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„Hidden Champion“ ist vielleicht der beste Begriff, um zu beschreiben, was sich in den vergangenen fünf Jahren im Bonner Umland entwickelt hat: Auch wenn die Firma Jennewein Biotechnologie GmbH – noch – nicht den Umsatz erreicht, der in der Regel mit einem „Hidden Champion“ verbunden wird, so erfüllt das junge Unternehmen mit derzeit 94 Mitarbeitern doch so ziemlich alle anderen Kriterien. Nur „versteckt“ kann man den in Rheinbreitbach ansässigen Hersteller besonderer humaner Zuckermoleküle als Zusatz für Nahrungsmittel, insbesondere für Säuglingsnahrung, spätestens seit seiner jüngsten Akquise nicht mehr nennen. „Wir möchten nicht weniger als die größte Fermentationsanlage der letzten Jahrzehnte bauen“, beschreibt Firmengründer Stefan Jennewein die aktuellen Wachstumspläne nicht ohne Stolz.

2005 gegründet mit einer mutigen Idee

Begonnen hat die rasante Entwicklung des Unternehmens im Gründungsjahr 2005. Jennewein wollte mithilfe der Biotechnologie humane Milch-Oligosaccharide herstellen. „Humane Milch-Oligosaccharide stellen den drittgrößten Bestandteil der Muttermilch dar, nach Lactose und Fetten. Diese sogenannten HMOs wurden vor über hundert Jahren auf Grundlage der Beobachtung entdeckt, dass gestillte Säuglinge eine siebenmal höhere Überlebenschance haben als mit damaliger Babynahrung gefütterte Säuglinge“, schildert Jennewein. Heute weiß man, dass diese speziellen Mehrfachzucker dem Baby helfen, eine gesunde Darmflora zu entwickeln und gleichzeitig das Risiko bestimmter Infektionen wie beispielsweise mit dem Norovirus verringern.

Die chemische Industrie scheitert seit Jahrzehnten daran, diese komplexen Moleküle im industriellen Maßstab künstlich herzustellen, um sie Säuglingsnahrung beifügen zu können. „Sie aus der Muttermilch zu gewinnen, wäre unethisch, man müsste sie ja einem Säugling wegnehmen“, schließt Jennewein diesen zweiten Ansatz aus – zumal auf diesem Weg Krankheiten übertragen werden könnten. Auch der Biotechnologie wollten viele nicht zutrauen, die Herausforderung technisch und obendrein profitabel zu bewältigen. „2005 haben wir unser Vorhaben mehreren Säuglingsnahrungsherstellern vorgestellt, damals wurde mir gesagt, dass ich das Thema vergessen sollte, denn es wäre unmöglich, humane Milchzucker biotechnologisch herzustellen“, erinnert sich der Firmenchef. Er machte sich dennoch daran.

Bundesforschungsministerium fördert die Entwicklung früh

Das Bundesforschungsministerium (BMBF) glaubte an das Potenzial und unterstützte Jennewein Biotechnologie von 2008 bis 2012 mit 1,1 Mio. Euro aus der Förderinitiative „BioChancePlus“. Das junge Unternehmen konzentrierte sich auf das humane Milch-Oligosaccharid 2‘-Fucosyllactose. Die Forscher funktionierten Bakterien zu Zellfabriken um, die mithilfe einer speziellen Enzymausstattung die schwierige Aufgabe der Zuckerherstellung fortan bewältigen können. Die harmlosen Mikroorganismen sondern das fertige Produkt ab, sodass es anschließend nur noch aus der Nährlösung herausgefiltert werden muss. Als „Futter“ für die Mikroorganismen kommen Zucker aus erneuerbaren Quellen zum Einsatz – ein schonendes, energiearmes, umweltfreundliches und gesundheitlich unbedenkliches Verfahren.

Der Erfolg überzeugte das BMBF erneut, sodass das Ministerium im Anschluss an die erste Förderung noch einmal rund 1 Mio. Euro aus der Fördermaßnahme „KMU-innovativ Biotechnologie“ für die Jahre bis 2015 bereitstellte. Mit diesem Geld wollte Jennewein weitere Enzyme, sogenannte Glycosyltransferasen identifizieren, um zusätzliche der rund einhundert unterschiedlichen humanen Milch-Oligosaccharide auf biotechnologischem Weg zu produzieren. Mit Erfolg: „Auf der Basis können wir nun acht weitere humane Mehrfachmilchzucker herstellen“, resümiert Jennewein die Forschungsergebnisse.

Hautcreme, Nagellack, Brustimplantate: Die Biotech-Spinnenseidenproteine von AMSilk stecken bereits in einer Reihe von Produkten des Alltags. Seit es dem Martinsrieder Unternehmen 2013 erstmals gelungen ist, seine mithilfe von Mikroorganismen hergestellten Spinnenseideproteine zu Fasern zu verarbeiten, ist auch die Textilbranche an dem biobasierten Supermaterial hochinteressiert. In einer bestehenden Kooperation mit dem Sportartikelhersteller Adidas ist der Prototyp eines Laufschuhs entstanden, dessen Obermaterial aus "Biosteel-Fasern" gefertigt ist. Kaufen kann man den Sneaker bisher allerdings noch nicht.

Armbänder für Luxusuhren

Anders sieht es bei dem jüngsten Coup von AMSilk aus: Wie diverse Zeitungen meldeten, haben die Martinsrieder den Luxusuhrenhersteller OMEGA als Abnehmer für ihre Biosteel-Fasern gewonnen. Das Schweizer Unternehmen bietet ab sofort seine NATO-Textilarmbänder aus Biosteel-Fasern im Handel an. „Damit zeigen wir, dass der Einsatz im Textilbereich möglich ist“, sagte AMSilk-CEO Jens Klein dem Handelsblatt. „Die Fashion-Industrie kann ein riesiger Markt werden.“ Konkrete Angaben zu dem Deal wurden jedoch nicht bekannt.

Was die Biotech-Spinnenseide so attraktiv macht: sie ist widerstandsfähig, flexibel und weich. Die synthetischen Seidenproteine wirken zudem antibakteriell und sind vollständig biologisch abbaubar. Diese Eigenschaften machen das Material für Kosmetik- und Medizintechnikhersteller, aber eben auch für die Sport- und Outdoor-Industrie interessant.

AMSilk erwartet erstmals Millionenumsätze 

Auch die Luft- und Raumfahrtindustrie testet den extrem flexiblen und hoch belastbaren Werkstoff. Erst im September 2018 hat AMSilk mit Airbus eine Kooperation geschlossen, um ein neues Verbundmaterial auf Basis von künstlich erzeugten Seidenproteinen zur Herstellung von Flugzeugflügeln zu entwickeln. 

Hauptinvestor von AMSilk ist AT Newtec, eine Investmenttochter der Hexal-Gründer Andreas und Thomas Strüngmann. Als Investor sind zudem die MIG Fonds an Bord. Die Eigentümer haben bislang einen zweistelligen Millionenbetrag eingebracht. In diesem Jahr will AMSilk mit dem Hightech-Material erstmals Millionenumsätze einfahren. Wie das Unternehmen auf Nachfrage von bioökonomie.de bestätigt, rechnet das Unternehmen mittelfristig mit Umsätzen in zweistelliger Millionenhöhe. Damit wäre das Geschäftsmodell Klein zufolge „grundsätzlich auch etwas für die Börse“. 

bb/pg

Phosphor ist ein lebenswichtiger Nährstoff für Pflanzen. Um Erträge zu steigern, werden in der Landwirtschaft Dünger eingesetzt, die das wertvolle Mineral enthalten. Doch die Ressource ist teuer und obendrein rar. Forscher der Universität Bayreuth haben nun gemeinsam mit Wissenschaftlern in Kopenhagen einen Weg gefunden, wie der kostbare Nährstoff auch ohne regelmäßiges Düngen langfristig für Pflanzen verfügbar gemacht werden kann – und zwar durch die Zugabe von Silizium.

Phosphorverfügbarkeit mit Silizium steuern

Im Rahmen der Studie hatte das Team Böden in der Arktis untersucht und herausgefunden, dass Silizium den an Eisen gebundenen Phosphor im Boden mobilisiert und damit bewirkt, dass der kostbare Nährstoff von den Pflanzenwurzeln aufgenommen werden kann.  Die Ergebnisse der Untersuchung sind im Fachjournal „Scientific Reports“ erschienen. „Die wirtschaftlichen und ökologischen Vorteile liegen auf der Hand“, betont der Bayreuther Umweltgeochemiker Jörg Schaller. „Phosphorhaltiger Dünger ist eine begrenzte Ressource, wohingegen Silizium nahezu unbegrenzt vorhanden ist. Auf der Basis unserer Forschungsergebnisse kann die weltweite Verfügbarkeit von Phosphor im Boden durch eine gezielte Düngung mit Silizium präzise gesteuert werden“, sagt Schaller.

Dank Silizium auf Phosphordünger verzichten

Das Forscherteam ist überzeugt: WürdenBöden mit genau definierten Mengen Silizium gedüngt, könnten Landwirte möglicherweise über Jahre hinweg auf phosphorhaltige Dünger verzichten, ohne dass es zu Ernteverlusten kommt. „Dies wäre ein nicht zu unterschätzender Beitrag zur globalen Ernährungssicherheit“, betont Schaller.  Aber auch die Umwelt würde geschont. Zum einen würde somit weniger Phosphor von den Feldern in die Gewässer gelangen, was die umweltschädigende Algenblüte drosseln kann. Zum anderen würde mehr Silizium von den Böden ins Meer transportiert, wodurch mehr Kohlenstoff durch Kieselalgen gebunden werden kann und nicht als Treibhausgas in die Atmosphäre entweicht. 

Die Arbeit der Bayreuther Forscher wurde von der Bayerischen Forschungsallianz (BayFOR) und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

bb

Cyanobakterien gehören zu den ältesten Lebensformen der Erde. Sie gelten als Erfinder der pflanzlichen Photosynthese und sind heute ein wichtiger Naturstoff, um Peptide, Aminosäuren oder Vitamine herzustellen. Einst wurden sie als Blaualgen bezeichnet und den Algen zugeordnet. Mittlerweile gehen Forscher aber davon aus, dass diese Millionen Jahre alten Organismen einen eigenen Bakterienstamm repräsentieren. Etwa 1.500 Arten sind bekannt. Einige davon gehören zum Repertoire des Leibniz-Instituts DSMZ-Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH. An dem Braunschweiger Institut werden die Organismen konserviert und umfassend erforscht.

Unterschiede im Metabolismus aufgedeckt

Wegen ihrer zunehmenden Bedeutung für die Biotechnologie haben Jörn Petersen und Nachwuchsgruppenleiterin Meina Neumann-Schaal vom DSMZ in der Sammlung nach neuen Modellsystemen bei den Cyanobakterien geforscht. Dafür verglichen sie das Erbgut und den Stoffwechsel von fünf nicht-marinen Cyanobakterien mit der in Süßwassern lebenden Art Synechocystis sp. PCC 6803. Dabei zeigten sich verblüffende Unterschiede im metabolischen Repertoire der einzelnen Organismen, wie das Team im Fachjournal „Genome Biology and Evolution“ berichtet.

Austausch von Genen beim Stoffwechsel

Die Wissenschaftler stellten fest, dass es insbesondere erhebliche Differenzen im Stoffwechsel zwischen den verschiedenen photosynthetischen Bakterien gibt und diese sich individuell an den Tag-Nacht-Zyklus anpassen. Die Studie belegt, dass es zwischen den Arten zu einem völlig unerwarteten Austausch von Genen des Primärstoffwechsels kommt. Große Diskrepanzen zeigten auch die untersuchten Bakterienstämme hinsichtlich der Assimilation von Kohlenstoffdioxid und dessen Speicherung in Kohlenhydraten.

Die metabolischen Unterschiede lassen sich den Forschern zufolge anhand des Erbguts erklären: So enthält der vor Jahrzehnten in der chilenischen Atacama-Wüste isolierte und seither praktisch – wie es heißt- in „Einzelhaft“ gehaltene Stamm Calothrix desertica DSM 106972 dreimal so viele Gene wie der von den Braunschweiger Forschern genutzte Referenzorganismus.

Neue Modellsysteme nutzen

Anhand ihrer Erkentnisse sind die Wissenschaftler überzeugt: Um das verborgene biotechnologische Potenzial von Cyanobakterien voll ausschöpfen zu können, sollten zur Erforschung der Biodiversität nicht nur etablierte Modellsysteme, sondern dringend auch andere Modelle genutzt werden.

bb

Der Waschtag – ein wahrer Kraftakt

Lange Zeit war das Waschen die kraft- und zeitaufwendigste Arbeit im Haushalt. Gewaschen wurde in einer Lauge aus Asche – Asche, weil die nicht wasserlöslichen Substanzen mechanisch beim Scheuern halfen. Zudem entsteht durch die Verbindung von Wasser und Asche eine ätzende Lösung, die die Fasern zum Quellen bringt und die Fette zersetzt. Nach dem Einweichen und Brühen in der Lauge standen das anstrengende Schlagen, Kneten und Reiben, erneutes Spülen, dann Bleichen und Wringen: ein Kraftakt, den uns heute die Waschmaschine und zahlreiche Inhaltsstoffe abnehmen.

Waschmittel heute – ein Hightech-Produkt

Heute setzen sich Waschmittel aus etwa 30 verschiedenen Komponenten zusammen. Die umweltschädlichen Phosphate wurden im Laufe der Jahre eliminiert und synthetische Tenside auf Erdölbasis weitgehend durch biologisch abbaubare Tenside ersetzt.

Hinzugefügt wurden Enzyme. Jedes Enzym wirkt spezifisch für einen bestimmten organischen Stoff, welchen es immer in gleicher Art und Weise abbaut. Da Enzyme als biologische Katalysatoren arbeiten, werden sie bei der Reaktion nicht verbraucht. Dadurch können sie schon in geringen Mengen wirkungsvoll eingesetzt werden. Mithilfe gentechnisch veränderter Mikroorganismen lassen sie sich in größeren Mengen und hoher Reinheit günstig und umweltschonend herstellen. Die bioaktiven Stoffe entfalten ihre reinigende Wirkung bereits bei niedrigen Waschtemperaturen, dies spart zusätzlich Energie und senkt indirekt den CO₂-Ausstoß.

Ein weiteres Plus: Durch die Enzyme wird die Wäsche nicht nur sauberer, sondern auch gepflegt: Biochemisch knabbern sie von Baumwollgewebe die winzigen Knötchen ab, die das Gewebe rauh machen.

Marktreife

In etwa 80% der Waschmittel kommen heute Enzyme zum Einsatz.

The washing day - a huge effort

For a long time, washing was the most energy- and time-consuming work in the household. Washing was done in a lye made of ash - ash, because the non-water-soluble substances mechanically helped scrubbing. In addition, the combination of water and ash produces a corrosive solution that causes the fibres to swell and decomposes the fats. After soaking and brewing in the caustic solution, the strenuous beating, kneading and rubbing, rinsing again, then bleaching and wringing took place: a huge effort that the washing machine and numerous ingredients relieve us of today.

Detergents today - a high-tech product

Today, detergents consist of about 30 different components. The environmentally harmful phosphates have been eliminated over the years and synthetic surfactants based on petroleum have been largely replaced by biodegradable surfactants.

Enzymes were added. Each enzyme acts specifically for a certain organic substance, which it always degrades in the same way. Since enzymes work as biological catalysts, they are not consumed during the reaction. This enables them to be used effectively even in small quantities. With the help of genetically modified microorganisms, they can be produced in large quantities and high purity in a cheap and environmentally friendly way. The bioactive substances already develop their cleaning effect at low washing temperatures, which additionally saves energy and indirectly lowers CO2 emissions.

Another advantage is that the enzymes not only make the laundry cleaner, they also care for it: Biochemically, they nibble off the tiny nodules that make the cotton fabric rough.

Ready for the market

Enzymes are used in about 80% of detergents today.

Gleiten lernen von Schwimmfarnen – so in etwa könnte man zusammenfassen, was sich Forscher der Universität Bonn für die Tankschiffe der Zukunft vorstellen: Je besser ein Schiff gleitet, desto geringer ist sein Treibstoffverbrauch und damit bei motorisierten Schiffen auch der Ausstoß an Treibhausgasen. Eine Hightech-Beschichtung der Schiffshülle könnte das in bislang unerreichtem Ausmaß ermöglichen, wie die Forscher im Fachjournal „Philosophical Transactions A“ berichten.

Härchen bilden Lufthülle

Taucht man den Schwimmfarn Salvinia molesta unter Wasser und zieht ihn wieder heraus, perlt die Flüssigkeit von ihm ab, ohne dass er nass geworden ist. Dahinter steckt ein einfacher chemischer Trick: Auf seiner Oberfläche besitzt der Farn ein dichtes Meer aus winzigen Härchen. An ihrer Wurzel sind diese Härchen wasserabstoßend, an ihrer Spitze wasseranziehend. Gerät der Schwimmfarn unter Wasser, sammeln sich an den Haarspitzen unzählige kleine Wassertröpfchen und bilden eine dichte Hülle. Unterhalb dieser Hülle befindet sich jedoch eine Luftschicht, die nun sicher eingeschlossen ist und den Farn trocken hält.

Ein Fünftel Sprit einsparen

Eine vergleichbare Lufthülle um den Schiffsrumpf herum würde dessen Reibung im Wasser und damit den Energiebedarf zur Fortbewegung verringern. Die Bonner Forscher haben daher mit Partnern an der Universität Rostock eine Beschichtung entwickelt, die die Oberflächenstruktur des Schwimmfarns imitiert. „Wir konnten bereits vor gut zehn Jahren an einem Prototypen zeigen, dass damit im Prinzip eine Reibungsminderung von bis zu zehn Prozent möglich ist“, erklärt Matthias Mail vom Nees-Institut für Biodiversität der Pflanzen an der Universität Bonn. „Unsere Partner der Uni Rostock erreichten später mit einem anderen von uns entwickelten Material sogar eine 30-prozentige Reduktion.“ In der Praxis liege das mittelfristige Sparpotenzial wohl bei fünf, langfristig eher bei 20 Prozent.

Ein Prozent der globalen CO₂-Emissionen vermeiden

Da der Treibstoffverbrauch rund die Hälfte der Transportkosten auf dem Seeweg ausmacht, könnte ein handelsübliches Containerschiff auf dem Weg von Baltimore (USA) nach Bremerhaven bis zu 160.000 US-Dollar Kosten einsparen. Berücksichtigt man, dass durch die Beschichtung weniger Pocken und andere Wasserlebewesen den Schiffsrumpf besiedeln – was ebenfalls Einfluss auf die Reibung hat – könnte diese Technologie fast ein Prozent der globalen Kohlendioxidemissionen vermeiden, kalkulieren die Forscher. „Natürlich sind diese Zahlen optimistisch“, räumt Mail ein. „Sie zeigen aber, wie viel Potenzial diese Technologie hat.“

bl

In einigen Jahren könnte Raps einen wichtigen Beitrag zur menschlichen Ernährung leisten: Forscher der TU München haben die chemische Verbindung identifiziert, die Raps einen bitteren Beigeschmack verleiht. Im Fachmagazin „Journal of Agricultural and Food Chemistry“ berichten sie von ihrer Analyse. Diese eröffnet Wege, künftig Rapsprodukte ohne diesen Bitterstoff herzustellen.

Wertvolle Proteinquelle

Raps ist eigentlich reich an für die Ernährung wertvollen Proteinen. Dennoch ist das Getreide bei uns vor allem Energie- und Futterpflanze; lediglich als Öl findet es sich in manchen Küchen. Der bittere Geschmack sekundärer Pflanzenstoffe macht den Proteinextrakt ungenießbar. Vor dem Hintergrund einer wachsenden Weltbevölkerung und dem damit verbundenen steigenden Bedarf an Eiweiß wollten die Münchener Lebensmittelchemiker Raps dennoch als neue Proteinquelle erschließen.

Nur eine Verbindung für Bitterkeit verantwortlich

Mittels massenspektrometrischer Analysen und Geschmackstests haben die Forscher untersucht, welche Bestandteile des Rapsschrots für dessen Bitterkeit verantwortlich sind. Es stellte sich heraus, dass der unangenehme Geschmack auf eine einzelne Verbindung zurückgeht, die den Namen Kaempferol-3-O-(2‘‘‘-O-sinapoyl-ß-sophorosid) trägt. Zusätzlich ermittelten die Chemiker, ob vielleicht nur eines der Isolate der beiden Hauptproteine vom Raps dieses Geschmacksmolekül beinhaltet. Tatsächlich wies das Cruciferin-Isolat zehnmal so viel Bitterstoff auf wie das Napin-Isolat. Doch die Geschmackstester empfanden auch die geringere Menge als unangenehm bitter.

Künftig Sorten ohne Bitterstoff?

„Da wir den Verursacher der bitteren Fehlnote nun kennen, lassen sich sehr viel leichter geeignete technologische Verfahren oder züchterische Strategien entwickeln, mit denen sich aus Rapssaat wohlschmeckende, eiweißreiche Lebensmittel herstellen lassen“, erläutert Co-Autorin Corinna Dawid das Potenzial der Entdeckung. Gefördert wurde ihre Arbeit vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen des RaPEQ-Projekts mit rund 400.000 Euro.

bl

Wer als Mensch an der Decke entlang laufen möchte, benötigt vermutlich Konrads Spezialkleber aus der Geschichte „Pippi Langstrumpf“ oder einen anderen technischen Trick. Einige Tiere verfügen jedoch von Natur aus über die Fähigkeit, die Schwerkraft zu besiegen, und können Wände oder Decken entlangkrabbeln. Am Beispiel der Jagdspinne haben deutsche Forscher untersucht, welche molekularen Strukturen den Tieren ermöglichen, die enormen mechanischen Belastungen dauerhaft auszuhalten, die auf deren winzige Hafthärchen wirken.

Analyse mittels Hightech-Röntgengeräten

Im Fachjournal „Journal of the Royal Society Interface“ berichtet das Forschungsteam der Universität Kiel und des Helmholtz-Zentrums Geesthacht (HZG) über den Aufbau der nur einige Hundert Nanometer langen Hafthärchen, von denen die Jagdspinne Cupiennius salei rund tausend Stück an jeder Beinspitze besitzt. Möglich wurde die Aufklärung der Struktur durch spezielle Röntgenstrahlenquellen an der European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble, Frankreich, und am Deutschen Elektronen-Synchrotron in Hamburg. Daraus, wie diese Röntgenstrahlen gestreut werden, können die Forscher auf wenige Nanometer genaue Rückschlüsse auf die Materialzusammensetzung ziehen.

Spezielle Molekülanordnung fängt Kräfte ab

„Wir fanden heraus, dass die Chitinmoleküle an der Spitze der winzigen Hafthaare der Spinne speziell angeordnet sind: Die parallel verlaufende Faserstruktur verstärkt die Hafthärchen“, fasst Martin Müller, Werkstoffphysiker am HZG, die Untersuchungen zusammen. Diese Struktur folgt den Zug- und Haftkräften, die auf die Härchen wirken, und fängt die Belastungen auf, die beim Anhaften und Ablösen der Spinnenbeine auftreten. „Außerdem ist bemerkenswert, dass die Chitin-Fasern in anderen Teilen der Spinnenbeine in unterschiedlichen Richtungen verlaufen, ähnlich wie bei Sperrholz. Diese Struktur macht den Schaft des Spinnenbeins in verschiedene Richtungen biegbar“, ergänzt Biomechaniker Clemens Schaber von der Universität Kiel, Erstautor der Studie.

Biologisches Prinzip technisch imitieren

Da beispielsweise auch Geckos ähnliche Härchen besitzen, vermuten die Forscher hinter dieser Struktur ein zentrales, biologisches Prinzip, das ihnen ermöglicht, auf verschiedenen Untergründen haften zu können. Um neue, besonders belastbare Materialien zu entwickeln, könnten diese die speziellen Molekülanordnungen auf Nanoebene imitieren. Noch ist das eine große technische Herausforderung. Doch Fortschritte beim 3D-Druck auf der Nanoskala könnten das eines Tages möglich machen, glauben die Wissenschaftler.

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Anyone who wants to walk along the ceiling as a human probably needs Konrad's super glue from the story "Pippi Longstocking" or another technical trick. However, some animals naturally have the ability to defy gravity and can crawl along walls or ceilings. Using the hunting spider as an example, German researchers have investigated which molecular structures enable the animals to permanently withstand the enormous mechanical stresses that act on their tiny adhesive hairs.

Analysis using high-tech X-ray equipment

In the specialist journal "Journal of the Royal Society Interface", the research team of the University of Kiel and the Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) reports on the structure of the  bristle-like hairs (so-called setae), which are only a few hundred nanometres long. The Cupiennius salei hunting spider has about a thousand of these hairs on each leg tip. The determination of the structure was made possible by special X-ray sources at the European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble, France, and at the German Electron Synchrotron in Hamburg. From the way these X-rays are scattered, the researchers can draw conclusions about the composition of the material with an accuracy of just a few nanometers.

Special molecular arrangement absorbs forces

“This method revealed that the chitin molecules in the spider adhesive hairs have a very specific arrangement at the very tips of the hairs. The material of the tips strengthens the adhesive hairs in the direction of the pull off force because of the presence of parallel oriented chitin fibres,” said Martin Müller, materials physicist at the HZG, summarizing the investigations. This structure follows the tensile and adhesive forces acting on the hairs and absorbs the stresses that occur when the spider legs adhere and detach. “Another remarkable insight is that the chitin fibres in other parts of the spider legs run in different directions. This structure, which is similar to plywood, makes the hair shaft stable in different directions of bending,” adds biomechanic Clemens Schaber from the University of Kiel, first author of the study.

Technically imitating the biological principle

Since geckos, for example, also have similar hairs, the researchers assume that this structure is based on a central biological principle that enables them to adhere to different substrates. In order to develop new, particularly resilient materials, these could imitate the special molecular arrangements at the nano level. This is still a major technical challenge. But progress in 3D printing on the nanoscale could one day make this possible, the scientists believe.

Eine internationale Langzeitstudie lieferte 2017 erstmals den Beweis für das dramatische Insektensterben in Deutschland. Die Datenanalyse ergab: Von 1989 bis 2016 ging die Zahl der fliegenden Insekten um 76% zurück. Zu den bedrohten Insekten zählen auch Bienen. Doch wie kann man die natürlichen Bestäuber schützen? Vier Jahre lang haben Forschende, Unternehmen und Imker im Rahmen des EU-Forschungsprojektes SmartBees untersucht, was den Bestand der Honigbienen bedroht, und Gegenmaßnahmen entwickelt, um die Vielfalt der Spezies zu schützen. Mit einem Gesamtbudget von 6 Millionen Euro war SmartBees das bislang größte EU-Projekt, das auf die Erhöhung der Nachhaltigkeit der Imkerei zielte. Die Arbeit der 16 Projektpartner aus 11 Ländern wurde vom Länderinstitut für Bienenkunde Hohen Neuendorf e.V. koordiniert.

Bienen-Spezies in Resten noch vorhanden 

Um die verbliebene Bienen-Vielfalt zu ermitteln, wurden seit 2014 über 2.200 Völker aller zehn auf dem Kontinent vertretenen Bienen-Subspezies analysiert. Das Ergebnis ist durchaus positiv: Demnach sind alle europäischen Bienenarten zumindest in Restbeständen noch vorhanden. Damit das so bleibt, liefert das EU-Projekt Bienenzüchtern gleich ein neues Werkzeug mit: einen DNA-Chip. Mithilfe des Chips können Imker künftig die Herkunft ihrer Bienen-Spezies selbst bestimmen und so dazu beitragen, dass die Bienen in der Region gehalten werden.

Züchternetzwerk zur Rettung der Bienen gegründet 

Im Rahmen des Projektes wurde dafür ein Netzwerk in über zehn Ländern etabliert und dessen Mitglieder in den modernen Zuchtmethoden geschult. Das International Honey Bee Breeding Network (IHBBN) ist eine Plattform, die Züchter europaweit verbindet. Im Ergebnis des Projektes entstand zudem die zentrale Zuchtdatenbank namens beebreed.eu. Die Daten sollen Bienenzüchtern eine effiziente Zuchtplanung ermöglichen. 

Varroa-Milbe bedroht Bienen

Darüber hinaus konnte das Projekt die wichtigste Ursache aufzeigen, die zum Bienensterben führt, und die Grundlage schaffen, das Artensterben durch Selektion resistenter Bienen einzudämmen. Als Hauptfeind der Bienen wurde die Varroa-Milbe ausgemacht. Dabei handelt es sich um einen eingeschleppten Parasiten der Bienenbrut, der über seinen Speichel gefährliche Viren überträgt, das Immunsystem der Bienen schwächt und so eine Vermehrung der Viren begünstigt. Darüber hinaus konnten die Forscher Gene der Biene ausfindig machen, die für die Varroa-Resistenz von entscheidender Bedeutung sind. „Das Smartbees-Projekt hat nicht nur wertvolle neue Erkenntnisse gebracht, die die Bienenhaltung in Europa nachhaltig positiv beeinflussen werden. SmartBees ist auch ein gutes Beispiel dafür, welche Synergieeffekte europäische Forschungskooperationen erbringen können“, resümiert der Koordinator des Projektes Kaspar Bienefeld.

bb

In 2017, an international long-term study provided proof for the first time of the dramatic death of insects in Germany. Data analysis showed that the number of flying insects fell by 76% between 1989 and 2016. Bees are also endangered insects. But how can natural pollinators be protected? For four years, researchers, companies and beekeepers have been investigating what threatens the honeybee population as part of the EU research project SmartBees and developing countermeasures to protect the diversity of the species. With a total budget of 6 million euros, SmartBees was the largest EU project to date to increase the sustainability of beekeeping. The work of the 16 project partners from 11 countries was coordinated by the State Institute for Bee Research Hohen Neuendorf e.V.

Colonies of bee species still remaining

To determine the remaining bee diversity, over 2,200 colonies of all ten bee subspecies represented on the continent were analyzed since 2014. The result is quite positive: all European bee species are still present, at least in residual populations. In order to keep it that way, the EU project provides beekeepers with a new tool: a DNA chip. With the help of the chip, beekeepers will in future be able to determine the origin of their bee species themselves and thus contribute to keeping the bees in the region.

Breeder network founded to save bees

Within the framework of the project, a network was established in more than ten countries and its members were trained in modern breeding methods. The International Honey Bee Breeding Network (IHBBN) is a platform that connects breeders throughout Europe. As a result of the project the central breeding database called beebreed.eu was created. The data should enable beekeepers to plan their breeding efficiently.

Varroa mite threatens bees

In addition, the project was able to identify the most important cause of bee mortality and create the basis for controlling species mortality by selecting resistant bees. The Varroa mite was identified as the main enemy of the bees. This is an introduced parasite of the bee brood, which transmits dangerous viruses via its saliva, weakens the immune system of the bees and thus favors an increase of the viruses. In addition, the researchers were able to identify bee genes that are of crucial importance for varroa resistance. "The Smartbees project has not only provided valuable new insights that will have a lasting positive impact on beekeeping in Europe. SmartBees is also a good example of the synergy effects that European research cooperations can generate," concludes the project coordinator Kaspar Bienefeld.

Insgesamt 528 Publikationen aus den Jahren 1990 bis 2018 und 33 Vergleichsparameter zwischen ökologisch und konventionell wirtschaftenden Betrieben wurden betrachtet. So ergaben sich mehr als 2.800 Einzelvergleiche. Besonderes Augenmerk wurde auf die Bereiche Wasserschutz, Bodenfruchtbarkeit, biologische Vielfalt, Klimaschutz und -anpassung, Ressourceneffizienz und Tierwohl gelegt.

Die Ergebnisse der Studie ermöglichen ein differenziertes Bild und zeigen das Potenzial des Ökolandbaus in den jeweiligen Bereichen.

An dem interdisziplinären Verbundprojekt waren das Thünen‐Institut, die Universität Kassel, die Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft, die Justus‐Liebig Universität Gießen, das Leibniz‐Zentrum für Agrarlandschaftsforschung, die TU München und das Zentrum für angewandte Forschung und Technologie an der HTW Dresden beteiligt. Gefördert wurde das Projekt mit Mitteln des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) im Rahmen des Bundesprogramms ökologischer Landbau und andere Formen nachhaltiger Landwirtschaft.

In der Natur herrscht Krieg: Mikroorganismen kämpfen permanent mit chemischen Molekülen gegen andere Mikroorganismen, um sich Vorteile zu verschaffen. Forscher der Universität Tübingen haben nun ein solches Molekül identifiziert, das sich als potentes und zugleich für Menschen harmloses Herbizid einsetzen ließe. Im Fachjournal „Nature Communications“ berichten sie von ersten Versuchen mit dem neuen Wirkstoff.

Ein simpler Zucker stoppt den Stoffwechsel

Dabei handelt es sich um ein spezielles, aber relativ simples Zuckermolekül mit dem chemischen Namen 7-desoxy-Sedoheptulose. Der Zucker, den Cyanobakterien herstellen, ist ein sogenanntes Antimetabolit: Er tritt im Stoffwechsel eines Organismus‘ an die Stelle eines chemisch ähnlichen Moleküls und blockiert so den Stoffwechselprozess. Für den betroffenen Organismus kann das tödlich sein.

Im Fall der 7-desoxy-Sedoheptulose hemmt das Molekül das Wachstum zahlreicher Pflanzen, Bakterien und Pilze. Die Tübinger Forscher konnten mittels Massenspektrometrie nachweisen, dass der Zucker dazu ein Enzym aus dem sogenannten Shikimatweg blockiert. Dieser Stoffwechselweg existiert nicht in tierischen und menschlichen Zellen, weshalb von dem Zuckermolekül für Menschen wahrscheinlich keine Gefahr ausgeht. Das konnten die Wissenschaftler bereits in ersten Versuchen belegen.

Unbedenklich für Menschen und Tiere

Der Shikimatweg ist aber genau der Stoffwechselprozess, den auch das verbreitete Unkrautvernichtungsmittel Glyphosat blockiert. „Anders als bei Glyphosat handelt es sich bei dem neu entdeckten Desoxy-Zucker um ein reines Naturprodukt, für das eine gute Abbaubarkeit und eine geringe Ökotoxizität erwartet wird“, sagt Erstautor Klaus Brilisauer. Langfristiges Ziel sei, umstrittene Herbizide und damit auch deren gesundheitlich bedenkliche Abbauprodukte zu ersetzen. Bis es so weit ist, müssen die Wirksamkeit im Feld, die Abbaubarkeit im Boden und die Unbedenklichkeit gegenüber Nutztieren und Menschen jedoch noch in Langzeitstudien bestätigt werden.

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There ia war raging in nature: to gain advantages, microorganisms permanently use chemical molecules to fight against other microorganisms. Researchers at the University of Tübingen have now identified a molecule that could be used as a potent herbicide and that is harmless to humans. In the specialist journal "Nature Communications", they report on the first experiments with the new active substance.

A simple sugar stops the metabolism

The special but relatively simple sugar molecule has the chemical name 7-deoxy-sedoheptulose. The sugar produced by cyanobacteria is an antimetabolite: it replaces a chemically similar molecule in the metabolism of an organism and thus blocks the metabolic process. This can be fatal for the affected organism.

In the case of 7-deoxy-sedoheptulose, the molecule inhibits the growth of numerous plants, bacteria and fungi. The researchers from Tübingen were able to use mass spectrometry to show that the sugar blocks an enzyme from the Shikimat pathway. This metabolic pathway does not exist in animal or human cells, which is why the sugar molecule probably poses no danger to humans. The scientists have already been able to prove this in initial experiments.

Safe for humans and animals

However, the Shikimat pathway is precisely the metabolic process that is also blocked by the widespread herbicide glyphosate. “In contrast to glyphosate, the newly discovered deoxy sugar is an entirely natural product. We believed it to have good degradability and low ecotoxicity," said first author Klaus Brilisauer. The long-term goal is to replace controversial herbicides and thus also their degradation products that are harmful to health. Until then, the efficacy in the field, the degradability in the soil and the harmlessness to farm animals and humans will have to be confirmed in long-term studies.

bl/um

Wenn die Blütenknospen sprießen, ist der Frühling nicht mehr weit. Sie sind für uns Menschen das lang ersehnte Signal, dass der Winter bald zu Ende ist. Doch viele Pflanzen brauchen die Kälteperiode, um Knospen bilden und erblühen zu können. Das gilt insbesondere für ältere Pflanzen. Diesen Mechanismus haben Forscher vom Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtung in Köln genauer untersucht. Sie wollten wissen, inwiefern das Alter der Pflanzen deren Empfänglichkeit für Kälte beeinflusst.

Blühverhalten ein- und mehrjähriger Pflanzen im Visier

Wie die Forscher im Fachjournal „Science“ berichten, bestimmt die Aktivität des Proteins SPL15 das Alter, in dem mehrjährige Pflanzen in Kälte blühen. Zwar besitzen auch einjährige Gewächse das Protein. Diese sind jedoch nicht auf die Kälte angewiesen, um Knospen sprießen zu lassen. Einjährige Pflanzen keimen und blühen auch, sobald die Tage länger und wärmer werden. Um das unterschiedliche Blühverhalten bei Kälte von ein- und mehrjährigen Pflanzen zu ergründen, nahm das Team um Pflanzenforscher George Coupland die mehrjährige Alpen-Gänsekresse (Arabis alpina) und die einjährige Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) ins Visier.

Spezielles Protein kontrolliert Blütenbildung 

Die Alpenkresse blüht nur nach längerer Kälte. Sie wächst in 3.000 Meter Höhe und hat das Talent, als junge Pflanze die Blüte nach der kalten Jahreszeit noch um einige Wochen zu verzögern. Hier stellten die Forscher fest: Die Blütenbildung wird eindeutig von der Aktivität des Proteins SPL15 kontrolliert – und das gleich doppelt. Zunächst übernimmt ein Protein namens PEP1 die Kontrolle und unterdrückt die Bildung des Kälteblüherproteins SPL15. PEP1 wird jedoch während einer längeren Kälteperiode blockiert, so dass SPL15 aktiv werden kann und die Knospenbildung auslöst.

Bei der jungen Alpenkresse entdeckten die Forscher noch einen weiteren Blühmechanismus. Diese Jungpflanzen bilden in hoher Konzentration eine kurze Ribonukleinsäure, die sogenannte microRNA156. Auch diese verhindert die Produktion des Kälteblüherproteins SPL15. Vergleichbares zeigte sich bei der einjährigen Ackerschmalwand, die auch als sehr junge Pflanze nach Kälte blühen kann. Im Unterschied zur Alpenkresse erfolgt hier die Knospenbildung nicht bei Kälte, sondern erst bei wärmeren Temperaturen. Der Grund: Das Kälteblüherprotein ist aktiv, weil die PEP1-Produktion weiter unterdrückt wird.

Molekulare Unterschiede bei Blütenknospenbildung 

Die Studie der Kölner Pflanzenforscher belegt auch: Die Bildung der Blütenknospen bei ein- und mehrjährigen Pflanzen ist auf molekularer Ebene sehr verschieden. „Durch den Austausch eines einzigen Gens können wir eine wichtige Eigenschaft von ein- auf mehrjährige Pflanzen übertragen“, erklärt George Coupland. Das Team hatte die genetische Information des PEP-1-Proteins der mehrjährigen Alpen-Gänsekresse durch die der einjährigen Pflanzen ersetzt, so dass diese nun auch als junge Pflanze bei Kälte blühen konnte. Die Kölner Wissenschaftler haben damit einen Weg eröffnet, durch die gezielte Veränderung des Blühverhaltens Pflanzen besser an klimatische Bedingungen anzupassen.

bb

Fett ist nicht gleich Fett

Während Algen in Japan zu den Grundnahrungsmitteln gehören, steht das Meeresgemüse hierzulande nur selten auf dem Speiseplan. Dabei sind Algen kalorienarm und liefern nicht nur viele wertvolle Vitamine, Mineralstoffe und Proteine, sondern auch die wertvollen Omega-3-Fettsäuren. Diese halten Herz und Gefäße jung, können aber von unserem Körper nicht selbst hergestellt werden.

In Deutschland populär – die Wurst

Deutschland ist bekannt für seine Vielfalt an Wurstsorten. Die Auswahl an der Metzgertheke ist groß. Im Durchschnitt verspeist jeder Deutsche jährlich etwa 30 kg Wurst und Schinken. Das Wurstmachen ist in Deutschland eine alte Handwerkskunst,. Diese hat im Laufe der Zeit über 1.500 verschiedene Wurstsorten hervorgebracht. Eine neue Variante fügte ein Unternehmen aus Schleswig-Hostein hinzu. Dort hatte man die Idee, Algen zu „verwursten". Die „Algenwurst“ enthält weder Fleisch noch Soja, sondern wird aus einer im Nordatlantik heimischen nährstoffreichen Meeresalge hergestellt.

Damit schlägt man zwei Fliegen mit einer Klappe: Zum einen werden die Menschen mit den wertvollen Nährstoffen der Alge versorgt, zum anderen können Algen eine wichtige Alternative zur Nahrungssicherung der Zukunft sein. Algen können praktisch überall angebaut werden und sie wachsen zehnmal schneller als alle anderen Pflanzen.

Marktreife

Vier Wurst-Alternativen aus Algen sind bereits erhältlich: eine Bratwurst, Currywurst, Wiener Wurst und ein Grillburger.

Glyphosat ist ein umstrittenes Unkrautvernichtungsmittel, das im Verdacht steht, krebserregend zu sein. Experten warnen zudem, dass Partikel des Pestizids auch über den Boden ins Grundwasser oder gar in Nahrungsmittel gelangen könnten. Noch darf der Unkrautvernichter hierzulande weiter genutzt werden. Im November 2017 hatte die EU-Kommission die Zulassung des Pestizids um fünf Jahre verlängert.

Pestizide einfach und schnell vor Ort aufspüren

Forscher und Unternehmen aus Dresden und Leipzig haben in den vergangenen Jahren an einem Messgerät gearbeitet, mit dessen Hilfe schnell und unkompliziert Glyphosat im Wasser und in Lebensmitteln nachgewiesen werden kann - und das obendrein kostengünstig. Die Entwicklung wurde auch vom Bundesforschungsministerium (BMBF) unterstützt. In den kommenden drei Jahren wollen die Kooperationspartner ihre bereits patentierte Technologie nun zur Markreife bringen. Mithilfe dieses biochemischen Tests sollen Pestizide schnell und einfach vor Ort aufgespürt werden können. Bisherige Nachweisverfahren sind aufwendig und teuer und können nur im Labor durchgeführt werden.

An der Entwicklung sind Forscher der Universität Leipzig, der Technischen Universität Dresden sowie die sächsischen Unternehmen Anvajo GmbH, UMEX GmbH und IfU GmbH Privates Institur für Umweltanalysen beteiligt. „Das Projekt führt die in den sächsischen Firmen und an den beiden sächsischen Universitäten vorhandenen Expertisen zusammen und bildet eine Plattformtechnologie für eine neue Art von einfach handhabbaren Vor-Ort-Analysesystemen, die in unterschiedlichen Anwendungen für einen breiten Nutzerkreis einsetzbar und wirtschaftlich vermarktbar sein soll“, sagt Kai Ostermann von der TU Dresden. Das jetzige Vorhaben, mit einem Gesamtvolumen von 1,9 Mio. Euro, wird von der UMEX GmbH Dresden geleitet und vom Land Sachsen und dem Europäischen Fond für Regionale Entwicklung (EFRE) gefördert.

Zwei Messsysteme für Diagnostik- und Verbraucherbereich

Mit der Entwicklung des Schnelltests wollen die Kooperationspartner auch zu einer sachlichen Diskussion über das Thema Glyphosat beitragen und helfen, Verunsicherungen in der Gesellschaft abzubauen. Geplant sind zwei Messsysteme für den Diagnostik- und Verbraucherbereich. Sie sollen auf dem Gebiet der Lebensmittelüberwachung, bei öffentlicher Gewässerüberwachung und Wasserversorgung wie in Umweltlaboren, Wasserwerken oder Abwasserverbänden einsetzbar sein. Darüberhinaus ist ein Messsystem geplant, das im Handel, in der dezentralen Trinkwasserversorgung, in kleinen und mittleren Unternehmen der Getränkeindustrie sowie in Einrichtungen des Gesundheitswesens Einsatz finden könnte. „Am Ende sollte ein kleines Tischgerät stehen, gegebenenfalls auch ein tragbares Handgerät, in das ein Auslesechip eingesteckt wird. Wir orientieren uns dabei an einem System unseres Projektpartners, der Firma Anvajo", erklärt Thilo Pompe vom Institut für Biochemie der Universität Leipzig. Pompe geht davon aus, dass in Zusammenarbeit mit Pilotkunden erste Geräte im Jahr 2023 auf dem Markt sein könnten.

bb