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Bioreaktoren auf Oberflächen ausdrucken, synthetische Zellen konstruieren oder mithilfe von Mikrokanälen Synthesewege für neue Wirkstoffe zusammenstöpseln. Das sind Visionen für die Biotechnologie der Zukunft, denen sich die großen deutschen Forschungsorganisationen verschrieben haben. Unter dem Dach der BMBF-Initiative „Biotechnologie2020+“ wurden hier millionenschwere Verbundprojekte gestartet.

Visionen der Biotechnologie der Zukunft ausloten und damit die Grundlage für den Aufbau einer biobasierten Wirtschaft schaffen – mit diesem Ziel hatte das BMBF  im Jahr 2010 den Strategieprozess „Nächste Generation biotechnologischer Verfahren“ gestartet. Dafür stehen in den kommenden Jahren 200 Millionen Euro zur Verfügung. Das Besondere an „Biotechnologie2020+“: Es handelt sich um eine gemeinsame Initiative des Bundesforschungsministeriums, der vier großen außeruniversitären Forschungsorganisationen und der Hochschulen. Der vierte Jahreskongress am 27. Juni in Berlin markierte nun das vorläufige Ende der ersten Phase des Dialogprozesses, in dem Fachexperten wie Forschungstrendscouts über innovative Produktionsverfahren nachgedacht haben.

Regina Belz ist dem Phänomen der Hormesis bei Pflanzen auf der Spur. Damit widmet sich die Agrarwissenschaftlerin einem seit Langem in der Landwirtschaft bekannten, aber wenig beachteten Effekt: Geringe Mengen giftiger Substanzen wie Unkrautvernichtungsmittel können durchaus das Pflanzenwachstum steigern. Dass dieses von der Forschung vernachlässigte Phänomen endlich ins Rampenlicht rückt, ist auch ein Verdienst der Hohenheimer Forscherin.  Mit ihrer Arbeit will Belz erreichen, dass der sogenannte Hormesis-Effekt in der Landwirtschaft Beachtung findet und gezielt genutzt werden kann. Doch bis dahin ist es noch ein weiter Weg. Bei ihrer Suche nach der perfekten Dosierung von giftigen Substanzen, die zum einen das Kulturpflanzenwachstum fördern, gleichzeitig aber Unkräuter vernichten wird Regina Belz seit Jahren von der Deutsche Forschungsgemeinschaft unterstützt.

Unkrautvernichtungsmittel – ja oder nein? Darüber wird oft gestritten. Schon das Wort dürfte bei manch einem Unbehagen auslösen. Für Agrarwissenschaftlerin Regina Belz sind Herbizide wie Glyphosat Geheimwaffe und Werkzeug zugleich, um Getreide und andere Kulturpflanzen sprießen zu lassen. Denn die Forscherin ist überzeugt: die Dosis macht das Gift, wie es einst schon Paracelsus formulierte.  Dieser in der Wissenschaft als „Hormesis“ bezeichnete Effekt ist in Medizin und Landwirtschaft seit Langem bekannt, aber noch weitestgehend unerforscht. Schon der deutsche Arzt und Wissenschaftler Paracelsus hatte den Hormesis-Effekt beschrieben. Er stellte fest, dass geringe Mengen einer giftigen Substanz durchaus positiv wirken können.

Faszinierender Zufallsfund

Seit ihrer Doktorarbeit ist die gebürtige Schwäbin von dem Thema fasziniert. Damals untersuchte Regina Belz, ob Ausscheidungen bei Weizen oder Roggen auch das Wachstum von Unkräutern unterdrücken und so gegebenenfalls Unkrautvernichtungsmittel eingespart werden können. Beiläufig stieß sie dabei auf den Hormesis-Effekt. „Dass eine Pflanze Stoffe ausscheidet, sodass ihre Artgenossen besser wachsen können, hat mich fasziniert und nicht mehr losgelassen“, sagt Belz.

In einem Vorort bei Stuttgart aufgewachsen hatte sie ursprünglich mit Landwirtschaft nicht viel im Sinn. „Landwirtschaft lief bei mir nur auf dem Balkon ab oder im Garten meiner Oma.“ Heute kommt die Mutter von zwei Kindern bei ihren Ausflügen in die Natur kaum an einem Unkraut vorbei, ohne die Zwei- und Achtjährigen auf die einzelnen Pflanzen aufmerksam zu machen. „Ich will dass meine Kinder Pflanzen erkennen. Denn Unkräuter sind auch was Gutes. Man kann sie wie den Löwenzahn nutzen und einige auch essen.

Notlösung begeistert

“Aus Mangel an Studiengelegenheiten im Fachbereich Umweltschutz studierte Belz Agrarwissenschaften an der Uni Hohenheim.  Damals war es für die junge Schwäbin nur  „eine Notlösung, die nahe an der Natur war“.  Doch mit der Zeit wurde die Notlösung zu einer Offenbarung, die Regina Belz bis heute motiviert und in Hohenheim hält. Denn nach Studium und Promotion forscht und lehrt die Agrarwissenschaftlerin nun selbst an der Hohenheimer Universität und gilt als Expertin auf dem Gebiet der Herbologie und Allelopathie. „Wenn ich so zurückblicke, habe ich es mit meiner Forschung relativ weit gebracht und das macht mich auch ein bisschen stolz.“ Selbst ihr Doktorvater, der Herbologe Karl Hurle, war anfangs skeptisch, als Regina Belz mit ihrer Arbeit zum Hormesis-Effekt begann. „Ich habe ihn dann aber durch meine Forschung überzeugt. Bis heute ist er für mich eine große Stütze“.

Trübungsmittel werden in Getränken schon seit langem eingesetzt – etwa in Orangenlimonade oder Bitter Lemon. Das Problem: Die bislang verwendeten Stoffe zur Trübung von Getränken haben oft einen bitteren Eigengeschmack und können nach einer Weile ihre Trübung verlieren. In einem Forschungsprojekt entwickelt ein Team um den Biotechnologen Jürgen Rabenhorst vom Fachbereich Life Science Technologies der Hochschule Ostwestfalen-Lippe (OWL)ein neues natürliches, breit einsetzbares und stabiles Trübungssystem auf Citrusbasis. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Projekt mit rund 320.000 Euro im Rahmen der Förderinitiative „Forschung an Fachhochschulen mit Unternehmen (FHprofUnt)“.

Ausgangsmaterial des neuen Trübungssystems ist Citrus-Albedo, die innere weiße Gewebeschicht in Zitrusfrüchten wie Orangen oder Zitronen, welche als Abfallstoff in der Industrie bislang meist keine weitere Verwendung findet. „Dieses Citrus-Albedo soll enzymatisch hydrolysiert, also mithilfe von Enzymen gespalten werden, um so die für eine Trübung geeigneten Bestandteile extrahieren zu können“, erklärt Rabenhorst die ersten Schritte. Durch die BMBF-Förderung könne hierfür ein neues Großgerät finanziert werden, mit dessen Hilfe innerhalb kurzer Zeit die Stabilität der Trübung geprüft werden kann.

Länger und stabiler trüb

Auf dieser Grundlage soll im Rahmen des Projektes ein Produkt entwickelt werden, das im Idealfall stabile Trübungen mit einer sogenannten „Standzeit“ von mindestens einem Jahr im Getränk erzeugt. Darüber hinaus sollte es farb-, geruchs- und geschmacksneutral und sowohl in flüssiger als auch fester Form anwendbar sein. Auch eine Deklaration als natürlicher Extrakt aus Citrusfrüchten und die Vermeidung gentechnisch veränderter Organismen ist angestrebt.

Bisher meist synthetische Zusätze

Der Bedarf der Getränkeindustrie nach einem solchen Produkt sei groß, erklärt Rabenhorst. „Bisherige Trübungsmittel sind entweder synthetisch hergestellt oder haben meist einen Eigengeschmack, was den Einsatz in Lebensmitteln stark einschränkt. Darüber hinaus sind bislang eingesetzte natürliche Trübungsmittel nur unzureichend stabil und führen deshalb oft entweder zu einer Enttrübung oder zu einer sogenannten Ringbildung, bei der sich die zugesetzten Aromen wie ein Ring am Rand der Flasche absetzen.“ Die anwendungstechnischen Tests zur Sensorik und zur Trübungsstabilität der neuen Entwicklung werden innerhalb der Projektlaufzeit von drei Jahren in den Laboren für Bio- und für Getränketechnologie an der Hochschule OWL durchgeführt, die chemische Analyse erfolgt durch die Projektpartner aus der Wirtschaft. „Mit der Symrise AG, der Erbslöh Geisenheim AG und den Herbstreith & Fox KG Pektinfabriken konnten wir drei kompetente Partner für dieses Projekt gewinnen, die sich ideal ergänzen. Durch die kombinierte Expertise der Hochschule OWL und der Projektpartner lassen sich hier neue Lösungsansätze finden, die den Anforderungen der Getränkeindustrie gerecht werden“, so Rabenhorst. Neben der analytischen Unterstützung stellen die drei Unternehmen außerdem Rohstoffe, Enzyme und weitere Mittel zur Verfügung. Nach der erfolgreichen Entwicklung und Kontrolle des Trübungssystems soll das Produkt durch die Firma Symrise direkt am Markt eingesetzt werden.

Täglich haben wir mit ihnen zu tun: Tensiden, den waschaktiven Substanzen in Kosmetika und Reinigungsmitteln. In der Badewanne sollen sie ordentlich schäumen, im Geschirrspüler jedoch nicht, im Duschbad sollen sie sich angenehm anfühlen und als Kindershampoo nicht in den Augen brennen. Zudem sollen sie möglichst umweltschonend sein. Noch bis Sommer 2012 wird ein Verbund bestehend aus Universitäten, Forschungsinstituten und Unternehmen im Rahmen des Verbundprojektes „Polymere Tenside (PolyTe)“ an nachhaltigen Herstellungsverfahren auf Basis nachwachsender Rohstoffe forschen. Der Verbund gehört zum Biotechnologie-Cluster CLIB2021, den das Bundesforschungsministerium seit 2007 fördert. Das Bundeslandwirtschaftsministerium fördert das Tenside-Projekt zudem mit 2,4 Millionen Euro. Die BASF als einer der Projektpartner steuert 720.000 Euro bei.

Weiße Biotechnologie – unter diesem Stichwort lassen sich alle industriell und wirtschaftlich genutzten biotechnologischen Verfahren zusammenfassen. Die Einsatzgebiete sind vielfältig und reichen von Kunststoffen über Pharmazeutika bis hin zur Papierindustrie. Ziel ist es dabei sehr oft, energie- und ressourcenschonende Verfahren auf Basis nachwachsender Rohstoffe zu entwickeln. In dem Projekt „Polymere Tenside“ (PolyTe) werden seit Herbst 2008 Möglichkeiten erforscht, geeignete Tenside für Haushalt und Kosmetika aus nachwachsenden Rohstoffen wie Palmkern- und Kokosölen, Proteinen und Sacchariden zu gewinnen.

Tensiden ist gemeinsam, dass sie sich sowohl aus wasser- als auch aus fettlöslichen Bestandteilen zusammensetzen. Damit eignen sie sich sehr gut für Reinigungsmittel, weil Verschmutzungen sich an die hydrophoben Teile des Moleküls binden, während die hydrophilen Bestandteile  dafür sorgen, dass die Tenside im Wasser gelöst bleiben und mitsamt der Verschmutzung weggespült werden können.

Christina Kohlmann, Projektleiterin bei der BASF in Düsseldorf, erläutert die Komplexität der Forschung an Tensiden: „Die Länge der Molekülketten, die wir in die Tenside einbringen, und auch der hydrophile Teil beeinflussen die Eigenschaften dieser neu gewonnenen Stoffe. Die Endprodukte wiederum sind immer Mischungen aus verschiedenen Komponenten und abhängig vom Einsatzgebiet und den gewünschten Eigenschaften.“ Schließlich müssen Textilreiniger andere Verschmutzungen beseitigen als die Parkettbodenpflege oder die Waschemulsion für empfindliche Haut. Zudem spielt die Wasserqualität beim Endverbraucher eine Rolle bei der Wirksamkeit der Produkte. Doch nicht allein das zählt – Auge und Nase der Verbraucher kaufen mit ein, und darum müssen auch Farbe, Geruch, Aussehen und Konsistenz des Endprodukts stimmen.

Die Gerste (Hordeum vulgare) gilt weltweit als viertwichtigste Getreideart. Insbesondere bedeutend ist sie als Viehfutter und für die Bierherstellung. In der Braunation Deutschland ist Gerste nach dem Weizen sogar die Nummer zwei der angebauten Kulturarten. Wegen seiner Größe und Komplexität ist das Erbgut noch nicht komplett entziffert. Doch Pflanzenforscher kommen diesem Ziel Schritt für Schritt näher: Ein internationales Konsortium unter Führung von Wissenschaftlern aus Gatersleben hat bereits eine gründliche Inventur des Gerstengenoms vorgenommen und einen umfassenden Genkatalog erstellt. Über den Aufbau dieser „physikalischen Karte“ berichteten die Forscher um Nils Stein vom Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) im Fachjournal Nature (2012, Bd. 491, S.711). Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat den Aufbau dieser für Pflanzenzüchter wichtigen Ressource im Projekt GABI-BARLEX von 2007 bis 2011 mit 6,8 Millionen Euro unterstützt.

Beteiligt an dem BMBF-Projekt im Rahmen der Fördermaßnahme „GABI-FUTURE: Lebensbasis Pflanze – von der Genomanalyse zur Produktinnovation“ waren neben den Gerstenforschern aus Gatersleben auch Genomanalyse-Spezialisten vom Institut für Bioinformatik und Systembiologie am Helmholtz-Zentrum in München und vom Jenaer Fritz-Lipmann-Institut. 

Stück für Stück zum Genom-Puzzle

Ähnlich wie der Mensch besitzt die Gerste nur einen doppelten Chromosomensatz, was genetische Experimente erleichtert. Doch mit 5 Milliarden Basenpaaren (5,1 Gbp) ist das Gerstengenom fast doppelt so groß wie das des Menschen. Da es außerdem noch sehr viele sich wiederholende DNA-Abschnitte zwischen den Genen enthält, ist es schwierig das Genom vollständig zu entziffern. Die Wissenschaftler um Pflanzenforscher Nils Stein sind daher in den vergangenen Jahren ganz systematisch vorgegangen, um eine optimale Ausgangsbasis für die Genom-Sequenzierung zu schaffen: Sie haben eine sogenannte physikalische Karte ausgearbeitet.

Zunächst wurde das riesige Gerstengenom in rund 700.000 kleine DNA-Pakete aufgestückelt und die entstandenen Abschnitte in sogenannten Bacterial Artifical Chromosomes (BAC) „archiviert“. Hochmoderne Sequenzierautomaten halfen ihnen dabei, diese Informationen nach und nach anzuordnen. In aufwendiger molekularer Puzzlearbeit haben die Forscher so die Abfolge der BACs ermittelt.

Gen-Landkarte des Gerstenerbguts

„Auf Basis der physikalischen Karte und der stellenweise ausgelesenen Sequenzinformationen kennen wir nun nicht nur die Gensequenzen der Gerste, sondern wissen auch, welches Gen sich wo im Genom befindet“, erläutert Nils Stein. „Bei etwa 80 Prozent des Gerstengenoms handelt es sich um repetitive DNA, nur etwa 2 Prozent der Sequenz machen funktionelle Gene aus“, fasst er zusammen. „In der nun vorliegenden physikalischen Karte haben wir die Gene in ihrem genomischen Kontext dargestellt. Was uns noch fehlt, ist die Information zwischen den Genen.“ Das BMBF-Förderprojekt GABI-BARLEX repräsentiert den deutschen Beitrag des „International Barley Sequencing Consortium (IBSC)“. Zu diesem Konsortium haben sich im Jahr 2006 Forscher aus aller Welt unter deutscher Federführung zusammengeschlossen, um gemeinsam das große und komplexe Genom zu knacken. Beteiligt am IBSC sind außerdem Wissenschaftler aus den USA, Australien, Japan, China sowie weitere europäische Partner des „Barley Genome Net“. „Mithilfe der BMBF-Förderung hat das IPK in Gatersleben seine internationale Sichtbarkeit als Gersten-Forschungsinstitut weiter ausbauen können“, resümiert Nils Stein. Das IPK habe sich inzwischen zu einem über Deutschland hinaus gefragten Projektpartner entwickelt.

Wichtige Ressource für die Pflanzenzüchtung

Die in Nature veröffentlichte und frei zugängliche physikalische Karte verzeichnet die Reihenfolge und die Struktur der insgesamt mehr als 26.000 Gene im Gerstengenom. Pflanzenzüchtern liefert die Genkarte schon jetzt ein wichtiges Werkzeug an die Hand, etwa für die gezielte Erforschung und Charakterisierung interessanter Gene. Die Pflanzenforscher erhoffen sich langfristig wichtige Erkenntnisse, um beispielsweise agronomische Eigenschaften des Getreides wie Ertrag oder Resistenzen gegen Schädlinge zu verbessern. Die Gerste-Genkarte bildet auch die Grundlage zur Erfassung der natürlichen genetischen Vielfalt in den über 20.000 Samenmustern alter Gerstevarietäten, Landrassen und Wildgersten der bundesdeutschen Kulturpflanzengenbank des IPK. Der Katalog ist eine äußerst wichtige Ressource, um das Gerstengenom vollständig sequenzieren zu können. „Alle weiteren momentanen Forschungsprojekte zur Gerste bei uns im Haus profitieren von den Genominformationen “, sagt Stein. So zum Beispiel auch die laufenden Arbeiten des im Rahmen der aktuellen BMBF-Fördermaßnahme PLANT 2030 geförderten Projektes TRITEX. Hier werden weitere Weichen für die vollständige Sequenzierung des Gersten-Genoms gestellt.

Autor: Philipp Graf

Muttermilch gilt als perfekte Nahrung für Säuglinge – sie enthält neben Nährstoffen auch einen reichhaltigen Mix an natürlichen Gesundmachern. Dazu zählen humane Milchzucker. Sie fördern die Entwicklung der Darmflora und schützen die Neugeborenen vor Infektionen mit Krankheitserregern. Damit auch nicht gestillte Kinder gesund ernährt werden können, sind Hersteller von Babynahrung schon lange an solchen funktionellen Zusätzen für ihre Produkte interessiert. Bioingenieure von der Jennewein Biotechnologie GmbH haben nun ein Verfahren entwickelt, mit dem sich die Zuckermoleküle im Industriemaßstab herstellen lassen. Zu Zellfabriken umgewandelte Mikroben produzieren hierbei Fucosyllactose. Das BMBF hat das Familienunternehmen in der Fördermaßnahme BioChancePlus mit rund 1,1 Millionen Euro unterstützt. Viele namhafte Hersteller von Babynahrung gehören mittlerweile zu den Kunden.  

Muttermilch enthält für Neugeborene einen stärkenden Mix an Zuckermolekülen: Neben Lactose, die als Energiequelle dient, schwimmen in einem Liter Muttermilch bis zu zwölf Gramm humane Milch-Oligosaccharide (HMO). Bei diesen Oligosacchariden handelt es sich um mehr als einhundert verschiedene komplexe Mehrfachzucker. Unter ihnen befindet sich auch die sogenannte Fucosyllactose, die mit etwa 30 Prozent deren Hauptanteil ausmacht.

Milchzuckermoleküle wirken wie Täuschkörper

Untersuchungen bei Kindern deuten darauf hin, dass humane Milchzucker eine präbiotische Wirkung entfalten und dabei helfen, die junge Darmflora zu entwickeln. Zudem senkt ein hoher Fucosyllactose-Gehalt in der Muttermilch bei Neugeborenen das Risiko von Durchfallerkrankungen sowie viralen und bakteriellen Infekten. Ein Grund: Die in der Milch schwimmenden Zucker ähneln jenen Zuckerantennen, die auf den Hüllen von Körperzellen existieren. Wenn Viren oder Bakterien in den Verdauungstrakt gelangen, docken sie an diese Zuckerantennen an, um die Zellen zu attackieren. „Die Fucosyllactose-Zucker aus der Muttermilch wirken dabei wie molekulare Attrappen“, sagt Stefan Jennewein, Geschäftsführer der Jennewein Biotechnologie GmbH. Krankheitserreger steuern deshalb besonders häufig die Fucosyllactosen aus der Milch an und werden „abgefangen“. Sobald sich ein Erreger an die Fucosyllactose gebunden hat, wird er aus dem Körper gespült, ohne seine infektiöse Wirkung entfalten zu können.

Begehrter Zusatz für Baby-Milchnahrung

Schon seit langem suchen Hersteller von Babynahrung nach Wegen, die humanen Milchzucker industriell herzustellen und gezielt in Lebensmitteln anzureichern. Von diesen Zusätzen können vor allem Säuglinge profitieren, die nicht gestillt werden können. Doch wegen ihrer komplexen Molekülstruktur war man bisher nicht in der Lage, die humanen Milchzucker künstlich zu produzieren. So musste bis heute auf den Einsatz von  Fucosyllactose in Säuglingsnahrungs- und Kindernahrungsprodukten verzichtet werden. Die Jennewein Biotechnologie GmbH hat mit seinem Team in den vergangen Jahren erfolgreich ein biotechnisches Herstellungsverfahren entwickelt. Dazu haben die Forscher Bakterien gentechnisch so umgerüstet, dass sie fortan als Zucker-Zellfabriken arbeiten können. Gefüttert werden die Mikroorganismen in großen Produktionstanks mit Kohlenhydraten, die aus nachwachsenden Rohstoffen stammen. „Die Fucosyllactose geben die Mikroben in die Nährlösung ab“, erläutert Jennewein.

So wirksam wie das natürliche Vorbild

Um den Produktionsprozess zu optimieren, wurde das Unternehmen von 2008 bis 2012 vom BMBF im Rahmen der Initiative „BioChancePlus“ mit rund 1,1 Millionen Euro unterstützt. In einem neuen Projekt der BMBF-Fördermaßnahme „KMU-innovativ“ werden die Forscher wiederum noch bis 2015 mit rund einer Million Euro gefördert. Hier geht es darum, neue Glycosyltransferasen zu identifizieren, mit denen weitere humane Milchzucker durch mikrobielle Fermentation hergestellt werden können. „Wir wollen auf diese Weise einen Großteil der heute bekannten  humanen Milchzucker herstellen“, sagt Jennewein. Der biotechnologische Prozess sei nicht nur nachhaltig, sondern gewährleiste auch die notwendige Produktsicherheit. „Schließlich müssen unsere Zusatzstoffe für Babynahrung höchsten Qualitätsanforderungen genügen“, sagt Jennewein.

Manche Fleckvieh-Bullen sind augenscheinlich kerngesund. Doch eine winzige Veränderung im Erbgut lässt ihre Chance auf Nachwuchs gegen Null sinken: Auf Chromosom 19 haben Forscher aus Bayern einen Gendefekt gefunden, der sich auf die Qualität der Spermien auswirkt – und die Bullen damit unfruchtbar macht. Zum Nachweis der Mutation setzten die Forscher der Technischen Universität München auf modernste Sequenziertechniken. Mithilfe eines Gen-Checks kann fortan festgestellt werden, welche Rinder als Zuchttiere infrage kommen. Die Forscher berichten in PLOS Genetics (2014, Online-Veröffentlichung). Das BMBF hat die Arbeiten im Rahmen des Forschungsclusters „Synbreed“ von 2009 bis 2014 gefördert.

Das Fleckvieh stammt ursprünglich aus dem Alpenraum. Heute ist diese robuste Rinderrasse auf allen Kontinenten zuhause. Geschätzt sind es weltweit etwa 40 Millionen Tiere. In Deutschland leben etwa 1 Million Milchkühe der Fleckvieh-Rasse. „Ihre Genome lassen sich auf einige wenige Vorfahren, sogenannte Schlüsselahnen, zurückführen“, erläutert Ruedi Fries, Leiter des Lehrstuhls für Tierzucht an der Technischen Universität München (TUM). „Über die künstliche Besamung können männliche Zuchttiere mehr als hunderttausend Nachkommen hervorbringen.“

Mit mikroelektronischen Netzhaut-Implantaten Blinden ein Stück Sehfähigkeit zurückgeben, das versucht die Retina Implant AG in württembergischen Reutlingen. Die Chips sollen Menschen mit degenerativen Netzhauterkrankungen wieder einen Lichtblick verschaffen. Im Rahmen der Fördermaßnahme "KMU-innovativ" hat das BMBF die Erforschung und Erprobung des Netzhaut-Implantats unterstützt.

Allein in Deutschland leben etwa 130.000 blinde Menschen. Jedes Jahr erblinden 17.000 Menschen neu. Etwa ein Viertel davon ist an degenerativen Netzhauterkrankungen erblindet, bei denen die Sehzellen auf der Netzhaut absterben. Je nach Erkrankung sterben unterschiedliche Zellen ab: So engt sich bei Retinitis pigmentosa das Sehfeld von außen ein, bis praktisch nichts mehr übrig ist, während bei altersbedingter Makula-Degeneration die Sehschärfe zuerst in der Mitte des Sehfeldes abnimmt. Am Ende steht jedoch in beiden Fällen die klinische Blindheit. Es gibt bis heute keine Behandlungsmethoden, um das Absterben der Sehzellen zu verhindern. Mit der Diagnose einer solchen Erkrankung schwinden also alle Hoffnungen auf Besserung. Stattdessen wird zur Gewissheit, was nun kommen wird: Alltägliche Dinge wie Fernsehen, Lesen, das Nutzen von Computern, viele Hobbies oder der selbständige Gang in die Stadt werden erst sehr erschwert und dann oft unmöglich. Damit kommen nicht selten Arbeitsunfähigkeit, Frühpensionierung und ein Verlust der Selbstständigkeit mit Angewiesenheit auf Hilfe von Verwandten, Bekannten oder Pflegekräften. Die normale Teilhabe am Familienleben, am Arbeitsleben und am sozialen Leben wird stark eingeschränkt. Menschen, die erst im fortgeschrittenen Alter erblinden, fällt die Anpassung trotz aller zur Verfügung stehenden Hilfsmittel oft besonders schwer: Nur wenige lernen noch die Blindenschrift Braille und auch die Orientierung im Straßenverkehr mit Langstock muss man lange trainieren. Für die Betroffenen und auch für ihre Angehörigen ist die Diagnose daher ein schwerer Schlag.

Ein Stück Sehfähigkeit zurückgeben

Doch nun gibt es einen Lichtblick. Die Firma Retina Implant hat eine Möglichkeit entwickelt, um diesen Personen zu helfen und sogar bereits erblindeten Personen Sehfähigkeit zurück zu geben. Erste Versuche haben bereits gezeigt, dass es funktioniert: Nach Jahren der Blindheit konnten die Versuchspersonen Gegenstände erkennen, sich mit Hilfe der Augen alleine in der Außenwelt orientieren oder die Mimik einer nahestehenden Person das erste Mal bewundern. Die Seheindrücke sind dabei zwar nicht zu vergleichen mit denen eines normal sehenden Menschen - sie sind schwarz-weiß, eher grob gerastert und zudem nehmen sie nur eine kleine viereckige Fläche des normalen Gesichtsfeldes ein - aber für jemanden, der jahrelang gar nichts Brauchbares gesehen hat, sind sie dennoch überwältigend. Die Orientierung in fremden Räumen wird möglich. Man kann einen Gegenstand wiederfinden, den jemand anderes umgestellt hat. Und man sieht vielleicht zum aller ersten Mal, wenn auch noch so grob gerastert, wie die eigene Freundin einem zulächelt.
Möglich wird dies durch ein kleines Medizinprodukt, einen Netzhaut-Chip, der im Auge die Funktion der Sehzellen übernehmen kann. Die Methode ist daher grade für solche Blinde geeignet, die an einer degenerativen Netzhauterkrankung leiden, denn bei ihnen sind Sehnerven und die für das Sehen notwendigen Hirnregionen intakt. Das ist bei blind geborenen Menschen nicht der Fall, aber für den Netzhaut-Chip notwendig, denn er wandelt das in das Augen fallende Licht in elektrische Impulse um, die er in die Sehnerven speist - genau wie die Sehzellen selbst es täten. Diese Impulse werden dann ganz normal über die Nerven ins Gehirn geleitet, wo aus den Impulsen Seheindrücke entstehen.

Die Forschung am Netzhautchip

Es war eine Menge Forschungsarbeit notwendig, um zunächst einmal überhaupt festzustellen, was genau ein solches Produkt können muss. War es überhaupt möglich, einen solchen Fremdkörper an der richtigen Stelle dauerhaft zu implantieren? Welche Materialien ließen sich verwenden? Wie stark mussten die Impulse sein, die der Chip generiert, damit sie im Gehirn ankommen? 1995 gründete sich ein Forschungsverbund von Kliniken und Universitäten, vom BMBF unterstützt, um diese und weitere Fragen zu beantworten. Beteiligt waren neben vielen anderen die Universitäts-Augenkliniken Tübingen und Regensburg, das Naturwissenschaftliche und Medizinische Institut an der Universität Tübingen (NMI), das Institut für Mikroelektronik Stuttgart (IMS) sowie das Institut für Physikalische Elektronik der Universität Stuttgart. Über 10 Millionen Euro flossen über acht Jahre in die Förderung. Erst als deutlich wurde, dass tatsächlich eine Chance bestand, den ehrgeizigen Traum zu verwirklichen und blinde Menschen wieder sehen zu lassen wie in einem Science-Fiction Film, wurde die Retina Implant AG im Jahre 2003 aus dem Verbund heraus gegründet. Diese kleine Firma konnte sich dann ganz der schwierigen Aufgabe widmen, all die gesammelten Forschungsergebnisse in die Entwicklung eines funktionierenden und marktfähigen Implantats umzusetzen.

Frisches Körnerbrot oder leckere Nudelgerichte gehören für viele Menschen wie selbstverständlich bei Mahlzeiten dazu. Bei 250 Millionen Menschen weltweit verursacht solche Kost jedoch gravierende Gesundheitsprobleme. Der Grund: sie leiden unter Zöliakie – einer Unverträglichkeit des in vielen Getreidearten vorkommenden Klebereiweißes Gluten. Eine Therapie für die durch Gluten ausgelöste Darmentzündung gibt es nicht. Betroffene müssen daher strikt auf eine glutenfreie Ernährung achten. Doch die derzeit verfügbaren Tests zum Nachweis der toxischen Getreidebestandteile in Lebensmitteln sind sehr zeitaufwändig und weisen nur einen Teil des Glutens spezifisch nach. Der Forschungsverbund GLUTEVIS hat es sich daher zum Ziel gesetzt, ein optisches Messgerät zu entwickeln, das auch geringste Spuren von Klebereiweiß in Lebensmitteln zügig aufspüren kann. Das Vorhaben wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) bis ins Jahr 2016 mit 2,5 Millionen Euro gefördert.

Zwischen 150.000 und 400.000 Menschen leiden in Deutschland an Zöliakie. Dabei handelt es sich um eine Unverträglichkeit von verschiedenen Getreidespeicherproteinen, die als Gluten bezeichnet werden und beispielsweise in Weizen, Roggen und Gerste vorkommen. Bei Betroffenen reagiert der Körper mit einer Abwehrreaktion auf das aufgenommene Gluten. Die Folge ist eine Entzündung der Dünndarmschleimhaut, was wiederum die Nährstoffaufnahme beeinträchtigt. Symptome für eine Glutenunverträglichkeit sind unter anderem Durchfall, Bauchschmerzen, Gewichtsverlust oder Müdigkeit. Eine glutenfreie Ernährung ist daher für Menschen, die an Zöliakie erkrankt sind, das A und O.  Die Lebensmittelindustrie hat auch bereits eine Reihe von Produkten auf den Markt gebracht, die als „glutenfrei“ gekennzeichnet sind. Doch das Verfahren, um Gluten vollständig aus Getreideprodukten herauszulösen, ist schwierig und technisch sehr aufwändig. Zudem sind die bisher verfügbaren immunchemischen Analysemethoden nicht in der Lage, sämtliche Glutenkomponenten nachzuweisen und liefern daher nicht immer korrekte Ergebnisse.

In der Bioproduktion werden Mikroben oder Säugerzellen als lebende Mini-Fabriken eingesetzt. Die Produktionsstätten der Biotechnologie sind Bioreaktoren – große Hightech-Behälter aus Stahl oder Kunststoff, in denen die Organismen unter optimalen Bedingungen kultiviert werden. Ob jedoch das Produkt – sei es ein Enzym, Wirkstoff oder Biotreibstoff, in der gewünschten Qualität entstanden ist – wird in der Regel erst am Ende des Prozesses festgestellt. Diesen Check deutlich nach vorne zu verlagern und den Organismen direkt bei der Produktion zuzuschauen – das ist das Ziel der neuen strategischen Allianz „Wissensbasierte Prozessintelligenz“. Koordiniert vom Labor- und Prozesstechnologieanbieter Sartorius werden bundesweit 20 Partner aus akademischer Forschung und Industrie zusammenarbeiten. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert die Allianz mit rund 9 Millionen Euro.

Obwohl in der biotechnologischen Produktion bereits heute modernste Verfahrenstechnik zum Einsatz kommt – was im Bioreaktor gerade passiert, bleibt Biotechnologen bislang meist verborgen. „Häufig werden derzeit Bioprozesse in der Industrie fast blind geführt“, sagt Reinhard Baumfalk von Sartorius. Erst nachträglich werde getestet, ob die Organismen das gewünschte Produkt zuverlässig hergestellt haben. Das sei aufwendig und teuer zugleich, manchmal müssten sogar ganze Chargen verworfen werden. Herstellungsprozesse ließen sich auf diese Weise nicht kontinuierlich verbessern.

Eine neue Generation von biologisch aktiven Inhaltsstoffen für gesunde Nahrungsmittel und Kosmetikprodukte – darauf hat es die strategische Allianz „Natural Life Excellence Network 2020“ (NatLifE 2020) abgesehen. In dem von der Zwingenberger Brain AG geleiteten Netzwerk haben sich 22 Partner aus Wirtschaft und Hochschulen zusammengetan, um Forschung, Entwicklung und Produktion von natürlichen Inhaltsstoffen voranzutreiben. Das BMBF steuert zu der rund 30 Millionen Euro schweren Allianz die Hälfte des Betrags im Rahmen der „Innovationsinitiative industrielle Biotechnologie“ bei. Besonders beim Aufspüren der Substanzen aus riesigen Naturstoff-Sammlungen ist zellbiologisches Know-how gefragt.

Hustensaft oder auch Tee – in diesen zweifellos gesundheitsförderlichen Getränken stecken zahlreiche Bitterstoffe. Geschmacklich sorgen diese oft für Abstriche. Damit sie trotzdem genießbar sind, wird der bittere Geschmack meist mit viel Zucker oder Süßstoffen überlagert – was die Gesundheitsbilanz wiederum schmälert. Auf eine neue Generation von Geschmackswandlern aus der Natur hat es die Allianz NatLifE 2020 abgesehen. Die Partner in NatLifE 2020 fahnden nach Naturstoffen, die den bitteren Geschmack auf raffinierte Art und Weise überdecken und dazu noch gesund sind.

The focus of the strategic alliance “Natural Life Excellence Network 2020” (NatLifE 2020) is the new generation of biological active ingredients for healthy food and cosmetics products. Headed by Brain AG – a German biotech corporation from Zwingenberg in Hessen, 22 partners from economy and universities have come together to advance the research, development and production of natural ingredients. As part of the “Industrial Biotechnology Innovation Initiative”, the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) has contributed one half of the 30 million euro figure to the alliance. Cell biological expertise is particularly in demand when detecting substances from large accumulations of natural ingredients.

Cough mixture and also tea, which are undoubtedly health-promoting drinks, contain numerous bitter substances. This means they often taste unpleasant. To cover up the bitter taste, sugar or sweeteners are very often added to the mixtures to make them drinkable, which in turn reduce the health benefits. Allianz NatLifE 2020 is focusing on a new generation of sweeteners derived from nature. The NatLifE 2020 partners are searching for natural substances that cover up the bitter taste in an ingenious way and are still healthy.

Cells as taste testers in the lab

The biotechnology company from Zwingenberg Brain AG has developed a cell system based on human taste buds. “It focuses on the cells that are equipped with more than a dozen different bitter taste receptors. They can be propagated almost infinitely and stably in the laboratory,” says Michael Krohn, Unit Head of BioActives at Brain AG. The highlight: the cells are transformed through molecular biology and after pouring on different substances, depending on the activity of the receptors, the cells light up differently. “As a result, we have a cell-based assay system with which a huge collection of natural substances can be found according to their taste modulators,” says Krohn. So the researchers are currently looking for molecules that, for example, can mask a bitter taste.” The scientists are also concentrating on other tastes, such as sweetness, saltiness and fattiness. In addition, the scientists are also focusing on improved food formulations that contain fewer calories or have a lower salt content. The goal: a healthier life but the same consumer habits.

Specialists from companies and academia

The 22 consortium partners comprise of technology developers, SMEs and industrial corporations. Over the course of nine years, the partners will receive a total of around 30 million euros for the project, of which the BMBF has contributed half as part of the "Industrial Biotechnology Innovation Initiative”. Besides Brain AG, among the sponsored companies are Merck KGaA from Darmstadt, L.A. Schmitt GmbH AB Enzymes GmbH as well as Analyticon Discovery GmbH from Potsdam, which was bought by Brain in July 2014. Also participating in NatLifE 2020 are researchers from institutes of higher education from Munster, Gottingen, Potsdam, Greifswald, Würzburg, Fulda and the Ludwig Maximilian University of Munich.

Author: Philipp Graf

Jeder kennt die typischen roten Bläschen, wenn er Brennesseln berührt – die Haare der Blätter enthalten Histamin, einen Naturstoff, der allergische Reaktionen provoziert. Was in den meisten Fällen mit etwas Kühlgel behandelt werden kann, ist für Allergiker ein großes Problem, denn Histamine finden sich auch in vielen Lebensmittelsorten. Ein Forscherteam vom Naturwissenschaftlichen und Medizinischen Institut Tübingen (NMI) hat einen Schnelltest entwickelt, um den Histamin-Gehalt in Lebensmitteln festzustellen. Das Projekt Hista-Protect gehört zu den Siegern der Innovationsakademie  Biotechnologie des Bundesforschungsministeriums (BMBF) und wird von diesem mit 500.000 Euro gefördert.

Schwellungen, Atemnot und Kreislaufbeschwerden sind nur einige der möglichen allergischen Reaktionen auf Histamine. Der Naturstoff bewirkt unter anderem, dass das Gewebe bei Entzündungsreaktionen anschwillt, und kommt natürlich in den verschiedensten Lebensmitteln vor: geräuchertem Fleisch und Fisch, Bier, Wein und gereiftem Käse, aber auch Erdbeeren, Tomaten, Sauerkraut und sogar Schokolade. Zwei Prozent der Deutschen leiden an einer Histaminunverträglichkeit, doch die Dunkelziffer ist vermutlich höher. „Bei manchen ist die Allergie sehr schwach“, sagt Oliver Poetz, Arbeitsgruppenleiter am NMI. „Sie sagen dann einfach: Ich vertrage keinen Rotwein, oder ich vertrage keinen Käse.“

Nicht nur für die Welternährung – auch aus genetischer Perspektive ist Weizen ein Koloss: Er besitzt ein riesiges und äußerst schwer zu ergründendes Erbgut. Deshalb ist das Weizengenom auch immer noch nicht komplett entziffert. Nach jahrelanger Tüftelarbeit sind Pflanzenforscher weltweit bei diesem Mammutprojekt endlich auf der Zielgeraden: Das internationale Weizengenom-Sequenzierkonsortium (IWGSC) hat das Erbgut des wichtigsten Brotgetreides detailliert vermessen und eine molekulare Überblickskarte im Fachjournal Science (2014, Bd.345, Ausg. 6194) vorgestellt. Beteiligt an diesen Analysen sind auch Genomforscher um Klaus Mayer vom Helmholtz Zentrum München und Nils Stein vom IPK Gatersleben. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat die Forscher im Rahmen der Fördermaßnahme "Plant 2030" mit einer Millionenförderung unterstützt.

Der Brotweizen Triticum aestivum gilt als der wichtigste Kohlenhydrat- und Proteinlieferant für die Weltbevölkerung. Schwindelerregend sind auch die molekularen Kennziffern des Weizens: Das auf 21 Chromosomen verteilte Genom ist mit 17 Milliarden Basenpaaren (17 Gigabasenpaare) fast sechsmal so groß wie das Erbgut des Menschen. Das wäre für die modernen Sequenziermaschinen eigentlich problemlos zu bewältigen. Doch das Weizenerbgut liegt im Zellkern gleich noch in sechs Kopien vor (hexaploid). Es ist dazu noch äußerst komplex aufgebaut. So stellt es einen Mix aus drei verschiedenen Vorläufergenomen (Subgenome A, B und D) dar: Im Laufe der Evolution haben sich die Erbsubstanz dreier verschiedener Gräserarten miteinander vermischt.

Genom in seine einzelnen Chromosomen zerlegt

Diese Komplexität hat sich als harte Nuss erwiesen auf dem Weg, die komplette Genomsequenz von Weizen zu entziffern. Doch die Kenntnis der Erbgutinformation ist ein Schlüssel, den Pflanzenzüchter zur Entwicklung neuer und anpassungsfähiger Sorten dringend benötigen. Seit den 1980er Jahren hinken die Möglichkeiten der Weizengenetik denen bei anderen Nutzpflanzen hinterher. Ein internationales Konsortium hat sich deshalb daran gemacht, das Weizengenom im Detail auseinanderzunehmen und das Erbgut vollständig zu entschlüsseln. Dazu hieß es zunächst: kleinere Brötchen backen. Zwar hatten die Forscher bereits 2012 im Fachjournal Nature eine erste Inventur der genetischen Ausstattung des Brotweizens vorgelegt. Doch hieraus ging nicht hervor, wo im Genom welches Gen tatsächlich verortet ist. Deshalb haben die Forscher das gigantische Genom in seine kleineren Einheiten, nämlich seine 21 einzelnen Chromosomen, zerlegt. Ihre Überblickskarte mit der vorläufigen Gensequenzen stellen sie nun in Science vor. Ein Chromosom, 3B, haben sie zudem vollständig entziffert und damit eine erste Referenzsequenz vorgelegt.

Im Kampf gegen die Ebola-Epidemie in Westafrika wurde ein experimentelles Medikament über Nacht berühmt: ZMapp. Das Präparat der kalifornischen Firma Mapp Biopharmaceutical ist ein Mix aus drei Antikörpern, die gegen das tödliche Virus gerichtet sind. Vier von bisher sechs Ebola-Patienten hat der verabreichte Cocktail womöglich bereits geholfen. Das Besondere: die Antikörper für ZMapp werden in Tabakpflanzen hergestellt. Entwickelt hat das Verfahren für die „Plantibodies“ die Firma Icon Genetics GmbH aus Halle an der Saale. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat sie vor Jahren im Rahmen der InnoRegio-Förderung unterstützt. Icon Genetics setzt seine pflanzlichen Antikörperfabriken ein, um eine personalisierte Immuntherapie gegen Krebs weiterzuentwickeln.

Mit den Schlagzeilen um ZMapp war Anfang August  auch plötzlich das 14-köpfige Unternehmen Icon Genetics in den Fokus der öffentlichen Aufmerksamkeit geraten. Denn aus Halle stammt eben das molekularbiologische Know-how, mit dem sich Tabakpflanzen in effiziente Fabriken für Antikörper und andere therapeutische Proteine („Plant-made Pharmaceuticals“) verwandeln lassen.

„Mapp und insbesondere Kentucky BioProcessing, eine Firma mit riesigen Tabak-Gewächshäusern in Owensboro, nutzen unsere Plattform schon seit vielen Jahren“, sagt Viktor Klimyuk, der Manager von Icon Genetics. Da die drei Unternehmen eine Kooperation pflegen, stehen sie auch derzeit regelmäßig in Kontakt und beraten sich auch über den Fortgang des Anti-Ebola-Projekts. Bei Kentucky BioProcessing ist man derzeit dabei, die Produktion anzukurbeln, um Nachschub für den inzwischen erschöpften ZMapp-Vorrat liefern zu können.

Enzyme stehen schon lange im Dienste des Menschen und führen Reaktionen aus, die chemisch nur schwer zu bewerkstelligen sind. Das Potenzial vieler pflanzlicher Enzyme jedoch liegt bis heute brach, denn sie lassen sich schwer in den gängigen Industrieprozessen nutzen. Vier Akteure auf diesem Gebiet haben sich im Projekt AELMON zusammen geschlossen, um die katalytischen Eigenschaften von pflanzlichen P450-Enzymen für die industrielle Nutzung zu erschließen. In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Kombi-Projekt aus grüner und weißer Biotechnologie etabliert das Konsortium ein Verfahren, damit diese Enzyme zukünftig auch in gängigen Expressionssystemen hergestellt werden können.

Enzyme sind zu unersetzbaren Helfern der Industrie geworden. Sie werden zur Produktion von Lebensmitteln und Medikamenten eingesetzt, verrichten Ihre Dienste als Reinigungskraft in Waschmitteln und sind auch in der modernen Analytik nicht mehr wegzudenken. Doch pflanzliche Enzyme sind oft nur begrenzt verfügbar, da sie in den gängigen Expressionssystemen wie Hefen oder Bakterien meist nicht oder nicht in ausreichenden Mengen funktionsfähig hergestellt werden – dazu gehören auch P450-Enzyme, die Hauptakteure des AELMON-Projekts.

Vielfältig anwendbare Enzym-Klasse

P450-Enzyme führen Oxidationsreaktionen durch, indem sie Sauerstoff aus der Luft in den Ausgangstoff einbringen. Dadurch werden beispielweise Medikamente im menschlichen Körper durch die Aktivität der immer vorhandenen P450 wasserlöslicher – sprich hydrophiler, und können besser vom Körper aufgenommen und im Blut transportiert werden. Das neue Konsortium hat zum Ziel, ein allgemeingültiges Produktionsverfahren zu etablieren und an ausgewählten P450 Enzymen die Herstellung funktionalisierter Terpene und Fettsäuren zu zeigen; Produkte, die nicht nur Modellcharakter haben, sondern beispielweise auch für die pharmazeutische sowie die Klebstoff- und Polymerindustrie von hohem Interesse sind.

Sie sind mannshoch, leuchtend gelb und sie wenden sich der Sonne zu. Sonnenblumen sollen in Zukunft verstärkt als Energiequelle genutzt werden. Im Rahmen des Projekts „Sunrise“ untersuchen Forscher von der Universität Hohenheim, mit welchen züchterischen Kniffen die Pflanze gesund bleibt. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert die auf drei Jahre angelegten Forschungsverbund an der Landessaatzuchtanstalt mit knapp 254.000 Euro. Beteiligt sind neben der Uni Hohenheim die Technische Universität München, die KWS Saat AG in Einbeck und die Trait Genetics GmbH in Gatersleben.

Von den deutschen Feldern ist die Sonnenblume so gut wie verschwunden. Nur noch wenige Landwirte bauen die leuchtend gelbe Pflanze an. Der Grund: Die Sonnenblume neigt zu Krankheiten und bringt deshalb keine zuverlässigen Erträge. Doch die Nachfrage an Pflanzenölen und Biodiesel steigt weltweit. Damit keine Versorgungslücke entsteht, müssen neue Rohstoffe effizienter nutzbar gemacht werden. Deshalb will der Zuchtforscher Volker Hahn von der Landeszuchtanstalt an der Universität Hohenheim krankheitsresistente Sorten züchten – und der Sonnenblume zu einem Comeback als Ölpflanze verhelfen.

Während in Amerika und Asien Soja- und Palmöl zur Erzeugung von Biodiesel verwendet werden, ist in Europa der Raps die wichtigste Ölpflanze. Doch die Sonnenblume holt auf: Bereits zehn Prozent des in Europa erzeugten Biodiesels bestehen aus Sonnenblumenöl (Sonnenblumenöl-Methylester). „Im Moment werden nur so viele Pflanzenöle erzeugt, dass das Angebot gerade noch der Nachfrage begegnet. Weil die Nachfrage aber jährlich steigt, müsste die Produktion jedes Jahr um 1,5 Prozent wachsen. Dafür brauchen wir die Sonnenblume“, sagt  Volker Hahn von der Landessaatzuchtanstalt an der Universität Hohenheim. Großer Vorteil der gelben Ölpflanze: Sie ist wärmeliebend und deshalb den Herausforderungen des Klimawandels gewachsen.

Per Gen-Check Krankheitsanfälligkeiten aufdecken

Auf den Feldern der Versuchsstation Eckartsweier in der Nähe von Kehl hat Volker Hahn Sonnenblumen gepflanzt. „Ich infiziere alle mit einer Krankheit und sehe dann, welche Pflanzen daran erkranken und welche nicht“, erklärt der Züchter. Anschließend nimmt er Proben der Zuchtpflanzen mit ins Labor.

Dort isoliert er die DNA der einzelnen Pflanzen und kann anhand markanter Stellen in der Erbsubstanz eingrenzen, auf welchem Abschnitt das betroffene Gen sitzt. „Wenn wir wissen, welcher DNA-Abschnitt eine Sonnenblume krankheitsanfällig oder resistent macht, können wir die Züchtung gesunder Pflanzen wesentlich erleichtern“, sagt der Forscher. Für die Auswertung der Felddaten helfen ihm mehrere statistische Softwareverfahren, die teilweise an der Universität Hohenheim entwickelt wurden.

Sind die markanten Stellen in der Erbsubstanz einmal identifiziert, kann der Wissenschaftler mit dieser Erkenntnis auf zwei Arten umgehen: Eine Möglichkeit ist diejenigen Pflanzen, die keine anfälligen Gene besitzen, miteinander zu kreuzen und so krankheitsresistente Nachkommen zu züchten.

Gesunde Nachfahren durch Befruchtungstrick

Doch neben der Auswahl nach dem Gen-Check gibt es eine zweite Möglichkeit: Reinerbig gesunde Sonnenblumen könnten theoretisch auch durch einen Trick bei der Befruchtung erzeugt werden. „Statt zwei gesunde Pflanzen zu kreuzen, können wir Pflanzen züchten, die allein aus der DNA einer gesunden Mutterpflanze bestehen. Möglich ist das, wenn der Samen der Vaterpflanze die Teilung der Mutter-DNA zwar in Gang setzt, sich aber in der Eizelle gar nicht einnisten kann“, erklärt Volker Hahn. Diese pflanzen werden Doppelhaploide genannt. Beim Mais wird dieser Trick schon lange angewandt, bei der Sonnenblume funktionierte er bisher nicht. 

Das will Volker Hahn mit diesen beiden Strategien ändern. Für ihn steht fest: „Am schnellsten kommen wir mit einer Kombination aus Selektion und Doppelhaploiden zu krankheitsresistenten Sonnenblumen."

Autorin: Fabienne Hurst

Corynebacterium glutamicum ist seit gut 50 Jahren ein echtes Arbeitstier der Biotechnologie – es produziert jedes Jahr 2,3 Millionen Tonnen des Geschmacksverstärkers Glutamat. Doch das Potenzial der vielseitigen Mikrobe ist noch lange nicht ausgeschöpft. Die Wissenschaftler des Projekts „FlexFit“ wollen die Fähigkeiten des Bakteriums weiter verbessern, um Produkte noch effizienter zu erzeugen. Hierfür haben sich Mikrobiologen, Biochemiker, Ingenieure und Systembiologen im Rahmen der Förderinitiative GenoMik-Transfer zusammengeschlossen. Bis August 2012 wird das Forscherkonsortium mit rund 3,3 Millionen Euro vom BMBF gefördert.

Neben dem Hauptprodukt Glutamat, das auch den Namen des Einzellers prägte, werden mit Hilfe des Bakteriums noch weitere Substanzen, insbesondere die Aminosäure Lysin mit 1,5 Millionen Tonnen pro Jahr industriell produziert. „Durch seine vorteilhaften Eigenschaften und die breite Produktpalette hat sich Corynebacterium glutamicum zu einem Plattform-Organismus der weißen Biotechnologie entwickelt,“ erklärt Michael Bott vom Forschungszentrum Jülich die Bedeutung des Bakteriums. Er koordiniert das Projekt, an dem Gruppen der Universitäten Ulm, Bielefeld, Köln, Bochum und Erlangen-Nürnberg sowie des Forschungszentrums Jülich beteiligt sind.

Unter den erneuerbaren Energieträgern gilt Biomasse – also Pflanzen sowie pflanzliche und tierische Reststoffe und Abfälle – als Alleskönner. Denn sie lässt sich zur Erzeugung von Wärme, Strom und Kraftstoffen einsetzen. Typisch für feste Bioenergieträger sind Holzbrennstoffe wie beispielsweise Holzhackschnitzel oder Holzpellets. Zu den flüssigen Bioenergieträgern zählen Biokraftstoffe wie Pflanzenöl, Biodiesel oder Bioethanol. Biogas und Biomethan machen die gasförmigen Energieträger aus. Neben der großen Vielfalt und Flexibilität gilt als weiteres Plus: Biomasse ist speicherbar und Bioenergieanlagen sind flexibel regelbar. So bergen sie das Potential, bei der Stromerzeugung die schwankende Verfügbarkeit anderer regenerativer Energiequellen wie Windkraft und Solarenergie auszugleichen.

2016 hielten die Erneuerbaren Energien 31,7% am gesamten Stromverbrauch, 13% am gesamten Endenergieverbrauch für Wärme und erreichten 5,2% im Verkehrsbereich (BMWi 2017). Bioenergie ist aktuell insbesondere dort im Einsatz, wo es um Wärmegewinnung geht. 36,7% der Bioenergie, die in Deutschland genutzt wird, fallen als Wärme an. Für die Wärmeerzeugung ist Biomasse mit rund 88% die mit Abstand bedeutendste regenerative Energiequelle. Im Strombereich ist Biomasse mit 8% der Bruttostromerzeugung hinter der Windkraft die zweitwichtigste erneuerbare Energiequelle.

Biomass – plants as well as plant and animal residue and waste – is valued among renewable energy carriers for its versatility: it can be used to produce heat, electric power and fuel. Wood fuels are typical for solid bioenergy carriers: for example, wood chips and shavings and wood pellets. Liquid bioenergy carriers include biofuels such as plant oil, biodiesel fuel and bioethanol. Biogas and biomethane constitute the gaseous energy carriers. In addition to the great diversity and flexibility of biomass, there is an additional benefit: biomass can be stored, and bioenergy systems can be flexibly controlled. As a result, they offer the potential of compensating for the fluctuating availability of other regenerative energy sources such as wind power and solar energy.

According to data from the Working Group on Renewable Energy Statistics (AGEE-Stat), Germany in 2013 covered 12.3 % of its final energy consumption with renewable energy. Bioenergy, with a share of 62 % of renewable sources, represented the greatest renewable contribution. As a share of final energy consumption, bioenergy covered 7.7 %. Currently, bioenergy is especially widely used for heat production: of bioenergy used in Germany, 36.7 % is used in the form of heat. For provision of heat, biomass is by far the most important regenerative energy source: it supplies approximately 80 %. In the electric-power area, biomass is the second most-important source of renewable energy: it provides 8 % and ranks second only to wind energy.