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Mikroorganismen werden seit Jahrhunderten zur Herstellung von Lebensmitteln wie Bier oder Käse genutzt. Für die Bioökonomie sind Bakterien wichtige Proteinfabriken, die tierisches Eiweiß ersetzen und damit auch zu einer nachhaltigen Ernährung beitragen können. Das Food-Tech Start-up MicroHarvest setzt auf die Kraft der mikrobiellen Helfer, um neue gesunde und nachhaltige Proteinzutaten herzustellen. Das Team um Mitgründer Jonathan Roberz hat dafür eine Technologie entwickelt, die auf die Fermentation von Biomasse baut und viel schneller als gängige Verfahren hochwertige Proteine für Lebensmittel, Tiernahrung und Futtermitteln produzieren kann.

Bernsteinsäure ist eine der wichtigsten Basischemikalien und wird vielfältig eingesetzt – zum Beispiel zur Herstellung von Farbstoffen, Acrylharzen, Kosmetika oder Medikamenten. Ein wichtiger Ausgangsstoff für die Herstellung dieser begehrten Plattformchemikalie ist Erdöl. Da der fossile Rohstoff umweltschädlich und zudem endlich ist, suchen Forscherinnen und Forscher seit langem nach Alternativen. Im EU-Projekt LUCRA will ein Konsortium aus Forschung und Industrie nun Bernsteinsäure aus organischen Rest- und Abfallstoffen gewinnen.

Beitrag zur nachhaltigen Chemie

Beteiligt sind insgesamt zehn Partner aus sieben Ländern – darunter aus Deutschland das Steinbeis Europa Zentrum in Karlsruhe und der Leverkusener Werkstoffhersteller Covestro. Das LUCRA-Projekt wird von der Bio Base Europe Pilot Plant koordiniert und vom Circular Bio-based Join Undertaking (CBE JU) sowie von der Europäischen Union im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon Europe gefördert. „Wir freuen uns, mit dem LUCRA-Projekt einen wichtigen Beitrag zu einer nachhaltigeren chemischen Industrie zu leisten", sagt Tanja Meyer, LUCRA-Projektkoordinatorin und Senior-Project-Managerin bei Bio Base Europe Pilot Plant.

Technische Machbarkeit demonstrieren

Im Rahmen des Projekts wollen die Partner vor allem die technische und wirtschaftliche Machbarkeit der Umwandlung von organischen Abfällen in Bio-Bernsteinsäure im vorindustriellen Maßstab demonstrieren. Durch die Kombination modernster thermischer und enzymatischer Technologien sowie innovativer fermentativer und elektrochemischer Verfahren will das Team den Weg zu einer nachhaltigen, ressourceneffizienten und kreislauforientierten Bioökonomie ebnen. Dazu werden umfangreiche Validierungs- und Demonstrationsaktivitäten an verschiedenen europäischen Standorten durchgeführt.

Ziel ist es, den Produktionsprozess im vorindustriellen Maßstab zu optimieren, die Umweltauswirkungen und die Kreislauffähigkeit des Prozesses zu bewerten und die wirtschaftliche Machbarkeit zu prüfen. „Die Nachfrage unserer Kunden nach nachhaltigen biobasierten Lösungen steigt kontinuierlich. Daher ist das LUCRA-Projekt für uns von hoher Relevanz, da es Biomasse der zweiten Generation nutzt, um einen relevanten Baustein für unsere Materialien zu produzieren", sagt Vera Essmann, Laborleiterin für Forschung und Entwicklung von PUDs bei Covestro.

Polyester und Harze aus Bio-Bernsteinsäure für die Texilindustrie

Im Laufe des Projekts sollen auch konkrete Produkte aus Bio-Bernsteinsäure entstehen, zum Beispiel Polyester und Harze auf Basis von Bernsteinsäure, die in der Textilindustrie eingesetzt werden. Hier wird getestet, inwieweit die neue biobasierte Chemikalie auch die technischen und wirtschaftlichen Anforderungen erfüllt. „Dieses Projekt ist ein großartiges Beispiel dafür, wie vom CBE JU finanzierte Initiativen nachhaltige und wettbewerbsfähige biobasierte Industrien fördern. Durch den Aufbau innovativer biobasierter Prozesse und Wertschöpfungsketten wird LUCRA das Potenzial nachhaltiger Biomasse erschließen und die CO₂-Emissionen im Vergleich zu herkömmlichen Produktionsmethoden verringern, was zur Stärkung der Nachhaltigkeit in Europa beitragen wird“, sagt Nicoló Giacomuzzi-Moore, Exekutivdirektor ad interim des CBE JU.

Das CBE JU ist eine mit 2 Mrd. Euro ausgestattete öffentlich-private Partnerschaft zwischen der Europäischen Union und dem Biobased Industry Consortium (BIC). Die Allianz finanziert Projekte zur Entwicklung nachhaltiger und innovativer Lösungen, um den Übergang zu einer biobasierten Kreislaufwirtschaft in Europa zu fördern.

Ob Auto, Windrad oder Flugzeug: Damit eine Maschine reibungslos läuft, benötigt sie meist Schmiermittel, die jedoch traditionell auf fossilen Rohstoffen basieren. Im Projekt PolyBioFe haben Partner aus Forschung und Industrie Schmierfette hergestellt, die fast vollständig aus nachwachsenden Rohstoffen bestehen. Im Fokus des Vorhabens stand vor allem die Entwicklung einer biobasierten Alternative von Polymerverdickern, die ein wichtiger Bestandteil von Schmierstoffen für Wälzlager sind. Daran beteiligt waren die Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (RWTH Aachen), die Technische Universität Dortmund (TU Dortmund) und der Schmierstoffhersteller Carl Bechem GmbH.

Bei Verdickern unterscheidet man zwischen konventionellen Produkten auf Basis von Fettsäuren und polymeren Systemen. Diese polymeren Systeme besitzen zwar sehr gute technische Eigenschaften, bestehen aber bislang komplett aus fossilen Verbindungen. Bei der Herstellung biobasierter Alternativen setzte das Forschungsteam auf biobasierte Polyharnstoff-, Polyester- und Polyamidfette.

Biobasierte Hochleistungsschmierfette aus Rizinusöl

Im Rahmen des Projektes entwickelten Forschende der TU Dortmund Synthesewege zur Gewinnung dieser Polymersysteme und charakterisierten deren Eigenschaften. Der Schmierstoffhersteller Carl Bechem übertrug diese Synthese vom Labor- in den Technikumsmaßstab und stellte aus Rizinusöl industrielle Schmierfette für Hochtemperatur- und Lebensdauerschmierungen von Wälzlagern her. Rizinusöl ist ein pflanzlicher Rohstoff, der aus dem Samen des tropischen Wunderbaumes gewonnen wird. Für die Tests der neuen Formulierungen war die RWTH Aachen zuständig.

Upscaling der Fettsynthesen auf andere Fette übertragbar

Den Forschenden zufolge sind die im Projekt erarbeiteten Methoden für das Upscaling der Fettsynthesen sowie die Bewertung der Formulierungen auch auf andere biobasierte Fette übertragbar. Das Vorhaben wurde vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft gefördert.

Whether it's a car, a wind turbine or an airplane, for a machine to run smoothly it usually needs lubricants, but these are traditionally based on fossil raw materials. In the PolyBioFe project, partners from research and industry have produced lubricating greases that consist almost entirely of renewable raw materials. The project focused primarily on developing a bio-based alternative to polymer thickeners, which are an important component of lubricants for rolling bearings. The project involved the Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (RWTH Aachen University), the Technische Universität Dortmund (TU Dortmund University) and the lubricant manufacturer Carl Bechem GmbH.

In the case of thickeners, a distinction is made between conventional products based on fatty acids and polymer systems. Although these polymer systems have very good technical properties, they have so far been produced exclusively from fossil compounds. In the production of bio-based alternatives, the research team relied on bio-based polyurea, polyester and polyamide fats.

High-performance bio-based lubricants made from castor oil

As part of the project, researchers at TU Dortmund University developed synthesis routes for obtaining these polymer systems and characterized their properties. Lubricant manufacturer Carl Bechem has transferred this synthesis from laboratory to pilot plant scale and produced industrial lubricating greases from castor oil for the high-temperature and lifetime lubrication of rolling bearings. Castor oil is a plant-based raw material obtained from the seed of the tropical miracle tree. RWTH Aachen University was responsible for testing the new formulations.

Upscaling of fat syntheses transferable to other fats

According to the researchers, the methods developed in the project for upscaling the fat syntheses and evaluating the formulations are also transferable to other biobased fats. The project was funded by the German Federal Ministry of Food and Agriculture.

Pflanzen brauchen Stickstoff für ihr Wachstum. Zu viel Stickstoff, vor allem in Form von Nitrit oder Nitrat, schadet jedoch der Umwelt. Gelangt der Nährstoff beispielsweise in Binnengewässer und Meere, werden Algenwachstum und Sauerstoffmangel gleichermaßen gefördert. Nährstoffeinträge zu reduzieren und aus den Gewässern zu filtern, ist daher seit langem ein Forschungsschwerpunkt. Oft ist es die Natur selbst, die eine Lösung parat hat, wie eine neue Studie zeigt. Gemeinsam mit Forschenden aus China hat ein Team des Leibniz-Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) erstmals ein mikrobielles Konsortium identifiziert, das den biotechnologischen Werkzeugkasten zur Wasserreinigung erweitern könnte.

Potenzial von Bakterien-Pilz-Kombination zur Wasserreingung untersucht

Mikroorganismen wie Bakterien und Pilze dienen in der Biotechnologie bereits als potenzielle Helfer bei der Abwasserreinigung. Bislang wurden verschiedene Bakterien- und Pilzstämme in Reinkultur identifiziert, die den Stickstoffabbau mit oder ohne Sauerstoff bewältigen. Das Verfahren ist jedoch aufwändig und teuer. Eine vielversprechende Alternative sind sogenannte mikrobielle Konsortien, die bereits bei der Fermentation von Lebensmitteln und Getränken eingesetzt werden. Wenig erforscht ist dagegen das Gebiet der sogenannten Denitrifikation – also der mikrobiellen Reduktion von Nitrat, insbesondere in Gegenwart von Sauerstoff. Dieses Potenzial haben die Forschenden nun genauer untersucht.

Nitratentfernung bei bis zu 100%

Dabei stießen sie auf ein natürliches Bakterien-Pilz-Kosortium in marinen Aquakulturen, das Nitrat in sauerstoffhaltiger Umgebung sehr effizient und konstant aus dem Wasser entfernt. Wie das Team im Fachjournal iScience berichtet, lag die Nitratentfernung bei bis zu 100% und die Denitrifikationseffizienz bei 44%. Letztere gibt an, wie gut Mikroorganismen den im Nitrat gebundenen Stickstoff in molekularen Stickstoff (N₂) und Stickoxide umwandeln können. Nach der Identifizierung der Bakterien- und Pilzstämme mittels Hochdurchsatzsequenzierung offenbarte eine Netzwerkanalyse, welche Arten besonders gut für eine Kombination geeignet sind.

Großes Potenzial für die Biotechnologie

„Es ist uns gelungen, denitrifizierende Bakterien-Pilz-Gruppen zu identifizieren, die das Potenzial haben, Nitrat besonders gut aus dem Wasser zu entfernen. Das ist ein wichtiger Schritt, um mikrobielle Konsortien für eine optimale Wasseraufbereitung zusammenzustellen“, erklärt Hans-Peter Grossart, IGB-Forscher und Mitautor der Studie. Auch wenn solche mikrobiellen Allianzen in der Wasserreinigung neu sind, sind die Forschenden überzeugt, dass diese Mikrobengemeinschaft die Biotechnologie maßgeblich prägen wird.

Sieben Jahre ist es her, dass Chemiker der Universität Konstanz eine völlig neue Kunststoff-Klasse präsentierten, die in ihrer Struktur Biomaterialien ähnelt. Bei dem sogenannten Mineralkunststoff handelte es sich um ein Hydrogel, das aus Nanopartikeln von Kalziumkarbonat (Kalk) besteht, die durch Polyacrylsäure in Wasser vernetzt werden. Das besondere an dem neuen Kunststoff: Für die Herstellung wird kaum Energie verbraucht, da Raumtemperatur ausreicht. Zudem besitzt er selbstheilende Kräfte und ist gut recycelbar. Doch das Mineralplastik hatte einen entscheidenden Makel: Aufgrund seiner chemischen Komponenten war es nicht biologisch abbaubar.

„Bisher haben wir für die Herstellung unseres Mineralplastiks Polyacrylsäure verwendet. Chemisch betrachtet besitzt diese dasselbe Rückgrat wie Polyethylen, welches bekanntermaßen in der Umwelt große Probleme verursacht, weil es kaum biologisch abbaubar ist“, erklärt Helmut Cölfen. Nach jahrelanger Forschung stellte das Team um den Konstanzer Chemiker den selbstheilenden Kunststoff nun als biologisch abbaubare Variante vor.

Erdölbasierten Grundbaustein durch Biopolymer ersetzt

Wie das Team in der Fachzeitschrift Small Methods berichtet, wurde dafür die erdölbasierte Komponente durch Polyglutaminsäure ersetzt. Dabei handelt es sich um ein natürliches Biopolymer, das in der Natur in großen Mengen vorkommt. „Unser neues Mineralplastik hat dieselben positiven Eigenschaften wie das alte, besitzt jedoch den entscheidenden Vorteil, dass sein Grundbaustein – die Polyglutaminsäure – mithilfe von Mikroorganismen hergestellt werden kann und vollkommen biologisch abbaubar ist“, erklärt der Chemiker.

Biologische Abbaubarkeit bewiesen

Dass das Bio-Mineralplastik tatsächlich biologisch abbaubar ist, konnten Biologen der Universität Konstanz bereits nachweisen. Entsprechende Versuche zeigten, dass der selbstheilende Bio-Kunststoff bereits nach 32 Tagen von Mikroorganismen, die beispielsweise in Waldböden vorkommen, vollständig abgebaut wurde.

It has been seven years since chemists at the University of Konstanz presented a completely new class of plastics that resemble biomaterials in structure. The so-called mineral plastic was a hydrogel consisting of nanoparticles of calcium carbonate (lime) crosslinked with polyacrylic acid in water. Hardly any energy is consumed in its production, as room temperature is sufficient. It also has self-healing properties and is easily recyclable. But the mineral plastic had a crucial flaw: due to its chemical components, it was not biodegradable.

"Until now, we have used polyacrylic acid for the production of our mineral plastic. This has the same basic chemical structure as polyethylene, which is known to cause major problems in the environment because it is hardly biodegradable," explains Helmut Cölfen. After years of research, the team led by the chemist from Constance has now presented a self-healing plastic as a biodegradable variant.

Petroleum-based basic building block replaced by biopolymer

As the team reports in the journal Small Methods, the petroleum-based component was replaced with polyglutamic acid. This is a natural biopolymer that occurs in large quantities in nature. "Our new mineral plastic has the same positive properties as the old one, but with the distinct advantage that its basic building block - polyglutamic acid - can be produced with the help of microorganisms and is completely biodegradable," the chemist explains.

Proven biodegradability

Biologists at the University of Konstanz have already been able to prove that the bio-mineral plastic is actually biodegradable. Experiments showed that the self-healing bioplastic was completely degraded after only 32 days by microorganisms that occur in forest soils, for example.

Enzyme bilden den Kern der Biotechnologie. Als Biokatalysatoren sollen sie der chemischen Industrie bei der Abkehr von umweltschädlichen Prozessen helfen und besonders nachhaltige Prozesse ermöglichen. Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben die Enzyme nun in eine neue Form gebracht: Als Schäume erweisen sich die Biokatalysatoren als ausgesprochen stabil und aktiv. Über ihre Entwicklung berichten die Fachleute im Journal „Advanced Materials ".

Voll-Enzym-Schäume haben höhere Aktivität

Verschäumt man Enzyme, verändern sie normalerweise ihre Struktur und verlieren damit auch ihre spezifische Funktion. Das KIT-Team hat jedoch ein inzwischen zum Patent angemeldetes Verfahren entwickelt, das dieses Problem umgeht. Der Schaum weist eine einheitliche Blasengröße von etwa 160 Mikrometern Durchmesser auf. „Es handelt sich dabei um monodisperse ‚Voll-Enzym-Schäume‘, also dreidimensionale, poröse Netzwerke, die ausschließlich aus biokatalytisch aktiven Proteinen bestehen“, beschreibt Christof Niemeyer vom KIT die Zusammensetzung der neuen Materialien.

Bislang wurden Enzyme meist auf Polymeren oder Trägerpartikeln immobilisiert. Dadurch konnte nur in einem Teil des Bioreaktorvolumens die eigentliche Reaktion stattfinden. „Im Vergleich zu unseren bereits entwickelten ‚Voll-Enzym-Hydrogelen' entsteht bei den neuen Materialien auf Schaumbasis eine deutlich größere Oberfläche, an der die gewünschte Reaktion stattfinden kann“, erläutert Niemeyer den Vorteil.

Stabiler als Enzyme ohne Schäume

Doch nicht nur die Dichte der Enzyme steigt und damit die mögliche Rate, in der die Biokatalysatoren einen Stoff umsetzen können. Es entsteht auch ein Vorteil für die Anwendung: „Erstaunlicherweise sind die neu entwickelten Enzymschäume nach der Trocknung für vier Wochen deutlich stabiler als die gleichen Enzyme ohne Schäume“, berichtet Niemeyer. Dies sei für die Vermarktung von großem Interesse, da hierdurch Vorratsproduktion und Versand erheblich vereinfacht würden.

In einem Praxistest demonstrierte das Team, dass mithilfe seiner Enzymschäume der Zucker Tagatose hergestellt werden kann. Er gilt als industriell interessante Alternative zu raffiniertem Zucker. Grundsätzlich jedoch können den Forschenden zufolge Enzymschäume überall in der Biotechnologie eingesetzt werden, um Prozesse effizienter zu gestalten – von der industriellen Biotechnologie über die Lebensmittelbiotechnologie bis in den Bereich der Materialwissenschaften.

Enzymes are at the core of biotechnology. As biocatalysts, they are supposed to help the chemical industry to move away from environmentally harmful processes and to enable particularly sustainable processes. Researchers at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT) have now transformed the enzymes into a new form: As foams, the biocatalysts prove to be extremely stable and active. The experts report on their development in the journal Advanced Materials.

Full enzyme foams have higher activity

If enzymes are foamed, they normally change their structure and thus lose their specific function. However, the KIT team has developed a method, for which a patent has since been filed, that circumvents this problem. The foam has a uniform bubble size of about 160 micrometers in diameter. "These are monodisperse 'full enzyme foams', i.e. three-dimensional, porous networks consisting exclusively of biocatalytically active proteins," says Christof Niemeyer of KIT, describing the composition of the new materials.

Until now, enzymes have usually been immobilized on polymers or carrier particles. This meant that the actual reaction could only take place in part of the bioreactor volume. "Compared to our already developed 'full enzyme hydrogels', the new foam-based materials create a significantly larger surface area where the desired reaction can take place," Niemeyer explains.

More stable than enzymes without foams

This not only increases the density of the enzymes and thus the possible speed at which the biocatalysts can convert a substance, but also results in an advantage for the application: "Surprisingly, the newly developed enzyme foams are significantly more stable after four weeks of drying than the same enzymes without foam," reports Niemeyer. This is of great interest for marketing, he says, because it simplifies storage and shipping considerably.

In a practical test, the team showed that its enzyme foams can be used to produce the sugar tagatose. It is considered an interesting industrial alternative to refined sugar. However, according to the researchers, enzyme foams can be used anywhere in biotechnology to make processes more efficient - from industrial biotechnology to food biotechnology and materials science.

Mikroalgen enthalten kostbare Wertstoffe und sind daher ein Hoffnungsträger der Bioökonomie. Doch nicht nur Proteine, ungesättigte Fettsäuren oder Farbstoffe machen sie für die Industrie interessant. Mikroalgen benötigen zum Wachsen Kohlendioxid und können dieses in Biomasse umwandeln, die wiederum als alternative Energiequelle zur Erzeugung von Biogas genutzt werden kann. Obwohl Mikroalgen bereits vielfältig genutzt werden – vor allem in der Lebens- und Futtermittelindustrie – ist ihr Potenzial noch lange nicht ausgeschöpft. Ein Grund: Die Produktion des vielversprechenden Rohstoffs ist zum Teil noch sehr energie- und kostenintensiv.

Industrieabgase als kostengünstige Alternative

Forschende der Hochschule Bremerhaven wollen das ändern. Im Projekt Algae Growth, kurz „ALGROW“, wird untersucht, inwieweit sich industrielle Abgase und Abwärme für die Kultivierung von Mikroalgen nutzen lassen. „Studien zeigen, dass Mikroalgen den Gehalt an toxischen Gasen in Abgasen um bis zu 75 % verringern und somit die Freisetzung von Treibhausgasen reduzieren können“, sagt Projektleiterin Imke Lang. „Der Einsatz von CO₂erhöht das Zellwachstum signifikant und somit den Ertrag. Das Gas ist jedoch eine kostspielige Ressource. Industrielle Abgase wären eine kostengünstigere Alternative“, so Lang. Die Forschenden sind überzeugt, dass von der Nutzung industrieller Abgase sowohl die Algenproduktion selbst als auch Unternehmen profitieren würden.

Warme Abgase für den Trocknungsprozess nutzen

Im Rahmen des Projekts soll auch untersucht werden, ob sich warme Abgase für die Kultivierung von Mikroalgen eignen. Diese könnten dann direkt in den Bioreaktor geleitet werden. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Trocknung und Ernte der Mikroalgen, da hier die Betriebskosten besonders hoch sind. „Die Trocknung erfolgt mittels Trommel-, Sprüh-, Gefrier- oder Sonnentrocknung“, erklärt Lang. „Die ersten drei Verfahren werden eingesetzt, wenn hochwertige Produkte gewonnen werden sollen. Sie sind jedoch mit hohen Kosten verbunden, die bis zu 20 bis 30 % der gesamten Produktion betragen können. Bei der letztgenannten Trocknungsmethode ist mit Qualitätsmängeln des Produkts durch Kontamination und Oxidation zu rechnen. Daher wird sie nur eingesetzt, wenn die Unversehrtheit und Qualität keine Rolle spielt.“ Mithilfe industrieller Abgase will das ALGROW-Team eine kosteneffiziente und produktschonende Trocknungsmethode entwickeln, die zugleich eine hohe Qualität des jeweiligen Produkts garantiert.

Kommerzielle Umsetzung der Mikroalgenproduktion im Visier

Neben nachhaltigen und wirtschaftlichen Aspekten will das Forschungsteam auch Empfehlungen für eine kommerzielle Umsetzung der Mikroalgenproduktion in Bremerhaven und Bremen erarbeiten. „Die Verringerung der Abgasfreisetzung in die Atmosphäre und die geringeren Produktionskosten von Mikroalgen bei gleichzeitiger Ertragssteigerung machen die Algenproduktion für die Region attraktiv. Gleichzeitig kann die Lebensmittelindustrie die aus Algen gewonnenen Wertstoffe nutzen. Denkbar sind unter anderem Substanzen, die als Beschichtungen und Geliermittel verwendet werden, Pigmente als Farbstoffe oder Antioxidantien“, so Lang.

Wo und wie können Bioökonomie und Weltraumforschung voneinander lernen? Anhand von drei Forschungsprojekten zeigen Fachleute, wie die beiden Felder sich gegenseitig inspirieren, welche Erkenntnisse wir aus der Forschung von der Erde ins All übertragen können und welche Technologien und Verfahren aus der Weltraumforschung das Leben auf der Erde erleichtern können. Unter anderem geht es dabei um Exoplaneten und die Suche nach außerirdischem Leben, Ernährung im Weltall und die Landwirtschaft der Zukunft.

Neben Impulsvorträgen erwartet die Gäste an Bord der MS Wissenschaft eine moderierte Podiumsdiskussion. Alle Interessierten sind herzlich eingeladen, an Deck zu kommen, mitzudiskutieren, Fragen zu stellen und Perspektiven zu wechseln.

Die Veranstaltung am 15. August ab 18:00 Uhr ist eine Kooperation der Informationsplattform bioökonomie.de – organisiert von Kristin Kambach und Martin Reich im Auftrag des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) – und der MS Wissenschaft.

Microorganisms have been used for centuries to produce foods such as beer or cheese. In bioeconomy, bacteria are important protein factories that can replace animal protein and thus also contribute to sustainable nutrition. The food tech startup MicroHarvest relies on the power of microbial helpers to produce new healthy and sustainable protein ingredients. To do so, the team led by co-founder Jonathan Roberz has developed a technology that builds on biomass fermentation and can produce high-quality proteins for food, pet food and animal feed much faster than current processes.

Pilzkrankheiten führen jedes Jahr weltweit zu großen Ertragsverlusten bei Getreide. Auf molekularbiologischer Ebene findet dabei ein stetiges Wettrüsten zwischen den Pflanzen und ihren Krankheitserregern statt. So nutzen Pilze bestimmte Moleküle, sogenannte Effektoren, um das Immunsystem der Pflanze auszutricksen. Die Pflanze wiederum hat gelernt, auch diese Effektoren als Teil des Angriffs zu erkennen und trotzdem ihre Abwehr zu aktivieren. In der Folge verändern die Pilze ihre Effektoren, bis die Pflanze erneut Immunrezeptoren entwickelt hat, die auch diesen Trick durchschauen. Und so geht das Spiel immer weiter.

Effektoren teilen sich ein gemeinsames Gerüst

Ein internationales Forschungsteam unter Leitung von Paul Schulze-Lefert vom Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln und Jijie Chai, der in China an der Westlake Universität Hangzhou und der Tsinghua Universität tätig ist, hat nun für Mehltau-Erreger die Strukturen dieser Effektoren genauer untersucht. Im Fachjournal „PNAS“ berichten die Fachleute, dass die Effektoren demnach ein strukturelles Grundgerüst teilen, dass sich durch lokale Veränderungen unterscheidet. Es sind somit diese Unterschiede, die es der pflanzlichen Abwehr schwer machen.

„Es ist einer der Heureka-Momente der Wissenschaft, wenn in der Evolution das molekulare Wettrüsten zwischen Pflanzen und Krankheitserregern durch Strukturveränderungen innerhalb einer gemeinsamen dreidimensionalen Proteinarchitektur erklärt werden kann“, freute sich Schulze-Lefert über den Erfolg.

Auffallende Ähnlichkeit zu RNase-Enzymen

Konkret ermittelten die Forschenden die exakten molekularen Strukturen von fünf Effektoren zweier Mehltau-Erreger, die Weizen und Gerste befallen. Dazu verwendeten sie die sogenannte Röntgenkristallographie, die die Positionen der einzelnen Atome eines Moleküls bestimmt. Erst so ließ sich eine Ähnlichkeit nachweisen, denn so gering die räumliche Struktur der Effektoren sich unterscheidet, so groß sind die Unterschiede auf genetischer Ebene.

Anhand dieser Aufnahmen zeigte sich außerdem eine große Ähnlichkeit der Effektoren zu RNase-Proteinen. Diese Enzyme haben die Fähigkeit. RNA-Moleküle abzubauen. Allerdings verfügen die untersuchten Effektoren wohl nicht über die gleiche Fähigkeit. Die strukturelle Ähnlichkeit könnte somit eher damit zu tun haben, wie es den Effektoren gelingt, die Membranen der Pflanzenzellen zu durchdringen, um sie zu infizieren.

Kleine Aminosäure-Änderungen entscheiden über Tarnungserfolg

Ebenfalls untersuchte das Forschungsteam, wie stark die lokalen Veränderungen der Effektoren sein müssen, um dem pflanzlichen Immunsystem zu entgehen. Dabei zeigte sich, dass die Fachleute lediglich sechs Aminosäuren des Effektors austauschen mussten, um seine Tarnung auffliegen und ihn durch die Immunrezeptoren der Pflanze erkennen zu lassen. Weitere Analysen führten das Team zu dem Schluss, dass ein bestimmter Immunrezeptor immer auf einen bestimmten Oberflächenbereich eines entsprechenden Effektors abgestimmt ist.

Every year, fungal diseases cause major yield losses in cereals worldwide. At the molecular biological level, there is a constant arms race between plants and their pathogens. Fungi use certain molecules, known as effectors, to trick the plant's immune system. The plant, in turn, learns to recognize these effectors and still activate its defenses. The fungi then change their effectors, and the plant must again develop immune receptors to recognize them. And so the game goes on and on.

Effectors share a common framework

An international research team led by Paul Schulze-Lefert of the Max Planck Institute for Plant Breeding Research in Cologne and Jijie Chai of the Chinese Westlake University Hangzhou and Tsinghua University has now studied the structures of these effectors for powdery mildew pathogens in more detail. In the scientific journal PNAS, the experts report that the effectors share a basic structural framework that differs through local changes. These differences make it difficult for plant defenses.

"It is one of the eureka moments of science when the molecular arms race between plants and pathogens can be explained by structural changes within a common three-dimensional protein architecture," Schulze-Lefert is pleased with the success.

Striking resemblance to RNase enzymes

Specifically, the researchers determined the exact molecular structures of five effectors of two powdery mildew pathogens that attack wheat and barley. To do this, they used X-ray crystallography, which is used to determine the positions of the individual atoms of a molecule. Only in this way was it possible to demonstrate the similarity, because as small as the differences in the spatial structure of the effectors are, as large are the differences at the genetic level.

Based on these images, it was also determined that the effectors are very similar to RNase proteins. These enzymes have the ability to degrade RNA molecules. However, the studied effectors probably do not have the same ability. Therefore, the structural similarity might be more related to how the effectors manage to penetrate the membranes of plant cells to infect them.

Small amino acid changes determine camouflage success

The research team also investigated how strong the local changes of the effectors had to be in order to evade the plant's immune system. The experts only had to change six amino acids of the effector to remove its camouflage and be recognized by the plant's immune receptors. Further analysis led the team to conclude that a particular immune receptor is always matched to a particular surface of a corresponding effector.

Blattflöhe sind für Obstbauern ein Graus. Diese sogenannten Psylliden stechen mit ihren saugenden Mundwerkzeugen die Pflanze an und saugen den Pflanzensaft aus. Auf diese Weise verursachen die parasitischen Blattflöhe mitunter hohe Ernteverluste. Mithilfe chemisch-synthetischer Pflanzenschutzmittel versuchen Obstbauern bisher, den Schädling zu bekämpfen. Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung des Julius-Kühn-Instituts (JKI) hat nun durch Zufall in einem parasitischen Pilz einen geeigneten Gegenspieler gefunden, um Blattflöhen im Obstbau auf natürliche Weise den Garaus zu machen.

Neuentdeckte Pilzart befällt Blattläuse am Birnenbaum

Fündig wurde das Team in einer Birnenplantage in Dänemark. Dort stießen die Forschenden auf die bisher unbekannte Pilzart, die sie auf den Namen Pandora cacopsyllae tauften. Der Name „cacopsyllae“ bezieht sich auf die sogenannten Psylliden-Insekten, also Blattflöhe, die der Pilz befällt und abtötet. Doch es ist nicht der Saugakt an sich, der Birnen, Äpfel, Pflaumen oder Pfirsiche zerstört, schreibt das Team im Journal of Invertebrate Pathology. Vielmehr werden Ertragseinbußen oder Totalausfälle durch die damit einhergehende Übertragung bestimmter zellwandloser Bakterien, der Phytoplasmen, verursacht, die Infektionen wie Apfeltriebsucht, Birnenfäule oder Steinobstvergilbung hervorrufen.

Potenzial als biologischer Pflanzenschutz

„Erste Untersuchungen haben ergeben, dass der Pilz auch andere Blattsaugerarten befallen kann“, berichtet Jürgen Gross vom JKI in Dossenheim und Mitautor der Studie. Der Forscher ist überzeugt, dass die neu entdeckte Pilzart ein großes Potenzial für den biologischen Pflanzenschutz hat und als Ausgangsstoff für umweltfreundliche Pflanzenschutzmittel dienen könnte.

Pilz zum Blattfloh bringen

Als Nächstes will Gross deshalb untersuchen, wie sich die Pilzsporen anreichern und so verpacken lassen, dass sie in Obstplantagen ausgebracht werden können. „Wir sind dabei, eine Formulierung zu entwickeln, die dafür sorgt, dass der Birnenblattsauger mit dem Pilz in Kontakt kommt und vom ihm besiedelt wird“, erklärt Gross den Ansatz. „Dazu werden wir auch Lockstoffe für den Birnenblattsauger in die Formulierung einfügen.“ Im Labor konnte bereits gezeigt werden, dass der Pilzbefall zum Tod der Insekten führt.

Leaf fleas are a horror for fruit growers. The so-called psyllids sting the plant with their sucking mouthparts and suck out the plant sap. In this way, the parasitic leaf fleas sometimes cause high crop losses. Until now, fruit growers have tried to control the pest with the help of synthetic chemical pesticides. An international team of researchers with the participation of the Julius Kühn Institute (JKI) has now, by chance, found a suitable antagonist in a parasitic fungus to eliminate the leaf flea in fruit growing in a natural way.

Newly discovered fungus species attacks leaf fleas on pear tree

The team made its find in a pear orchard in Denmark. There, the researchers discovered the previously unknown fungal species, which they named Pandora cacopsyllae. The name "cacopsyllae" refers to the so-called psyllids, or leaf fleas, that the fungus attacks and kills. But it's not the sucking act itself that kills pears, apples, plums or peaches, the team writes in the Journal of Invertebrate Pathology. Rather, yield losses or total failures are caused by the associated transmission of certain cell-walking bacteria, phytoplasmas, that cause infections such as apple proliferation, pear rot or stone fruit yellowing.

Potential as biological plant protection

"Initial investigations have shown that the fungus can also infect other leaf sucker species," reports Jürgen Gross from Julius Kühn-Institut (JKI) in Dossenheim and co-author of the study. The researcher is convinced that the newly discovered fungal species has great potential for biological crop protection and could serve as a starting material for environmentally friendly crop protection products.

Bring the fungus to the leaf flea

Next, Gross plans to investigate how the fungal spores can be enriched and packaged so they can be applied to orchards. "We are in the process of developing a formulation that will ensure that the pearleaf sucker comes into contact with the fungus and is colonized by it," Gross says, explaining the approach. "To do this, we will also include attractants for the pear leaf sucker in the formulation." It has already been shown in the laboratory that the fungal infestation leads to the death of the insects.