der neue Standort soll Platz für 1.000 Studierende bieten, die dabei zwischen jeweils vier Bachelor- und Masterstudiengängen zu den Themen Biotechnologie und Nachhaltigkeit wählen können. Bis 2021 sollen dafür 80 neue Stellen in Lehre und Forschung geschaffen werden, darunter etwa 17 Professuren. Bereits im Bau befindet sich ein neues Hörsaal- und Forschungsgebäude mit einer Gesamtnutzfläche von rund 8.000 Quadratmetern, das etwa 40,5 Mio. Euro kosten wird.

Straubing wird Universitätsstandort

Bisher war die 2001 eingerichtete Forschungseinrichtung als „Wissenschaftszentrum für Nachwachsende Rohstoffe“ bekannt. Vor etwa einem Jahr wurde dann der Plan vorgestellt, das Zentrum unter die Trägerschaft der Technischen Universität München zu stellen. Im Frühjahr 2017 folgte die Vorstellung des Errichtungsgesetzes, welches nun verabschiedet worden ist. Der Campus wird eine fakultätsübergreifende Einrichtung mit Promotionsrecht.

Lehre und Forschung zur Bioökonomie

Wie der Name vermuten lässt, wird das in Straubing in Lehre und Forschung abgedeckte Themenspektrum von den nachwachsenden Rohstoffen auf die weiße Biotechnologie und die Bioökonomie erweitert. „Straubing wird ein Universitätsstandort und als solcher konsequent ausgebaut. Diese Klarheit hilft bei der Gewinnung exzellenter Professoren, Studierender und Mitarbeiter“, sagte TUM-Präsident Wolfgang A. Herrmann im Frühjahr.

Nicht mehr als Träger in irgendeiner Form beteiligt sind folgende vier ostbayerische – und in der Nähe von Straubing liegende – Einrichtungen: Universität und Ostbayerische Technische Hochschule (OTH) Regensburg, Technische Hochschule (TH) Deggendorf sowie Hochschule Landshut. Trotz der von der Mittelbayerischen Zeitung gewitterten Verstimmung der ehemaligen Partner im Straubinger Verbund, überwogen laut bayerischer Staatsregierung die Vorteile durch die nun „eindeutige Verortung der federführenden Verantwortung“. So könne „eine eigenständige Einrichtung mit eigenen körperschaftlichen Rechten und gleichzeitiger Konzentration der Trägerschaft auf eine der Partnerhochschulen mehr Dynamik und Flexibilität entfalten als ein Kooperationsverbund“.

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Die Mehrheit der Pflanzen lebt in Symbiose mit Mykorrhiza-Pilzen. Die Pilzgeflechte an den Wurzeln versorgen die Pflanzen mit wichtigen Nährsalzen wie Phosphor und Stickstoff sowie Wasser aus dem Boden. Im Gegenzug wird der Pilz mit energiereichen Kohlenhydraten ernährt, welche die Pflanze aus der Photosynthese gewinnt und beisteuert. Nun haben Forscher der Ludwig-Maximilians-Universität München (TUM) nachgewiesen, dass die Pflanze ihre Pilz-WG nicht nur mit Zucker beliefert. Wie das Team um die Biologin Caroline Gutjahr im Fachjournal „eLife" berichtet, werden Mykorrhiza-Pilze von ihren pflanzlichen Partnern gleichfalls mit Fetten versorgt, die der Bodenpilze, für den Aufbau zellulärer Membranen und als Energiespeicher benötigt.

Mutanten und Wildtyp auf Lipide untersucht

Für gewöhnlich fehlen Mykorrhiza-Pilzen die Gene für eine Lipidbiosynthese, sodass sie bestimmte, dringend benötigte Fettsäuren nicht selber herstellen können. „Wir haben deshalb mithilfe zweier Mutanten der Modellpflanze Lotus japonicus untersucht, ob die Pflanze diesen Mangel ausgleicht“, erläutert Caroline Gutjahr. Bei der Modellpflanze handelt es sich um eine Verwandte des Hornklees, also eine Hülsenfrucht, die mit den Leguminosen Klee, Erbsen, Bohnen und Linsen verwandt ist. Die beiden Mutanten wiesen jeweils Veränderungen in Genen auf, die für die Fettsäure- und Lipidbiosynthese eine wichtige Rolle spielen. Im Vergleich zum Wildtyp der Leguminose Lotus japonicus wurden diese allerdings weniger durch Mykorrhiza-Pilze besiedelt, sodass sich die Arbuskeln – die bäumchenförmig verzweigten Pilzhyphen in den Pflanzenwurzeln, über die der Nährstoffaustausch erfolgt – nicht voll entwickeln.

Mykorrhiza-Pilze meiden Mutanten

Das Screening der Fettsäuren und Lipide in den mykorrhizierten Wurzeln von Wildtyp und Mutanten ergab: Bestimmte pilzspezifische Fettsäuren in der Mykorrhiza der Mutanten fehlten entweder ganz oder waren nur in geringen Mengen vorhanden. Mithilfe stabiler Kohlenstoff-Isotope wiesen die Forscher schließlich nach, dass der Wildtyp nicht nur Zucker, sondern tatsächlich auch Lipide an den Pilz überträgt. Die Forscher gehen davon aus, dass der die Pilze die Lipide verwenden, um schnell ein dichtes und weitverzweigtes Hyphennetz zu bauen sowie Sporen zu bilden.

Als nächste will das Münchner Team um Gutjahr erforschen, wie die Lipide von der Pflanze in den Pilz kommen. „Außerdem ist es wichtig, herauszufinden, in welchem Verhältnis Zucker und Lipide dem Pilz zur Verfügung gestellt werden“, sagt Gutjahr. Zu Wissen, wie viel Energie eine Pflanze in den Pilz investiert, könnte helfen, Symbiose-optimierte Nutzpflanzen zu züchten.

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The Campus Straubing for Biotechnology and Sustainability will become a new Integrative Research Centre at the Technical University of Munich (TUM). The specific focus in research and teaching that has been envisioned will make this new centre unique: It will concentrate on renewable resources, biotechnology, and bioeconomy. For this, new interdisciplinary degree programs will be established, which will only be offered by TUM in Straubing and nowhere else in the country.

An integrated research centre

Following an unanimous decision by the Bavarian Parliament on July 19, 2017, the TUM will fully integrate Campus Straubing taking effect October 1, 2017, and will constitute it as an Integrative Research Centre, or IRC for short. IRCs take an interdisciplinary approach to research and are entitled to award doctorates. The other three campus locations of TUM are Munich, Garching, and Weihenstephan. The Weihenstephan-Triesdorf University of Applied Sciences will continue to act as TUM's cooperation partner in Straubing.

A first in Germany: a master’s in bioeconomy

The new campus will provide space for 1,000 students. A total of ten new degree programs are planned, all of which will focus on biotechnology and sustainability. Three of them will be launched in the 2017/18 winter semester, and the 2018/19 winter semester will see the introduction of both a bachelor's and a master's program in bioeconomy. This kind of bachelor's program will be is a first for Germany. By 2021 approximately 80 new jobs in research and teaching will be created for this endeavour, 17 of which will be professorships.

As part of the expansion plans for the location, a new laboratory and lecture hall building for sustainable chemistry will provide 8,000 m² of space for research laboratories, offices, seminar rooms, working facilities and a divisible lecture hall. The costs for the construction work are estimated at €40.5 million.

Conditions for qualified cooperations

Straubing was founded as a research location for renewable resources in 2001. About one year ago plans to join the umbrella of TUM were made public. The campus will include several faculties and will be allowed to award doctorates to graduate students. The focus thus far was on the namesake renewable resources, but will now be expanded to include topics related to biotechnology and bioeconomy as well. “Straubing is no longer a footnote of several institutions, but rather a university location and as a result will be expanded as such. This clarity will help in attracting excellent professors, students, and employees”, TUM President Wolfgang A. Herrmann said in March this year.

This decision by the State Government put an end to the recurring issue of the identity of the Straubing institution. Moreover, the now finalised law that was prepared by the Ministry of Science, creates clear conditions and leaves room for qualified cooperation.

ml/jmr

Aus alt wird neu

Alten Kaffee in neue Produkte umwandeln – das ist die Idee hinter den Produkten des Berliner Start-ups Kafform. Bisher im Angebot: Kaffee- und Espressotassen, die zu 40% aus recyceltem Kaffeesatz bestehen. Dies entspricht etwa dem Material, das für acht Tassen Espresso benötigt wird. Die weiteren Bestandteile sind Pflanzenfasern und ein Harz aus Biopolymeren.

Den Kaffeesatz bezieht der Jungunternehmer direkt von nahegelegenen Berliner Cafés. Nach Trocknung wird er im Spritzgussverfahren verarbeitet. Die Tassen sind komplett biologisch abbaubar, besonders leicht und können sogar in der Spülmaschine gereinigt werden.

Marktreife

Zwischenzeitlich war die Nachfrage so groß, dass der Onlineverkauf eingestellt werden musste. Die Tassen gibt es jedoch nicht nur online zu kaufen. Einige Läden in Berlin vertreiben die Tassen und auch in Paris, London und Oslo sind sie zu haben.