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Eine Libelle faltet ihre Flügel aus und schwirrt davon. Ein Stück weiter klappt ein Schmetterling seine Flügel auseinander und gleitet durch die Luft: zwei Tiere, denen die Evolution das Fliegen ermöglicht hat, und die doch so ganz unterschiedliche Techniken dafür entwickelt haben. „Das hat mich schon als Kind fasziniert“, erinnert sich Harald Luksch. „Ich war als Kind viel in der Natur. Damals entstand der Wunsch, mehr von ihr zu verstehen.“ Heute ist Luksch Professor für Zoologie an der TU München, doch seine knappe Freizeit verbringt er immer noch gern in der Natur, beobachtet und bestimmt die Tiere dort.

Auch Philosophie gehört dazu

„Ich hätte wohl auch Ingenieur werden können“, meint Luksch rückblickend, „aber die Biologie interessierte mich am meisten.“ Besonders habe ihn fasziniert, wie Lebewesen denken. Was lag da näher als ein Studium der Neurobiologie? Während seiner Zeit an der Universität Bonn traf er auf den damals noch jungen Professor Wolfgang Walkowiak, dem er schließlich für seine Promotion an die Universität Köln folgte. Die erste Postdoc-Stelle führte Luksch nach Bremen, wo er auf den Biologen und Hirnforscher Gerhard Roth traf, der sich zudem intensiv mit der Philosophie beschäftigte – für einen Neurowissenschaftler eine durchaus relevante Horizonterweiterung.

Bald danach ging es für Luksch jedoch in die USA. „Eine Zeit im Ausland gehörte auch damals schon zu einer Forscherkarriere dazu“, schildert Luksch. „Die USA hatten die reichste Wissenschaftskultur. Heute gibt es auch in Europa viele starke Gruppen.“ Ein Auslandsaufenthalt weitet den Blick und ermöglicht, in die große internationale Forscherszene einzutauchen. „Die Zeit in Kalifornien war in vieler Hinsicht prägend, da sich dort mein heutiges Forschungsthema konkretisierte.“

Natürliche Lösungen oft unerwartet

Ein attraktives Angebot der RWTH Aachen lockte den jungen Wissenschaftler zurück in die Nähe seiner Heimatstadt St. Augustin. Die Arbeit in Aachen habe den technischen Aspekt in seine Arbeit gebracht, erzählt Luksch: „Da ging es erstmals Richtung Bionik.“ Es habe ihn inspiriert, biologische Lösungen der Evolution technisch umzusetzen. „Alle Organismen haben ähnliche Probleme wie wir, und die Evolution hat viele unterschiedliche Antworten gefunden.“ Schließlich könne ein Tier oder eine Pflanze nicht sagen: Das mache ich mit Titan. Die Lösung müsse mit dem jeweils verfügbaren Material gelingen. „Viele dieser Lösungen sind für uns ganz unerwartet“, weiß Luksch.

„Ich war immer sehr daran interessiert, die unterschiedlichsten Dinge zu verstehen – beispielsweise auch, wie das Gehirn arbeitet“, begründet der 53-Jährige seine Entscheidung für die Neurowissenschaft. „Neugierig zu sein und verstehen zu wollen, wie die Welt, wie Menschen funktionieren – das ist für die meisten Wissenschaftler der Antrieb.“ Natürlich müsse man sich manchmal thematisch stark fokussieren, „um die ganz harten Nüsse zu knacken, aber eine gewisse Offenheit auch für neue Fragen ist wichtig.“

A dragonfly unfolds its wings and whirrs off. A little further on, a butterfly spreads its wings and glides through the air. Both animals have learned to fly through evolution, but with different techniques. "This fascinated me even as a child," Harald Luksch remembers. "When I was a boy, I was outdoors a lot. At that time there was a desire to understand more about nature". Today, Luksch is professor of zoology at the Technical University of Munich, but he still likes to spend his spare time in natural surroundings, observing and classifying the animals there.

Philosophy is a part of it

"I could have been an engineer," Luksch says in retrospect, "but I was more interested in biology than anything else." He was particularly fascinated by how living creatures think. What could be more obvious than studying neurobiology? During his time at the University of Bonn, he met Professor Wolfgang Walkowiak, still young at the time, whom he eventually followed to the University of Cologne for his doctorate. The first Postdoc position led Luksch to Bremen, where he met the biologist and brain researcher Gerhard Roth, who was also intensively involved with philosophy - a highly relevant exploration for a neuroscientist.

Soon afterwards, however, Luksch went to the USA. "A time abroad was considered an integral part of a research career even then," said Luksch. "The USA had the richest scientific culture. Today there are many strong groups in Europe as well." A stay abroad widens the view and enables scientists to immerse themselves in the great international research scene. "The time in California was formative in many respects, as it was there that my current research topic became more concrete.

Natural solutions often unexpected

An attractive offer of the RWTH Aachen drew the young scientist back close to his hometown St. Augustin. The work in Aachen has brought the technical aspect into his work, Luksch says: "It was the first time that bionics came into play". He was inspired by the technical implementation of biological evolutionary solutions. "All organisms have similar problems to ours, and evolution has found many different answers". After all, an animal or a plant cannot say: I will use titanium for this. The solution has to be achieved with the available material. "Many of these solutions are quite unexpected for us," says Luksch.

"I was always very interested in understanding the most diverse things - for example, how the brain works," said the 53-year-old explaining his decision in favour of neuroscience. "Being curious and wanting to understand how the world works, how people work - that's what drives most scientists." Of course, one sometimes has to focus strongly on certain topics in order to "crack the tough nuts, but a certain openness to new questions is also important".

Land, Moor und Meer sind die drei Kompetenzfelder, auf die Mecklenburg-Vorpommern beim biobasierten Strukturwandel setzen kann. Im Fokus steht die hochwertige Veredelung von pflanzlichen Rohstoffen wie Ackerfrüchten, Schilf oder Algen. Bis 2030 sollen aus diesen nachwachsenden Rohstoffen Produkte entstehen, die der Region zum wirtschaftlichen Aufschwung verhelfen und sie zur Musterregion der Bioökonomie machen. Dieses ambitionierte Ziel verfolgt das Bündnis Plant³. Das Projekt gehört zu den 20 Vorhaben, die nun im Rahmen des Programms „WIR! – Wandel durch Innovation in der Region“ vom Bundesforschungsministerium gefördert werden. Den Verbundpartnern stehen in den kommenden fünf Jahren bis zu 15 Mio. Euro für den Strukturwandel zur Verfügung.

„Die Initiative hat jetzt schon eine sehr gute Dynamik entfaltet, wie ich sie in Vorpommern noch nicht erlebt habe“, erklärt Rolf Kammann, Geschäftsführer der Wirtschaftsfördergesellschaft Vorpommern. „Der partizipative Ansatz, die Einbeziehung aller Akteure von Fischern und Landwirten, die die wertvollen Rohstoffe liefern, bis hin zum Biotechnologieunternehmen, das daraus Inhaltsstoffe extrahiert, die wiederum in der Lebensmittelindustrie, der Bau-, Energie oder Textilbranche im Land Verwendung finden, ist unser Schlüsselbeitrag zum Strukturwandel im östlichen Mecklenburg-Vorpommern.“

Historische Chance für die Region

Das Verbundprojekt Plant³ wird von der Universität Greifswald koordiniert und besteht aus 60 Unternehmen, Verbänden, Landwirten, öffentlichen Verwaltungen, Hochschulen und Forschungseinrichtungen – darunter die Enzymicals AG, WITENO GmbH und die Wirtschaftsfördergesellschaft Vorpommern mbH. „Die Ablösung einer auf fossilen Ressourcen basierenden Wirtschaft durch die Nutzung biobasierter Ressourcen und biologischer Prozesse bietet für unsere Region eine historische Chance, immense Wertschöpfung vor Ort zu erzielen und nicht weiter landwirtschaftliche Rohstoffe zu exportieren und die verlängerte Werkbank für andere Regionen zu sein“, sagt Stefan Seiberling von der Universität Greifswald.

Produkte für die Bioökonomie

Das Bündnis setzt auf die Stärken der Region: So stellten Leguminosen, wie beispielsweise die Blaue Süßlupine, in der Landwirtschaft eine wertvolle Eiweißquelle für die Weiterverarbeitung in der Ernährungswirtschaft dar. Schilf und Rohrkolben aus wiedervernässten Mooren könnten wiederum Fasern für neue Bau- und Dämmstoffe liefern. Hochwertige Spezialzucker aus Meeresalgen, die unter anderem in Pharmazeutika oder Kosmetika eingesetzt werden, könnten zukünftig auch eine zusätzliche Einkommensquelle für Fischer sein.

Impulsgeber für Ideen

Zum Projekt gehört auch eine Denkfabrik, die die Entwicklung neuer Wertschöpfungsketten wissenschaftlich begleiten und daraus Impulse für die strategische Weiterentwicklung von Ideen geben soll. „Wir entwickeln neue Instrumente, um die Ideen aufkeimen zu lassen und daraus konkurrenzfähige Unternehmensgründungen zu ziehen, die zukünftig das Zentrum für Life Science und Plasmatechnologie mit Leben füllen“, erklärt Wolfgang Blank, Geschäftsführer der Witeno GmbH. Das neue Zentrum soll in unmittelbarer Nähe zum BioTechnikum Greifswald, dem Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V. und zum Universitätscampus in Greifswald entstehen. Die Bauarbeiten beginnen im Sommer 2019 und sollen bis 2021 abgeschlossen sein.

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Die Bekämpfung bakterieller Infektionskrankheiten ist weltweit ein drängendes Problem. Durch die Zunahme von antibiotikaresistenten Erregern haben viele gängige Präparate ihre Wirkung verloren. So zählen nach Einschätzung der Weltgesundheitsorganisation WHO Antibiotika-Resistenzen zu den „größten Gefahren für die menschliche Gesundheit“. Auf der Suche nach Alternativen zu gängigen Wirkstoffen ist das Abwehrarsenal von Bakterien eine wertvolle Quelle. Um sich gegen konkurrierende Mikroorganismen zur Wehr zu setzen, wenden Bakterien vielfältige Strategien an. Einen neuen Mechanismus zur Bildung von antibiotischen Wirkstoffen haben Biotechnologen der Goethe-Universität Frankfurt am Main im Bakterium Xenorhabdus szentirmaii ausfindig gemacht. Sie stellen ihre Entdeckung im Fachmagazin „Nature Chemical Biology“ vor.

Wirkstoffcocktail gegen Konkurrenten

Die Biotechnologen haben dazu die Wirkstoffklasse der Phenazine näher untersucht. Phenazine sind weit verbreitete, chemisch sehr vielfältige bakterielle Naturstoffe mit verschiedenen biologischen Funktionen. Einige dieser Verbindungen wirken antibiotisch oder zellschädigend. Vermutlich nutzen Bakterien einen Wirkstoffcocktail aus Phenazinen, um sich gegen konkurrierende Bakterien und Pilze, die als Nahrungskonkurrenten in ihrem spezifischen Ökosystem auftreten, zu behaupten.

Die verschiedenen Phenazinderivate des bakteriellen Wirkstoffcocktails leiten sich biochemisch aus einfachen Grundstrukturen ab. Durch Enzyme können die Grundstrukturen an einigen Stellen stark verändert werden. So sind eine Vielzahl möglicher Phenazinderivate denkbar, die zum Teil auch in verschiedenen Bakterien gefunden wurden. Diese nutzen im Grunde ähnliche Prinzipien wie die industrielle Wirkstoffforschung, wenn sie neue Derivate auf der Basis gleichbleibender Grundstrukturen erzeugt.

Breite biologische Aktivität durch Vielfalt

Die Frankfurter Biotechnologen um Helge Bode haben nun die Mechanismen aufgeklärt, mit denen die Bakterien die chemische Grundstruktur von Phenazin verändern. Das Besondere: Es können Derivate mit Aktivität sowohl gegen Gram-positive und Gram-negative Bakterien, als auch gegen Zellen höherer Organismen geschaffen werden. Mit der Strategie, einen Mix aus Derivaten herzustellen, rüsten sich die Bakterien gut gegen unbekannte Konkurrenten. Denn der Wirkstoffcocktail weist eine sehr breite biologische Aktivität auf.

Regulationsmechanismen für die Biotechnologie nutzen

Die Mikroben gehen also ähnlich wie die Pharmaforschung vor, um das eigene Antibiotika-Arsenal zu erweitern. „Spannend ist nun herauszufinden, wie die Bakterien eigentlich merken, welche Derivate gerade benötigt werden“, sagt Bode. „Entweder wird hier nur gerade das hergestellt, was auch wirklich benötigt wird, oder die Bakterien halten ein Arsenal an Derivaten vor, die möglicherweise demnächst benötigt werden." Erste Ergebnisse zu den zugrundeliegenden Regulationsmechanismen, die auch für biotechnologische Anwendungen genutzt werden könnten, sehen vielversprechend aus.

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Der Echte Mehltau ist eine bei Landwirten gefürchtete Blattkrankheit, die vor allem Gerste befällt und zudem andere Krankheiten begünstigt. Selbst resistente Sorten sind davor nicht gefeit. Bonner Wissenschaftler haben daher den Krankheitsverlauf von pilzinfizierten Gerstensorten genauer unter die Lupe genommen. Wie sie im Fachjournal „PLOS ONE" berichten, konnten sie mithilfe eines optischen Sensors erstmals jene Gene sichtbar machen, die bei der Infektion aktiv werden.

Genetische Reaktion nach Pilzinfektion im Blick

Dafür hat das Team Pflanzen gezielt mit dem krankheitsauslösenden Pilz infiziert. Anschließend beobachtete es alle Gene, die üblicherweise bei der Krankheit reagieren. Parallel dazu wurde untersucht, wie sich das Reflextionsmuster der infizierten Gerstenblätter während der Erkrankung optisch veränderte – und zwar im Bereich des sichtbaren Lichts und des nahen Infrarots. „Die Untersuchung haben wir mit drei verschiedenen Gerstensorten durchgeführt“, erklärt Jan Behmann vom Institut für Nutzpflanzenwissenschaft und Ressourcenschutz (INRES) der Universität Bonn: „Eine davon erkrankt in aller Regel sehr schwer; sie kann dem Schadpilz nichts entgegensetzen. Die beiden anderen weisen dagegen zwei unterschiedliche Resistenzen gegen den Erreger auf."

Stickstoff und Phosphor sind wichtige Nährstoffe für das pflanzliche Wachstum. Doch mehr ist nicht automatisch besser: Chinesische Forscher haben festgestellt, dass zusätzliche Phosphatgaben nur dann einen positiven Effekt auf den Asiatischen Reis haben, wenn der Pflanze ausreichend Stickstoff zur Verfügung steht. Wie dieser Zusammenhang auf biologischer Ebene reguliert ist, haben die Pflanzenforscher gemeinsam mit Kollegen der Universität Bonn analysiert.

Ausgewogenheit der Nährstoffe

„Für gesundes und optimales Wachstum brauchen alle Lebewesen eine gute Balance von Mineralstoffen – aber wie Pflanzen im Gegensatz zu uns Menschen diese Ausgewogenheit der Nährstoffe erreichen, ist nur wenig bekannt“, erläutert Stanislav Kopriva vom Düsseldorf-Kölner Exzellenzcluster CEPLAS. „Gemeinsam haben wir nun herausgefunden, mit welchem Mechanismus der Stickstoff die Aufnahme von Phosphat steuert.“ Über ihre Erkenntnisse berichten die Wissenschaftler im Fachjournal „Nature Plants“.

Vom Nitratsensor bis zum Phosphattransporter

Mittels umfangreicher molekularbiologischer Analyse haben die Forscher eine ganze Signalkaskade identifiziert, die in Gang gesetzt wird, wenn die Reispflanze über ihre Wurzeln Phosphat und Stickstoff aufnimmt. Dazu zählen an einem Ende ein Sensor, der die Menge des in Form von Nitrat verfügbaren Stickstoffs erkennt, und am anderen Ende regulatorische Faktoren, die für die Produktion der Phosphattransporter verantwortlich sind. „Die meisten Komponenten waren zwar schon einzeln bekannt, aber erst durch diese Arbeit wurden sie in einen Signalweg zusammengebunden“, betont Kopriva.

Pflanzen an Nährstoffverfügbarkeit anpassen

Die Entdeckung bringe ein ganz neues Verständnis der Steuerung von Pflanzenernährung. Zudem ermögliche sie gezielte Manipulationen, um die Aufnahme beider Nährstoffe entweder enger aneinander zu koppeln oder voneinander zu lösen – je nachdem, wie nährstoffreich der Boden ist, auf dem der Reis wächst.

Der Exzellenzcluster für Pflanzenwissenschaften CEPLAS wird von der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder in Millionenhöhe gefördert.

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Als Gremium ins Leben gerufen wurde der Bioökonomierat bereits vor zehn Jahren. Seitdem steht er der Bundesregierung in allen Fragen der Bioökonomie beratend zur Seite. Die erste Arbeitsphase lief von 2009 bis 2012. Danach wurde eine zweite Amtzeit des Rates mit 17 ehrenamtlich tätigen Experten aus Wirtschaft, Wissenschaft und Gesellschaft gestartet. Diese haben stellvertretend für die Breite der in der Bioökonomie tätigen Akteure ihr Wissen gebündelt, um den Strukturwandel von einer erdöl- hin zu einer biobasierten Wirtschaft durch Forschung und Innovation voranzutreiben und ökonomische, ökologische, naturwissenschaftliche sowie gesellschaftliche Fragestellungen zu diskutieren. Dies zweite Amtszeit endet nun offiziell im Juli 2019 mit dem Auslaufen der Nationalen Forschungsstrategie Bioökonomie.

Verständnis der Bioökonomie entwickelt

„Es war genau diese Breite an Fachwissen und Erfahrungen, die unsere Diskussionen belebt und zu fruchtbaren Ergebnissen geführt hat. Auf diese Weise konnten wir ein umfassendes Verständnis der Bioökonomie und ihrer Beiträge für eine zukunftsfähige Wirtschaft entwickeln“, resümiert die Ko-Vorsitzende des Bioökonomierates, Christine Lang. Mit ihrem Fachwissen haben die Experten aus Wissenschaft und Wirtschaft dazu beigetragen, die Bioökonomie nicht nur national, sondern auch international ins Rampenlicht zu stellen und auf die politische Agenda zu setzen.

Von Visionen und konkreten Handlungsempfehlungen 

„Der Rat hat zum einen die Vision einer Wirtschaft entwickelt, in der Mensch und Natur zu Harmonie finden. Dazu ist nachhaltiger Konsum erforderlich. Zum anderen hat er sehr konkrete Empfehlungen zur Forschungs- und Innovationspolitik und zur Umgestaltung für mehr Nachhaltigkeit in Wirtschaftssektoren verabschiedet, so zur Agrar-, Forst-, Chemie-, Energiepolitik und dabei auch Kontroversen nicht gescheut“, bilanziert Joachim von Braun, Ko-Ratsvorsitzender des Bioökonomierates und Direktor des Zentrums für Entwicklungsforschung an der Universität Bonn.

Etwa 80 Veröffentlichungen, darunter Meldungen, Politik- und Forschungsempfehlungen und umfassende Hintergrundpapiere, hat der Rat im Laufe der Jahre veröffentlicht. So bezog er Stellung zur aktuellen Diskussion um das europäische EU-Gentechnikrecht und forderte mit Blick auf neue Verfahren wie dem Genome Editing eine Modernisierung der geltenden Rahmenbedingungen. Im Hinblick auf eine gesunde und nachhaltige Ernährung empfahl das Gremium der Bundesregierung, den Fokus stärker auf alternativer Eiweißquellen wie Hülsenfrüchte, Algen und Insekten zu lenken.

Gesellschaftlicher Dialog gefördert

Neben regelmäßigen Gesprächen mit den sieben beteiligten Ministerien wurde vor allem auch der gesellschaftliche Dialog zum Thema Bioökonomie gefördert. Dies beinhaltete Fachvorträge auf verschiedensten nationalen und internationalen Konferenzen, aber auch ganz neue Formate zum Bürgerdialog. Darüber hinaus wurden Kunstprojekte sowie Produkt-Ausstellungen initiiert, die veranschaulichen, wie die Bioökonomie den Alltag bereits erobert hat und welchen Beitrag Innovationen aus der Bioökonomie zu den Nachhaltigkeitszielen der Vereinten Nationen leisten.

Die Anregungen des 17-köpfigen Expertenteams haben des Weiteren maßgeblich dazu beigetragen, dass die Bundesregierung die Bioökonomie nicht nur in der spezifischen Bioökonomie-Strategie, sondern auch auf eine breitere, übergeordnete Innovationsagenda gesetzt hat. Der Wandel hin zu einer nachhaltigen Wirtschaft ist sowohl in der Hightech-Strategie 2025 als auch in der 2017 verabschiedeten Neuauflage der Nachhaltigkeitsstrategie fest verankert. Darüber hinaus sind die Empfehlungen des Rates in die Ausarbeitung der neuen Bioökonomie-Strategie der Bundesregierung eingeflossen, die für diesen Sommer erwartet wird. 

Globale Konzepte zu Klimaschutz und Nachhaltigkeit

Auch international hat der Bioökonomierat Spuren hinterlassen. Mit seiner Expertise unterstützte er andere Länder bei den Bemühungen, bioökonomische Strategien zu entwickeln und zu etablieren. Mit der Etablierung des "Global Bioeconomy Summit" als internationale Plattform für den politischen Austausch mit verschiedenen Beteiligten aus Ländern der ganzen Welt hat der Rat eine internationale Bühne geschaffen, um die Bioökonomie global zu diskutieren und auf die politische Agenda zu setzen. „Die Global Bioeconomy Summits 2015 und 2018 waren richtungsweisend und versammelten jeweils etwa 700 Teilnehmer aus über 70 Ländern. Gemeinsam haben wir Konzepte erarbeitet, damit die Bioökonomie zu den globalen Klimaschutz- und Nachhaltigkeitsagenden beiträgt“, betonen die Ratsvorsitzenden.

So wurde zum Abschluss des ersten Weltgipfels im November 2015 ein Abschlusscommuniqué verabschiedet, das fünf Prioritäten einer internationalen politischen Agenda auf dem Weg in die biobasierte Wirtschaft definierte. Mit dem Appell an die internationale Politik, dass die Bioökonomie stärker global gedacht werde muss, ging im April 2018 der zweite Summit zu Ende.

Die abschließende Sitzung des Rates findet Ende Mai in Berlin statt. Die Experten hatten der Bundesregierung die Weiterentwicklung der Beratungsstruktur empfohlen, insbesondere die Einrichtung einer deutschen Bioökonomieplattform. Bundesministerin für Bildung und Forschung Anja Karliczek hat diesen Vorschlag in einem Dankesschreiben an den Rat aufgegriffen. Die neue Bioökonomie-Strategie soll im Sommer veröffentlicht werden. Sie wird auch ein breit aufgestelltes Beratungsgremium vorsehen.

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Eine große Population bedeutet in der Regel auch eine große genetische Vielfalt. Bei der Vielwurzeligen Teichlinse, einer Entengrützen-Art, ist das anders. Biologen der Universität Münster und des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in Jena konnten nun in einer internationalen Kooperation zeigen, dass der Grund dafür in einer niedrigen Mutationsrate liegt. Im Fachjournal „Nature Communications“ präsentieren sie ihre Ergebnisse.

Millionen Individuen in einem Teich

Die Forscher hatten Proben der Vielwurzeligen Teichlinse aus 68 Gewässern rund um die Erde genommen und das Erbgut dieser Pflanzen analysiert. Zwar fanden die Biologen Unterschiede zwischen den vier großen geografischen Herkunftsregionen, doch insgesamt wies die Art eine der geringsten genetischen Vielfalten auf, die jemals bei mehrzelligen Eukaryoten beobachtet wurde. „Das ist insofern bemerkenswert, als dass ihre Populationsgröße wiederum sehr groß ist – in einem einzigen Teich können sich zum Beispiel Millionen von Individuen befinden“, sagt Shuqing Xu, Professor für evolutionäre Ökologie der Pflanzen an der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster.

Außergewöhnlich stabiles Genom

Um dieses Phänomen zu erklären, maßen die Pflanzenforscher aus Münster und Jena die Mutationsrate der Entengrütze. Dieser Wert beschreibt, wie häufig in einer Generation neue Mutationen auftreten. Tatsächlich stießen die Forscher auf eine äußerst niedrige Rate. Evolutionsbiologen hatten einen solchen Zusammenhang bei Arten mit sehr großen Populationen bereits vermutet. Der Nachweis fehlte bislang jedoch für Eukaryoten, da bei ihnen die Mutationsrate schwierig zu messen ist.

Die menschliche Landnutzung in Afrika beeinträchtigt die Ökosysteme der Meeresspiegel-nahen Savannen deutlich stärker als die in den Höhenlagen der Berge. Zu diesem Ergebnis kommt eine großangelegte internationale Studie unter der Leitung der Universität Würzburg. Aus den im Fachjournal „Nature“ veröffentlichten Erkenntnissen lassen sich Folgerungen ableiten, wie der Klimawandel Ökosysteme in anderen Regionen der Welt treffen wird.

Bergökosysteme in 850 bis 4.550 Metern Höhe untersucht

„Bisher war unklar, wie sich die menschliche Landnutzung auf die Biodiversität und ökologische Funktionalität tropischer Bergökosysteme auswirkt“, erläutert Marcell Peters vom Lehrstuhl für Tierökologie und Tropenbiologie der Julius-Maximilians-Universität Würzburg den Hintergrund der Studie. Sechs Jahre lang erfassten deshalb 50 Wissenschaftler aus Deutschland, Tansania, der Schweiz, Dänemark und Südafrika Daten von der Südseite des 5.895 Meter hohen Kilimandscharo. Zwischen 850 und 4.550 Metern Höhe untersuchten sie Pflanzen, Tiere sowie Mikroorganismen und darüber hinaus Ökosystemfunktionen wie den Nährstoffgehalt des Bodens, Bestäubung und die Zersetzung von Laubstreu. Außerdem hielten sie fest, dass im Tiefland überwiegend Mais angebaut wird, während in höheren Lagen Mischsysteme aus Kaffee und Wald oder Grünland für die Weideviehhaltung dominieren.

Lebensgemeinschaften der Höhenlagen anpassungsfähiger

„In der Savannenzone am Fuß des Berges gehen selbst bei moderater Landnutzung bis zu 50 Prozent der Arten verloren und die Funktionalität von Ökosystemen zeigt starke Veränderungen. Die Ökosysteme mittlerer Höhenlagen und mit gemäßigtem Klima sind dagegen etwas robuster“, resümiert Peters die Ergebnisse. Zwar fänden sich in den Höhenlagen ebenfalls große Veränderungen der Lebensgemeinschaften, jedoch seien der Artenreichtum und die ökologische Funktionalität durch menschliche Einflüsse weniger beeinträchtigt als im Tiefland. „Wir hoffen, dass unsere Studie dabei hilft, die Veränderungen in der Biodiversität und die ökologischen Funktionen auf tropischen Bergen besser zu verstehen und die langfristige Erhaltung intakter Bergökosysteme zu sichern“, erklärt der Initiator der Studie, Ingolf Steffan-Dewenter.

Ableitungen für Auswirkungen der Klimawandels

Die Höhenzonen der Berge gelten auch als Abbilder der Klimazonen der Erde: Je nach Höhenlage verändern sich die klimatischen Bedingungen und damit die vorkommenden Pflanzen- und Tierarten. „Unsere Studie zeigt, dass die Auswirkungen der Landnutzung auf die Biodiversität und Funktionalität von Ökosystemen stark vom klimatischen Kontext abhängig sind“, betont Peters. Das sei in Zeiten des Klimawandels doppelt relevant: Studien in verschiedenen Höhenstufen auf Bergen können auch verwendet werden, um die Auswirkungen klimatischer Veränderungen auf natürliche und vom Menschen genutzte Systeme besser vorherzusagen.

„Unsere Studie legt hier nahe, dass Kräfte des globalen Wandels nicht einzeln betrachtet werden können; die Auswirkungen der Landnutzung werden maßgeblich auch durch die klimatische Situation geprägt und andersherum“, sagt Steffan-Dewenter. Zur langfristigen Aufrechterhaltung der Artenvielfalt und der natürlichen Ökosystemfunktionen sei von größter Bedeutung, dass Landnutzungen nachhaltig und biodiversitätsfreundlich erfolgten.

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Hormone aus der Antibabypille lassen Froschmännchen zu Weibchen werden, Antibiotikarückstände fördern die Entwicklung von Bakterien, die gegen alle Therapien resistent sind: Zahlreiche chemische Verbindungen, darunter insbesondere Rückstände aus der Pharmazeutik, der Industrie und der Landwirtschaft führen zu ökologischen Problemen, wenn sie über das Wasser in die Umwelt gelangen. Über die Nahrung und das Trinkwasser kann das auch gesundheitliche Folgen für den Menschen haben. Ein neuer Ansatz soll es nun erleichtern, derartige Stoffe in Kläranlagen aus dem Abwasser zu entfernen.

Enzyme des Ständerpilzes

„Die bestehenden dreistufigen kommunalen Wasser- und Abwasserreinigungsanlagen sind nur teilweise in der Lage, diese Schadstoffe herauszufiltern. Selbst modernste Anlagen können keine vollständige Reinigung leisten“, umreißt die Leiterin des Projekts „XenoKat“, Anett Werner von der TU Dresden, das Problem. Manche Mikroschadstoffe wie etwa Anti-Epileptika konnten bisher überhaupt nicht herausgefiltert werden. Problematisch ist dabei die Struktur. Viele dieser chemischen Verbindungen verhindern einen biologischen Abbau. Nun scheint eine Lösung nahe: Eine Kombination bestimmter Enzyme des Ständerpilzes kann diese ringförmige Struktur aufbrechen und die Verbindungen für biologische Abbauprozesse zugänglich machen, wie Forscher der TU Dresden herausfanden.

Hochporöse Kugeln als Träger

Die Herausforderung bestand darin, die Enzyme auf hochporöse Träger zu fixieren, damit sie innerhalb eines Filtersystems an einer definierten Stelle wirken können. Die Forscher konnten mehrere Materialien erfolgreich testen, darunter Luffa-Schwämme, die nicht nur günstig verfügbar, sondern auch biologisch abbaubar sind. Vielversprechend waren dabei etwa vier Millimeter große metallische Hohlkugeln, an denen die Enzyme selbst nach acht Wochen noch aktiv waren.

Die Wissenschaftler konnten nachweisen, dass sich 15 Substanzen mithilfe der Pilzenzyme auf natürlichem Weg aus dem Wasser entfernen lassen – darunter Antibiotika, Schmerzmittel, Blutdrucksenker, Entwässerungsmittel und ein Anti-Epileptikum. Dazu musste das Wasser zwei bis acht Stunden in der Biofilteranlage verweilen.

Vierte Stufe für Kläranlagen

Bislang gibt es in Deutschland keine gesetzlichen Grenzwerte für diese Stoffe. Es gilt aber als wahrscheinlich, dass auch hierzulande künftig eine entsprechende vierte Filterstufe für Kläranlagen erforderlich werden wird, wie es sie in der Schweiz schon vielerorts gibt.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert „XenoKat“ von Mai 2017 bis bis Oktober 2019 mit 700.000 Euro. Neben der TU Dresden sind auch die ASA Spezialenzyme GmbH und die Bundesanstalt für Gewässerkunde beteiligt.

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Hormones from the contraceptive pill turn male frogs into females, antibiotic residues promote the development of resistant bacteria: Numerous chemical compounds, in particular residues from pharmaceuticals, industry and agriculture, cause ecological problems when they enter the environment by way of water. This can can also have health consequences for humans. A new approach aims to make it easier to remove these so-called xenobiotics from wastewater in sewage treatment plants.

Enzymes of the pillar fungus

"The existing three-stage municipal water and sewage treatment plants are only partially able to filter out these pollutants. Even the most modern plants cannot provide complete decontamination," says Anett Werner, head of the "XenoKat" project at Dresden Technical University, outlining the problem. Some micropollutants, such as anti-epileptic drugs, could not be filtered out at all. The problem is the structure. Many of these chemical compounds prevent biological degradation. Now a solution seems obvious: A combination of certain enzymes of the pillar fungus can break up this ring-shaped structure and make the compounds accessible for biological degradation processes, as the TU Dresden researchers found out.

Highly porous spheres as carriers

The challenge was to attach the enzymes to highly porous carriers so that they could act at a defined point within a filter system. The researchers were able to successfully test several materials, including loofah sponges, which are not only cheaply available but also biodegradable. Highly promising were hollow metal spheres of about four millimetres, on which the enzymes were still active even after eight weeks.

The scientists were able to demonstrate that 15 substances can be naturally removed from the water with the help of fungal enzymes - including antibiotics, painkillers, antihypertensive drugs, dehydrating agents and an anti-epileptic. To this end, the water had to remain in the biofilter system for two to eight hours.

Fourth stage for sewage treatment plants

So far, there are no legal limits for these substances in Germany. However, it is likely that a fourth filter stage will be required for wastewater treatment plants in Germany in the future, as is already the case in many places in Switzerland.

The Federal Ministry of Education and Research is funding "XenoKat" with 700,000 euros from May 2017 to October 2019. In addition to the TU Dresden, ASA Spezialenzyme GmbH and the Federal Institute of Hydrology are also involved.

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Wie sieht die industrielle Produktion von morgen aus? Das lässt sich eindrucksvoll auf der Hannover Messe besichtigen. Rund 6.500 Aussteller aus über 70 Ländern präsentieren noch bis zum 5. April auf dem Messegelände, wie Hightech die Industrieproduktion der Zukunft prägen wird. Die Topthemen in den Messehallen sind Robotik, Vernetzung und der Einsatz von Künstlicher Intelligenz in der industriellen Fertigung. Impulse für die Zukunft der Industrie liefert auch die Bioökonomie. Und so haben biobasierte Innovationen auch in diesem Jahr in Halle 2 ihren Platz: Im „Schaufenster Bioökonomie", Stand A45, präsentieren sich rund 20 öffentlich geförderte Forschungs- und Entwicklungsprojekte für das biobasierte Wirtschaften. Sie werden vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) unterstützt. 

Enzyme sind für viele Industriebereiche mittlerweile unverzichtbar. Ihr Potenzial, auf natürliche Weise Produkte zu veredeln oder als Katalysator Produktionsprozesse zu beschleunigen, macht die Eiweißmoleküle zu heimlichen Stars biotechnologischer Prozesse. Vor allem Waschmittelhersteller kommen ohne die Multitalente nicht mehr aus. Immer mehr Textilien bestehen heutzutage aus einer Mischung von Fasern - wie etwa Baumwolle und Polyester.  Darüber hinaus gibt es neue Materialien für Outdoor-Textilien, die hauptsächlich aus synthetischen Fasern bestehen. Das stellt auch neue Anforderungen an Waschmittel. Ein Problem sind hier vor allem die unliebsamen Knötchen, die sich nach mehrmaligem Waschen auf der Textiloberfläche bilden.

Synthetische Fasern im Blick

Diese und andere Herausforderungen hat sich die strategische Allianz „Funktionalisierung von Polymeren" (FuPol) gestellt. Koordiniert vom Monheimer Enzymspezialisten evoxx technologies GmbH arbeiteten über fünf Jahre neun Partner aus Forschung und Industrie an unterschiedlichen Fragestellungen. Unter anderem an Enzymen für Waschmittel, die bei Textilien, welche ganz oder zum Teil aus synthetischen Fasern bestehen, eine solche Knötchenbildung verhindern helfen oder vorhandene Knötchen entfernen sollen. Die Arbeit des Gesamt-Konsortiums wurde von 2013 bis 2018 mit insgesamt 8 Mio. Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der „Innovationsinitiative industrielle Biotechnologie“ gefördert.
 
In der ersten Etappe bis 2016 konnten die Projektpartner bereits Enzyme identifizieren, die das Potenzial haben, die unliebsamen Knäule regelrecht abzuknabbern. Beim Durchforsten des Bioarchives stießen die Biotechnologen des Konsortiums auf Esterasen wie Cutinasen, die Esterbindungen spalten und so natürliche Substrate attackieren. „Die Cutinase ist ein Enzym, das von erschiedenen Pilzen genutzt wird, um durch die Cutinschicht von Blättern zu dringen“, erklärt evoxx-Geschäftsführer Michael Puls. „Das ist eine Art Wachsschicht, mit der sich Pflanzen vor Krankheitserregern und Austrocknung schützen. Cutinasen sind daher Enzyme, die solche Wachsschichten angreifen.“

Mit Enzymen gegen Faserknötchen 

Die Aktivität der vielversprechenden Kandidaten zu verbessern und zugleich den Herstellungsprozess mit Blick auf den industriellen Einsatz zu optimieren, war das Ziel der zweiten Phase, die im April 2018 endete. Diese Arbeiten wurde mit rund 166.000 Euro vom BMBF gefördert. Hier lag der Fokus nicht allein auf der Weiterentwicklung von Faserknötchen-abbauenden Enzymen für Waschmittel. Auch die Textilindustrie hat großes Interesse an biotechnologischen und damit nachhaltigen Ansätzen bei der Verarbeitung von Garnen und Geweben, um beispielsweise störende Rückstände der Faserherstellung auf umweltfreundliche Weise statt mit chemischen Substanzen zu bekämpfen. „Beispielsweise führen kürzere Reste von Polymeren zu Schwierigkeiten in der späteren Verarbeitung der Garne. Diese könnten mit Hilfe von Enzymen nachhaltiger entfernt werden“ , sagt Puls.

PET-abbauende Enzyme entdeckt

Zur Verbesserung der Aktivität der Enzyme erzeugten die Forscher Mutationen im Gen, das das jeweilige Enzym kodiert und veränderten damit seine Struktur. Aber nicht nur das. Sie modifizierten die so genannte Bindedomäne, um den gewünschte Effekt der Enzyme zu verstärken. „Wir haben Esterasen gefunden, die PET abbauen und zwar ziemlich effizient. Und wir haben sowohl verbesserte Enzymvarianten entwickelt, als auch die Herstellbarkeit der Enzyme deutlich verbessert. Hier könnte die Wirtschaftlichkeit in absehbarer Zeit erreicht werden und die Anwendung im Waschmittel wäre dann in Sichtweite“, resümiert Puls. Waschtests konnten den sogenannten Anti-Pilling-Effekt bereits bestätigen. Auch gelang es dem Team mittels optimierter PET-Hydrolyse nicht nur Textilfasern zu zerlegen, sondern auch die Oberflächen dünner Folien deutlich zu verändern. 

Enzymes are now indispensable for many industrial sectors. Their potential to naturally refine products or accelerate production processes as catalysts makes protein molecules secret stars of biotechnological processes. Detergent manufacturers in particular can no longer do without these multi-talents. More and more textiles today consist of a mixture of fibers - such as cotton and polyester.  In addition, there are new materials for outdoor textiles made mainly from synthetic fibers. This also poses new challenges for detergents. A particular problem here is the unsightly pilling that occurs on the textile surface after repeated washing.

Synthetic fibers at a glance

The strategic alliance "Functionalization of Polymers" (FuPol) has taken up these and other challenges. Coordinated by the Monheim enzyme specialist evoxx technologies GmbH, nine partners from research and industry have been tackling different challenges for more than five years. These include enzymes for detergents that are used to prevent pilling in the first place or to remove existing pilling in textiles that consist entirely or partly of synthetic fibers. The work of the entire consortium was funded from 2013 to 2018 with a total of 8 million euros by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) as part of the "Industrial Biotechnology Innovation Initiative".

In the first stage until 2016, the project partners were able to identify enzymes that have the potential to nibble off the unpleasant lumps. While browsing through the bioarchive, the biotechnologists of the consortium discovered esterases such as cutinases that break ester bonds and attack natural substrates. "Cutinase is an enzyme used by various fungi to penetrate the cutin layer of leaves," explains Michael Puls, Managing Director of evoxx. "This is a kind of wax layer with which plants protect themselves against pathogens and dehydration. Cutinases are therefore enzymes that attack such layers of wax".

Fight pilling with enzymes

The aim of the second phase, which ended in April 2018, was to improve the activity of the promising candidates and at the same time optimize the production process with a view to industrial application. This work was funded by the BMBF with around 166,000 euros. The focus here was not only on the further development of fiber-lump-degrading enzymes for detergents. The textile industry is also very interested in biotechnological and thus sustainable approaches in the processing of yarns and fabrics, for example in order to combat undesirable residues from fiber production in an environmentally friendly way instead of using chemical substances. "For example, shorter polymer residues lead to difficulties in the subsequent processing of the yarns. These could be removed more sustainably with the aid of enzymes," says Puls.

PET-degrading enzymes identified

In order to improve the activity of the enzymes, the researchers created mutations in the gene encoding the respective enzyme and thus altered its structure. But that' s not all. They modified the so-called binding domain in order to enhance the desired effect of the enzymes. "We have found esterases that degrade PET quite efficiently. We have also developed improved enzyme variants and considerably improved the producibility of the enzymes. This could lead to economic efficiency in the foreseeable future and the application of the enzymes in detergents would then be on the horizon," concludes Puls. Washing tests have already confirmed the so-called anti-pilling effect. The team also succeeded in using optimized PET hydrolysis not only to break down textile fibers, but also to significantly change the surfaces of thin films.

Essen zum Mitnehmen liegt im Trend. Doch der Service hat seinen Preis: Mit jedem To-go-Produkt werden die Müllberge größer. Frederike Reimold will das ändern. Die Lebensmitteltechnologin aus Bremerhaven leitet seit einem Jahr das Projekt Mak-Pak, das nachhaltige Verpackungslösungen entwickelt. Gemeinsam mit ihrem Team sucht sie nach Makroalgen, die sich zur Herstellung von Snackboxen eignen. Das Besondere: Die Snackbox soll nicht nur kompostierbar, sondern auch essbar sein. Der Plan: Bereits 2020 wird das erste Fischgericht für unterwegs in Algenboxen bei der Imbisskette „Nordsee" über den Tresen gehen.