Klimawandel und Artensterben sind die größten Herausforderungen unserer Zeit. Die Treibhausgasemissionen zu drosseln, ist eine Aufgabe, für die sich Dirk Messner als Präsident des Umweltbundesamtes mit Hauptsitz in Dessau stark machen will. Der renommierte Politikwissenschaftler und Nachhaltigkeitsforscher sieht die Bioökonomie als einen wichtigen Motor, um von fossilen Rohstoffen wegzukommen und Ressourcen nachhaltig zu nutzen. Dabei sollte auch der bioökonomische Wandel stehts kritisch betrachtet werden.
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Climate change and species extinction are the greatest challenges of our time. Reducing greenhouse gas emissions is a task that Dirk Messner, as President of the Federal Environment Agency (UBA), wants to take up. The renowned political scientist and sustainability researcher sees the bioeconomy as an important driver for moving away from fossil fuels and using resources sustainably. In this context, bioeconomic change should also be viewed critically at all times.
Peptide sind kleine Eiweißmoleküle, die aus bis zu 100 Aminosäuren zusammengesetzt sind. Sie wirken auf vielseitige Weise: In der Pharma- und der Kosmetikindustrie sind sie als Wirkstoffe oder bioaktive Zusätze für Cremes und Salben gefragt. Auch für technische Anwendungen sind Peptide geeignet, etwa für den Einsatz in Klebstoffen oder für die Beschichtung von Oberflächen. Das große wirtschaftliche Potenzial der Peptide wird bisher in der Industrie nicht annähernd ausgeschöpft. „Das Problem ist, dass die Herstellung von Peptiden durch chemische Synthese sehr teuer ist.“ sagt Christian Schwarz, einer der beiden Gründer der NUMAFERM GmbH. Bei der chemischen Synthese werden für ein Kilogramm Peptid viele Tonnen an Rohstoffen benötigt, darunter Feinchemikalien und organische Lösungsmittel. „Das ist für viele industrielle Anwendungen unwirtschaftlich und passt aus unserer Sicht nicht in das Zeitalter der Bioökonomie“, so Schwarz weiter.
Eine lohnende Entdeckung
2009 entdeckte Christian Schwarz als Doktorand an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) eine Methode, die es möglich macht, Peptide im richtigen Moment durch die Zellwand eines Bakteriums zu schleusen. Dies ist günstiger und nachhaltiger als die chemische Synthese. Viele Biotechnologie-Unternehmen nutzen die gentechnisch spezialisierten Bakterien bereits seit vielen Jahren als Produzenten zur Herstellung von Proteinen, den viel größeren Verwandten der Peptide. Proteine können sich allerdings durch ihre komplexe Struktur vor den, Protease genannten, Enzymen im Inneren eines Bakteriums schützen, wohingegen die kleineren Peptide meist bereits während der Produktion wieder von den Proteasen zerstört werden. Die von Christian Schwarz entwickelte Technologie setzt hier an. Es existiert genau eine Stelle, die frei von Proteasen ist: die unmittelbare Umgebung des Bakteriums Escherichia coli. Das Team aus Forschenden um Christian Schwarz hat das Bakterium E. coli so umfunktioniert, dass es gewünschte Peptide in großer Menge herstellen und sie dann in diese von Proteasen freie Umgebung abgeben kann. Hier können die Produkte leicht geerntet werden.
Von der Universität zum Start-Up
Schwarz wurde für seine Doktorarbeit in der Folge mit dem Deutschen Studienpreis ausgezeichnet und begann zunächst für die Entwicklung neuer Produkte auf Peptidbasis neben den pharmakologischen und antimikrobiellen Eigenschaften auch die adhäsiven Kräfte – also die Klebeeigenschaften – der Biomoleküle ins Visier zu nehmen. „In dem Projekt ‚pep2bond‘ ging es darum, spezielle Peptide herzustellen, mit denen man schwer zugängliche Metalloberflächen besser vor Korrosion schützen kann.“ sagt Christian Schwarz. „Solche Antikorrosionsmittel sind etwa in der Automobilindustrie von großer Bedeutung. Oft gelangen diese Mittel aber nicht an alle Stellen der gefertigten Metallteile oder der Schutzfilm haftet nicht fest genug.“ In der zweijährigen Machbarkeitsphase entwickelten die Düsseldorfer Forscher um Christian Schwarz daher zusammen mit Mikrobiologen des Konsumgüter-Konzerns Henkel sogenannte peptidbasierte Biokonjugate. Während die Biotechnologen von der Universität Düsseldorf dazu ihre Peptide als Rohmaterialien bereitstellten, koppelten die Forscher von Henkel die Eiweißmoleküle mittels Klick-Chemie an die hauseigenen Polymere.
„Die Peptide sorgen dafür, dass die Moleküle fester und spezifischer an offenen Stahloberflächen binden“, erläutert Schwarz. Im Rahmen der Machbarkeitsphase konnten die Biokonjugate erfolgreich hergestellt werden. Der Rohstoff „Peptid" wird dabei mit dem von Christian Schwarz entwickelten, innovativen Bioverfahren der HHU hergestellt. Ferner wurde das adhäsive Peptid in Kooperation mit Henkel für einen industriellen Einsatz optimiert. Das Bundesforschungsministerium (BMBF) förderte das Projekt „pep2bond“ im Rahmen der Fördermaßnahme „Neue Produkte für die Bioökonomie“ in Sondierungs- und Machbarkeitsphase von 2015 – 2017 mit rund 540.000 Euro. Neben der Förderung durch das BMBF hat das Projekt auch von einer Exist-Förderung des Bundeswirtschaftsministeriums profitiert.
Im Jahr 2017 wurde das Start-Up NUMAFERM GmbH als Spin-off der Universität Düsseldorf von Christian Schwarz und Phillip Bürling als kaufmännischem Geschäftsführer gegründet. „Am schwierigsten war es, Menschen und Organisationen zu überzeugen, in deine Idee zu investieren. Die Forschung muss dann erstmal zurückstehen, weil man so viel damit beschäftigt ist, mit potenziellen Geldgebern zu sprechen.“ erläutert Schwarz die Anfangszeit der Ausgründung. 2018 wurde NUMAFERM mit dem hochdotierten „Start me up!“ Gründerpreis ausgezeichnet.
Nach 2015 und 2018 ist es bereits das dritte Forum mit Bioökonomie-, Innovations- und Nachhaltigkeitsexperten aus aller Welt: Das Gipfeltreffen der globalen Bioökonomie – der Global Bioeconomy Summit (GBS) – findet in diesem Jahr pandemiebedingt nicht wie geplant in Berlin, sondern rein virtuell statt. Finanziert wird das digitale Konferenz-Event mit mehr als 1.000 Teilnehmenden durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF).
Breitgefächertes Programm
Anders als bei den Vorgängern wird der GBS 2020 diesmal nicht vom deutschen Bioökonomierat veranstaltet, sondern vom International Advisory Council on Global Bioeconomy (IAC), einem Gremium, das sich im Rahmen des ersten GBS im Jahr 2015 formiert hat und seitdem an der Organisation der Summits beteiligt ist.
Mit fünf Plenar-Sessions und 12 Workshops bietet die Konferenz eine breite Plattform, um die aktuellen gesellschaftlichen und politischen Herausforderungen aus der Sicht der Bioökonomie zu diskutieren. Mehr als 100 hochkarätige Sprecherinnen und Sprecher konnten für den Summit gewonnen werden, darunter Regierungsvertreter, internationale Politikexperten sowie hochrangige Wissenschafts- und Industrievertreter. Erstmals werden beim GBS die "Bioeconomy Youth Champions" gekürt. Zur Teilnahme an diesem Wettbewerb haben sich mehr als einhundert junge Bioökonomie-Akteure aus aller Welt beworben, acht davon werden ausgezeichnet.
The population of large freshwater animals - weighing at least 30 kilograms - declined by 88 percent between 1970 and 2012. This is the alarming result of a large-scale study conducted by researchers from the Leibniz Institute for Freshwater Ecology and Inland Fisheries. According to the study, population losses are twice as high as for vertebrates on land and in the sea, as the researchers report in the journal "Global Change Biology". Large fish species such as sturgeon, salmon fish and giant catfish are most affected.
Overexploitation and dams are the problem
The researchers identify as a major cause the overexploitation of species, whether for meat and caviar consumption or as a result of the use of skins for luxury articles and medical devices. However, there is another important cause: "The decline of large fish species is also attributed to the loss of free-flowing rivers as access to spawning and feeding grounds are often blocked by dams," says Fengzhi He, an expert on biodiversity patterns and the protection of freshwater megafauna at the IGB. Nevertheless, another 3700 large dam projects are being planned or under construction worldwide, which will exacerbate this situation. "More than 800 of these planned dams are located in diversity hotspots of freshwater megafauna, including Amazon, Congo, Mekong and Ganges river basins," continues He.
Protection projects with success
The researchers are hopeful that protection efforts will prove successful. In the USA, for example, the populations of 13 large freshwater species are stable or growing. In Europe, there are less large-scale protection strategies - perhaps because of political borders. For example, the study can only point to partial successes in the reintroduction of the European beaver and to attempts to reintroduce the European and Atlantic sturgeon.
Insufficient measures
Overall, the protective measures are very inadequate. "According to the International Union for Conservation of Nature’s Red List of Threatened Species, over half of all assessed freshwater megafauna species are considered as threatened with extinction. Nonetheless, they receive less research and conservation attention than megafauna in terrestrial or marine ecosystems," warns Jähnig. In addition to the protection of freshwater species, monitoring them is also important: Changes in animal populations and their distribution are early indicators of the condition of the ecosystems as a whole.
bl/um
Es ist die erste Untersuchung ihrer Art. Sie widmet sich speziell der Entwicklung der globalen Tierpopulationen in Wäldern. Als Hauptursache für den Rückgang nennen die Autoren den durch Menschen verursachten Lebensraumverlust. Entwaldung und Degradierung der Wälder seien zu 60% für den Einbruch der Tierbestände verantwortlich. Besonders dramatisch sei die Entwicklung in den Tropen.
Laut der Studie sind Amphibien und Reptilien die Arten, die am meisten unter dem Rückgang ihres Lebensraums leiden. Aber auch die Populationen von Säugetieren wie Affen oder Waldelefanten ging zurück. Es werden aber auch Beispiele genannt, in denen sich Arten wieder erholen konnten. Bei Gorillas in Zentral- und Ostafrika etwa wird von einem Wiederanstieg der Zahl ausgegangen, dazu hätten Schutzmaßnahmen beigetragen. Auch den Kapuzineraffen in Costa Rica gehe es besser. Zugenommen habe außerdem die Zahl der Vögel.
Der WWF untersuchte die Daten von 268 Wirbeltierarten und 455 Populationen. Aufbauend auf der Methodik des Living Planet Reports wurde – gemeinsam mit dem UN-Weltüberwachungszentrum für Naturschutz (UNEP-WCMC) und der Zoological Society of London (ZSL) – der „Forest Specialist Index“ entwickelt. Es handelt sich dabei um den ersten Indikator, der eine repräsentative Darstellung der Gesundheit der globalen Waldökosysteme liefert. Die Daten beziehen sich auf den Zeitraum zwischen 1970 und 2014, dem letzten Jahr, aus dem entsprechende Daten vorliegen.
It is the first study of its kind. It is specifically dedicated to the development of global animal populations in forests. The authors cite the loss of habitat caused by humans as the main cause of the decline. Deforestation and forest degradation are responsible for 60% of the collapse of animal populations. The development in the tropics is particularly dramatic.
According to the study, amphibians and reptiles are the species that suffer most from the loss of their habitat. But the populations of mammals such as monkeys and forest elephants have also declined. However, there are also examples where species have been able to recover. This is the case with gorillas in Central and East Africa, where the number is expected to rise again - not least thanks to conservation measures. The capuchin monkeys in Costa Rica are also doing better. The number of birds had also increased.
The WWF investigated 268 vertebrate species and 455 populations. Based on the methodology of the Living Planet Report, the "Forest Specialist Index" was developed in cooperation with the UN World Monitoring Centre for Nature Conservation (UNEP-WCMC) and the Zoological Society of London (ZSL). This is the first indicator to provide a representative account of the health of global forest ecosystems. The data refer to the period between 1970 and 2014, the last year from which corresponding data are available.
Der Bedarf an Flächen für den Anbau von Nahrungsmitteln wächst. Allerdings lassen Erosion und Klimawandel die verfügbaren Flächen eher schrumpfen. Zugleich steigt die Konkurrenz um die Nutzung dieser Flächen, beispielsweise für Energiepflanzen oder Rohstoffpflanzen für die chemische Industrie. Ein Lösungsansatz könnte die sogenannte vertikale Landwirtschaft sein, bei der Obst und Gemüse in Etagen angebaut werden. Die Pflanzen wachsen in kontrollierter Umgebung bei Tageslicht oder künstlichem Licht in Nährlösungen und benötigen keine Ackerfläche oder -böden. Aber würden die Verbraucher auf diese Weise erzeugte Produkte akzeptieren?
Lieber große als kleine Anbausysteme
In einer jetzt im Fachjournal „Sustainability“ veröffentlichten Studie haben Wissenschaftler der Georg-August-Universität Göttingen eine Antwort auf diese Frage gesucht. 482 Verbraucherinnen und Verbraucher aus Deutschland haben sie dafür zu drei unterschiedlich großen horizontalen Anbausystemen befragt: ein kühlschrankgroßes Gerät für den Privatgebrauch, ein mittelgroßes Gewächshaus, das in Supermärkten steht, sowie eine vertikale Farm, die in ehemalige Industriegebäude gebaut werden kann. Dabei zeigte sich, dass die Testpersonen größere Systeme für nachhaltiger hielten als kleinere und deren Produkte deshalb besser akzeptierten. Denn Umweltfreundlichkeit, da waren sich 81% der Teilnehmer einig, sei ein wesentliches Kriterium.
Durchschnittliche Akzeptanz trotz geringer Bekanntheit
Obwohl nur 7% der befragten Personen vorher schon von vertikaler Landwirtschaft gehört hatten, würde der Studie zufolge dennoch jeder Zweite Obst oder Gemüse kaufen, das auf diese Weise angebaut worden ist. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass bei der Entwicklung der vertikalen Anbausysteme der Fokus insbesondere auf die Nachhaltigkeit gelegt werden sollte. Nur Systeme, die wirklich umweltfreundlich sind, werden die Verbraucher überzeugen“, resümiert die Hauptautorin der Studie, Kristin Jürkenbeck.
bl
The need for land for the cultivation of food is growing. However, erosion and climate change cause available land areas to shrink, instead. At the same time, competition for the use of these areas is increasing, for example for energy crops or raw material crops for the chemical industry. One possible solution could be so-called vertical agriculture, in which fruit and vegetables are cultivated in layers. The plants grow in a controlled environment in daylight or artificial light in nutrient solutions and do not require arable land or soil. But would consumers accept products grown in this way?
Large rather than small cultivation systems
In a study now published in the specialist journal "Sustainability", scientists from the Georg-August-Universität Göttingen sought an answer to this question. 482 consumers from Germany asked them about three horizontal cultivation systems of different sizes: a refrigerator-sized appliance for private use, a medium-sized greenhouse in supermarkets and a vertical farm that can be built in former industrial buildings. It was shown that the test persons considered larger systems to be more sustainable than smaller ones and therefore accepted their products better. 81% of the participants agreed that environmental friendliness was an important factor.
Average acceptance despite low level of awareness
Although only 7% of respondents had previously heard of vertical farming, the study found that one in two would still buy fruit or vegetables grown in this way. "Our results show that the development of vertical farming systems should focus in particular on sustainability. Only systems that are truly environmentally friendly will convince consumers," sums up Kristin Jürkenbeck, the main author of the study.
bl/um
Der Mensch ist den Bienen zugetan - das zeigt sich nicht zuletzt an den Liedern und Geschichten, in denen die Insekten verewigt sind. Nun soll die innerartliche Vielfalt der Honigbiene dokumentiert und erhalten werden. Proben von 300 Völkern werden in der Biobank kryokonserviert. Konkret werden DNA-Proben, Spermaproben sowie vollständige Individuen eingefroren. „Die Sequenzierung des kompletten Genoms ist aktuell noch zu teuer, aber wir nutzen einen von uns entwickelten molekulargenetischen Test, mit dem 100.000 Einzelnukleotidpolymorphismen – kurz SNP – registriert werden können”, so Kaspar Bienefeld, Leiter des Länderinstituts für Bienenkunde Hohen Neuendorf gegenüber biooekonomie.de.
Fokus auf seltene Unterarten
Mit molekulargenetischen aber auch morphologischen Tests wird untersucht, wie einzigartig ein Bienenvolk ist. Diejenigen, die aufgrund dieser Merkmale einer seltenen Unterart zugeordnet werden können, werden für die Zukunft konserviert. Von den weltweit 26 Unterarten ist die Kärntner Honigbiene in Deutschland mit Abstand am weitesten verbreitet. Aber auch hier geht die genetische Vielfalt der häufig gezüchteten Unterart verloren. Mit der Biobank soll das Spektrum dieser Unterart dokumentiert und Material für etwaige Rückzüchtungen in der Zukunft gesammelt werden. Da die einst in Deutschland heimische Dunkle Honigbiene fast ausgerottet ist, sollen auch Proben von Völkern in anderen Ländern wie Norwegen und Österreich genommen und gegebenenfalls konserviert werden.
In Deutschland wurde in der Vergangenheit eine Biobank Obst mit zum Beispiel 175 Einträgen zu Erdbeeren aufgebaut. Auch das Saatgut von 300 Arten von Wildpflanzen, die künftig einmal an Bedeutung für Ernährung und Landwirtschaft gewinnen könnten, wurde bereits in einer Biobank gesichert. Mit einer Anfang 2016 in Kraft getretenen Bund-Länder-Vereinbarung wurde zudem begonnen, eine Biobank landwirtschaftlicher Nutztiere als Netzwerk entsprechender Einrichtungen von Bund und Ländern aufzubauen. Das Institut für Nutztiergenetik am Standort Mariensee des Friedrich-Loeffler-Instituts baut die „Deutsche Genbank landwirtschaftlicher Nutztiere zur Erhaltung der genetischen Vielfalt bei Nutztieren” auf.
Genetische Erosion aufhalten
„Die Sicherung des genetischen Materials kann dazu beitragen, die Gen-Erosion der Honigbienen einzudämmen. Der Erhalt der genetischen Vielfalt ist eine Art Versicherung gegenüber den Folgen zukünftiger Veränderungen“, erklärt Bienefeld. Fertig sein soll die Biobank Ende 2021. „Wir wollen mit dem Projekt die dauerhafte Voraussetzung zur Einlagerung weiterer Honigbienen-Genetik zentral in der Deutschen Genbank landwirtschaftlicher Nutztiere am Friedrich-Loeffler-Institut schaffen. Das könnte als Vorbild für ähnliche Initiativen EU-, ja weltweit dienen, da manche, an extreme Klimabedingungen angepasste Bienenrassen in vielen Ländern bereits durch Importe stark gefährdet sind“, so Bienefeld.
Federführend bei dem Projekt ist die Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung (BLE). Sie betreut die Arbeiten als Projektträger. Das Informations- und Koordinationszentrum für Biologische Vielfalt der BLE wird zukünftig das eingelagerte Material in seine Datenbank aufnehmen. Eine Projektförderung kommt vom Bundeslandwirtschaftsministerium, das den Aufbau der Genbank für Honigbienen als Modell- und Demonstrationsvorhaben zur Erhaltung und innovativen Nutzung der biologischen Vielfalt betrachtet.
ml/um
Schmutzig, teuer und energieintensiv: So kann man die meisten heutigen Prozesse beschreiben, mittels derer aus Erdöl Carbonfasern erzeugt werden. Die Deutschen Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf (DITF) kooperieren nun mit dem Ministerium für Ländlichen Raum und Verbraucherschutz Baden-Württemberg, um eine ökologische und ökonomische Alternative zu entwickeln. Dazu soll ein Forschungszentrum für Laubholz gegründet werden.
Herstellung aus Öl ist giftig und teuer
Carbonfasern sind sehr leicht, aber trotzdem sehr belastbar und zudem hitzebeständig. Als Teil von Faserverbundwerkstoffen setzt die Industrie sie deshalb im Fahrzeugbau sowie in der Luft- und Raumfahrt ein. Allerdings beruht die gängige Herstellung auf Polyacrylnitril, das aus Erdöl gewonnen wird. Dieser Stoff ist nicht nur selbst giftig, auch bei seiner Produktion entstehen giftige Abgase, die gereinigt werden müssen. Das macht die gefragten Carbonfasern unökologisch und teuer.
Buchenholz bietet ökologische und ökonomische Alternative
Die DTIF hat im Labormaßstab zeigen können, dass es eine nachhaltige Alternative gibt: Die Forscher haben aus Buchenzellstoff und Buchenlignin Carbonfasern hergestellt in einem Verfahren, dass vergleichsweise geringe Energie- und Gesamtkosten aufweist. Diese Methode zur Marktreife zu führen soll ein Forschungsschwerpunkt des künftigen Forschungszentrums sein. „Ich bin beeindruckt von der Vielfalt der möglichen und bereits entwickelten Verfahren zur Herstellung von Carbonfasern. Die Zeit ist reif für eine großtechnische Anwendung“, sagte Baden-Württembergs Landwirtschaftsminister Peter Hauk nach dem Rundgang durch die Technika der DITF.
Acht Institute beteiligt
Insgesamt sollen sich im Laubholzforschungszentrum acht Forschungsteams aus unterschiedlichen Instituten vernetzen. Darüber hinaus soll das Forschungszentrum als Schnittstelle zur Industrie dienen, damit die Forschungsergebnisse zeitnah in industrierelevante Anwendungen überführt werden können.
bl
Dirty, expensive and energy-intensive: this is how most of today's processes for producing carbon fibers from crude oil can be described. The German Institutes for Textile and Fiber Research Denkendorf (DITF) are now cooperating with the Ministry for Rural Areas and Consumer Protection Baden-Württemberg to develop an ecological and economic alternative. A research centre for hardwoods is to be established for this purpose.
Production from oil is toxic and expensive
Carbon fibres are very light, but nevertheless very resilient and heat resistant. As part of fiber composites, industry therefore uses them in vehicle construction and in the aerospace industry. However, the conventional production process is based on polyacrylonitrile, which is obtained from crude oil. This substance is not only toxic in itself, but its production also incurs toxic exhaust gases that have to be treated. This makes the sought-after carbon fibers unecological and expensive.
Beech wood offers an ecological and economical alternative
The DITF has been able to show on a laboratory scale that there is a sustainable alternative: The researchers have produced carbon fibers from beech pulp and beech lignin in a process that has comparatively low energy and total costs. The development of this method to market maturity will be one of the research priorities of the future research centre. "I am impressed by the variety of potential and existing processes for the production of carbon fibers. The time is ripe for large-scale application," said Baden-Württemberg's Minister of Agriculture Peter Hauk after a tour of the DITF's pilot plants.
Eight institutes involved
A total of eight research teams from different institutes are to network at the Hardwood Research Centre. In addition, the research centre is to serve as an interface with industry so that the findings can be transferred promptly into industry-relevant applications.
bl/um
Der Mensch besitzt zwischen 80.000 und 400.000 unterschiedliche Proteine. Welche Funktion diese hochspezialisierten Moleküle erfüllen, wird wesentlich durch ihre räumliche Struktur definiert. Es ist jedoch schwierig, anhand der Aminosäurenabfolge, aus der ein Protein besteht, vorherzusagen, zu welcher Raumstruktur sich das jeweilige Protein zusammenfaltet. Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben nun einen neuen Ansatz entwickelt, um mittels Künstlicher Intelligenz (KI) solche Prognosen zu treffen.
Vorhersage ist bislang aufwendig und teuer
„Es ist sehr einfach zu bestimmen, aus welchen Aminosäuren eine Proteinkette besteht. Proteinstrukturen direkt experimentell zu bestimmen, ist aber sehr aufwendig und kostet Millionen“, erläutert Alexander Schug vom KIT. Schon heute gebe es dafür KI-basierte Ansätze. „Aktuell werden dafür vor allem Methoden aus der Bildverarbeitung eingesetzt“, ergänzt Datenanalyst Markus Götz. Neuronale Netze sind gut darin, Muster zu erkennen. Sie identifizieren so jene Bausteine der Proteine, die deren Raumstruktur bestimmen. Denn die räumliche Anordnung der Aminosäurenkette entsteht dadurch, dass sich bestimmte Bausteine aneinander anlagern und so die Kette krümmen.
Zusammenhänge analog zu den Teilen eines Satzes
Der bisherige KI-Ansatz hat allerdings das Problem, dass die entscheidenden Kontaktpartner innerhalb der Aminosäurenabfolge oft weit entfernt voneinander liegen. Diese sind jedoch für die Raumstruktur besonders wichtig. „Daher verfolgen wir stattdessen einen Ansatz aus der automatisierten Sprachübersetzung“, erklärt Götz die Besonderheit der neuen KI. „Wir betrachten die Aminosäureketten als Sätze, die in eine andere Sprache übersetzt werden.“ Diese selbstlernenden neuronalen Netze können erkennen, welche Teile eines Satzes miteinander in Bezug stehen. Analog für Proteine bedeutet das, dass sie erkennen, welche Aminosäuren miteinander einen Kontakt bilden.
Prognosen auch für unbekannte Proteinsequenzen
Trainiert haben die Forscher ihre KI mit dem Wissen darum, welche Kontaktpaarungen in bekannten Proteinsequenzen evolutionär erfolgreich waren. Dazu zählt das Team um Götz vor allem solche, die sich von Art zu Art zwar unterscheiden, aber zu funktionsgleichen Proteinen geführt haben, beispielsweise beim Hämoglobin. „Wir erwarten, dass das System so auch Rückschlüsse auf den Aufbau unbekannter Proteinsequenzen ziehen kann“, resümiert Datenanalyst Götz das Potenzial des neuen Ansatzes.
bl
Die Alexander von Humboldt-Stiftung zeichnet in diesem Jahr sechs internationale Forschertalente mit dem Sofja Kovalevskaja-Preis aus. Der Sofja Kovalevskaja-Preis ist einer der höchst dotierten deutschen Wissenschaftspreise. Er wird aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) finanziert. Fünf Jahre lang können die ausgezeichneten Forscher mit dem Preisgeld von 1,65 Mio. Euro ein eigenes Projekt an einem Institut ihrer Wahl in Deutschland durchführen und eigene Arbeitsgruppen aufbauen.
Zwei der frisch gekürten Preisträger beschäftigen sich mit Forschungsfeldern aus der Zell- und Entwicklungsbiologie, die auch für die Bioökonomie relevant sind.
Pflanzen-Mikrobiom verstehen
Der dänische Pflanzenphysiologe Tonni Grube Andersen wechselt ans Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln, um hier Mikrobiom-Forschung zu betreiben. Er interessiert sich insbesondere dafür, wie Pflanzen unterirdisch mit ihren Wurzelmikroben interagieren. Ein besseres Verständnis dieser Prozesse auf zellulärer Ebene könnte helfen, gezielt die Nährstoffaufnahme von Pflanzen zu verbessern. Zum anderen könnte die Nährstoffmobilisation, das ist die gezielte Freisetzung von Nährstoffen durch spezifische Ausscheidungen von Mikroorganismen im Wurzelraum, gefördert und so der Einsatz künstlicher Düngemittel reduziert werden. Tonni Andersen wechselte 2014 als Postdoc mit einem Marie-Curie-Stipendium an die Universität von Lausanne, wo er seitdem forscht.
Stress in der Zelle
Die gebürtige Österreicherin Doris Hellerschmied kommt von der Yale University in New Haven und wird am Zentrum für Medizinische Biotechnologie (ZMB) der Universität Duisburg-Essen eine Arbeitsgruppe aufbauen. Dort möchte die promovierte Biochemikerin herausfinden, wie der sogenannte Golgi-Apparat in Zellen auf zu starke Belastungen von außen reagiert. Unter normalen Bedingungen sortiert und modifiziert er bestimmte Proteine. Häufen sich Fehler, kommt es zum Zellstress. Dadurch können neurodegenerative Krankheiten entstehen, bei denen Zellen des zentralen Nervensystems schrittweise absterben. Durch ein molekulares Verständnis der Stressantwort sollen bessere Erklärungen für die damit verbundenen Erkrankungen erreicht werden. Hellerschmied studierte und promovierte in Wien, arbeitete dort als Postdoc am Institute of Molecular Pathology (IMP). Seit 2015 ist die 33-jährige Biochemikerin Postdoc in Yale.
pg
Chemische Wertstoffe herstellen, ohne dem Prozess Energie zuführen zu müssen – was in der klassischen Chemie undenkbar scheint, soll in der Biotechnologie bald Realität werden. Dazu analysieren Elektrobiochemiker einen Trick aus der Natur – die Photosynthese. Mit ihr gelingt es Pflanzen, Sonnenlicht zu nutzen, um chemische Energie zu erzeugen. Im Tandemprojekt „Nutzung von Sonnenenergie für die Bioelektrokatalyse“ haben Wissenschaftler um Fred Lisdat von der TH Wildau sowie Heiko Lokstein und Athina Zouni von der HU Berlin „photobiohybride Elektroden für die lichtgetriebene Wertstoffsynthese“ entwickelt. Kurzum: Das Team hat spezielle Elektroden entwickelt, die aus Sonnenlicht Strom erzeugen können und die die Basis für die Kopplung mit enzymatischen Synthesen von Wertstoffen darstellen.
Photoaktive Moleküle mit Wertstoffsynthese kombinieren
„Die Photosynthese technisch zu imitieren, ist eine alte Idee“, schildert der Biosystemtechniker Fred Lisdat. „Unser Ansatz war es, die faszinierenden Eigenschaften der beteiligten Biomoleküle technisch nutzbar zu machen, indem wir die hochenergetischen Elektronen neben der Stromproduktion für die Wertstoffsynthese nutzen.“ Möglich wird dieser Ansatz erst durch die großen Fortschritte, die die Biochemie in den vergangenen 20 Jahren gemacht hat. „Heute kennt man die aktiven Zentren der Enzyme, und auch deren Herstellung und Aufreinigung hat sich ungeheuer weiterentwickelt“, erläutert Lisdat. „Dies ist eine gute Basis für die Nutzung dieser Katalysatoren, die ohne toxische Nebenprodukte regenerativ gewonnen werden können.“ Auch heute kann man Halbleitern noch keine Konkurrenz bei der Stromerzeugung machen. „Aber hier haben wir die Chance, nicht nur Strom zu gewinnen, sondern dies gleich mit einer Wertstoffsynthese zu kombinieren“, betont der Bioelektrochemiker.
Grundlage für das Tandem-Forschungsprojekt ist die heutige Möglichkeit, die Oberflächenstruktur von Elektroden bis in den Nanometerbereich zu definieren. So können die Forscher die Oberflächen auf die Struktur und Chemie der Biomoleküle einstellen. Im Fokus standen dabei das Photosystem I (PSI), ein Enzymkomplex der natürlichen Photosynthese, und seine Kombination mit einem geeigneten Elektrodendesign. Weil es besonders stabil ist und seine Struktur bekannt, entschieden sich die Wissenschaftler für das PSI aus dem thermostabilen Cyanobakterium Thermosynechococcus elongatus.
Redoxprotein als Elektronentransporter
„Der direkte Kontakt zwischen dem Photosystem I und einer technischen Elektrode, wie z.B. Gold oder Kohlenstoff, gelingt eher schlecht“, weist Lisdat auf eine Schwierigkeit hin. Als Bindungsglied setzte das Team deshalb zunächst auf das kleine Redoxprotein Cytochrom C, das zwar im natürlichen Photosystem keine Rolle spielt, aber in praktisch allen Lebewesen vorkommt und dabei häufig als Elektronentransporter dient. Genau diese Aufgabe sollte das Protein auch in der Photobioelektrode erfüllen. Setzten die Forscher nur eine Schicht der PSI-Enzyme ein, funktionierte das System gut. Ein Mehrschichtsystem steigerte wie erwartet die Stromdichte, erwies sich aber bei großer Dicke als nicht sehr stabil.
In einem zweiten Ansatz konstruierten die Forscher daher eine Elektrode, die anstelle einer planaren eine dreidimensional strukturierte Oberfläche besitzt. „Wie ein Schweizer Käse“, beschreibt Lisdat, „viele Löcher, in denen das Cytochrom C und das PSI binden können, und dazwischen leitfähige Wandungen“. Bei der richtigen Größe der Löcher floss der Strom so gut, dass die Publikation darüber international für Aufsehen sorgte. Sprach man vor zehn Jahren von Photostromdichten von hunderten Nanoampere pro Quadratzentimeter, so konnten die Forscher mit ihrem Projekt die Stromdichte um mehrere Größenordnungen steigern – auf mehr als 100 Mikroampere je Quadratzentimeter. Das Folgeprojekt konnte den Wert bis heute sogar noch einmal verdoppeln. Die Haltbarkeit der Elektrode betrug zudem mehrere Wochen – für ein enzymatisches System eine beachtliche Zeit.
Graphen als Elektrodenmaterial getestet
Anstatt ein Redoxprotein als Elektronentransporter zu verwenden, haben die Forscher außerdem einen Ansatz erprobt, bei dem sie das Elektrodenmaterial variierten, um eine Oberfläche zu finden, die ohne Hilfsproteine erfolgreich mit dem PSI interagiert. Die Wahl fiel auf Graphen, nur eine Molekülschicht dünnes Graphit. „Das Graphen war allerdings etwas zu hydrophob für das biologische Photosystem“, schildert Lisdat das anfängliche Problem. Indem die Forscher das Graphen mit bestimmten funktionellen Gruppen ausstatteten, konnten sie es aber so einstellen, dass das PSI stabil kovalent gebunden wurde. „Dieser Ansatz war pro Molekül und Zeit ziemlich effektiv“, resümiert Lisdat, „aber nicht so gut wie der vorherige 3D-Ansatz“. Auch Kohlenstoffnanoröhrchen anstelle von Graphen haben die Forscher getestet, „aber das hat überraschend schlecht funktioniert“, erklärt der Biosystemtechniker.
Doch das 3D-System barg zunächst einige Herausforderungen. Cytochrom C bestätigte sich zwar im Vergleich mit anderen Redoxproteinen als gute Wahl. Beim Aufbau des Systems galt es allerdings, seine Menge zu optimieren, bis schließlich die eindrucksvollen Stromstärken erzielt werden konnten. Die PSI-Moleküle müssen zudem so ausgerichtet sein, dass sich die Photoströme nicht gegenseitig aufheben. Insbesondere dürfen Moleküle, die vom Photosystem reduziert werden, nicht wieder an der Elektrode reagieren, um so einen Kurzschluss zu vermeiden. Und wie gelingt es, die Elektrode so zu konstruieren, dass sie gleichzeitig eine große Oberfläche bietet und für die Moleküle gut durchdringbar bleibt? Zudem muss die Elektrode dabei weitgehend transparent sein, denn das Licht, das die ganze Reaktion ja erst antreibt, muss die PSI-Moleküle in ihren Elektrodenlöchern gut erreichen können. „Obendrein muss die Herstellung einfach bleiben“, gibt Lisdat zu bedenken, denn das langfristige Ziel sei die industrielle Anwendung.
Photobioelektrische Details der Reaktion aufgeklärt
Eine wichtige Errungenschaft erwähnt der Biosystemtechniker nur am Rande: Noch vor wenigen Jahren war von den Details der Bioelektrochemie, die in einem solchen System abläuft, nur wenig verstanden. Genau diese Zusammenhänge mussten die Projektpartner aber enträtseln, um ihre Photobioelektrode optimieren zu können. Hierzu haben natürlich auch viele internationale Entwicklungen beigetragen, denn das Arbeitsgebiet birgt großes Potential. „Heute ist so ein System keine Blackbox mehr“, freut sich Lisdat. Großen Anteil an dem Erfolg habe seines Erachtens auch das Format des Förderprogramms. „Das Forschertandem ist eine geniale Idee. Es zwingt einen zum gegenseitigen Lernen und Verstehen, aber die Grenzbereiche eines Fachs zu stärken, zahlt sich aus!“
Den ersten Teil des Tandemprojekts hat das Bundesforschungsministerium von November 2012 bis Januar 2018 im Rahmen der Initiative Biotechnologie 2020+ mit rund 830.000 Euro gefördert. Wegen des großen Erfolgs hat sich direkt eine zweite Förderphase angeschlossen. Darin wollen die Forscher sich ihrem langfristigen Ziel weiter nähern: die Photostromdichte noch mehr erhöhen und schließlich eine Wertstoffsynthese ankoppeln, die aus der Photobioelektrode ihre Energie bezieht. Eine teure Zugabe des Energieträgermoleküls NADPH, wie sie heute bei enzymatischen Synthesen oft üblich ist, könnte dann entfallen.
Autor: Björn Lohmann
Von Klimakrise bis Artensterben – die Landwirtschaft ist an vielen ökologischen Problemen maßgeblich beteiligt. Das muss jedoch nicht so sein, sondern ist eine Folge der jeweiligen landwirtschaftlichen Praxis. Auf diese könnte die Europäische Union großen Einfluss nehmen, da sie mit ihren Agrarsubventionen einen Lenkungseffekt ausübt und rund 40% der Landfläche der Europäischen Union – 174 Millionen Hektar – landwirtschaftlich genutzt werden. Nach eigenem Bekunden will die Europäische Kommission mit einer Reform der Gemeinsamen Agrarpolitik (GAP) das Nachhaltigkeitsproblem angehen. Ein internationales Team von Agrar- und Umweltforscher hat die Reformpläne nun im Wissenschaftsjournal „Science“ analysiert und finden darin „keine Verbesserungen beim Umweltschutz“.
UN-Nachhaltigkeitsziele missachtet
Beteiligt an der Analyse waren aus Deutschland Forscher des Deutschen Zentrums für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv), des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) und der Georg-August-Universität Göttingen. Sie haben die Pläne mit den UN-Zielen für eine nachhaltige Entwicklung (SDG), der bisherigen GAP und der gesellschaftlichen Debatte um die Landwirtschaft verglichen. Dazu haben die Wissenschaftler rund 450 Publikationen ausgewertet, in denen die aktuelle GAP analysiert wurde, und den Reformplänen gegenübergestellt. „Sollte die EU es mit ihrer Verpflichtung auf die SDGs ernst meinen, müssten diese sich auch in der Landwirtschaftspolitik wiederfinden und entsprechende Indikatoren zur Erfolgsmessung definiert werden“, betont der Ökologe Guy Pe’er. „Das ist nicht der Fall.“ Der neuen Studie zufolge könnte eine geeignete Landwirtschaftspolitik zu neun der 17 Nachhaltigkeitsziele beitragen, zahlt derzeit jedoch nur auf zwei von ihnen ein.
Flächenbezogene Subventionen bleiben problematisch
Nicht ändern wolle die Kommission zudem Instrumente, die sich der Literaturstudie zufolge als ineffizient, klima- und umweltschädlich sowie sozial ungerecht erwiesen hätten. So seien die Direktzahlungen aus der sogenannten Säule 1 weiterhin problematisch. Sie machen mit etwa 40 Mrd. Euro rund 70 Prozent des GAP-Budgets aus und werden im Wesentlichen auf Grundlage der bewirtschafteten Fläche vergeben. Die Art der Bewirtschaftung spielte ursprünglich keine Rolle und sei auch mit der Einführung des „Greening“ im Jahr 2010 nicht nachhaltiger geworden: Die auf Nachhaltigkeit angelegten Auflagen seien politisch aufgeweicht worden und hätten sich als weitgehend wirkungslos herausgestellt. Auch die nun geplante Nachjustierung enthalte keine wirksamen Instrumente für den Klimaschutz. „Für diese 1992 provisorisch eingeführten Ausgleichszahlungen fehlt inzwischen jede wissenschaftliche Begründung“, kritisiert Agrarökonom Sebastian Lakner von der Universität Göttingen.
Der Klimaschutz soll immerhin – wie auch der Umweltschutz – im Fokus der Säule 2 stehen. Ihr Budget beträgt jedoch schon heute nur ein Zehntel dessen der Säule 1 und soll nach den Reformplänen weiter gekürzt werden. Die Forscher fordern, die Subventionen zu Gunsten der Säule 2 zu verschieben und weitere Maßnahmen zu unterstützen, die auf die UN-Nachhaltigkeitsziele einzahlen.
Bürger und Landwirte fordern mehr Umwelt- und Klimaschutz
„Der EU fehlt offensichtlich der Wille, der öffentlichen Forderung nach einer nachhaltigen Landwirtschaft nachzukommen und ihre mitbeschlossenen globalen Umwelt- und Entwicklungsziele umzusetzen“, resümiert Pe’er. „Lobby-Interessen wiegen nicht nur schwerer als Fakten, sondern auch schwerer als der öffentliche Wille.“ Denn die EU selbst hat bei einer Befragung festgestellt, dass 92% der Bürger und 64% der Landwirte an der GAP fehlenden Umwelt- und Klimaschutz monieren. Lakner fordert daher eine „echte Reform“: „Es gibt ausreichend wissenschaftliche Evidenz darüber, was im Umweltbereich getan werden muss. Es sollte im Interesse der EU-Kommission liegen, dass Steuermittel in der Landwirtschaft effizient und zielgerichtet eingesetzt werden.“
Im Herbst beginnen die finalen Verhandlungen zur neuen GAP zwischen EU-Kommission, Europäischem Rat und EU-Parlament.
bl
From climate crisis to extinction of species - agriculture is significantly contributing to many ecological problems. However, it does not have to be this way, but is a consequence of agricultural practices. The European Union could exert great influence on these, since its agricultural subsidies have a steering effect. Around 40% of the European Union's land area - 174 million hectares - is used for agriculture. By its own account, the European Commission wants to tackle the sustainability problem with a reform of the Common Agricultural Policy (CAP). An international team of agricultural and environmental researchers has now analyzed the reform plans in the science journal "Science" and say they are "unlikely to improve environmental protection".
UN sustainability goals disregarded
The analysis involved German researchers from the German Centre for Integrative Biodiversity Research (iDiv), the Helmholtz Centre for Environmental Research (UFZ) and the University of Göttingen. They compared the plans with the UN goals for sustainable development (SDG), the previous CAP and the social debate on agriculture. For this purpose, the scientists evaluated around 450 publications in which the current CAP was analyzed and compared them with the reform plans. "Taking sustainability and the SDGs seriously requires a deep reflection on agricultural policy, its budgets and instruments, and developing good indicators for measuring success," stresses ecologist Guy Pe'er. "Beyond words, we found little of that." According to the new study, an appropriate agricultural policy could contribute to nine of the 17 sustainability objectives, but currently only contributes to two of them.
Land subsidies remain problematic
Furthermore, the Commission did not wish to change instruments which, according to the literature study, had proved to be inefficient, harmful to the climate and the environment and socially unfair. The direct payments from the so-called Pillar 1, for example, are still problematic. At around 40 billion euros, they account for around 70 percent of the CAP budget and are essentially allocated on the basis of the area farmed. The type of farming originally played no role and had not become more sustainable with the introduction of "greening" in 2010: The sustainability requirements had been politically softened and had proved to be largely ineffective. Even the planned readjustment does not contain any effective instruments for climate protection. "These compensatory payments, provisionally introduced in 1992 as an interim solution, are lacking a sound scientific justification," criticizes agricultural economist Sebastian Lakner of the University of Göttingen.
After all, climate protection - like environmental protection - should be the focus of Pillar 2. Their budget, however, already amounts to only one tenth of that of Pillar 1 and is to be further reduced according to the reform plans. The researchers call for the subsidies to be shifted in favour of Pillar 2 and for further measures to be supported that contribute to the UN's sustainability goals.
Citizens and farmers demand more environmental and climate protection
"The EU obviously lacks the will to meet public demand for sustainable agriculture and to implement the global environmental and development goals it had a share in adopting," Pe'er sums up. "Lobby interests have clearly outweighed both ample evidence and public interests." According to an EU survey, 92 percent of the citizens and 64 percent of farmers criticize the lack of environmental and climate protection in the CAP. Lakner therefore calls for a "genuine reform": "There is sufficient scientific evidence on what works and what doesn’t, especially with respect to the environment. It should be in the core interest of the EU Commission to use tax payers’ money more efficiently to support societal objectives such as the maintenance of biodiversity or in general sustainable agriculture".
The final negotiations on the new CAP between the EU Commission, the European Council and the EU Parliament will begin in autumn.
bl/um
Die Idee zum „BioökonomieREVIER“ stammt aus dem Jahr 2017 und ist damit älter als der Kompromiss zum deutschen Braunkohleausstieg. Doch mit Mitteln, die die Noch-Kohleregionen zukunftsfähig machen sollen, wird die Idee nun flügge: Aus den rund 70 Mio. Euro, mit denen das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) Forschungsinitiativen in den Braunkohleregionen in der Lausitz und im Rheinischen Revier fördern will, fließen 3,9 Mio. Euro in das Projekt „BioökonomieREVIER_KOM“. Das am 1. August gestartete Projekt soll eine Bioökonomiestrategie für die Region entwickeln und das Thema in die Öffentlichkeit tragen. Die Mittel stammen aus dem Sofortprogramm für den Strukturwandel in den Kohleregionen, für das der Bund 240 Mio. Euro bis ins Jahr 2021 bereitstellt.
Wertschöpfung auf Basis agrarischer Rohstoffe
„Wir müssen den Kohle-Ausstieg im Rheinischen Revier als Chance nutzen, um vor Ort innovative und zukunftsfähige wirtschaftliche Aktivitäten aufzubauen“, sagte BMBF-Staatssekretär Thomas Rachel zum Auftakt des Förderprojekts. „Die forschungsintensive Bioökonomie und neuartige Wertschöpfungsketten auf Basis agrarischer Rohstoffe bieten hierfür ein großes Potenzial.“ Mithilfe der Wissenschaft wolle man diesen Umbau zu einem zukunftsfähigen Bioökonomie-Revier gestalten.
Der wissenschaftliche Koordinator des Projekts, Ulrich Schurr, zugleich Leiter des Jülicher Instituts für Pflanzenwissenschaften und Sprecher des Bioeconomy Science Center (BioSC), sieht dafür im Rheinischen Revier gute Bedingungen: „Durch die einzigartige Wissenschaftslandschaft in der Bioökonomie, die hochproduktive und innovative Landwirtschaft, die viele starken, Bioökonomie-nahen Wirtschaftssektoren wie Lebensmittel-, Chemie- und Energiewirtschaft könnten die Voraussetzungen nicht besser sein, um hier mit dem ,BioökonomieREVIER‘ eine europaweit einmalige Modellregion zu schaffen.“