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Alginate wirken wie eine Art Schwamm. Das aus Braunalgen gewonnene Biopolymer kann enorme Mengen an Keimen und Flüssigkeit aufnehmen und ist wegen seiner Fähigkeit zu Gelieren vor allem für medizinische Wundauflagen  gefragt. Doch die Qualität des aus Algen gewonnenen Alginats variiert, weil es stark von Umwelteinflüssen abhängig ist. Im Rahmen des Verbundprojektes AlBioTex haben Forscher vom Hohenstein Institut für Textilinnovation gemeinsam mit Industriepartnern einen Weg gefunden, das Polysaccharid biotechnologisch mithilfe des Bakteriums Azotobacter vinelandii herzustellen und das zu Fasern versponnene Pulver zu Wundauflagen zu verarbeiten. Die Entwicklung der bakteriellen Alginatfasern  wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit rund 546.000 Euro gefördert.

Algen sind nicht nur wegen ihrer zahlreichen Mineralstoffe gesund. Bestimmte Grünalgen können als Zellfabriken Biotreibstoffe herstellen. Das aus Braunalgen gewonnene Biopolymer Alginat eignet sich auf Grund seiner Bioverträglichkeit besonders für medizinische und pharmazeutische Produkte. Es wird beispielsweise seit Langem bei Wundauflagen verwendet.  Der Grund: das Biopolymer hat die Eigenschaft, mehr als das Doppelte des Eigengewichts an Flüssigkeit aufzunehmen und Keime förmlich aus der Wunde zu ziehen. Aber nicht nur das. „In Kontakt mit Wundsekret oder Blut bildet sich eine Art Gel. Dadurch wird die Wunde unter Verschluss feucht gehalten und sie verklebt nicht mit der Wundauflage“, erklärt Eva Glink vom Hohenstein Institut für Textilinnovation in Baden-Württemberg.

Bioverträglichkeit garantieren

Diese bioverträglichen Eigenschaften des Alginats in gleichbleibender Qualität herzustellen, war in der Vergangenheit oft schwierig. Die Qualität des Alginats schwankte je nach Herkunftsort der Braunalgen. „Da Algen saisonalen und territorialen Einflüssen unterliegen, hat das Alginat nicht immer die gleiche Zusammensetzung“, erklärt die Molekularbiologin. Reinheit und Zusammensetzung des Biopolymers müssen jedoch konstant sein, um für Medizinprodukte wie Wundauflagen zugelassen zu werden.

Alginates act like a sponge. The biopolymer, which is obtained from brown algae, can absorb huge amounts of germs and liquid. Because of its gelling properties, it is in great demand for medical wound dressings. However, the quality of algae-based alginates varies, as they are highly sensitive to environmental influences. As part of the AlBioTex joint project, researchers at the Hohenstein Institute for Textile Innovation in Germany liaised with industry partners and managed to find a biotechnological process of producing polysaccharides using Azotobacter vinelandii.  The obtained powder was spun into fibres and later processed into wound dressings. The development of these bacteria-based algae-fibres was supported with €546,000 by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF).

Because of the countless minerals they contain Algae are not only healthy. Some kinds of green algae are able to act ascellbased factory to generate biofuels. The biopolymer alginate produced from brown algae is highly biocompatible and therefore suitable  for the use in medical and pharmaceutical products. For many years, it has been used for wound dressings. The reason:  The biopolymer is able to absorb liquids weighing more than double itself and in doing so, it literally sucks germs right out of a wound. But that's not all. "When the alginate comes into contact with wound secretion or blood, it gels. That keeps the wound moist and sealed, so that it doesn't stick to the dressing," explains molecular biologist Eva Glink from the Hohenstein Institute for Textile Innovation in Baden-Wuerttemberg.

To guarantee biocompatibility

Producing the biocompatible alginates with a consistent degree of quality used to be quite a challenge in the past, as the alginate's quality varied depending on the origin of the brown algae. "The composition of algae changes, depending on their location and the seasons," Eva Glink continues. However, the purity and composition of alginate biopolymers should be on a constant level to be officially approved for the use in medical products such as wound dressings.

Researchers working on the AlBioTex joint project successfully used biotechnology to generate alginates from Azotobacter vinelandii soil bacteria, which have a natural capacity for forming alginate. Besides the Hohenstein Institute other partners such as the biotechnology company Brain AG, and fibre-maker Kelheim Fibres GmbH were also  part of the BBMF-funded project.

Tailor-made alginate

The main aim of project:  to biotechnologically generate reproducible and chemically standardised alginate for use in fibre-based materials such as wound dressings. "We managed to produce tailor-made alginate of a consistent quality. To receive certain properties of the alginate, we genetically modified the bacteria," reports Glink.

First, the researchers had to turn the soil bacteria into efficient alginate factories. The advantage of this approach: unlike brown algae, Azotobacter vinelandii releases the biopolymer into the culture medium. "We grew bacteria in a nutrient solution and subsequently separated the alginate that they had released. We isolated the alginate in multiple precipitation steps and freeze-dried it to alginate powder," explains Glink. From the alginate the researchers spun either pure alginate fibres or, alternatively, Kelheim Fibres GmbH made alginate viscose fibres. In the final step,  the textile experts at the Hohenstein Institute processed wound dressings out of them.

Meanwhile, industrial biotech specialist Brain AG was responsible for optimizing the alginate biosynthesis. In Zwingenberg, the bacterial strains were genetically modified to improve the material’s properties. The bacterial alginate was finally produced through fermentation. 

"We succeeded in depicting a typical biotechnological production and manufacturing process, from obtaining the bacterial alginate and generating the fibre through to producing the textile coverings," says Glink and adds, that the bacterial alginate obtained has a defined chemical make-up and is reproducible at any time. However, bacterial alginates cannot yet compete economically with the biopolymer extracted from brown algae, as the total yield achieved is still too small and its purity does not yet reach 100%, says Glink. "Genetically modifying the bacteria to improve their yield affected their growth. Moreover, bacterial alginates contain toxins, and filtering them out in additional purification steps still reduces the alginate yield," she explains.

Making bacterial alginate competitive

The next step is therefore to make the bacterial alginate competitive - the advantages of obtaining alginate using biotechnology are self-evident when compared with the traditional methods. Glink: "The properties of the material can be fine-tuned to each application area. Alginate can be produced anywhere in closed systems irrespective of climatic and environmental influences — and cheaper than extracting it from algae."

Autorin: Beatrix Boldt

Die gesundheitsfördernden Wirkungen von Beereninhaltsstoffen aus der Gruppe der Flavonoide sind durch zahlreiche wissenschaftliche Studien belegt. Dagegen sind die Wirkmechanismen dieser Stoffgruppe weitgehend unbekannt. Wie die Pflanzenstoffe im menschlichen Organismus verstoffwechselt werden, welche Rolle dabei die Darmmikrobiota spielt und wo genau die einzelnen Substanzen ihre Wirkung entfalten, untersucht ein Forschungsverbund aus akademischen Arbeitsgruppen und Industriepartnern mit Unterstützung vom Bundesministerium für Bildung und Forschung. Im Fokus steht eine bislang wenig erforschte Klasse der Flavonoide, die Procyanidine.

„Procyanidine – Vom besseren Verständnis der Wirkung zur Entwicklung funktioneller Lebensmittel" heißt das vom BMBF geförderte Forschungsvorhaben unter Leitung von Sabine Kulling, die am Max-Rubner-Institut (MRI), Bundesforschungsinstitut für Ernährung und Lebensmittel in Karlsruhe arbeitet. Der Name ist Programm: Das Projekt reicht von grundlagenorientierten bis zu anwendungsbezogenen Fragestellungen. Entsprechend unterschiedlich sind die Expertisen der Projektpartner. Peter Winterhalter, Leiter des Instituts für Lebensmittelchemie der TU Braunschweig, entwickelte Methoden, um die Naturstoffe zu charakterisieren, in Reinform zu isolieren und in ausreichender Menge bereitzustellen.

Darmbakterien als Procyanidwandler

Am Deutschen Institut für Ernährungsforschung (DIfE) in Potsdam-Rehbrücke untersucht die Mikrobiologin Annett Braune, wie ernährungsphysiologisch wichtige Procyanidine von Darmbakterien ab- und umgebaut werden. Sabine Kulling betrachtet den Metabolismus sowie die Bioverfügbarkeit einzelner Komponenten im menschlichen Organismus und untersucht deren Wirkung auf Darmkrebszellen. Esther Mayer-Miebach und Diana Behsnilian prüfen – ebenfalls am Max Rubner-Institut in Karlsruhe –, ob und wie unterschiedliche Verarbeitungstechniken den Gehalt an Procyanidinen in Lebensmitteln beeinflussen. Als Rohstoffe dienen Traubenkernextrakt und Aroniabeeren, die von zwei Industriepartnern bereitgestellt werden. Die Kelterei Walther GmbH in Arnsdorf bei Dresden, liefert die Aronia-Beeren, den daraus gewonnenen Direktsaft sowie den werthaltigen Pressrückstand (Trester); die Breko GmbH in Bremen stellt den Traubenkernextrakt.

Dass anthocyanhaltige Früchte gesundheitsfördernde Eigenschaften haben, wird seit Langem vermutet „Welche Substanzen im Einzelnen die beobachteten Effekte verursachen, ist noch unklar", sagt Sabine Kulling, „denn dazu muss man reine Verbindungen testen – und die lassen sich oft nur mit großem Aufwand in ausreichenden Mengen gewinnen." In den Beeren kommen die Procyanidine als ein komplexes Gemisch vor: Neben den beiden Einzelbausteinen – den Monomeren Catechin und Epicatechin – gibt es Oligomere aus zwei bis zehn und Polymere aus noch mehr dieser monomeren Bausteine, die zudem unterschiedlich verknüpft sein können. Peter Winterhalter ist es nun zusammen mit seinem Team gelungen, ein breites Spektrum an Procyanidinen aus Aronia- und Traubenkernextrakt zu isolieren. Durch diese Pionierarbeit konnten sie den Verbundpartnern die sechs bedeutendsten Dimere, ein Trimer sowie je eine Fraktion aus oligo- und polymeren Procyanidinen in ausreichender Menge und mit hohem Reinheitsgrad zur Verfügung stellen.

Der Anteil an Medikamentenrückständen im Wasser nimmt stetig zu und ist ein Problem für die Umwelt. Metallrückstände hingegen, die in industriellem Prozesswasser verbleiben, sind wertvoll und könnten recycelt werden. Wissenschaftler an den  Helmholtz-Zentren für Umweltforschung in Leipzig (UFZ) und Dresden-Rossendorf (HZDR) haben gemeinsam mit der Universität Rostock sowie der Proaqua GmbH & Co. KG Mainz ein Sensorkonzept entwickelt, mit dem sich Arzneien und Schwermetalle in Wasserproben gezielt nachweisen lassen. Die Technologie beruht auf Nano-Oberflächen, die mit fluoreszierenden Bakterienproteinen besetzt sind. Das Verbundprojekt „Aptasens“ wurde seit 2009 durch das Bundesforschungsministerium gefördert und ist nun ausgelaufen. Aufbauend auf den bisherigen Ergebnissen soll der Sensor nun für die Anwendung weiterentwickelt werden.

„Grundsätzlich eignet sich unser Farbsensor-Prinzip zum Aufspüren aller möglichen Substanzen“, erklärt Katrin Pollmann, Leiterin der Arbeitsgruppe Biotechnologie am HZDR. Angesichts des demographischen Wandels und dem damit steigenden Medikamentenverbrauch nehme das Problem der Arzneimittelreststoffe zu, so die Biologin. Ein weiteres wichtiges Forschungsthema am Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie (HIF) vom HZDR ist das Recycling strategischer Metalle aus Prozesswasser von Industrieanlagen. Weil die neue Sensortechnologie so vielseitig einsetzbar ist, könnten diese beiden Erfordernisse gewinnbringend vorangetrieben werden
MBF-Zuschuss für gute Wasserqualität
Vor diesem Hintergrund haben sich die Forscher vom HZDR, dem UFZ mit ihren Kollegen von der Universität Rostock und dem Wasseraufbereitungs-Spezialisten Proaqua GmbH & Co. KG Mainz zum Verbundprojekt Aptasens zusammengeschlossen. Ihr Ziel ist es, ihr neuartiges Konzept in einem Sensor zu realisieren, der in industriellem Maßstab angewendet werden soll. Von 2009 bis 2013 wurde das gemeinsame Forschungsvorhaben mit einer Summe von etwa 1,9 Millionen Euro vom BMBF unterstützt.

Rot: negativ, grün: positiv

Ist der gesuchte Stoff in einer Wasserprobe enthalten, leuchtet der Sensor grün. Die rote Färbung zeigt an, dass die Probe frei von der Substanz ist. Wie die Wissenschaftler im Fachmagazin Sensors and Actuators B: Chemical (2013, Online-Vorabveröffentlichung) berichten, wird dies durch eine nanostrukturierte Oberfläche im Inneren des Sensors möglich gemacht. Sie ist mit bakteriellen Proteinen besetzt. Deren Farbstoffmoleküle liegen so dicht nebeneinander, dass zwischen ihnen eine Energieübertragung stattfinden kann, die man in der Physik als Fluoreszenz-Resonanzenergietransfer (FRET) bezeichnet. Das funktioniert so: Bestrahlt man die Nano-Oberfläche mit Licht einer bestimmten Wellenlänge, werden die grünen Farbstoffmoleküle energetisch angeregt. Durch den FRET-Effekt geben sie diese Energie an die roten Farbstoffe ab, die damit den Sensor rot leuchten lassen. „Der Energietransfer findet aber nur statt, wenn die Wasserprobe ‚sauber’ ist. Lagern sich dagegen fremde Substanzen, z. B. die gesuchten Medikamente,  zwischen den Farbmolekülen an spezifischen Bindungsstellen an, wird der Transfer unterbrochen“, erklärt Erstautorin Ulrike Weinert vom HZDR. So können nur noch die durch das Laserlicht angeregten grünen Farbstoffe strahlen.

Weites Einsatzspektrum

Die zweite wichtige Komponente sind ebendiese spezifischen Bindungsstellen auf der Nano-Oberfläche. Kurze DNA-Einzelstränge werden dafür von den Wissenschaftlern so gestaltet, dass sie unterschiedlichste Substanzen spezifisch binden können. Diese DNA-Abschnitte werden als Aptamere bezeichnet, die ähnlich wie Antikörper hochspezifisch an ihre Zielmoleküle binden. So könnten Bindungsstellen für beliebig viele Moleküle hergestellt werden. Die Kombination des Sensorprinzips und der Aptamere– hat dem Verbundprojekt den Namen „Aptasens“ verliehen.

Generalprobe am Antibiotikum

Beate Strehlitz vom UFZ und ihre Arbeitsgruppe haben ein solches Aptamer für Kanamycin entwickelt. Das Antibiotikum wird bei bakteriellen Infektionen des Auges und in der Tiermedizin eingesetzt. Zudem kommt es häufig in mikrobiologischen Laborversuchen bei der Kultivierung gentechnisch veränderter Mikroorganismen zur Anwendung. Zur Realisierung eines einsatzfähigen Sensors fehlt ein finaler Schritt: Die Bakterienproteine und der Kanamycin-Rezeptor müssen auf der Nano-Oberfläche zu einem Sensorchip integriert werden.

Dann könnte die Funktion des Sensors an Kanamycin erprobt werden.  „Dazu gehören dann noch eine Laserlichtquelle, die den Chip aktiviert, und ein Detektor, der die Farbänderung misst“, ergänzt Katrin Pollman. Um dieses Vorhaben zu realisieren, bewerben sich die Wissenschaftler nun um die Förderung in einem Anschlussprojekt.

Die Entwicklung von Nachweisverfahren, die schnell, kostengünstig und hochspezifisch Substanzen in Proben aufspüren, ist ein wichtiger Forschungszweig für die Medizin und die Industrie. Die Früherkennung von Krebs, der Schnelltest auf spezielle Allergene in Lebensmitteln oder die Qualitätssicherung von Trinkwasser sind nur einige Beispiele aus dem breiten Einsatzspektrum.

Er ist eine beliebte Zutat in Fleisch- und Wurstwaren, Fertiggerichten, Soßen und Gewürzmischungen. Sellerie hat einen intensiv würzigen Geschmack und ist obendrein noch sehr gesund. Leider löst das Gemüse als Lebensmittelzusatz auch häufig Allergien aus. Ein direkter Nachweis des reinen Sellerie-Allergens auf Proteinebene im Lebensmittel ist bisher nicht möglich. Die Karlsruher MicroMol GmbH forscht gemeinsam mit der R-Biopharm AG aus Darmstadt an der Entwicklung eines entsprechenden Schnelltests. Davon könnten künftig nicht nur Lebensmittelhersteller profitieren, sondern möglicherweise auch Allergiker selbst. Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Förderinitiative KMU-innovativ gefördert.

Zwei bis drei Prozent der Deutschen leiden an Lebensmittelallergien. Bei manchen Allergikern ruft eine Immunantwort gegen ihr Allergen schwere krankhafte Reaktionen hervor. Allein 30 Prozent dieser sogenannten Anaphylaxien werden dem Sellerie zugeschrieben. Die einzige Prophylaxe für Betroffene war bislang der Verzicht.

Einsatz direkt beim Hersteller

Wegen seines würzigen Aromas wird Sellerie gern als Geschmacksverstärker eingesetzt. Ein zentrales Problem für Lebensmittelhersteller ist die Kontamination mit Allergenen, wenn verschiedene Arbeitsschritte mit und ohne Sellerie in der gleichen Anlage nacheinander ausgeführt werden – trotz aufwendiger Reinigungsmaßnahmen. Ein Schnelltest, der eine Kontamination anzeigt, könnte Allergikern weiterhelfen und wirtschaftliche Schäden für Nahrungsmittelbetriebe reduzieren.

„Kann Spuren von Sellerie enthalten“

Das Hauptallergen im Sellerie ist ein Protein namens Api g1.  „Bislang lassen sich Sellerie-Allergene nur sehr aufwendig auf der DNA-Ebene nachweisen. Auf der Proteinebene gibt es keinen Test“, erläutert Wolfgang Rudy, Projektleiter bei der MicroMol GmbH. Da die DNA-Bruchtstücke im Gegensatz zum Protein relativ stabil sind, kann es beim DNA-Test auf Sellerie leicht zu falsch-positiven Ergebnissen kommen. Denn das Vorhandensein von DNA-Rückständen von Sellerie in einem Lebensmittel, bedeutet noch nicht unbedingt die Kontamination mit Allergie-auslösenden Protein. Ziel der Immunologen ist es, einen Protein-Nachweis in der Nahrungsmittelindustrie zu etablieren, der risikoreiche Allergene direkt aufspürt. Eine Pseudo-Kontamination, die das Allergen selbst nicht beinhaltet, könne auch großen wirtschaftlichen Schaden für eine Firma bedeuten. Ein Schnelltest, der keine besondere Expertise verlangt, könne hier Abhilfe schaffen, hofft Rudy.

Hybridsorten sind in der Landwirtschaft so etwas wie ein Turbo auf dem Acker: Kreuzt man genetisch unterschiedliche Elternlinien miteinander, so sind die Nachkommen besonders kräftig und ertragreich. Was beim Mais gut funktioniert, hätten Landwirte auch gern für den Weizen. Doch gerade bei der Weltnahrungspflanze Nummer eins ist die Erzeugung von Hybridsaatgut so teuer, dass eine vollständige Wertschöpfung noch nicht möglich ist. Das soll das BMBF-Verbundprojekt namens GABI-Hybwheat ändern: Mit einem gentechnischen Trick sind Forscher aus Gatersleben dabei, männlich-sterile Mutterpflanzen zu erzeugen, die sich dann mit Pollen von hochkarätigen Bestäuberpflanzen kreuzen lassen und ertragreiche Hybride liefern. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Projekt zusätzlich im Rahmen der Förderinititative KMU-innovativ mit rund 600.000 Euro.

Viele Hochleistungssorten in der industriellen Landwirtschaft setzen auf den Heterosiseffekt: Bei der Kreuzung von Inzuchtlinien entstehende Hybridpflanzen sind häufig besonders ertragreich. Bei Mais und Roggen lässt sich der Ertrag damit sogar verdoppeln. Nötig dafür wäre zum einen ein weiblicher Kreuzungspartner, der männlich-steril ist, damit sich die zweigeschlechtlichen Blüten nicht selbst befruchten. Zum anderen müsste der männliche Kreuzungspartner exzellente Bestäubereigenschaften aufweisen  – also Pollen produzieren, der sich leicht auf die Mutterpflanzen übertragen lässt. Beide Eigenschaften sind natürlicherweise in Weizen nicht vorhanden. Es gibt bisher eine Reihe von Ansätzen, um Weizenpflanzen zu kastrieren. Eine mechanische Kastration, bei der wie beim Mais das Pollen tragende Organ entfernt wird, ist beim kleinblütigen Weizen nicht praktikabel. Eine gängige Methode basiert indes auf dem Einsatz von toxischen Chemikalien, die die Pollenbildung vermeiden. In der Praxis ist der Erfolg des Verfahrens stark von Umweltbedingungen und vom Einsatz aufwendiger Feldtechnologien abhängig und damit kaum rentabel.

Das geteilte Barnase-Gen

Forscher um Mario Gils vom Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung in Gatersleben haben sich zum Ziel gesetzt, ein molekularbiologisches Verfahren zur Weizen-Hybridzucht zu entwickeln. Hierbei sollen sterile Mutter-Pflanzen erzeugt werden, die in Folge der Hybridkreuzung fruchtbare und ertragreiche Nachkommen produzieren. Die Forscher schleusen dazu ein Gen in die Pflanzen, das für die Produktion eines Eiweißes namens Barnase sorgt. Mit Hilfe bestimmter Steuerelemente ist das Barnase-Eiweiß in der Lage, gezielt ein Gewebe in der Blüte zu zerstören, das für die Pollenbildung verantwortlich ist. Die restliche Pflanze bleibt dabei unversehrt. Der Clou: „Unser Barnase-Gen ist in zwei Hälften geteilt“, sagt Mario Gils, „nur wenn diese zwei Hälften in einer Mutterpflanze zusammentreffen und sich ergänzen, wird die Pflanze pollensteril“. Bestäubt man eine solche Pflanze nun mit Pollen einer anderen Weizenpflanze, so entstehen Nachkommen, die fruchtbar und ertragreich sind, da durch die Kreuzung die beiden Barnase-Genhälften wieder voneinander getrennt werden. Die Hybridpflanzen tragen also nur noch eine Barnase-Genhälfte in sich und produzieren kein aktives Protein mehr.

Weizen kein Modellorganismus

Was auf dem Papier einfach und elegant aussieht, ist für die Pflanzenforscher in der Umsetzung eine harte Nuss: „Weizen ist molekularbiologisch gesehen alles andere als ein Modellorganismus“, sagt Gils. „Einige für die Systementwicklung nötigen Technologien mussten für Weizen neu etabliert werden“. Darüber hinaus ist Weizen genetisch gesehen ein äußerst komplexes Gewächs, das verhältnismäßig große Genom macht molekulare Analysen schwierig. Trotzdem haben es die Forscher geschafft, im Zeitplan zu bleiben: „Nach vielen notwendigen Zwischenschritten sind wir nun dabei, die Mutterpflanze für die Hybridkreuzung zu erzeugen“, sagt Gils.

Stuttgart, Göttingen, New York, Dresden, Martinsried - das sind einige Stationen in der akademischen Laufbahn von Petra Schwille. Doch die vielleicht faszinierendsten Reisen macht die Direktorin des Max-Planck-Instituts für Biochemie Martinsried innerhalb von Zellen. Ihre Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der hochsensitiven Fluoreszenzspektroskopie haben der Zellbiologie neue und wichtige Impulse gegeben. Petra Schwille gehört heute zu den anerkanntesten und international führenden Wissenschaftlerinnen in ihrem Fachgebiet. Stipendien, Auszeichnungen und Preise, wie beispielsweise der BioFuture-Preis des BMBF oder der Leibniz-Preis der DFG, pflastern den Karriereweg der Biophysikerin. Eines ihrer aktuellen wissenschaftlichen Steckenpferde ist die Synthetische Biologie.

Im Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie in Göttingen hat die Begeisterung für das Wissenschaftsfeld der Spektroskopie angefangen. Hier arbeitete Petra Schwille nach dem Studium der Physik und Philosophie bei Chemie-Nobelpreisträger Manfred Eigen und promovierte an der TU Braunschweig. Nach einer zweijährigen Postdoc-Zeit in Göttingen und an der Cornell University in Ithaca, New York bewarb sich die gebürtige Schwäbin 1999 beim BioFuture-Wettbewerb des Bundesministeriums für Bildung und Forschung. Mit Erfolg. Und der Weg führte die frischgebackene Nachwuchsgruppenleiterin zurück aus den USA an die alte Wirkungsstätte, dem MPI Göttingen. Mit dem hochdotierten BioFuture-Preis baute Schwille eine eigene Arbeitsgruppe auf und widmete sich intensiv ihrem Forschungsschwerpunkt "Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie" (FCS).

Mikroskopische Methode weiterentwickelt

Mit der von Schwille und ihrem Team entwickelten FCS-Methode ist es möglich, Wechselwirkungen von Molekülen in lebenden Zellen nichtinvasiv und live zu verfolgen. Neue und spektakuläre Einblicke in molekulare Vorgänge auf zellulärer Ebene sind so Wirklichkeit geworden. Durch die Kombination der FCS mit der Zweiphotonenanregung ist es der "BioFuture"-Preisträgerin gelungen, auf Einzelmolekülebene vorzudringen, wodurch Mechanismen und Dynamiken biochemischer Prozesse im lebenden Organismus erfasst werden können. Die "BioFuture"-Förderung bot Petra Schwille optimale Bedingungen, um ihre Forschung voranzutreiben und ebnete ihr so den Weg zur Professur. Dem Ruf an die TU Dresden folgte sie und wurde 2002 Professorin für Biophysik. Heute konzentriert sich der Forschungsschwerpunkt von Petra Schwille stärker auf Fragestellungen innerhalb der Zell- und Entwicklungsbiologie sowie auf die Wechselwirkungen zwischen Proteinen und Lipiden in Zellen und artifiziellen Membransystemen. Mit den 2009 publizierten Forschungsergebnissen zur Messung von Proteininteraktionen und Morphogengradienten im lebenden Embryo hat Schwille international für Aufsehen gesorgt.

Die Synthetische Zelle im Fokus

Auch auf nationaler Ebene wird Schwilles Arbeit anerkannt und hoch geschätzt. Mit ihrer Berufung zur Direktorin der Abteilung „Zelluläre und molekulare Biophysik" am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried hat Petra Schwille 2012 die nächste Stufe ihrer akademischen Laufbahn gezündet. Die Vereinbarkeit von Familie und Beruf ist für die 43-Jährige kein Thema, sondern Realität. Die Spitzenforscherin ist Mitte des vergangenen Jahres mit ihrem Mann und drei Kindern in die Nähe von München gezogen und geht seitdem neuen Herausforderungen am Martinsrieder Max-Planck-Institut an. Schwille engagiert sich auch in der vom BMBF gemeinsam mit den Forschungsorganisationen initiierten Initiative "Biotechnologie 2020+". Hier ist die Biophysikerin nicht nur im Koordinierungskreis, einem Gremium aller beteiligten Akteure, aktiv. Mit dem neuen Forschungsnetzwerks "MaxSynBio" koordiniert Schwille einen Verbund, in dem Forscher aus neun verschiedenen Max-Planck-Instituten das Thema "Synthetische Biologie" erforschen werden. Auf dem Weg zu "synthetischen Zellen" wollen die Forscher ab 2014 dabei die molekularen Bausteine und Komponenten erforschen, die zur Konstruktion eines Minimal-Organismus nötig sind.

Deutschlands größte Demonstrationsanlage zur biotechnologischen Gewinnung von Biokraftstoffen der zweiten Generation hat im Juli 2012 ihren Betrieb im bayerischen Straubing aufgenommen. In dem 28 Millionen Euro teuren Ensemble entsteht aus lignocellulosehaltigem Weizenstroh und anderen Feldabfällen der Treibstoff Ethanol. Vom Strohschreddern über das enzymatische Aufschließen der Pflanzenfasern bis hin zur Vergärung von Zuckern bildet die Anlage den gesamten Umwandlungsprozess ab – und das nach Clariant-Angaben nahezu klimaneutral. Nun muss das „sunliquid“-Verfahren seine Tauglichkeit für eine industrielle Anwendung unter Beweis stellen. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und die bayerische Landesregierung unterstützen das Pionierprojekt mit jeweils fünf Millionen Euro.

Der Weg zum Biosprit der zweiten Generation folgt einem schnellen Takt: 2010 fiel die Entscheidung für den Bau einer Demonstrationsanlage, 2011 wurde der Grundstein am bayerischen Biocampus Straubing gelegt. Ein Jahr später, im Juli 2012, ist die Lignocellulose-Bioraffinerie auf einem 2.500 Quadratmeter großen Areal fertig – und die Produktion läuft. Gabelstapler rangieren riesige Strohballen in einer Lagerhalle, ein Stockwerk höher wird die trockene Biomasse klein gehäckselt und vorbehandelt, es folgen Räume mit Stahlbottichen, in denen dunkle Brühe wabert. Mikroben sorgen hier dafür, dass aus Pflanzenfasern Zuckermoleküle werden. Diese können Hefen in voluminösen Tanks wiederum zu Ethanol vergären. Etwa 4.500 Tonnen Biomasse sollen auf diese Weise jährlich verarbeitet werden, um daraus 1.000 Tonnen Ethanol zu gewinnen.

Vier Tonnen Stroh liefern eine Tonne Ethanol

Entwickelt hat das sunliquid-Verfahren seit dem Jahr 2006 ein Team um Andre Koltermann - einst noch bei der Süd-Chemie in München. Mittlerweile gehört das Traditionsunternehmen zum Schweizer Spezialchemiekonzern Clariant. Koltermann leitet hier nun das Biotech & Renewable Center. Bei der Eröffnungszeremonie am 20. Juli unterstrich Koltermann die Vorzüge der angewandten Technologie: „Unser Verfahren zeichnet sich durch seine hohe Effizienz aus“, sagte er. „Aus vier bis fünf Tonnen Stroh können wir eine Tonne Ethanol energieneutral herstellen – und im Vergleich zu fossilem Benzin erreichen wir eine 95-prozentige CO2-Einsparung.“

Der Vorstandsvorsitzende von Clariant, Hariolf Kottmann, betonte, der Start der neuen Cellulose-Ethanol-Anlage sei ein wichtiger Meilenstein nicht nur zur Herstellung eines klimafreundlichen Biokraftstoffs, sondern auch eines Grundstoffs für die chemische Industrie. Zudem rief er zu mehr Aufgeschlossenheit gegenüber Biokraftstoffen auf. „Nur wenn die Bevölkerung den Umweltnutzen von klimafreundlichen Biokraftstoffen erkennt, wird Bioethanol der zweiten Generation Erfolg haben.“

Moderne Kunststoffe halten eine Menge aus, doch „unkaputtbar" sind sie nicht. Schon winzige Risse können für platzende Autoreifen oder tropfende Dichtungsringe sorgen. Forscher vom Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik in Oberhausen haben nun erstmals verformbare Kunststoffe entwickelt, die sich selbst reparieren können. Speziell eingelagerte Zusatzstoffe sorgen hier dafür, dass sich kleine Risse von selbst wieder schließen. Die Idee für das Plastik der neuen Generation lieferte die Natur. Dort nutzt der Kautschuk-Baum ein ähnliche Prinzip, um Verletzungen an der Rinde schnell zu schließen. Noch bis Ende 2011 fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) die Neuentwicklung.

In der Werbung hat es die „unkaputtbare Mehrwegflasche" zu einigem Ruhm gebracht. Auch Frischhaltedosen und einige andere Produkte werben mit ihrer scheinbaren Unzerstörbarkeit. Den Alltagstest überleben die meisten der vermeintlich unverwüstlichen Produkte indes nicht. Wird die volle PET-Flasche beispielsweise zum Kühlen in den Gefrierschrank gesteckt, so zerfetzt der Traum von unvergänglicher Materialbeständigkeit über Nacht. Auch wenn die Brotdose vom Tisch fällt und mit der Kante auf den Steinboden aufschlägt, zersplittert die Mär des Unvergänglichen.

Aber auch ohne solche Härtetests versagt jedes Kunststoffbauteil früher oder später. Ursache dafür sind Mikrorisse, die sich in jedem Bauteil bilden können. Autoreifen oder Dichtungsringe beispielsweise werden gezielt elastisch verformbar hergestellt, damit sie den hohen und wiederkehrenden mechanischen Belastungen gewachsen sind. Trotzdem kommt es immer wieder zu platzenden Autoreifen und tropfenden Dichtungsringen. Ursache ist in vielen Fällen „spontanes Materialversagen“ – hervorgerufen durch Mikrorisse.

Zellstrukturen mit Mini-Antikörper zum Leuchten bringen - das war das Konzept, mit dem sich Ulrich Rothbauer 2007 beim GO-Bio-Wettbewerb des Bundesforschungsministeriums bewarb. Mit Erfolg: Aufbauend auf dem GO-Bio-Projekt „Chromobodies: ein neues Antikörperformat für Forschung und Diagnostik“ ist inzwischen die Firma Chromotek mit Sitz in Martinsried geworden. Mit der BMBF-Förderung konnte er nicht nur seine wissenschaftliche Arbeit weiterführen, wissenschaftliche Mitarbeiter weiterbeschäftigen und die Laborinfrastruktur ausbauen. Er hatte nun auch die einmalige Chance, seine innovative „Chromobody“-Technologie weiterzuentwickeln und zielgerichtet in die kommerzielle Verwertung zu bringen.

Bei Chromobodies handelt es sich um innovative Nachweisreagenzien für die biomedizinische Forschung. Chromobodies leiten sich von besonderen Antikörpern ab, die in Kamelartigen, wie zum Beispiel Alpakas vorkommen. Zur Detektion werden die entsprechenden Antikörperfragmente mit dem grün fluoreszierenden Protein (GFP) oder anderen Fluoreszenz-Farbstoffen fusioniert. Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften wie geringer Größe und hoher Stabilität sind sie für den Einsatz in lebenden Zellen geeignet. Dies konnten Rothbauer und sein Team erstmalig nachweisen.

Maßgeschneiderte Nanosonden

In der ersten Förderphase GO-Bio gründete Rothbauer 2008 die Biotechnologie-Firma ChromoTek GmbH, die sich mittlerweile im Innovations- und Gründerzentrum Biotechnologie (IZB) in Martinsried angesiedelt hat. Das Konzept der Chromobody-Technologie wurde in der Phase I der Förderung erfolgreich für den Einsatz in der  biomedizinischen  Forschung und Diagnostik entwickelt. Das ChromoTek-Team entwickelt nun in der Phase II der GO-Bio-Förderung, die noch bis Ende 2013 läuft die in der ersten Phasen begonnen Arbeiten weiter. Dabei wollen die forschenden Unternehmer die Chromobody-Technologie für den Einsatz in Wirkstoff-Screenings der pharmazeutischen Industrie validieren und optimieren. Im Rahmen des Projekts werden Chromobodies und zellbasierte Assays für "High-Content-Analysen" und zur Target-Validierung entwickelt. Ziel ist es darüber hinaus, ein System zum Nachweis von Protein-Protein-Interaktionen in lebenden Zellen zu etablieren.

Kunden in Labors weltweit

Den erfolgreichen Markteintritt hat die ChromoTek GmbH geschafft. Die Unternehmensgründer konnten mit ihren Produktangeboten im Bereich neuartiger Forschungsreagenzien bereits einen umfangreichen Kundenstamm in über 32 Ländern aufbauen und mit den ersten Produkten GFP-Trap und RFP-Trap kommerzielle Erfolge erzielen. Mit der Chromobody-Technologie wollen die Münchner in naher Zukunft strategische Partnerschaften mit anderen Unternehmen eingehen, um die Validierung der Technologie in der pharmazeutischen Wirkstoffforschung voranzutreiben. Hiermit sollen weitere Marktsegmente erschlossen und das nachhaltige Wachstum des Unternehmens sichergestellt werden.

Die Pharmaindustrie nutzt Kollagenase-Enzyme wegen ihrer gewebeauflösenden Wirkung als Zusatz für Salben, um chronische Wunden zu behandeln. Außerdem werden die Eiweißmoleküle in der Zellisolierung eingesetzt. Das Problem: Die Kollagenasen werden von Bakterien synthetisiert, die in Wachstumsmedien kultiviert werden, deren Bestandteile tierischer Herkunft sind. Diese können mit Viren oder BSE-Erregern kontaminiert sein. Der Kollagenasespezialist Nordmark Arzneimittel GmbH & Co.KG hat nun eine bakterielle Kollagenase auf Basis rein pflanzlicher Rohstoffe entwickelt, die das Risiko einer Übertragung von Krankheitserregern ausschließt. Das Projekt wurde im Rahmen der Förderinitiative „KMU-innovativ“ vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) über drei Jahre mit 546.000 Euro gefördert. Mit der neu entwickelten Kollagenase werden bereits Zellisolierungen erfolgreich durchgeführt.

Kollagenasen sind Enzyme, die das Strukturprotein Kollagen abbauen, das mit 30 Prozent den größten Anteil der Eiweiße im Bindegewebe der Haut von Menschen und einigen Tieren ausmacht. Dieser offensichtlich negative Effekt der Gewebeauflösung hat aber auch positive Seiten. So werden von Bakterien erzeugte Kollagenasen von der Pharmaindustrie bei der Herstellung von Salben zur Behandlung chronischer Wunden genutzt. Darüber hinaus werden sie im klinischen Alltag zur Isolierung bestimmter Zellen aus einem Gewebe eingesetzt. Auch bei der Gewebeherstellung im Labor – dem Tissue Engineering – gewinnen Kollagenasen zunehmend an Bedeutung.

Nicht nur auf bayerischen Weiden ist das Fleckvieh eine Institution. Die gescheckten Rinder werden für ihre Milchleistung und Fleischqualität auch in Afrika und Südamerika geschätzt. Doch gerade hier kann intensive Sonneneinstrahlung den Tieren massiv zusetzen. Denn ihr weißes Kopffell bietet kaum Schutz vor UV-Strahlen. Die Folge: jedes zweite Tier erkrankt in sonnenreichen Ländern an bösartigen Augentumoren. Deutlich besser geschützt sind Tiere, die braune Fellflecken um die Augen tragen. Münchner Tiergenetiker haben das Vererbungsmuster der braunen Augenringe entschlüsselt. Es ist im doppelten Wortsinn ein Musterbeispiel für die Möglichkeiten der modernen Nutztiergenetik. Die Ergebnisse sind insbesondere für Züchter in südlichen Ländern interessant. Das BMBF fördert die Arbeiten im Rahmen des Forschungsclusters „Synbreed“ mit 1,8 Millionen Euro.

Das Fleckvieh ist ein Markenzeichen auf bayrischen Weiden. Deutschlandweit gibt es rund 3,6 Millionen Exemplare dieser Rinderrasse. Sowohl als guter Milchlieferant als auch wegen seiner guten Fleischqualität ist das Fleckvieh längst zu einem Exportschlager geworden. Weltweit gibt es Schätzungen des Zuchtspezialisten Bayern Genetik zufolge etwa 41 Millionen Tiere. Besonders in Afrika und Südamerika ist die Rinderrasse gefragt. Doch auf den neuen Weiden weit jenseits der Alpen tauchen auch neue Probleme auf. Typischerweise hat das Fleckvieh ein weißes Kopffell. In sonnenreichen Gegenden sind die Tiere damit schutzlos UV-Strahlen ausgeliefert. Sehr häufig treten Augenkrebserkrankungen auf. Doch es gibt einen natürlichen Schutzmechanismus: Bei einem kleinen Teil der bayerischen Fleckvieh-Rinder treten nämlich dunkle Fellfärbungen um die Augen und am Augenlid auf. Die dunklen Augenflecken wirken wie eine Schutzbrille und bewahren die Tiere vor Augentumoren.

Biokohle ist seit Langem in der Landwirtschaft als Bodenverbesserer bekannt. Die verkohlten Reste aus Pflanzenbiomasse fördern nicht nur die Bodenqualität und kurbeln das Pflanzenwachstum an. Auch das Potenzial, das Treibhausgas Kohlendioxid zu kompensieren, ist enorm. Forscher der Universität Tübingen haben nun Biokohle aus Holz mit Mikropilzen besiedelt und daraus ein Spezialsubstrat für den Gartenbau entwickelt, das bereits bei Jungpflanzen das Wurzelwachstum fördert und sie zugleich robuster gegen pilzbedingte Krankheiten macht. Die Mikroorganismen gehören zu der Pilzgattung Serendipita, die in Symbiose mit vielen Pflanzenwurzeln lebt. Das Spezialsubstrat der Tübinger Biologen wurde im Rahmen des Ideenwettbewerbs „Neue Produkte für die Bioökonomie“ vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit 60.000 Euro gefördert.

Die positiven Eigenschaften von Biokohle sind seit Langem bekannt, sie werden aber erst seit einigen Jahren intensiv erforscht. Der Vorteil: Bei der Verkohlung der pflanzlichen Ausgangsstoffe wie Stroh, Holz oder anderer Biomasse gehen die  Mineralstoffe nicht verloren, sondern binden sich an die Oberfläche der Biokohle. In den Boden eingebracht wird sie so zu einem natürlichen Nährstoffdepot für Äcker und Pflanzen zugleich. Daneben besitzt Biokohle – abhängig von der Art der Biomasse – das Talent, Kohlenstoff in großen Mengen über längere Zeit zu binden und somit die CO2-Belastung der Umwelt zu drosseln.

Mit Biokohle zum nachhaltigen Pflanzenanbau

Das Potenzial der Biokohle für Landwirtschaft und Pflanzenbau verstärkt zu nutzen ist ein Ziel, das vom Bundesforschungsministerium intensiv gefördert wird. Im Projekt „Biokohle-basiertes Wurzelinokulum für den nachhaltigen Pflanzenbau“ haben Forscher der Universität Tübingen nach einer Möglichkeit gesucht, die positiven Eigenschaften der Biokohle für das Pflanzenwachstum noch zu steigern. Und zwar mithilfe von Mikropilzen. Im Rahmen des Förderprojektes experimentierte  das Team um den Biologen Michael Weiß mit Biokohle aus Holz. „Wir haben uns für Holzkohle entschieden, weil sie eine riesige innere Oberfläche und damit viele Poren hat, die Mikroorganismen Nischen bieten, in denen sie sich im verkohlten Holz ansiedeln können“, erklärt Weiß.

Biochar has long been known in agriculture as a soil improver. The charred remains of plant biomass not only promote soil quality but also stimulate plant growth. In addition, its potential to compensate for the greenhouse gas carbon dioxide, is immense. Researchers at the University of Tübingen have now colonised biochar made of wood with microfungi and developed a special substrate for horticulture, which promotes root growth in seedlings and makes them more resistant to fungal diseases. The microorganisms belong to the fungal genus Serendipita, which lives in symbiosis with many plant roots. The special substrate created by the biologists at Tübingen was sponsored by Federal Ministry of Education and Research (BMBF) within the ideas competition “New Products for the Bioeconomy” with €60,000.

The beneficial properties of biochar have been known for a long time; however, these properties have only been intensively researched in the last few years. The advantage: the minerals in the plant starting materials such as straw, wood or other biomass, are not lost during carbonisation, but bind to the surface of the biochar. This is added to the soil as a natural nutrient depot for fields and plants. Furthermore, depending on the type of biomass, biochar has the ability to absorb carbon in large quantities over a long period of time and thus curb CO2 environmental pollution.

Turning biochar into renewable plant crop cultivation 

The potential of using biochar for agriculture and crop cultivation is a goal that is being intensively funded by the Federal Research Ministry. In the project “Biochar-based root inoculation for renewable crop cultivation”, researchers from the University of Tübingen have looked at how to increase the beneficial properties of biochar for plant growth using bio microfungi. Within the sponsored project, the team, led by biologist Michael Weiß have experimented with biochar from wood. “We opted for charcoal, because it has a large internal surface area and thus many pores that provide microorganisms with niches where they can settle within the charred wood,” explains White.

Microfungus increases the potential of biochar

It is known that many plants live in symbiosis with microorganisms that live in their roots. Michael Weiß and his team have now tried to combine this natural microbial plant elixir with the beneficial properties of biochar. To do this they chose a type of microfungus called Serendipita, which according to the latest findings, is present in nearly all plant roots. Weiß and his student assistants were able to experiment with about a dozen types of the Serendipta genus: “We tried to settle the various fungi on coal. At the end, black charcoal, which was colonised by microfungi, emerged. This means that this powder is alive.”

Special substrate encourages root growth and makes young plants pest-resistant

Inoculating biochar with microfungi also has another purpose. The microfungi should also act as a natural weapon against harmful fungi, which can be dangerous to young plants. The effect of the biochar-based substrate was subsequently tested on different plant cuttings. The first results were very promising. “When mixing the substrate with potting soil or loose substrates for cuttings, they develop faster and with more roots. Furthermore, the plants are stronger and more resistant against fungal diseases,” reports Weiß.

Useful helpers for ecological horticulture

As in nature, after germination, the seedlings form a symbiotic community with the microfungi. As part of the BMBF project, biologist Michael Weiß could thus lay the foundation/basis for a special substrate, which can be a useful aid, in particular for horticulturists in the rearing of young plants. There are already prospective buyers from organic gardening. As part of Weiß’s newly established Steinbeis Innovation Centre "Organismic Mycology and Microbiology", the fungi expert will continue the development of the new plant granules. “The task now is to find very specific formulations for various applications like, for example, supplements for substrates to produce seedlings". At the same time, Weiß wants to examine which substrate is particularly suitable for which plant, and whether the biochar-based substrate is suitable for seed treatment, to protect seeds in a natural and sustainable way.

Author: Beatrix Boldt

Jahr für Jahr produziert Brasilien 1,25 Millionen Liter Orangensaftkonzentrat. Dabei fällt als bisher kaum verwendetes Nebenprodukt der Naturstoff Limonen an. Wissenschaftler des Zwingenberger Biotech-Unternehmens Brain wollen nun gemeinsam mit Forschern von der Dechema auf der Basis von Limonen ein natürliches Konservierungsmittel herstellen – und zwar mithilfe von Bakterien. Unterstützt wird das Projekt vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF).

Ein Blick ins Supermarktregal zeigt Handcreme „mit wertvollem Sanddornöl" oder Zahnpasta mit Auszügen aus „der Wurzel der in den peruanischen Anden wachsenden Rathaniapflanze". Produkte wie diese sind in den letzten Jahren immer mehr gefragt. So hat das Marktforschungsinstitut Information Resources Inc. ermittelt, dass der Anteil von Naturkosmetika am Gesamtmarkt zwischen 2008 und 2010 von 3,8% auf 5,4% gestiegen ist. Zuletzt wuchs der Umsatz jährlich um 15% – und das, obwohl die Erträge mit konventionellen Kosmetika geschrumpft sind.

Vor diesem Hintergrund überrascht es nicht, dass Kosmetikhersteller immer mehr auf der Suche nach Inhaltsstoffen sind, die einen natürlichen Ursprung haben. Dies gilt auch für Konservierungsmittel, die in den Cremes für eine längere Haltbarkeit sorgen. Die meisten werden bislang jedoch chemisch hergestellt und manche – wie zum Beispiel das Benzylbenzoat – gelten unter Experten als Allergieauslöser.

Tausende Tonnen Limonen bisher ungenutzt

Um derartige Stoffe durch natürliche Produkte zu ersetzen, suchen Forscher schon seit langem nach geeigneten Verfahren. Bereits vor Jahren haben Forscher um Jens Schrader vom Karl-Winnacker-Institut der Dechema gemeinsam mit dem Unternehmen Dr. Rieks GmbH ein Verfahren entwickelt, das einen Naturstoff aus Orangenschalen als Basis nutzt. In der Citrus-verarbeitenden Industrie fallen jährlich ca. 50.000-75.000 Tonnen des Stoffs Limonen als Nebenprodukt an. Dabei handelt es sich nicht etwa um die gelbschaligen Zitrusfrüchte, sondern um einen Naturstoff aus der Gruppe der Terpene. Bisher ließ er sich kaum weiterverwenden. In einem von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderten Projekt konnten die Wissenschaftler vom Prinzip her zeigen, dass sich aus Limonen mithilfe des Bakteriums Pseudomonas putida das Konservierungsmittel Perillasäure auf ganz natürliche Weise herstellen lässt. Inzwischen sind die entsprechenden Patente des Verfahrens an das Zwingenberger Biotech-Unternehmen Brain AG übergegangen, das auf die Entwicklung biotechnologischer Verfahren für die Industrie spezialisiert ist und dessen Gründer Holger Zinke als Pionier der weißen Biotechnologie gilt.

In der Natur tummeln sich unzählige Mikroorganismen, die das Potenzial haben, der Gesundheit von Mensch und Tier Gutes zu tun. Zu den bekanntesten dieser unsichtbaren Gesundheitshelfer zählen die Milchsäurebakterien. Doch sie sind bei weitem nicht die einzigen. Im Rahmen der strategischen Allianz „Good Bacteria and Bioactives in Industry – GOBI” werden die Unternehmen Organobalance GmbH, Bionorica SE und Evonik Nutrition & Care GmbH nicht nur die bekannten Kandidaten weiter erforschen, sondern gezielt nach neuen, positiv wirkenden Bakterien suchen, die sich für die Herstellung neuer Produkte in der Gesundheits-, Pharma- und Futtermittelindustrie eignen. Ein Ziel: Ein Bakterium finden, das den Einsatz von Antibiotika bei Mensch und Tier ablöst. Als Gewinner der „Innovationsinitiative Industrielle Biotechnologie“ wird das Konsortium vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) in den kommenden sechs Jahren gefördert und hat ein Projektvolumen von bis zu 9 Millionen Euro.

Milchsäurebakterien zählen zu jenen Bakterienstämmen, die unser Wohlbefinden fördern, indem sie für eine gesunde Darmflora sorgen. Neben den sogenannten Probiotika, die bereits in vielen Lebensmitteln zu finden sind, schlummern auch in der Umwelt Mikroorganismen mit heilenden Kräften. Darüber hinaus ist der Mikroben-Kosmos noch weitgehend unerforscht und somit viele gute Bakterienarten noch gar nicht beschrieben. Auf dem Weg von einer erdöl- zu einer biobasierten Wirtschaft spielen nachhaltige Ressourcen wie Mikroorganismen eine immer größere Rolle. Unter dem Dach der „Nationalen Forschungsstrategie BioÖkonomie 2030“ hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) 2011 die „Innovationsinitiative industrielle Biotechnologie“ aufgelegt, um den Innovationsprozess und somit den industriellen Strukturwandel zu beschleunigen. Im Fokus steht dabei die Förderung von Allianzen, in denen Unternehmen aus den verschiedensten Wirtschaftsbereichen zusammenarbeiten.

Allianz sucht positiv wirkende Bakterien

Zu solch einer strategischen Allianz haben sich die Organobalance GmbH, Bionorica SE und Evonik Nutrition & Care GmbH zusammengeschlossen. Das Bündnis namens GOBI – „Good Bacteria and Bioactives in Industry"– will, wie es der Name andeutet, gezielt nach positiv wirkenden Bakterien für den Einsatz in der Tierernährung, der Gesundheits- und Pharmaindustrie forschen. „Wir wollen das rasant wachsende Wissen um das Zusammenspiel von Mikroorganismen mit Mensch und Tier und die Bedeutung einer ausgewogenen Mikroflora für die Gesundheit gezielt und systematisch bewerten und nachfolgend in Produkte umsetzen", erklärt die Chefin der Organobalance GmbH, Christine Lang.

Nature is teeming with countless micro-organisms potentially of benefit to human and animal health. Lactic acid bacteria are among the best-known of those invisible helpers. But they are certainly not the only ones. As part of the GOBI (Good Bacteria and Bioactives in Industry) strategic alliance, Organobalance GmbH, Bionorica SE and Evonik Nutrition & Care GmbH are not only conducting further research on known candidates but also actively looking for new beneficial bacteria suited to the manufacture of innovative products in the animal feed, healthcare and pharmaceutical industries. Their goal: to find a bacterium to replace antibiotic use in the case of humans and animals. As the winner of the "Innovationsinitiative Industrielle Biotechnologie", the consortium will be funded by the Federal Government's Department of Education and Research (BMBF) over the next six years in a project worth up to 9 million euros.

Lactic acid bacteria are among those strains that promote our well-being by providing us with healthy intestinal flora. In addition to the so-called "probiotics" already found in many foods, micro-organisms with healing powers are also present in the environment. Not only that: the microbial cosmos remains largely unexplored, meaning that many types of beneficial bacteria have yet to be described. Sustainable resources such as micro-organisms are playing an ever bigger role on the path towards a bio-based economy, replacing petroleum. In 2011, the BMBF published the "Innovationsinitiative industrielle Biotechnologie" under the auspices of the "Nationale Forschungsstrategie BioÖkonomie 2030" to advance the process of innovation and thus structural change in industry. It focuses on fostering alliances in which companies from the most diverse sectors work together.

Alliance searches for beneficial bacteria

Organobalance GmbH, Bionorica SE and Evonik Nutrition & Care GmbH have come together to form just such a strategic alliance. As the name suggests, the GOBI – "Good Bacteria and Bioactives in Industry"– alliance aims to research beneficial bacteria for use in animal feed, healthcare and the pharmaceutical industry. "We want to evaluate the rapidly expanding knowledge of micro-organisms' interplay with humans and animals, as well as of balanced micro-flora's importance to our health, actively and systematically, afterwards turning it into products," explains Christine Lang, Manager of Organobalance GmbH.

Stickstoff gilt als Motor des Pflanzenwachstums. Weltweit setzen Landwirte und Bauern auf Nitratdünger, um ihre Erträge  zu steigern. Doch es gibt Pflanzen wie Zuckerrohr, die gänzlich ohne die extrem energieaufwendigen Düngemittel auskommen. Der Trick: Mit Hilfe von Bakterien, die in und an der Wurzel lagern, binden sie Stickstoff direkt aus der Luft und versorgen sich somit selbst. Im Forschungsprojekt "NITRO-SUS" suchen Molekularbiologen um Barbara Reinhold-Hurek von der Universität Bremen seit 2011 nach genomischen Ansätzen, die Stickstoff-Nachhaltigkeit bei Getreide zu verbessern. Dabei experimentiert das Team mit Wildreis, der ebenfalls über stickstoffbindende Bakterien verfügt. Ihr Ziel: Das Stickstoff-Fixierungspotenzial der wilden Pflanze mittels Gentechnik oder Kreuzung auf den Kulturreis zu übertragen und damit langfristig die Stickstoffdüngung bei Reispflanzen und anderen Getreidearten zu reduzieren. Das  Forschungsprojekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit rund 1 Million Euro unterstützt.

Stickstoff ist der Treibstoff, der das Pflanzenwachstum ankurbelt und den Boden fruchtbar macht. Weltweit werden Getreidefelder daher mit künstlichen Stickstoffdünger bestreut, um Weizen oder Gerste sprießen zu lassen und eine reiche Ernte einfahren zu können. Der Grund: Anders als Hülsenfrüchte wie Bohnen, Erbsen oder Lupinen, die mit Hilfe von Bakterien in den Wurzeln Stickstoff binden, kann sich Getreide nicht selbst mit diesem Nährstoff versorgen, obwohl ein Meer von natürlichem Stickstoff in der Atmosphäre schwebt. Denn 78 Prozent der Luft besteht aus Stickstoffgas.

Getreidewachstum auf natürliche Weise beflügeln

Diese nachhaltige Ressource zu nutzen, um das Wachstum von Getreide auf natürliche Weise zu beflügeln, ist das Anliegen von Barbara Reinhold-Hurek. Die Mikrobiologin und Genetikerin leitet das vom BMBF finanzierte Forschungsprojekt "NITRO-SUS" an der Universität Bremen. Reinhold-Hurek und ihr Team suchen darin nach genetischen Ansätzen für eine stickstoff-nachhaltige und umweltfreundliche Getreideproduktion. Dabei helfen soll das Wissen um Pflanzen, die natürlicherweise über stickstoffbindende Fähigkeiten verfügen. "Kunstdünger ist nicht nur ein Kostenfaktor, sondern auch eine Belastung für die Umwelt. Wenn Stickstoff von Bakterien geliefert wird, ist es auf jeden Fall nachhaltiger", erklärt Reinhold, die sich seit Jahrzehnten mit dem Thema auseinandersetzt. Dieses Fixierungspotenzial auf Kulturpflanzen zu übertragen, ist das Ziel der Forscher, die am Projekt "NITRO-SUS" beteiligt sind.

Reis im Fokus der Forschung

Im Labor haben die Bremer Forscher dafür zunächst zahlreiche Wildpflanzen auf ihre Bakterienaktivität in den Wurzeln untersucht. "So fanden wir die wilde Reisart. Hier schien die Bakterienaktivität hinsichtlich der Stickstofffixierung besonders hoch zu sein.  Dazu kommt, dass dieser Reis auch auf nährstoffarmen Böden sehr gut wächst.“ Im Rahmen des seit 2011 laufenden Projektes versuchen die Bremer nun, dieses hohe endophytische Stickstoff-Fixierungspotenzial vom Wildreis auf den Kulturreis zu übertragen. Dabei gehen sie zwei verschiedene Wege. Zum einen versuchen sie aus dem Wildreis geeignete Gene zu selektieren, durch die die Pflanze besonders gut mit Bakterien zur Stickstoffversorgung kooperieren kann. "Einige dieser Kandidatengene wurden in einem parallelen Ansatz in Kulturreispflanzen eingebracht, um zu sehen, ob wir den Prozess in diesen genetisch modifizierten Pflanzen verbessern können", erklärt die Forscherin. Parallel dazu versucht das Team, diesen Effekt durch Kreuzung von Wildreis mit Kulturreis zu erreichen.  Diese Züchtungsversuche wurden gemeinsam mit dem International Rice Research Institut (IRRI) auf den Philippinen durchgeführt. Während das gentechnische Experiment noch nicht ganz abgeschlossen ist, gibt es bei der konventionellen Züchtung erste "vielversprechende" Ergebnisse, berichtet Reinhold-Hurek. "Bei einigen stieg die Stickstofffixierung, sodass sich vermutlich an der Pflanze durch Interaktion etwas verändert".

Vitamine sind das A und O einer gesunden Ernährung. Doch meist wird nur ein Bruchteil ihres Potenzials vom Körper tatsächlich aufgenommen. Denn ein Großteil der gesunden Moleküle geht bei Nahrungsaufnahme verloren. Das Berliner Biotechnologie-Unternehmen Organobalance hat nun ein Verfahren entwickelt, dass Wirkstoffe wie Vitamine, Spurenelemente und Fettsäuren auf sehr natürliche Weise speichert und schützt – und zwar mit einem Mantel aus ausgewählten Hefestämmen. Dieser natürliche Wirkstoffschutz könnte eine Alternative zur herkömmlichen Vitamin- oder Arzneikapsel sein und deren Produktion nachhaltiger gestalten. Die Arbeiten wurden im Rahmen der KMU-Innovativ-Förderung vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) über drei Jahre mit rund 260.000 Euro gefördert.

Dem Bäcker und Bierbrauer dienen sie seit Jahrhunderten als Werkzeug – die Saccharomyces-Hefen. Doch die Bäckerhefen können weit mehr als nur den Gärungsprozess bei der Bierherstellung ankurbeln oder den Kuchenteig zum Quellen bringen. Das Berliner Biotechnologie-Unternehmen Organobalance weiß um das vielfältige Potenzial der Mikroorganismen: in einer Sammlung beherbergt die Firma  mehrere tausend unterschiedliche Hefe- und Bakterienstämme, alle mit anderen interessanten Eigenschaften.  Mithilfe eines besonderen Screeningverfahrens können für Kunden aus der Industrie – sei es im Pharma-, Chemie- oder Lebensmittelbereich – die jeweils für den konkreten Bedarf geeigneten Mikroorganismen selektiert werden.

Hefezellen als Schutzhülle

Wenn es darum geht, gesunde Lebensmittel herzustellen, können die Winzlinge zum Beispiel eine wichtige Schutzfunktion übernehmen. Im Visier der Forscher: Vitamine, Spurenelemente und Fettsäuren. Denn diese wertvollen Substanzen gehen bei der Nahrungsaufnahme meist viel zu schnell verloren, bevor sie ihre Wirkung im Körper entfalten können. Lebensmittelexperten versuchen daher schon lange, einen Weg zu finden, wie sich diese Nährstoffe auf natürliche Weise vor Oxidation, Hitze oder Feuchtigkeit schützen lassen. Im BMBF geförderten Projekt „Effiziente Hefebeladung mit bioaktiven Wirkstoffen für die Ernährung“ wollten die Wissenschaftler nun herausfinden, welche Hefen für diese Aufgabe geeignet sind. „Unser Ziel war es, ein Anreicherungsverfahren zu entwickeln, das Bäckerhefen mit funktionellen Wirkstoffen anreichert, so dass vermehrt Wirkstoffe aufgenommen werden“, erklärt Klaus Pellengahr von Organobalance und ergänzt: „Die Hefezelle ist quasi eine Schutzhülle, die verhindert, dass diese wertvollen Wirkstoffe Schaden nehmen“.