Aktuelle Veranstaltungen

Mit der Internationalen Grüne Woche rücken zu Jahresbeginn Themen aus Ernährung und Landwirtschaft in den Fokus von Politik und Öffentlichkeit. „In diesem Jahr sind die Themen Nachhaltigkeit und Klimaschutz der grüne Faden für unsere Veranstaltung. Ob veganer Fleischersatz, faire Lieferketten, Kreislaufwirtschaft oder Klimaschutz – die IGW bietet vielen Themen eine Bühne“, so Dirk Hoffmann, Geschäftsführer der Messe Berlin, in seiner Eröffnungsrede. Nach zwei Jahren pandemiebedingter Pause sind die Berliner Messehallen unter dem Funkturm wieder für Gäste geöffnet. 1.400 Aussteller aus 60 Ländern präsentieren hier noch bis zum 29. Januar neben kulinarischen Köstlichkeiten aus aller Welt, Innovationen aus der Ernährungs- und Agrarwirtschaft.

Bioökonomie im Fokus der neuen Themenwelt "grünerleben"

Ein Hotspot für Produkte der biobasierten Wirtschaft ist die Themenwelt „grünerleben“ in Halle 27, die in diesem Jahr Premiere feiert. Mehr als 60 Aussteller zeigen hier, wie vielfältig nachhaltiges Leben sein kann. Neben einem Re-Use-Store und einem Repaircafe präsentiert die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR), wie die Bioökonomie schon heute den Alltag bestimmt. Das Portfolio biobasierter Produkte reicht von T-Shirts und Kissenhüllen aus Holzfasern über Seifendosen aus Flüssigholz bis hin zu Schwammtüchern aus Cellulosefasern und Rucksäcken aus Papier.

Pflanzen brauchen Stickstoff zum Wachsen. Die konventionelle Landwirtschaft setzt daher meist auf Kunstdünger, die Ökosystem und Umwelt belasten können. Im Ökolandbau sind synthetische Dünger verboten. Eine aktuelle Studie des IGZ zeigt, dass Düngemittel aus menschlichem Urin beim Gemüseanbau ebenso gute Ergebnisse bringen wie etablierte Dünger für den biologischen Landbau.

Das Forschungsteam setzte den Recyclingdünger aus menschlichem Urin und Kot beim Anbau von Weißkohl in drei verschiedene Böden ein, die sich vor allem im Lehmanteil unterschieden. Laut Studienautoren führte die kombinierte Anwendung von nitrifiziertem Urindünger und Fäkalienkompost zwar zu leicht geringeren Ernteerträgen, kann aber langfristig den Kohlenstoffgehalt des Bodens erhöhen und so eine klimaresistente Nahrungsmittelproduktion fördern. Entscheidend war, dass die essbaren Teile der Weißkohlpflanze weder Krankheitserreger noch medizinische Wirkstoffe in nennenswerter Konzentration enthielten.

Die Forschenden sind überzeugt, dass mit Nitrat angereicherte Urindünger ein enormes Potenzial als Dünger in der Landwirtschaft haben. Wie das Team im Fachjournal Frontiers in Environmental Science berichtet, könnten so bis zu 25% der herkömmlichen synthetischen Mineraldünger in Deutschland durch Recyclingdünger aus menschlichem Urin und Kot ersetzt werden. Dafür müsste allerdings die Düngemittelverordnung, die menschliche Fäkalien und Urin als Ausgangsstoffe für Dünger in Deutschland verbietet, geändert werden.

Plants need nitrogen to grow. Conventional agriculture therefore mostly relies on artificial fertilizers, which can pollute the ecosystem and the environment. In organic farming, synthetic fertilizers are prohibited. A recent study by the IGZ shows that fertilizers made from human urine produce just as good results in vegetable cultivation as established fertilizers for organic farming.

The research team applied the recycled fertilizer made from human urine and feces to three different soils when growing white cabbage, which differed primarily in their clay content. According to study authors, the combined application of nitrified urine fertilizer and fecal compost resulted in slightly lower crop yields, but may increase soil carbon content in the long term, promoting climate-resilient food production. The decisive factor was that the edible parts of the white cabbage plant contained neither pathogens nor medicinal agents in any appreciable concentration.

The researchers are convinced that urine fertilizers enriched with nitrate have enormous potential as fertilizers in agriculture. As the team reports in the journal Frontiers in Environmental Science, up to 25% of conventional synthetic mineral fertilizers in Germany could thus be replaced by recycled fertilizers made from human urine and feces. However, this would require amending the Fertilizer Ordinance, which bans human feces and urine as raw materials for fertilizers in Germany.

Wie kann Landwirtschaft gestaltet werden, um im Jahr 2042 zu einem klimafreundlichen und klimaangepassten Schleswig-Holstein (EKSH) beizutragen? Diese Frage hat die Gesellschaft für Energie und Klimaschutz Schleswig-Holstein anhand eines Szenarios versucht zu beantworten. „Stadt, Land, Food – Agritech mischt Agrarökonomie auf“ entstand gemeinsam mit Verbänden, Forschung, Landwirtschaft und Politik.

Biotechnologische Innovationen und Precision Farming

Was heute an Hochschulen, auf Forschungsbauernhöfen oder im Umfeld von Start-ups existiert, könnte in zwei Jahrzehnten breit angewendet werden. Die Zukunftsvision stützt sich sowohl auf Innovationen aus der Biotechnologie als auch auf technologische Durchbrüche im Bereich Clean Meat, Precision Farming und Vertical Farming.

Agritech-Start-ups und Landwirte als Zukunftsakteure

Neben Agritech-Start-ups werden auch Landwirte als wichtige Akteure identifiziert. Demnach hat sich in 20 Jahren auf dem Acker das Precision Farming etabliert, bei dem Pflanzen nach ihrem individuellen Bedarf versorgt werden und damit Dünger, Pflanzenschutzmittel und Kosten reduziert werden. Wiedervernässte Moore sind als Anbaufläche hinzugekommem. Gemeinsam mit humusbildenden Anbaumethoden wird so das Klimagas CO₂ gebunden, was Landwirten den Zertifikatehandel als weitere Einnahmequelle eröffnet. Klimafreundlich und zugleich wichtige Einnahmequellen sind demnach außerdem Agri-PV-Anlagen, die sowohl Sonnenenergie in Strom umwandeln als auch empfindliche Anbaukulturen vor zu starken Sonnen- und Wettereinflüssen schützen. Auch über den Äckern fliegende Windturbinen erzeugen klimafreundlichen Strom.

Vertical Farming und Clean Meat

Mit dem Vertical Farming rückt außerdem ein Teil der landwirtschaftlichen Produktion in die Städte. Die Indoor-Systeme sparen Fläche, Wasser, Nährstoffe und Transportwege ein, benötigen jedoch etwas mehr (Öko-)Strom. Praktisch verschwunden ist dem Szenario zufolge die konventionelle Nutztierhaltung, sie dient dann fast nur noch touristischen Zwecken. Denn Fleisch wird als Clean Meat in Bioreaktoren hergestellt, was ethisch vertretbar ist, massiv Ressourcen einspart und bis dahin auch wirtschaftlich attraktiv sein wird. Die freigewordenen Flächen der Landwirtschaft sind teilweise renaturiert oder begehrte Ausflugsziele für Touristen.

Die EKSH versteht ihr Szenario nicht als eine Zielvorstellung, sondern möchte damit aktuelle Entwicklungen zugespitzt fortschreiben, um so zu Diskussionen darüber anzuregen. So sollen gesellschaftliche Überlegungen entstehen, wie sich Umweltschutz, Lebensmittelproduktion und Agrarökonomie in Schleswig-Holstein verbinden lassen.

Baumstämme bestehen bis zu 20% aus Rinde. Dieser kostbare Reststoff wird bisher nur zum Teil weitergenutzt. Forschende vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung (MPIKG) haben mithilfe eines neuen Verfahrens die Nutzung von heimischen Baumrinden nun um ein Vielfaches erweitert. Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie konnte das Team beweisen, dass Baumrinden in ihrem nahezu natürlichen Zustand erhalten und ohne Klebstoffe zu Platten verarbeitet werden können. Die leimfreien Rindenplatten könnten künftig herkömmliche Spanplatten im Innenausbau oder im Möbel- und Verpackungsbereich ersetzen.

Natürliche strukturelle Eigenschaften der Baumrinden genutzt

Spanplatten bestehen aus Holzspänen, die mit Klebstoff oder Harzen verleimt zu einer Platte verpresst werden. Sie können daher Giftstoffe wie Formaldehyd enthalten. Außerdem müssen dafür die Rindenstücke erst zerkleinert und aufwendig verarbeitet werden. Das neue Verfahren kommt ohne all das aus. Hier nutzen die Forschenden die natürlichen strukturellen Eigenschaften der Rinden heimischer Baumarten wie Kiefer, Lärche, Birke und Eiche.

Rindenplatten hydraulisch bei Hitze verdichtet

Wie das Team im Fachjournal PLOS ONE berichtet, wurden die Rinden wie gewöhnlich von den Stämmen geschält und getrocknet. Anschließend wurden die Innenseiten jedoch nicht verklebt, sondern mit einer hydraulischen Presse bei 90 Grad Celsius verpresst. „Ein großer Vorteil von ‚reinen‘ Einkomponentenprodukten ist, dass keine Trennung der Komponenten nach ihrer Nutzung erforderlich ist,“ sagt Charlett Wenig, Erstautorin der Studie, und ergänzt: „Selbst wenn die Struktur des Rohstoffs verändert wird, bleiben die Grundbausteine gleich und können daher weiterhin problemlos für die Weiterverarbeitung, z. B. zur Gewinnung von Chemikalien oder Fasern oder als Brennstoff für die Energieerzeugung verwendet werden.“

Eigenschaften vergleichbar mit Spanholzplatten

Tests ergaben, dass die leimfrei verpressten Rindenplatten hinsichtlich Biegemodul und Festigkeit sowie Querzugfestigkeit mit herkömmlichen Spanplatten mithalten können. Die Nutzung von Baumrinden wird mithilfe dieses neuen Verfahrens deutlich erweitert und zeigt einmal mehr, welches Potenzial in dem Reststoff Rinde steckt. Entscheidend ist jedoch, dass die heißverpressten Rindenplatten ohne künstliche und giftige Bindemittel auskommen und daher später ohne hohen Energieaufwand weiterverarbeitet werden können.

Weg zur Herstellung nachhaltiger Holzplatten geebnet

An der Studie beteiligt waren neben dem MPIKG auch Forschende der Hochschule für Nachhaltige Entwicklung Eberswalde und der ETH Zürich. Das Team ist überzeugt, dass die neue Verarbeitungsmethode ein wichtiger „Schritt auf dem Weg zur Herstellung nachhaltiger Platten durch die Verwendung eines natürlichen Abfallmaterials unter Beibehaltung seiner vorteilhaften Struktur und seiner natürlichen chemischen Zusammensetzung“ ist.

Tree trunks consist of up to 20% bark, which until now has only been partially utilized. Researchers at the Max Planck Institute of Colloids and Interfaces (MPIKG) have now significantly expanded the use of native tree bark through a new process. As part of a feasibility study, the team was able to demonstrate that tree bark can be preserved in its natural state and processed into panels without adhesives. The glue-free bark panels could replace conventional chipboard in interior design or in the furniture and packaging sector.

Natural structural properties of tree bark used

Particleboard consists of wood chips glued together with glue or resins to form a board. They can therefore contain toxins such as formaldehyde. Moreover, the pieces of bark must first be chopped and processed in a time-consuming process. The new technique does without all this. Instead, the researchers use the natural structural properties of the bark of native tree species such as pine, larch, birch and oak.

Bark plates hydraulically compacted with heat

As the team reports in the scientific journal PLOS ONE, the barks were peeled from the trunks and dried as usual. However, instead of gluing them together, the insides were then compressed using a hydraulic press at 90 degrees Celsius. "A major advantage of 'pure' single-component products is that there is no need to separate the components after they have been used," says Charlett Wenig, lead author of the study, adding, "Even if the structure of the raw material is changed, the basic building blocks remain the same and can therefore still be easily used for further processing, for example to obtain chemicals or fibers, or as fuel for energy production."

Properties comparable with chipboard

Tests have shown that the bark panels pressed without glue can keep up with conventional particleboard in terms of flexural modulus and strength as well as transverse tensile strength. The use of tree bark is significantly expanded with the help of this new process and once again shows its potential. The decisive factor, however, is that the hot-pressed bark panels do not require artificial and toxic binders and can therefore be further processed without high energy expenditure.

Paving the way for the production of sustainable wood panels

In addition to the MPIKG, researchers from the University for Sustainable Development in Eberswalde and ETH Zurich were also involved in the study. The team is convinced that the new processing method is an important "step on the way to producing sustainable panels using a natural waste material while retaining its advantageous structure and natural chemical composition".

In einer Handvoll Erde leben mehr Mikroorganismen als Menschen auf der Erde. Bakterien, Pilze, Algen und Einzeller machen etwa 70% der Biomasse aus und sind vor allem für die Land- und Forstwirtschaft nützliche Helfer: Sie versorgen Pflanzen mit Nährstoffen, prägen die Bodenstruktur, verbessern die Wasserspeicherung und fördern das Pflanzenwachstum. Darüber hinaus hat die Mikrobengemeinschaft entscheidenden Einfluss auf den Kohlenstoffkreislauf im Boden und damit auf die Bedeutung der Ressource als Kohlenstoffsenke.

Mikrobielle Nekromasse im Fokus

Doch nicht nur lebende, sondern auch tote Mikroorganismen – auch mikrobielle Nekromasse genannt – können den Kohlenstoffgehalt im Boden nachhaltig beeinflussen, wie ein Team um Tessa Camenzind von der Freien Universität Berlin herausgefunden hat. Vor allem die Todesursache der winzigen Lebewesen habe Auswirkungen darauf, wie viel Kohlenstoff im Boden zurückbleibe, berichten die Forschenden im Fachjournal "Nature Geoscience".

Was am Ende übrigbleibt, zählt

„So makaber es klingt, aber das Wissen über die Todesursache der Mikroorganismen und damit einhergehende Prozesse ist essenziell wichtig, um zu verstehen, wie Kohlenstoff im Boden eingelagert wird und wie stabil dieser Vorgang unter unterschiedlichen Bedingungen ist“, so Tessa Camenzind. Über die Hälfte des Kohlenstoffgehalts im Boden wird schätzungsweise durch Überreste von toten Mikroorganismen eingebracht. Im Fokus der Studie stand daher die Frage, auf welche Weise Mikroorganismen im Boden sterben und was am Ende ihres Lebens übrigbleibt.

Der Studie zufolge sind Bodenmikroben zahlreichen Gefahren ausgesetzt: Hungerstod, Dürre, Hitze- und Kälteeinbrüche, der permanente Konkurrenzkampf um verfügbare Ressourcen, aber auch die Abgabe tödlicher Metabolite sowie Fressfeinde und Viren bedrohen ihr Leben. Hinzu kommen die Eingriffe des Menschen in die Natur – etwa durch intensive Landwirtschaft, Monokultur oder Flächenversiegelung, die das natürliche Gleichgewicht im Boden verändert haben.

Todesursache der Mikroben beeinflusst CO₂-Gehalt

„In dieser Studie arbeiten wir besonders heraus, welche chemischen Veränderungen durch diese diversen Prozesse entstehen, um ein besseres Bild über die Zusammensetzung der mikrobiellen Nekromasse zu erhalten“, erklärt Camenzind weiter. Das Team fand heraus, dass es einen erheblichen Unterschied macht, ob ein Bakterium von einem Bodentier wie dem Springschwanz gefressen und verdaut wird, vertrocknet, von einem Virus umprogrammiert oder von einem räuberischen Bakterium ausgesaugt wird.

Pilzhyphen bringen viel Kohlenstoff in den Boden

Einen besonderen Einfluss auf den Kohlenstoffspeicher im Boden haben demnach Pilzhyphen. Dabei handelt es sich um fadenförmige Zellen von Pilzen, die der Nährstoff- und Wasseraufnahme dienen und auch im Wurzelraum vieler Pflanzen mit diesen Symbiosen eingehen, sogenannte Mykorrhizen. „Sie bewegen sich durch die Neubildung von Hyphen durch den Boden, wobei sie permanent tote Hyphen hinter sich zurücklassen und dadurch sehr viel Kohlenstoff in den Boden einzubringen scheinen“, erklärt die Mikrobiologin. Mit ihrer Studie liefern die Forschenden wichtige Erkenntnisse zur Bedeutung der mikrobiellen Nekromasse für den Kohlenstoffkreislauf im Boden – und insbesondere zur Rolle des Ökosystems als CO₂-Speicher im Kampf gegen den Klimawandel.

A handful of soil contains more microorganisms than there are people on earth. Bacteria, fungi, algae and protozoa make up around 70 % of the biomass and are particularly valuable for agriculture and forestry: they supply plants with nutrients, shape soil structure, improve water storage and promote plant growth. In addition, the microbial community has a decisive influence on the carbon cycle in the soil and thus on the importance of the resource as a carbon sink.

Microbial necromass in focus

Not only living but also dead microorganisms - also called microbial necromass - can have a lasting effect on the carbon content in the soil, as a team led by Tessa Camenzind at Freie Universität Berlin has discovered. The cause of death of the microorganisms has an influence on how much carbon remains in the soil, the researchers report in the journal Nature Geoscience.

What remains matters

"As grim as it sounds, knowing the cause of death of microorganisms and the processes involved is important for understanding how carbon is stored in soil and how stable this process is under different conditions," says Tessa Camenzind. It is estimated that more than half of the carbon content in soil is due to the remains of dead microorganisms. The study therefore focused on the question of how microorganisms die in the soil and what remains at the end of their lives.

According to the study, soil microbes are exposed to numerous dangers: Starvation, drought, heat and cold spells, the permanent competition for available resources, but also the release of deadly metabolites as well as predators and viruses threaten their lives. Added to this are human interventions in nature - for example through intensive agriculture, monoculture or land sealing, which have altered the natural balance in the soil.

Cause of death influences CO2 content

"In this study, we are working out what chemical changes result from these different processes to get a better picture of the composition of the microbial necromass," Camenzind added. The team found that it makes a significant difference whether a bacterium is eaten and digested by a soil animal, desiccates, is reprogrammed by a virus or is sucked out by a predatory bacterium.

Fungal hyphae add a lot of carbon to the soil

Fungal hyphae have a special influence on carbon storage in the soil. These are filamentous cells of fungi that serve to absorb nutrients and water and also form symbiotic relationships with many plants in the root zone, known as mycorrhizae. "They move through the soil by forming new hyphae and constantly leaving dead hyphae behind, which seems to add a lot of carbon to the soil," the microbiologist explains. With their study, the researchers provide important insights into the importance of microbial necromass for the carbon cycle in the soil - and above all into the role of the ecosystem as a CO2 store in the fight against climate change.

Ohne Mikroorganismen gäbe es weder Brot, Käse noch Bier und Wein. Die Stoffwechselleistungen von Bakterien, Hefen und Schimmelpilzen sind vor allem mit Blick auf eine nachhaltige Wirtschaftsweise von besonderer Bedeutung. Mit ihrer Hilfe können nachwachsende Rohstoffe in neue Substanzen und maßgeschneiderte Produkte für die Bioökonomie verwandelt werden. Die industrielle Biotechnologie nutzt Mikroorganismen daher seit Jahrzehnten als Produktionsfabriken, um Chemikalien, Medikamente, Impfstoffe oder Treibstoffe herzustellen. Damit die mikrobiellen Zellfabriken die gewünschten Produkte herstellen und effektiv arbeiten, muss ihr Stoffwechsel jedoch oft umfunktioniert werden.

Stoffwechselprozess mikrobieller Produktionsorganismen optimiert

Ein Team um den Systemwissenschaftler Steffen Klamt vom Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme in Magdeburg hat in den vergangenen fünf Jahren eine Strategie zur Optimierung von mikrobiellen Produktionsorganismen etabliert. Dabei ist es ihm gelungen, den Energiestoffwechsel so zu manipulieren, dass die Zellen gezwungen werden, noch mehr des gewünschten Produktes zu synthetisieren. Das Prinzip funktionierte bei verschiedenen Mikroorganismen und führte teilweise zu bemerkenswerten Produktivitätssteigerungen. Die Forschungsarbeit wurde damals durch einen ERC-Grant von der EU mit 2 Mio. Euro gefördert.

EU fördert industrielle Anwendung

Um diese Methode in die industrielle Anwendung zu bringen, erhält der Max-Planck-Forscher nun erneut eine EU-Förderung über 150.000 Euro. Gemeinsam mit zwei Partnern aus der Industrie will Klamt den von ihm entwickelten metabolischen Eingriff in die Produktionsorganismen testen. Konkret geht es dabei um Bioprozesse zur Synthese von Aromastoffen. An den Tests beteiligt ist neben dem Chemieunternehmen BASF SE, das Hamburger Food-Tech-Start-up COLIPI, das mithilfe von Hefen verschiedene Lipide und Öle auf der Basis nachwachsender Rohstoffe als Alternative zu Palmöl entwickelt.

Without microorganisms, there would be no bread, no cheese, no beer and no wine. The metabolic capabilities of bacteria, yeasts and molds are of particular importance with regard to a sustainable economy. With their help, renewable raw materials can be converted into new substances and customized products for the bioeconomy. Industrial biotechnology has therefore been using microorganisms as production factories for the manufacture of chemicals, drugs, vaccines or fuels for decades. However, in order for the microbial cell factories to produce the desired products and work effectively, their metabolism often needs to be rearranged.

Metabolic process of microbial production organisms optimized

Over the past five years, a team led by systems scientist Steffen Klamt from the Max Planck Institute for Dynamics of Complex Technical Systems in Magdeburg has developed a strategy for optimizing microbial production organisms. In the process, he has succeeded in manipulating energy metabolism in such a way that the cells are forced to synthesize even more of the desired product. The principle worked in various microorganisms and in some cases led to remarkable increases in productivity. The research work was funded at the time with an ERC grant of 2 million euros from the EU.

EU promotes industrial application

In order to bring this method into industrial application, the Max Planck researcher is now receiving renewed EU funding of 150,000 euros. Together with two partners from industry, Klamt wants to test the metabolic intervention he has developed in production organisms. Specifically, this involves bioprocesses for the synthesis of aroma substances. In addition to the chemical company BASF SE, the Hamburg-based food tech start-up COLIPI, which uses yeasts to develop various lipids and oils based on renewable raw materials as an alternative to palm oil, is also involved in the tests.

Die Verschmutzung von Böden und Gewässern ist ein globales Problem mit nachhaltigen Folgen für die Ökosysteme. Dabei handelt es sich unter anderem um langlebige und schwer abbaubare organische Substanzen wie Erdöl, die etwa in Mikroplastik, Pestiziden oder anderen synthetischen Chemikalien enthalten sind. Im Werkzeugkasten der Natur gibt es jedoch Mikroorganismen, die sich auf die Verwertung solcher Substanzen spezialisiert haben. Dazu gehört das unter Mikrobiologen bekannte Umweltbakterium Aromatoleum aromaticum, das eine wichtige Funktion bei der biologischen Bodensanierung übernimmt. Forschende der Universität Oldenburg, der TU Braunschweig und vom Leibniz-Institut DSMZ in Braunschweig haben nun den Stoffwechselweg des Bakterienstamms Aromatoleum aromaticum EbN1T komplett durchleuchtet. Sie liefern damit erstmals ein umfassendes Bild über die Funktionsweise des einzelligen Organismus.

Stoffwechselprozesse aufgedeckt

Im Rahmen der Studie kultivierte das Team die Mikroben unter sauerstoffhaltigen (aeroben) sowie sauerstofffreien (anaeroben) Bedingungen und stellte jeweils fünf verschiedene Nährstoffe zur Verfügung. Die Untersuchung des Bakterienstammes ergab, dass rund 200 Gene an den Abbauprozessen beteiligt sind. Die Forschenden fanden heraus, welche Enzyme für die Zerlegung der Substanzen verantwortlich sind, die den Mikroben als Nahrung dienten, und über welche Zwischenprodukte diese verschiedenen Nährstoffe abgebaut werden.

Darüber hinaus stießen sie auf bislang unbekannte Mechanismen des Stoffwechsels, die es Aromatoleum aromaticum ermöglichen, mit rasch wechselnden Umweltbedingungen klarzukommen. So zeigte sich, dass die Mikroben unabhängig vom Sauerstoffgehalt sämtliche Enzyme für den aeroben und den anaeroben Abbauweg produzieren – obwohl sie teilweise gar nicht gebraucht wurden. Die Forschenden vermuten, dass hinter der vermeintlichen Verschwendung eine Überlebensstrategie der Mikroben steckt.

Wachstumsmodell entwickelt

„Wir können den Organismus jetzt so genau beschreiben, wie es bislang nur für wenige andere Bakterien möglich ist“, sagt Ralf Rabus, Mikrobiologe an der Universität Oldenburg. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse entwickelte das Team auch ein Modell, mit dem sich das Wachstum des Bakterienstammes bei verschiedenen Umweltbedingungen berechnen lässt. „Durch diesen systembiologischen Ansatz gewinnt man ein tiefes, sozusagen ingenieurwissenschaftliches Verständnis eines Organismus'“, erläutert Rabus. „Man zerlegt das Bakterium in seine Einzelteile und kann diese dann wieder zusammensetzen – zu einem Modell, das voraussagt, wie schnell eine Kultur wächst und wie viel Biomasse entsteht.“

Neuer Modellorganismus für Ökosystemforschung

Mit ihrer Studie ist es den Forschenden gelungen, ein ganzheitliches Bild des zellulären Innenlebens des Umweltbakteriums zu zeichnen und so zu einem besseren Verständnis der Wechselbeziehungen des untersuchten Stamms sowie verwandter Bakterien mit der belebten und unbelebten Umwelt beizutragen. Vor allem aber kann das Modell künftig hilfreich sein, um etwa die Aktivität der Einzeller in verschmutzten Böden besser vorherzusagen und so optimale Bedingungen für die Sanierung einer Altlast herauszufinden. Damit könnte der Aromatoleum-Stamm künftig der Ökosystemforschung als Modellorganismus dienen.

Genome Mining – die systematische Durchsuchung von Genomen – steht im Mittelpunkt einer Emmy-Noether-Förderung der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG). Der Naturstoffgenomiker Eric Helfrich vom LOEWE-Zentrum für Translationale Biodiversitätsgenomik erhält sie, um mit Methoden der Künstlichen Intelligenz auf neuartige Weise Naturstoffe für Medizin, Lebensmittelherstellung oder Landwirtschaft zu entdecken. „Peptid Biosynthese abseits bekannter Wege: Machine Learning-basierte Identifizierung ungewöhnlicher Peptid Naturstoffe“ heißt das im Januar gestartete Projekt.

Wirkstoffe außerhalb etablierter Muster entdecken

Seit fast einem Jahrhundert nutzt die Menschheit Wirkstoffe aus Mikroorganismen. Jeder zweite zugelassene Wirkstoff in der Medizin beruht heute auf Naturstoffen. Dementsprechend bekannt sind die Muster bekannt, wie die einzelnen Naturstoffklassen aufgebaut sind und wie sie von den jeweiligen Organismen gebildet werden. Doch es gibt auch zahlreiche Naturstoffe, die nicht diesen Mustern folgen und die Forschende daher bei der Suche nach neuen Wirkstoffen schnell übersehen.

„Es sind bereits zahlreiche Peptid-Naturstoffe bekannt und gut erforscht, und sie spielen eine wichtige Rolle in der Medizin und bei der Produktion von Lebensmitteln“, berichtet Helfrich. „Doch wir sind uns sicher, dass es noch sehr viel mehr nützliche Peptide zu entdecken gibt, wenn wir die Grenzen bisheriger Denkmuster erweitern.“ Dabei soll Maschinelles Lernen helfen: Das Team will Algorithmen darauf trainieren, ungewöhnliche Muster im Genom von Bakterien zu erkennen, die für potenziell interessante Peptide kodieren. Eine solche KI ist in der Lage, Zusammenhänge aufzudecken, die einem Menschen meist entgehen würden.

KI soll Hunderttausende Bakteriengenome screenen

Gelingt es, entsprechend zuverlässige Algorithmen zu entwickeln, sollen die Sequenzdaten von Hunderttausenden bekannten Bakteriengenomen durchforstet werden. Besonders vielversprechende Treffer will Helfrich mit seinem Team dann mit Methoden der Synthetischen Biologie in das Genom im Labor etablierter Bakterien einbringen und so produzieren. „Unsere Forschung wird dazu beitragen, Licht in bislang unbekannte Wege der bakteriellen Peptid-Herstellung zu bringen und damit das bisherige Lehrbuchwissen zu erweitern", beschreibt Helfrich das Ziel seiner Forschung. „Dabei wollen wir natürlich auch neue Substanzen entdecken, die künftig medizinisch genutzt werden können.“

Die Emmy-Noether-Förderung für herausragend qualifizierte Nachwuchswissenschaftler umfasst 1,5 Mio. Euro, verteilt über sechs Jahre. Unter anderem wird Helfrich mit diesem Geld ein neues Massenspektrometer anschaffen, mit dem er und sein Team die neuen Naturstoffe nachweisen und charakterisieren können. Außerdem möchte der Genomiker die Fördermittel des Projekts nutzen, um sein Team zu erweitern.

Genome mining - the systematic search of genomes - is the focus of an Emmy Noether Fellowship from the German Research Foundation (DFG). Natural product genomicist Eric Helfrich of the LOEWE Center for Translational Biodiversity Genomics is receiving it to use artificial intelligence methods to discover natural products for medicine, food production or agriculture in novel ways. "Peptide Biosynthesis Off the Beaten Path: Machine Learning-based Identification of Unusual Peptide Natural Products" is the name of the project launched in January.

Discovery of active ingredients outside established patterns

Mankind has been using active ingredients from microorganisms for almost a century. Every second approved active ingredient in medicine today is based on natural substances. Accordingly, the patterns of how the individual classes of natural substances are structured and how they are formed by the respective organisms are well known. However, there are also numerous natural substances that do not follow these patterns and are therefore easily overlooked by researchers in their search for new active ingredients.

"There are already many peptide natural products known and well studied, and they play an important role in medicine and food production," Helfrich reports. "But we are sure that there are many more useful peptides to be discovered if we push the boundaries of previous ways of thinking." Machine learning is expected to help with this: The team wants to train algorithms to recognize unusual patterns in the genome of bacteria that code for potentially interesting peptides. Such AI is capable of uncovering correlations that would usually escape a human.

AI to screen hundreds of thousands of bacterial genomes

If reliable algorithms can be developed, the sequence data of hundreds of thousands of known bacterial genomes will be searched. Helfrich and his team will then use synthetic biology methods to insert particularly promising hits into the genomes of established bacteria in the lab. "Our research will help to elucidate previously unknown pathways of bacterial peptide production and thus expand existing textbook knowledge," says Helfrich, describing the goal of his research. "In the process, we naturally also want to discover new substances that can be used medically in the future."

The Emmy Noether grant for outstandingly qualified young scientists comprises 1.5 million euros, spread over six years. Among other things, Helfrich plans to use this money to purchase a new mass spectrometer that he and his team can use to detect and characterize the new natural products. The genomicist also plans to use the project funds to expand his team.