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

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

Vielfältig anwendbare Enzym-Klasse

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

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

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

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

Per Gen-Check Krankheitsanfälligkeiten aufdecken

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

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

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

Gesunde Nachfahren durch Befruchtungstrick

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

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

Autorin: Fabienne Hurst

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

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

Stefan Kubick begeistert sich schon seit vielen Jahren für Proteine, insbesondere für jene Eiweißmoleküle, die in Zellmembranen eingebettet sind. Diese im Labor herzustellen, gilt allerdings als extrem aufwendig. Doch der 48-jährige Biotechnologe, Abteilungsleiter am Fraunhofer Institut für Zelltherapie und Immunologie (IZI) in Potsdam, verfolgt einen neuen Weg, für den man nicht länger lebende Zellen einsetzen muss: Er lässt Teile der Eiweiß-Produktionsmaschinerie im Reaktionsgefäß die Arbeit erledigen. Die sogenannte zellfreie Bioproduktion haben Kubick und sein Team für die Proteinherstellung im großen Maßstab optimiert. Der passionierte Segler, der zuvor neun Jahre in einem Berliner Biotech-Unternehmen arbeitete, ist davon überzeugt: Diese Technologie wird die Pharmaforschung und Medikamentenentwicklung deutlich beschleunigen.

Touren in den Segelrevieren der Karibik, im Mittelmeer, an Nord- und Ostsee und in der vielfältigen Seenlandschaft in Brandenburg zählen zur großen Leidenschaft von Stefan Kubick. „Ich bin sehr gerne in der Natur unterwegs“, sagt der hochgewachsene Kubick. Schon nach dem Abitur war der gebürtige Schwabe für den Grundwehrdienst zur Marine nach Flensburg gegangen. Seither hat er sämtliche Segelscheine gemacht und ist mit allen Bootsklassen vertraut. Forschung und Segeln haben viel gemeinsam, so Kubick, „man muss präzise planen und navigieren, gut im Team zusammenarbeiten und hin und wieder müssen pragmatische Entscheidungen getroffen werden“.

Einen klaren Kurs, mit einigen interessanten Manövern, hat Kubick auch in seiner wissenschaftlichen Laufbahn verfolgt. Zunächst studierte der gebürtige Esslinger Chemie und Biologie auf Lehramt an der Universität Stuttgart-Hohenheim. Schon bald weckten Membranproteine sein Interesse und er spezialisierte sich dann auf die Molekularbiologie und Membranphysiologie. „Damals waren Forscher weltweit auf der Suche nach den Geruchsrezeptoren“, erinnert sich Kubick, hierbei aktiv mitzuwirken, habe damals seinen Forscherehrgeiz beflügelt.

Neun Jahre in einem Berliner Biotech-Unternehmen

Die Welt der Proteine hat ihn seither nicht mehr losgelassen. Nach Biologie-Diplom und Promotion in Hohenheim wechselte Kubick 1998 nach Berlin. Als Postdoc arbeitete er dort an der Freien Universität in der Arbeitsgruppe des renommierten Pharmakologen Günter Schultz. Zur Jahrtausendwende wechselte er dann in die Wirtschaft: In Berlin hatte der umtriebige Biochemie-Professor Volker Erdmann das Start-up „RiNA GmbH“ gegründet. Kubick machte sich hier nun daran, gemeinsam mit Kooperationspartnern aus der Biotech- und Pharmaindustrie neue zellfreie Proteinsynthese-Systeme zu entwickeln. Solche In-vitro-Systeme sind bis heute sein Steckenpferd geblieben.

Klärschlämme, Abwässer und Abfälle – in der Industrie und in Siedlungen fallen riesige Mengen an sogenannten Restströmen an. In ihnen steckt jede Menge Kohlenstoff – bislang wird dieser jedoch kaum genutzt. Dabei ist Kohlenstoff ein elementarer Baustein für Chemikalien. Auf diese Verwertung hat es die strategische Allianz „ZeroCarbonFootprint – ZeroCarbFP" abgesehen. Die 12 Partner des im Jahr 2013 an den Start gegangenen Netzwerks fahnden nach Mikroorganismen, die kohlenstoffreiche Abfälle als Substrate nutzen und diese zu wertvollen Bausteinen und Substanzen für die Industrieproduktion umwandeln. Das BMBF steuert zu der rund 48 Millionen Euro schweren Allianz die Hälfte des Betrags im Rahmen der „Innovationsinitiative industrielle Biotechnologie" bei.

Täglich fließen rund 10 Millionen Kubikmeter Abwasser durch die deutschen Kanalnetze zu den Kläranlagen. Das Schmutzwasser steckt voller organischer Fracht, und damit voller Kohlenstoff und Energie – bislang bleibt diese Ressource jedoch weitgehend ungenutzt. Kohlenstoffhaltige Restströme fallen nicht nur in der Abwasserwirtschaft an: Bei der Biodieselherstellung entsteht Rohglycerin, bei der Bioethanol-Produktion CO2, bei der Erzlaugung im Bergbau bleibt eine mit Metallen angereicherte Brühe übrig.

Im Abfall schlummern wertvolle Ressourcen

„Wir wollen diese Abfallströme als Rohstoffquelle für die Herstellung innovativer Produkte erschließen", sagt Dirk Bogaczyk von der Emschergenossenschaft, einem der größten deutschen Wasserwirtschaftsverbände mit Sitz in Essen. Er ist Koordinator der strategischen Allianz „ZeroCarbFP". „Zu den Produkten, die wir herstellen wollen, zählen unter anderem Enteisungs- und Kühlmittel, Hochleistungsadditive für Schmierstoffe, sowie Öle und Basis-Chemikalien für die Kunststoffindustrie", erläutert Bogaczyk. Zudem werden Technologien zur Erzlaugung sowie biotechnologische Verfahren Erhöhung der Energieausbeute aus Abwasser entwickelt.

Seit Juli 2013 haben sich sieben Unternehmen aus Forschung, Industrie und öffentlichem Sektor zu einer einzigartigen Allianz zusammengeschlossen. Neben der Emschergenossenschaft sind die BRAIN AG, Fuchs Europe Schmierstoffe GmbH, Enzymicals AG, BioEton GmbH, Ceritech AG und Südzucker AG dabei. Zusammen mit akademischen Forschungspartnern führt die auf insgesamt neun Jahre ausgelegte strategische Allianz bundesweit 12 Partner zusammen.

Today, the strategic alliance ‘ZeroCarbonFootprint – ZeroCarbFP’ is exploring the ways in which this hidden potential could be recovered. The twelve participating partners in the alliance, which officially began work in 2013, are hunting for microorganisms that can use the carbon-rich wastes as substrates and in the process convert them into valuable building blocks and substances for industry. Around half of the funding for the approximately 48 million-euro alliance is being provided by the BMBF as part of the ‘Innovation Initiative Industrial Biotechnology’ programme.

Every day, around 10 million cubic metres of wastewater flow through the German sewage networks and onward to various plants for treatment. This wastewater carries masses of organic cargo, meaning also significant quantities of carbon and energy, and to date represents a largely untapped resource. Such carbonic waste streams can also be created outside of the wastewater sector: Biodiesel production process also produces crude glycerine, bioethanol production results in CO2, and the process of bioleaching in mining leaves behind a metal-enriched broth.

Valuable resources lying dormant

“We want to unlock these waste streams as a source of raw materials, with the aim of manufacturing innovative products,” says Dirk Bogaczyk from Emschergenossenschaft, one of Germany’s largest associations for water management. Bogaczyk is also coordinator of the ‘ZeroCarbFP’ strategic alliance. “Among the products that we want to manufacture are chemicals for de-icing and coolants, high-performance additives for lubricants, as well as oils and basic chemicals for the plastics industry,” says Bogaczyk. Technologies for bioleaching (also known as ore leaching) as well as biotechnological procedures aimed at increasing energy yields from wastewater are also being developed.Since July 2013, seven companies in research, industry and the public sector have joined forces as part of a unique alliance. Working alongside Emschergenossenschaft is BRAIN, Fuchs Schmierstoffe, Enzymicals, Bioeton, Ceritech and Südzucker. Including academic research partners, the nine-year strategic alliance comprises a total of 12 partners from across Germany.

Microorganisms take central place

A key role in the alliance is being taken by a number of naturally occurring and specialised microorganisms, which will utilise the carbon-rich waste as a foodstuff. Thereby, their metabolism converts the waste materials into interesting chemicals. A team of microbiology specialists headed by Guido Meurer from Zwingenberg-based BRAIN AG have scoured not only the vast bioarchives at BRAIN but have also taken site samples from industrial plants operated by partners in the alliance, with the aim of discovering microorganisms that display a special talent for this task of conversion. The best candidates are optimised using biotechnological techniques to prepare them for application in industrial production.

Single cell oils from wastewater

ZeroCarbFP consists of five sub-programmes that are each focused on a different waste material with a specific valuable product for later commercialisation. The sub-programme ‘Additive 2’, for example, concerns the exploitation of wastewater. Here, fermenting in a series of digesters is a mixture of microbes that creates biogas from the organic materials. For this biogas to burn well, the methane content must be as high as possible. “The alliance is thus looking for organisms that can use the wastewater residues to produce oils and lipids or enhanced methane gas in our bioreactors,” says Bogaczyk. Thereby, the microbial oils known as single-cell oils are especially desirable. These are distinguished by a unique fatty acid composition and are well suited for use in energy production, as a platform chemical, or as an additive in the lubricant industry.

Microbial fuel cell delivers power

There have already been some promising results: “The scientists at BRAIN have found a number of different microorganisms for the production of oils,” says Bogaczyk. These candidates will now be subject to further investigation, while alliance partners are already considering how best to incorporate the oil-bacteria in their sewage plant operations. The latent energy in wastewater is the focus of a separate sub-project being pursued by researchers from the Karlsruhe Institute of Technology (KIT) together with Emschergenossenschaft. The two partners are currently experimenting with microbial fuel cells in the laboratories in Karlsruhe with the aim of optimising bacteria-based electricity production. In the future, they will also carry out their research in the test sewage plants operated by Emschergenossenschaft in Dinslaken. At their first annual meeting in September 2014, the alliance was able to report positive news from all five sub-programmes: all objectives set for this time have been achieved. The first patent applications are now being compiled, covering the microorganism-based production of speciality products such as coolants, lubricant additives and base chemicals from waste materials. The alliance has commissioned an analysis and quantification of sustainability aspects to ensure that the biobased processes and products are sustainable. The objective here is to find out how much CO2 can be saved by the innovative process and the precise environmental contribution made by utilising waste materials as a source of raw materials.

Author: Philipp Graf

Tobias May ist mit Leib und Seele Forscher. Seine Passion die Zelllinien-Entwicklung. Dass der gebürtige Niedersachse irgendwann seine eigene Firma haben würde, war für ihn noch vor zehn Jahren weder gewollt noch vorstellbar. Seit 2011 ist der promovierte Biochemiker Mitgeschäftsführer des Braunschweiger Start-ups Inscreenex, einer Ausgründung des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI). Das Start-up bietet von ihm entwickelte neuartige gewebsähnliche Zellkulturen zur Wirkstoffidentifizierung an. Der Clou: die gewebeähnlichen Zellkulturen für Leber oder Lunge könnten langfristig helfen, Tierversuche in der Pharmaindustrie zu minimieren oder zu ersetzen. Bei der Entwicklung der Technologie kam der Firma auch eine Förderung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Initiative „KMU-innovativ: Biotechnologie“ zugute.

Die Entwicklung neuer Wirkstoffe in der Pharmaindustrie ist extrem aufwendig und die Erfolgsquote mit zehn Prozent eher gering. Das heißt, 90 Prozent aller Wirkstoffkandidaten bleiben während der klinischen Studien auf der Strecke. „Das ist ein wesentlicher Grund dafür, dass die Zahl der neuen medizinisch wirksamen Substanzen, die auf den Markt gelangen, in den letzten Jahren abgenommen hat. Diese enorme Ausfallquote macht deutlich, wie ineffizient der derzeitige Wirkstoffidentifizierungsprozess ist“, sagt Tobias May. Über zehn Jahre seiner wissenschaftlichen Laufbahn hat der promovierte Biochemiker nach einem Weg geforscht, die teure und aufwendige Medikamentenentwicklung zu verbessern. Seine Ausdauer wurde belohnt. Eine von ihm mitentwickelte Technologie steht inzwischen Forschern, Pharma- und Biotechfirmen zur Verfügung. Sie wird von der Inscreenex GmbH angeboten, deren Mitgeschäftsführer May seit 2011 ist.

Bakterien für ihren Einsatz in der biotechnologischen Produktion zu trimmen,  ist ein kniffliges Unterfangen. Mal produzieren die Mikroben ein gewünschtes Enzym, ein anderes Mal wiederum nicht. Der Grund für dieses oft widerspenstige Verhalten bleibt dem Forscher oft verborgen. In dem Verbundprojekt  P27 des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützten Clusters Biokatalyse 2021 wollen Forscher das Produktionsverhalten eines wirtschaftlich sehr interessanten Bakteriums optimieren: Es handelt sich um Bacillus subtilis, den Heubazillus. Die Bakterien sollen für die Produktion von Proteinen und Enzymen fit gemacht werden, die sowohl von der Lebensmittel- als auch von der pharmazeutischen Industrie geschätzt werden.

Die Forscher im Cluster Biokatalyse 2021, einem von vier Netzwerken der BMBF-Förderinitiative BioIndustrie 2021, beschäftigen sich mit Projekten der industriellen Biotechnologie. Dazu gehört auch das Projekt mit der Nummer P27 mit dem Titel: „Neue Bacillus Expressionssysteme“. Das BMBF fördert das Vorhaben mit insgesamt 760.000 Euro über die Dauer von drei Jahren.

Eigentlich wollte Arno Cordes Brauereitechnologie studieren. Doch das Studium war ihm zu fad und so entschied sich der Niedersachse für die Biotechnologie. Im Nebenfach "Brauerei und Brennerei" destillierte der Praktikant zunächst aus den angefallenen Restbieren "eine Art Whisky" für die Labormitarbeiter an der TU Berlin. In der Herstellung von Enzymen fand der Biotechnologe vor vielen Jahre dann seine Nische. Seit fast 24 Jahren ist Arno Cordes nun Chef des Enzymherstellers ASA Spezialenzyme. Seine Firma produziert Enzyme und Bakterienmischkulturen für die Industrie, die unter anderem in biologischen Reinigern für Gewässer zum Einsatz kommen.

"So ein echter Selbstläufer, eine Art Cashcow, das fehlt uns noch“, räumt Arno Cordes ein. Gleichwohl kann der heute 59-jährige Vater von drei Töchtern und Chef  des Enzymherstellers ASA Spezialenzyme auf eine bemerkenswerte Firmengeschichte zurückblicken. Denn die Biotech-Konkurrenz in Deutschland hat er im Durchschnitt locker mehrfach überlebt. Klar, mit 16 Mitarbeitern und Jahresumsätzen von etwa einer Million Euro ist die Firma kein Schwergewicht. Doch Cordes hat sich mit der Herstellung von Enzymen und Bakterienkulturen erfolgreich seine Nische geschaffen.

Von Entrostungsgel bis Gewässerreiniger

Angefangen hat alles in der Waschküche seines Hauses: "Es geht nicht klischeehafter, es war aber so", gibt er schmunzelnd zu Protokoll. Bei der Gründung 1991 kann er preiswert auf die Ausstattung seines Ex-Brötchengebers, die Braunschweiger Biotechnologie GmbH, zurückgreifen. Der Enzymexperte musste nach einem Verkauf an eine Schweizer Immobiliengruppe schließen. Deren Urteil: nicht innovativ genug. Cordes war zuletzt Geschäftsführer und musste den 30 Mitarbeitern kündigen. Als die Nachfrage nach den Enzymen in den folgenden Monaten aber nicht abebbte, entschloss er sich, auf eigene Faust weiterzumachen. "Auch die Bakterien- und Pilzstämme konnte ich einfach so mitnehmen", erinnert sich der Niedersachse.

Biologisches Entrostungsgel ist in der Oldtimer-Szene gefragt

1993 stellte er die ersten beiden Mitarbeiter ein. Zu den eigenentwickelten Enzymprodukten gehört zum Beispiel ein biologisches Entrostungsgel, welches vor allem in der Oldtimer-Szene gefragt ist. Neben der Enzymherstellung etablierte sich bald ein neuer Geschäftszweig: die Herstellung von Bakterienmischkulturen. "Als sich die Umsätze ab 1995 eine Zeit lang jährlich verdoppelten, wusste ich, dass es mit der Firma auch längerfristig klappen könnte", so der 59-Jährige. "In Deutschland gibt es neben uns meines Wissens nur noch eine Firma, die Bakterienkulturen in großen Mengen kommerziell herstellt", so Cordes.

Biologischer Reiniger für Gewässer

Das wichtigste Produkt gibt es in vielen Baumärkten zu kaufen: ein biologischer Reiniger für Gewässer. Unter der Marke des Aquarien-Spezialisten Dennerle geht die Bakterienkultur an den Endkunden, mit interessierten Kommunen spricht ASA Spezialenzyme direkt. Die in den Produkten enthaltenen Bakterien reduzieren Ammonium, Ammoniak, Nitrit und Nitrat im Gewässer und haben so bereits in etlichen deutschen Badeseen für eine gute Wasserqualität gesorgt. Die Methode gilt als deutlich schonender für das Ökosystem als das Ausbaggern des Sees, hält aber dafür nicht so lange vor.

Wer mag sich da noch gerne das Gesicht eincremen? Konservierungsstoffe in Kosmetikprodukten wie Formalin oder Parabene verlängern zwar die Haltbarkeit der Creme und verhindern das Wachstum von unerwünschten Bakterien und Pilzen, doch leider rufen sie häufig Allergien und Unverträglichkeiten hervor und wirken im schlimmsten Fall sogar krebserregend. Eine Alternative zu chemisch synthetisierten Konservierungsmitteln könnte die natürlich vorkommende Zimtsäure sein. Im Rahmen des Projekts Biokatalyse2021 P23 wurde die industrielle Umsetzung der Aminosäure L-Phenylalanin zur trans-Zimtsäure über den Zeitraum von drei Jahren gefördert. Die Ergebnisse können sich sehen lassen.

Die E-nema Gesellschaft für Biotechnologie und biologischen Pflanzenschutz produziert die Zimtsäure in der Zwischenzeit in industriellem Maßstab mit einer Reinheit von 95% bis 100%. „Wir verkaufen das Produkt an einen Großhändler, der es wiederum an verschiedene Kosmetikfirmen abgibt“, erzählt Arne Peters, promovierter Biologe und Mitbegründer der E-nema. Bis die Firma im schönen Schwentinental in Schleswig-Holstein so weit war, floss viel Forschungsarbeit in die Optimierung der Produktion.

Dagmar Köhler-Repp war Mitte 20, als sie den Sprung in die Selbständigkeit gewagt hat. Gleich nach ihrem Studium gründete die frischgebackene Diplom-Biologin die Tierimpfstoff-Firma Ripac-Labor. Was 2001 als Ein-Mann-Betrieb im Keller der elterlichen Wohnung in Berlin begann, ist heute ein High-Tech-Unternehmen mit Sitz im Wissenschaftspark Potsdam-Golm. 2014 wurde die erfolgreiche Geschäftsfrau und zweifache Mutter als Brandenburgs Unternehmerin des Jahres ausgezeichnet.

Wenn die Eltern, der Mann und die Studienfreunde eingespannt sind, dann kann mit Fug und Recht von einer echten Familienfirma gesprochen werden. Initiiert und dirigiert wird das Ensemble von Dagmar Köhler-Repp, die 2001 die Tierimpfstoff-Firma Ripac-Labor GmbH gegründet hatte – im Keller des Elternhauses und mit ihr selbst als einziger Angestellten. Ganz allein war sie allerdings doch nicht, wie sie selbst zugibt: „Ich wurde von meiner Familie extrem unterstützt.“ Köhler-Repps Vater ist Tierarzt im Ruhestand und schaut auch heute noch regelmäßig in der Firma nach dem Rechten. „Auch der Firmenname geht auf eine Beratung mit meinen Eltern und meinem Bruder zurück“, erinnert sich die 39-Jährige. In dem Akronym sind die Erreger wichtiger Infektionskrankheiten bei Nutztieren versteckt. So steht zum Beispiel „Ri“ für Riemerella-Bakterien, die bei infizierten Enten zu zentralnervösen Störungen und damit Lahmheit und Apathie sowie zu ernsten Lungenproblemen führen.

Die Tiergesundheit im Blick

Ripac stellt nach der Diagnose der Art und des Serotyps des Erregers sogenannte bestandsspezifische Impfstoffe her, mit denen zum Beispiel die Tiere einer Entenherde behandelt werden. Der Effekt: Sind die Eltern geimpft, weisen die Jungtiere schützende Antikörper auf und bleiben gesund. Die Infektionswelle ebbt ab. „Mein Vater hatte damals eine Lücke bei der Versorgung der Tierwirte mit derartigen Impfstoffen ausgemacht“, so Köhler-Repp. „Da mich die Selbständigkeit schon immer gereizt hat, habe ich direkt nach meinem Studium diese Nische besetzt.“ Und das ziemlich erfolgreich: Das ehemalige Ein-Frau-Unternehmen beschäftigt heute 22 Angestellte. Neben dem Schutz für Enten und andere Wasservögel entwickelt Ripac Impfstoffe für Hühner, Schweine, Kaninchen und Rinder. Besonders spannend wird es für das Team, wenn ein Tierarzt aus einem Zoo anruft. So wurden zum Beispiel schon Vakzine für Okapis, Robben und Totenkopfäffchen nachgefragt.

Dagmar Köhler-Repp was in her mid-twenties when she took the brave step into self-employment. Immediately after completing her studies, the graduate founded the veterinary vaccine company Ripac-Labor. What began as a one-person operation in the basement of her parents' apartment in Berlin in 2001 is now a high-tech company based in Science Park Potsdam-Golm. In 2014, the successful businesswoman and mother of two was named Brandenburg Entrepreneur of the Year.

If the parents as well as husband and friends from student days are included in the picture, then it is no exaggeration to call Ripac-Labor a family company. The ensemble is conducted by Dagmar Köhler-Repp, who founded the veterinary vaccine company Ripac-Labor in 2001 from the basement of the family home, with herself as the sole employee. However, as she herself admits, she was not entirely on her own: “I had fantastic support from my family.” Köhler-Repp’s father is a retired veterinarian, and still today is actively involved in the company. “Even the company name goes back to a conversation with my parents and brother,” recalls the 39-year-old. The acronym derives from the names of pathogens for significant infectious diseases in farm animals. ‘Ri’, for example, stands for Riemerella bacteria, which is associated with central nervous system disturbances in ducks, and which leads to lameness and listlessness, as well as serious lung problems.

Veterinary health in her sights

Following a diagnosis, and depending on the type and serotype of the virus, Ripac can provide so-called autogenous vaccines. The effect: If the parents are vaccinated, the offspring will carry protective antibodies and remain healthy. The wave of infection then recedes. “Back then, my father spotted a gap in how animal farmers were supplied with such vaccines,” says Köhler-Repp. “As I had always been interested in working independently, I immediately concentrated on this niche after my studies were finished.” And with no small amount of success: The former one-woman company now has 22 employees. Alongside protection for ducks and other waterfowl, Ripac also develops vaccines for chickens, pigs, rabbits and cattle. The team is always particularly pleased to get a call from a zoo. Among others, they have assisted with vaccines for okapi, seals and squirrel monkeys.

Im Julius Kühn-Institut (JKI) in Groß-Lünewitz spielt in den kommenden drei Jahren der Roggen eine große Rolle. Im Forschungsprojekt RYE-SELECT untersuchen Molekularbiologen das Erbgut der bedeutenden Getreidesorte, um gezielter als bisher Sorten mit besseren Eigenschaften züchten zu können. Der Startschuss für das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Förderinitiative "Pflanzenbiotechnologie der Zukunft“ mit knapp zwei Millionen Euro geförderte Verbundvorhaben fiel im Oktober. An dem Verbundprojekt sind neben JKI-Wissenschaftlern auch Forscher aus München, Hohenheim und Gatersleben beteiligt.
Roggen ist außerordentlich vielseitig. Als Brotgetreide hat die Getreidesorte einen hohen ernährungsphysiologischen Wert. Die Bedeutung des Roggens als Futtergetreide und als erneuerbarer Energieträger, der Biomasse-Fruchtfolgen ergänzen und auflockern kann, wächst. Roggen ist weit verbreitet, was seiner Ertragsstärke, aber auch seiner Anspruchslosigkeit und Widerstandsfähigkeit zuzuschreiben ist. Als Wintergetreide legt er im Frühjahr das schnellste Pflanzenwachstum vor und liefert sichere Erträge auch auf leichten Sandböden, auf denen andere Kulturarten nicht mehr gedeihen.

Die Wildtier-Tuberkulose ist eine schleichende Krankheit: Von der Ansteckung bis zum Ausbruch vergehen oft Monate oder Jahre. Genügend Zeit, in der die Krankheit vom Wild- auf ein Nutztier überspringen kann. Wegen der zunehmenden Beliebtheit von Rohmilchprodukten könnte die Tierkrankheit dann – zum Beispiel über infizierte Kühe –auch für den Menschen zur Gefahr werden. Im Rahmen des europäischen Netzwerks EMIDA hatten Forscher aus Deutschland, Österreich, Italien und der Schweiz das Auftreten von Tuberkulose bei Rotwild in den gefährdeten alpinen Regionen untersucht. Ziel von "TB Alpine Wildlife": Eine länderübergreifende Gesundheits- und Kontrollstrategie entwickeln sowie die zur Verfügung stehenden diagnostischen Methoden verbessern.

Rinder und Wildtiere können an Tuberkulose (Tb) erkranken, wenn sie sich mit dem Erreger Mycobacterium bovis oder Mycobacterium caprae infizieren. Durch den Kontakt mit erkrankten Tieren oder den Verzehr von kontaminierten Lebensmitteln sind auch Ansteckungen von Menschen möglich. „Speziell in alpinen Regionen werden Rohmilchprodukte wieder als Premiumartikel beworben. Dadurch steigt die Gefahr der Übertragung auf den Menschen", berichtet Mathias Büttner, Chef-Virologe des Bayerischen Landesamts für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit und einer der deutschen Partner im Forschungsverbund "TB Alpine Wildlife".

Ein Hotspot des Berliner Start-up-Booms, die Factory, war in diesem Jahr Schauplatz der sechsten „Innovationsakademie Biotechnologie“. Der exklusive Workshop – eine Initiative des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) – fand vom 19. bis 20. November im Rahmen der „Gründerwoche Deutschland“ statt. 50 findige Gründungswillige, Wirtschaftsexperten und Designer waren dabei, um in bunt gemischten Teams neue Ideen für biotechnologische Produkte oder Dienstleistungen zu suchen. Getreu dem diesjährigen Motto „Visionären Geschäftsideen Gestalt geben“ ging es darum, nicht nur abstrakte Geistesblitze, sondern möglichst etwas Greifbares zu präsentieren. Eine Nanopartikel-Therapie gegen Krebs, ein Hightech-Zahnimplantat sowie ein Online-Archiv für Ethnomedizin – am Ende konnten drei Teams besonders überzeugen. Sie erhalten 50.000 Euro, um ihre Ideen weiter auszuarbeiten.

Die „Factory“ bezeichnet sich selbst als Deutschlands größter Start-up-Campus, jede Menge junger IT-Firmen als auch erfolgreiche Größen wie Twitter oder Soundcloud haben sich in dem modernen Gebäudekomplex direkt neben der Mauer-Gedenkstätte Bernauer Straße angesiedelt. Der langgezogene Veranstaltungsraum im Keller der Factory, gesäumt von unverputztem Mauerwerk und schwarzen Stahlträgern, bot das geeignete Umfeld für zwei Tage intensive Werkstattatmosphäre.

Ob Kokain, Heroin oder Amphetamine: Drogen sind eine Gefahr. Nicht nur für diejenigen, die sie konsumieren und dabei gesundheitliche Folgeschäden oder Abhängigkeit riskieren. Gefährdet ist oft auch das Umfeld, zum Beispiel im Straßenverkehr. Seit mehreren Jahren schon steht der deutschen Polizei ein biotechnologischer Schnelltest zur Verfügung, mit dem insgesamt zehn verschiedene Rauschmittel nachgewiesen werden können. Statt einer aufwändigen Blutuntersuchung ist hier nur noch ein Speichelabstrich notwendig. Der Test ist nun im Rahmen einer Förderung durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) weiterentwickelt worden. Jetzt ist es auch möglich, die Konzentration der untersuchten Rauschmittel im Körper zu bestimmen.

"Denken Sie an einen Lackmustest", sagt Michael Matallana. Der Geschäftsführer der Matest Systemtechnik GmbH will es nicht zu kompliziert machen. "Auch bei unserem System gibt es einen Papierstreifen, der mit der zu untersuchenden Probe bestrichen wird."

Vor mehreren Jahren hat das Diagnostik-Unternehmen aus Baden-Württemberg einen Speichel-Schnelltest zum Drogennachweis entwickelt, der die Arbeit der Polizei inzwischen  deutlich erleichtert. Statt Blutuntersuchungen geht es nun ganz einfach: Wie bei dem bekannten Verfahren zur Bestimmung des pH-Werts wird das Ergebnis durch eine Verfärbung des Streifens angezeigt.

Konzentration von zehn Rauschmitteln erfasst

Nun hat Matest diesen Ansatz noch weiter ausgebaut, um auch die Konzentration von insgesamt zehn verschiedenen Rauschmitteln im Speichel eines Menschen möglichst einfach und schnell messen zu können. "Das kann nicht jeder. Unser Test ist in dieser Form weltweit einzigartig", so Matallana. Der Streifen mit der Probe wird in ein handliches Gerät geschoben. Schon nach zehn Minuten lassen sich an  dem angeschlossenen Computer die Messwerte ablesen. Die Analyse einer Blutprobe im Labor kann hingegen Tage dauern.

In dem von Matest entwickelten Gerät ist ein optischer Sensor eingebaut. Diese registriert alles, was auf dem Streifen geschieht. Ist in der Speichelprobe eine der zehn zu untersuchenden Drogen enthalten, dann beginnt er sich zu verfärben. Aus der Art, der Geschwindigkeit und der Stärke der Verfärbung erkennt dann eine Software im Computer nicht nur, um welches Rauschmittel es sich handelt, sondern errechnet auch noch die Konzentration.

Enzyme sind Biokatalysatoren, die dafür sorgen, dass Lebensmittel besser verdaulich sind oder die Wäsche sauberer wird. Um die gewünschte spezifische biochemische Wirkung zu entfalten, müssen Proteine jedoch in reiner und konzentrierter Form vorliegen. In der industriellen Enzymherstellung ist die „Aufreinigung“, der sogenannte Downstream-Prozess, ein oftmals extrem aufwendiger und teurer Schritt. Im Rahmen des Projektes „Technologieplattform Innovative Downstream-Prozesse“ haben Forscher der Technischen Universität Dortmund nun zwei bisher kaum genutzte Verfahren zur Aufreinigung biotechnologisch hergestellter Produkte, unter anderem auch Enzyme, untersucht und für die industrielle Nutzung weiterentwickelt. Im Fokus der fünfjährigen Forschungsarbeit standen die Methoden der Zerschäumung und der Begasungskristallisation. Das Vorhaben wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit insgesamt drei Millionen Euro gefördert.

Mindestens 50 verschiedene Aufreinigungsverfahren gibt es, um beispielsweise Enzyme in Reinstform für die Arzneimittelherstellung zu gewinnen. Doch auch hier gilt: Wer die Wahl hat, hat die Qual. Diverse Laborversuche sind erforderlich, um für das jeweilige gewünschte Enzym die richtige Aufreinigungsmethode zu finden, denn die industrielle Aufarbeitung nimmt nicht nur viel Zeit in Anspruch. Bis zu 80 Prozent der Herstellungskosten gehen auf dieses Konto. Damit sind Downstream-Prozesse ein entscheidender Faktor für die Wirtschaftlichkeit eines biotechnologischen Herstellungsprozesses. Ein Fakt, der bisher oft vernachlässigt wurde. In dem vom BMBF geförderten Projekt „Technologieplattform Innovative Downstream-Prozesse“ haben Wissenschaftler der Technischen Universität Dortmund daher nach effektiven und betriebsökonomisch günstigen Verfahren der Aufreinigung geforscht. Aus der Vielzahl der vorhandenen Methoden nahmen sie zwei bisher eher wenig genutzte Technologien unter die Lupe und entwickelten diese weiter.

Enzyme aus Schaumbläschen fischen

Im Zentrum der fünfjährigen Forschungsarbeit, die unter dem Dach des Technologie-Clusters "CLIB2021" durchgeführt wurde, standen die Zerschäumung und die Begasungskristallisation. Die Zerschäumung ist ein Verfahren, das bei der Säuberung großer Fischteiche bereits verwendet wird. Hier nutzt man einen Apparat, in den Luftblasen eingebracht werden, um das Wasser des Teichs zum Schäumen zu bringen. Der oben schwimmende graue Schaumteppich wird einfach abgeschöpft. Denn in den Bläschen sammelt sich der Unrat. Diese Methode haben die Dortmunder Forscher nun in umgekehrter Weise für die Enzymaufreinigung genutzt. „Wir haben Schaum benutzt, um mit sehr wenig Energie diese Proteine schonend abzutrennen“, erklärt Projektleiter Gerhard Schembecker. Dafür erzeugten sie Blasen, an deren Oberflächen Proteine andockten. Ähnlich wie in einer Badewanne brauchten die Forscher dann nur noch den Schaum abzuschöpfen, um an das gewünschte Proteinprodukt zu gelangen. „Da wir den Schaum mit Unterdruck zerstören, platzen die Blasen und übrig bleiben etwas Flüssigkeit und die konzentrierten Enzyme“, so der Experte.

Die Methode scheint simpel. Doch bis dahin war es ein langer Weg. Zunächst musste das Dortmunder Team Grundlagenforschung betreiben und die physikalisch-chemischen Hintergründe des Zerschäumungsprozesses verstehen. „Man hat bisher nicht verstanden, wie das Andockverhalten an die Blasenoberfläche mit den Stoffeigenschaften der Enzyme zusammenhängt. Denn die Zerschäumung klappt nicht bei allen Proteinen“, sagt Schembecker. Mithilfe eines Hightech-Messgeräts nahmen sie buchstäblich jedes einzelne Molekül unter die Lupe und beobachteten, wie sie sich an den Phasengrenzflächen verhalten.

Polyamide sind Kunststoffe für die anspruchsvollen Aufgaben: Sie werden im Auto verbaut, stecken in Hightech-Textilien, ummanteln Elektrokabel oder Katheter. Bei der Herstellung der Polyamide werden chemische Einzelbausteine zu einer Polymerkette verknüpft. Die sogenannten Monomere basieren in der Regel auf Erdöl. Der Spezialchemiekonzern Evonik entwickelt nun ein Verfahren, um die Polymer-Bausteine aus dem nachwachsenden Rohstoff Palmkernöl zu gewinnen. Dazu hat Evonik zusammen mit Biotechnologen an Universitäten in Deutschland und Österreich den Stoffwechsel von Bakterien gezielt umgestaltet, sodass sie fortan den Synthesebaustein Aminolaurinsäure herstellen können. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat das Projekt namens „BISON“ mit 1,5 Millionen Euro im Rahmen der Förderinitiative BioIndustrie 2021 unterstützt.

Als zähe und langlebige Kunststoffe können langkettige Polyamide extreme Temperaturen von minus 50 bis plus 120 Grad problemlos überstehen. Deshalb sind sie überall da gefragt, wo es technisch anspruchsvoll wird: Bei Kraftstoff- und Bremsleitungen im Auto, bei Ölpipelines am Meeresgrund, bei Sporttextilien oder bei Kathetern in der Medizintechnik. Polyamide sind wie alle anderen Kunststoffe klassische Produkte der Erdölchemie. Sie gehören seit Jahrzehnten zur Produktpalette von Evonik. Aufbauend auf diesem Know-how setzte der Spezialchemiekonzern in dem Verbundprojekt „BISON“ auf Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen. „In diesem Projekt ging es darum, alternative Produktionswege zur Erdölchemie zu untersuchen“, sagt Christoph Schorsch, Projektleiter bei der Evonik Creavis GmbH – der strategischen Innovationseinheit der Evonik Industries AG in Marl.

Schon die indigenen Völker Nordamerikas schätzten Asimina triloba wegen ihrer nahrhaften Früchte. Neben der hocharomatischen Frucht ist der Baum winterhart und gegenüber Schädlingen unempfindlich. Das Obstgehölz, das auch als „Indianerbanane“ bekannt ist, ist in Europa und Deutschland noch selten zu finden. Der Grund: Die Pflanze lässt sich schwer vermehren. Die Bock Bio Science GmbH forscht seit 2012 an Möglichkeiten, die „Indianerbanane“ für den Einsatz in hiesigen Obstplantagen zu vermehren. Ziel der Bremer Biologen ist die biotechnische Massenvermehrung der Gewächse im Labor. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt das Vorhaben im Rahmen der Förderinitiative KMU-innovativ mit 380.000 Euro.

Ihre Form erinnert eher an eine Avocado. Und auch geschmacklich ist die „Indianerbanane“ nicht vorrangig mit der herkömmlichen Banane vergleichbar. Die süße und hocharomatische Frucht ist vom Geschmack her vielmehr eine Mischung aus Ananas, Mango, Melone und Vanille. In Europa und Deutschland ist der Obstbaum zwar noch wenig bekannt, findet aber zunehmend Liebhaber. „Das Interesse ist sehr groß. Es gibt immer wieder Nachfragen“, berichtet Projektleiterin Maria Blondeau von dem in Bremen gelegenen Familienunternehmen Bock Bio Science. Die Früchte von Asimina tribola haben einen hohen Nährstoffgehalt und gelten als sehr gesund. Sie stecken voller Vitamine und Spurenelemente und können daher Herzkreislauferkrankungen vorbeugen. Aus den Früchten entstehen Marmeladen, Eiscreme, Säfte und Liköre. Asimina wird von Experten sogar zum Weinanbau empfohlen. Pflanzenbiologen aus den USA und Deutschland bescheinigen dem aus Nordamerika stammenden Gehölz mit seinen Früchten seit langem ein hohes Marktpotenzial. Der Grund: der Baum hält selbst eisigen Temperaturen bis minus 26 Grad stand und ist auch gegenüber Schädlingen unempfindlich. Das macht den Baum auch für den ökologischen Anbau interessant. Doch bevor Asimina den Markt erobern kann, muss ein geeignetes und kostengünstiges Pflanzmaterial entwickelt werden.

Massenvermehrung durch Gewebekultur

Bock Bio Science ist auf die biotechnische Produktion von genetisch identischen Ablegern von Nutzpflanzen, sogenannten Klonen, spezialisiert. Damit lassen sich Sorten stabil und in großen Mengen vermehren. Bei Orchideen oder Erdbeeren ist die In-vitro-Vermehrung im Labor bereits Routine. In den Laboren des Unternehmens wird nun seit drei Jahren auch an Möglichkeiten geforscht, Asimina triloba für einen flächendeckenden Anbau in Obstbaubetrieben zu etablieren. Die Indianerbanane ist nicht nur robust, sondern trägt äußerst nahrhafte Früchte. Trotz vieler Züchtungsanstrengungen: die Ausbeute ist bisher gering. Ein zentrales Problem für Obstbauern ist die Vermehrung: Ableger erwiesen sich als schwierig. Und die aus Samen gezogenen Nachkommen der Gewächse bleiben hinsichtlich Ertrag, Geschmack und Größe sowie in dem Verhältnis von Fruchtfleisch zu Kernen zurück.

Und so ist die Indianerbanane sowohl in den USA als auch in Europa noch immer ein kostspieliges Liebhaberstück. Eine Jungpflanze ist mit 50 Euro für eine industrielle Verwertung noch zu teuer. „Die große Schwierigkeit ist die Bewurzelung der Pflanzen. Bei Asimina bewurzeln Stecklinge überhaupt nicht. Die einzige Art sie zu vermehren, ist bisher die Veredelung auf Sämlingsunterlagen“. Gemeinsam mit vier Kollegen arbeitet Blondeau seit drei Jahren an der Lösung des Problems. Im Rahmen der Förderinitiative KMU-innovativ fördert das BMBF das Forschungsprojekt mit rund 380.000 Euro. Das Team von Bock Bio Science tüftelt dabei an einem Verfahren für die In-vitro-Vermehrung der Indianerbanane im Labor. Ziel ist es herauszufinden, unter welchen Licht- und Temperaturbedingungen die Pflanzenklone am Besten gedeihen und welche Mineralien und Pflanzenhormone das Wurzelwachstum befördern.

The Asimina triloba plant, also known as the pawpaw, is native to North America and was valued by North America’s indigenous people for centuries. In addition to its highly aromatic fruit, the tree is hardy and resistant to pests. The fruit trees are rare in Europe and Germany because the tree does not propagate well. The company Bock Bio Science GmbH has been researching on ways to increase the pawpaw population in local orchards since 2012. The goal of the biologists from Bremen is the biotechnical mass propagation of plants in the laboratory. The Federal Ministry of Education and Research (BMBF) is supporting the project as part of the funding initiative SMEs Innovative with 380,000 euros.

The pawpaw is shaped like an avocado and with soft yellow flesh with a creamy, custard-like consistency. The sweet and highly aromatic fruit has a banana-like flavour with hints of papaya, pear, mango, and pineapple. The fruit tree may not be well known in Europe and Germany, but it is growing in popularity. “Interest is very large. There are always demands,” reports project leader Maria Blondeau from the Bremen-based family company Bock Bio Science. The fruits from Asimina triloba are rich in nutrients and considered extremely healthy. Pawpaws are packed with vitamins and trace elements and can help to prevent cardiovascular diseases. They also contain a higher amount of protein than the banana, apple or orange. It also has higher concentrations of most minerals and essential amino acids. The fruits are used to make jams, ice cream, juices and liquor. Asimina is even recommended by experts for vineyards. Plant biologists from the US and Germany have attested for some time now that the native American tree has a lot of market potential. The reason: the tree can withstand even icy temperatures as low as minus 26 degrees and is resistant to insects. This makes the tree interesting for organic farming. But before Asimina can conquer the market, a suitable and cost-effective planting material needs to be developed.

Mass propagation using tissue culture

Bock Bio Science is specialised in the biotechnological production of genetically identical cuttings of crops, called cloning. This allows species to propagate steadily and in large amounts. In vitro propagation in the laboratory is already routine in orchids and strawberries. Scientists at the company’s laboratories have been researching how to establish an extensive cultivation of Asimina triloba in fruit farms now for three years. The pawpaw is not only robust, it also bears extremely nutritious fruits. Despite many efforts at propagation, the yield has been poor. A central problem for fruit growers is the propagation of the plant: shoots proved difficult to generate. And the offspring from the seeds of the fruits lack in yield, taste and size as well as the ratio of flesh to seeds when compared to the indigenous trees in the US.

For these reasons the pawpaw is still an expensive luxury in Europe. A young plant is still too expensive at 50 euros for industrial utilisation. “The great difficulty is the rooting of plants. Asimina cuttings don’t take root at all. The only way to propagate them so far is by grafting them on rootstocks,” explains Blondeau. Together with colleagues, she has been working for three years on solving this problem. Within the funding initiative SME Innovative, the BMBF is funding the research project with around 380,000 euros. The team from Bock Bio Science have been working on developing a new procedure for the in vitro propagation of the pawpaw in the laboratory. Their goal is to find out under which light and temperature conditions the plant clones best thrive and which minerals and plant hormones advance root growth. 

A “magic potion” transforms tissue into trees

During the project, researchers resorted to using cultivated varieties of young Asimina plants with which they experimented using the tissues of different types of fruits and seedlings. However, own-rooted plants from Asimina are not so easy to produce biotechnologically and it is also a lengthy process. “The plant tissue has to be sterile and at the same time it has to be viable,” says Blondeau. The Bremen researchers have overcome these hurdles. “The fact that they grow up absolutely sterile, it also means they are disease-free,” reports Blondeau. With a self-created “magic potion” – a mix of different growth promoters – they have managed to transform the extracted tissue into seedlings which propagate exponentially fast. Whole trees can develop from these microshoots. "We have also carried out experiments with the spectral composition of light, because it is known that some trees take root better if they can absorb infrared light.”

The exact recipe for the propagation and rooting of Asimina remains, however, is the Bock Bio Science researchers' secret. Meanwhile up to 70,000 microshoots are growing on ten-metre high shelves in the company’s tissue culture laboratories. In autumn last year, more than 30 percent of the microshoots were lost due a fungal infestation caused by a technical defect in the laboratory. Despite the setback, Maria Blondeau and her team are confident of being able to present an optimal propagation method soon. But it will take some time before Asimina is available as a standard product for a reasonable price at garden centres and tree nurseries. Nevertheless, the researchers are convinced: if their work is successful, the pawpaw could become a triumph in Germany just like when the kiwi was brought over to New Zealand from China in the early 20th century.

Author: Beatrix Boldt