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A study conducted in 2016 by the nova-Institut on behalf of the Bio-based Industries Consortium (BIC) showed for the first time which macroeconomic effects the bioeconomy has. In April 2018, an update of the study with the data for 2014 and 2015 was published. According to the study, the primary sectors (agriculture, forestry and fisheries) as well as food, beverages, tobacco, paper and paper products can be regarded as fully bio-based and are therefore fully included in the bioeconomy.

The analysis of Eurostat data for 2016 shows that the total bioeconomy of the EU-28, including the food and drink sector and the primary sector, has a turnover of 2.3 trillion euro. Roughly half of the turnover is accounted for by the food and beverages sector, almost a quarter is created by the primary sectors agriculture and forestry. The other quarter is generated by so-called bio-based industries such as chemicals and plastics, pharmaceuticals, paper and paper products, forestry, textiles, biofuels and bioenergy.

In 2016, the bioeconomy employed a total of 18.6 million people. Primary biomass production in particular creates jobs (55%), but comparatively little turnover (20%). As in the 2016 study, the update also underlines the contribution of the often underestimated biobased industries. These contribute a considerable turnover of around 700 billion euros and 3.6 million employees.

Wasserstoff ist ein wichtiger Energieträger, nicht zuletzt, weil er Brennstoffzellen antreiben kann. Da die bisher etablierte chemische Gewinnung sehr energieintensiv ist – sofern das Gas nicht als Abfallstoff anderer Prozesse anfällt – schauen Forscher wie so oft auf die Natur: Die hat Enzyme hervorgebracht, die effizient Wasserstoff synthetisieren, sogenannte Hydrogenasen. Einen wichtigen Schritt zum Verständnis dieser Enzyme hat nun eine Kooperation von Forschern der Universität Bochum und der Universität Oxford gemacht.

Hydrogenasen aus Grünalgen

Die Wissenschaftler haben sich dazu mit den sogenannten [FeFe]-Hydrogenasen aus Grünalgen befasst, weil diese Untergruppe der Enzyme besonders effizient Wasserstoff herstellen kann. Die Enzyme besitzen wie alle Enzyme ein aktives Zentrum, in dem die eigentliche chemische Katalyse stattfindet. Dieses Zentrum besteht aus einem Gerüst aus vier Eisen- und vier Schwefelatomen sowie dem sogenannten katalytischen Kofaktor, der die Enzymaktivität erst ermöglicht. Im Fachjournal „PNAS“ berichten die Biotechnologen nun, wie die Natur diesen Kofaktor aus zwei Eisen- und zwei Schwefelatomen an der richtigen Stelle des aktiven Zentrums einbaut.

Erst verstehen, dann optimieren

„Um Hydrogenasen für eine industrielle Anwendung zu optimieren, müssen wir zunächst den Prozess verstehen, wie die Proteinhülle den chemischen Kofaktor aufnimmt und aktiviert“, begründet Thomas Happe von der Universität Bochum. „Dieser Kofaktor ist der Dreh- und Angelpunkt des Enzyms“, ergänzt sein Kollege Oliver Lampret. Mit modernen Methoden der Molekularbiologie, der Elektrochemie und mittels Infrarotspektroskopie konnte das Team die genaue Abfolge des Prozesses aufklären, der den katalytischen Kofaktor an seinen Platz bringt.

Negativer Kanal schleust positiven Kofaktor ein

Zunächst entsteht demnach das Proteingerüst des Enzyms. In diesem führt ein positiv geladener Kanal ins aktive Zentrum. Der positiv geladene Kofaktor wandert dort hindurch und wird dann im aktiven Zentrum verankert. Bestimmte Strukturelemente führen daraufhin dazu, dass sich das Enzym anders faltet und den integrierten Kofaktor fest umschließt. Dieser Mechanismus könnte ein wichtiges Prinzip in der Natur sein: „Wir vermuten, dass nicht nur [FeFe]-Hydrogenasen auf diese Weise ihren Kofaktor erhalten, sondern dass der Mechanismus auch in anderen metallhaltigen Enzymen vorkommt“, resümiert Happe.

bl

2002 starben in Australien rund 100.000 Weidetiere an Giftstoffen im Gras. Weltweit werden die jährlichen Schäden auf zwei Milliarden Dollar geschätzt. „In Europa gibt es bisher nur wenige Berichte über solche Vergiftungen von Weidevieh“, berichtet Veronika Vikuk von der Universität Würzburg. Doch wie groß der Anteil giftiger Weidegräser ist, wurde bislang nicht systematisch erfasst. Für Deutschland liefern nun Wissenschaftler der Universität Würzburg erstmals Daten.

Genetische Spuren der giftigen Symbionten gesucht

Da die Giftstoffe nicht von den Pflanzen selbst, sondern von Pilzen erzeugt werden, die die Pflanzen besiedeln, ist es nicht möglich, Pauschalurteile für die jeweilige Pflanzenart zu treffen. Die Forscher nutzten deshalb einen genetischen Ansatz und untersuchten Proben der Pflanzen auf die Pilzgene, die für die Erzeugung der Giftstoffe erforderlich sind. „Gräser können in Symbiose mit endophytischen Pilzen leben. Diese Pilze sind in der Lage, sogenannte Alkaloide zu produzieren, die für Weidevieh giftig sein können“, erläutert Vikuk. Die im Fachjournal „Applied and Environmental Microbiology“ publizierte Studie ergab für Deutschland, dass fünf der 13 hier verbreiteten Grasarten Symbiosen mit den problematischen Epichloë-Pilzen eingehen. Ob die resultierenden Konzentrationen der Giftstoffe hoch genug sind, um Weidetiere zu töten, ist Gegenstand weiterer Analysen.

Weidelgras stark mit Lolitrem B belastet

Bereits vermelden können die Forscher, dass das Wirbeltiergift Lolitrem B im Deutschen Weidelgras in toxischen Konzentrationen vorkommt, nicht aber der Giftstoff Ergovalin: „Wir konnten nachweisen, dass das Startgen für die Herstellung von Ergovalin, einer für Wirbeltiere toxischen Substanz, im heimischen Deutschen Weidelgras weitestgehend fehlt und dass die Substanz auch tatsächlich nicht produziert wird“, berichtet Vikuk.

Aktives Management der Grasartenvielfalt empfohlen

Die Ergebnisse sind von Bedeutung für Saatgutzüchter, die ihr Saatgut zum Teil aktiv mit endophytischen Pilzen besiedeln, da die Pilze die Pflanzen widerstandsfähiger gegen Fressfeinde oder auch Dürre machen. Das beste Mittel, um toxische Folgen für Weidevieh zu vermeiden, sei daher die Artenvielfalt der Gräser, rät Forschungsleiter Jochen Krauß: „Landwirte sollten darauf achten, die Diversität auf Weiden zu erhöhen und Monokulturen, vor allem vom Deutschen Weidelgras zu vermeiden.“ Ein Massensterben von Weidetieren trete vor allem dort auf, wo die Tiere keine Alternative zu den giftigen Gräsern fänden. Können die Tiere auf andere Arten ausweichen, vermeiden sie gefährlich hohe Konzentrationen der Giftstoffe. Weil sich im Zuge des Klimawandels die besonders dürretoleranten symbiontischen Gräser weiter ausbreiten dürften, sollten Landwirte gezielt zugunsten der Gräservielfalt eingreifen.

bl

Alle zehn Jahre findet in Deutschland eine große Waldinventur statt – die nächste im Jahr 2022. Jeweils zur Halbzeit organisiert das Johann-Heinrich-von-Thünen-Institut eine Kohlenstoffinventur als Zwischenbilanz. Deren jüngstes Ergebnis weist nun für den Zeitraum 2012 bis 2017 eine positive Entwicklung der Waldbiomasse aus und damit einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz, wie Wissenschaftler des Thünen-Instituts in der Zeitschrift „AFZ – Der Wald“ berichten.

Holzreichstes Land der EU

2017 betrug der Holzvorrat in deutschen Wäldern demnach 3,9 Milliarden Kubikmeter, was Deutschland zum holzreichsten Land der EU macht. Das Wachstum im fünfjährigen Betrachtungszeitraum lag bei 6% und umfasste damit so viel Zuwachs wie der Zehnjahreszeitraum davor. Zugenommen haben auch der Anteil an Bäumen, die mehr als 120 Jahre alt sind (+6%) sowie die Menge des Totholzes (+1 Kubikmeter/Hektar).

Etwa 7% der jährlichen Treibhausgasemissionen kompensiert

Damit waren 2017 in deutschen Wäldern in der lebenden Biomasse 1,23 Milliarden Tonnen Kohlenstoff gespeichert, fünf Prozent mehr als 2012. Der Kohlenstoff im Totholz belief sich auf 33,6 Millionen Tonnen. Die Dichte der Kohlenstoffvorräte hat dabei ein Rekordhoch erreicht und betrug 113,7 Tonnen je Hektar Wald.

Für das Klima bedeuten die Zahlen, dass das Waldwachstum der Atmosphäre zuletzt jährlich 62 Mio. Tonnen Kohlendioxid entzogen hat. Es kompensiert damit rund sieben Prozent der Treibhausgas-Emissionen Deutschlands. 

Klimakrise gefährdet Zukunft der Wälder

Nach wie vor sind die häufigsten Bäume in Deutschland Nadelbäume: Fichten machen 25% aus, Kiefern 23%. Buchen und Eichen haben lediglich 16 bzw. 10% Anteil an der Waldfläche. Über den Gesamtzustand der Wälder sagt die Kohlenstoffinventur jedoch nichts aus. Eben erst warnte der Bund für Umwelt und Naturschutz, dass Deutschland ein neues Waldsterben bevorstehen könnte. Luftschadstoffe und Überdüngung hätten die Bäume geschwächt, der Boden sei ausgedorrt und die zunehmenden Hitzeperioden infolge der Klimakrise setzten insbesondere den Nadelbaummonokulturen, aber auch vielen Laubbäumen zu.

bl

Tierhaltung bleibt ein sensibles Thema, doch auch andere Bereiche der Agrar- und Ernährungsbranchen sorgen für mediale Aufregung. Zu diesem Fazit kommt der AFC Issue-Monitor-Report 2019. Für den Report wertet die AFC Risk & Crisis Consult GmbH kontinuierlich Meldungen in Online-Portalen, Blogs, Zeitungen, Fernsehen sowie von Verbraucherzentralen, NGOs und Behörden aus. 1.163 Berichterstattungen registriert der neue Report für das Jahr 2018.

429 Berichte kritisieren Umstände der Tierhaltung

Mit 429 Meldungen standen, wie in den Jahren zuvor, die Fleischerzeuger am stärksten in der Kritik. Häufigstes Thema war dabei die Tierhaltung. Um sie ging es in jeder siebten kritischen Meldung, die Agrar- oder Ernährungsbranche betraf. Auf Platz zwei und drei der meist kritisierten Bereiche folgen die Hersteller von Milch oder Milchprodukten (274 Fälle) sowie die Obst- und Gemüseproduzenten (250 Fälle). Aber auch die anderen Teilbranchen blieben nicht verschont: 228 Mal ging es um Süßwaren-, Dauerbackwaren- oder Speiseeishersteller, 207 Mal um Mühlen- oder Stärkeunternehmen und 106 Mal um Würzen- und Soßenhersteller. Manche Themen betrafen gleichzeitig mehrere Branchen.

Trendthemen Umwelt & Landwirtschaft sowie Verpackungsmüll

Die häufigsten Themen waren 2018 dem Report zufolge nach der Tierhaltung Lebensmittelinhaltsstoffe (9,9%), Umweltauswirkungen der Landwirtschaft (7,8%), Verpackungsmüll (6,9%) und Produktkennzeichnung (6,5%). Zwar hat sich die Zahl der Meldungen für alle Top-5-Themenbereiche seit 2014 gesteigert, besonders deutlich ist der Trend jedoch bei den Umweltauswirkungen der Landwirtschaft, die 2014 noch bei etwa 3% lagen, sowie beim Verpackungsmüll, der vor fünf Jahren nur für 1% der Berichte verantwortlich zeichnete. Bei letzterem erklärt sich der Anstieg im Jahr 2018 wohl teilweise durch das Verbot von Einwegplastikartikeln.

Hersteller haben Forderung nach Transparenz erkannt

„Über alle Themen und Issues hinweg wird in der Analyse deutlich, dass die Forderung nach mehr Transparenz zunimmt“, ergänzt Markus Hinskes, Head of Issue Management AFC Risk & Crisis Consult GmbH. „Dass Transparenz der zentrale Anspruch von NGOs, Verbraucherzentralen und Medien ist, dessen sind sich die Verantwortlichen der Unternehmen auch größtenteils bewusst, wie die Ergebnisse einer gemeinsam mit der Bundesvereinigung der Deutschen Ernährungsindustrie e.V. durchgeführten Studie zum Risiko- und Krisenmanagement zeigen“, so Hinskes weiter.

bl

Ab heute lebt die Menschheit "auf Pump"

Der sogenannte Erdüberlastungstag wird von der Organisation Global Footprint Network errechnet und markiert jenen Zeitpunkt, an dem die Menschheit genauso viele Rohstoffe aufgebraucht hat, wie unser Planet in einem Jahr erneuern kann. Nach der aktuellen Rechnung verbrauchen wir pro Jahr 1,75 Erden. Das ist nur durch Ausbeutung der natürlichen Rohstoffe möglich. Wir verbrauchen aktuell jene Ressourcen, die für unsere Kinder und Kindeskinder notwendig wären. Die Folgen dieses globalen Raubbaus sind jetzt in Form von Entwaldung ganzer Landstriche, Bodenerosion, Artensterben und des Anstiegs an CO₂ in der Atmosphäre sichtbar.

Das Datum des Erdüberlastungstags rückt immer weiter nach vorn. Zur Jahrtausendwende vor knapp 20 Jahren fiel dieser Tag noch auf den 23. September. Errechnet wird das Überlastungsdatum seit dem Jahr 1970. Damals fiel der Tag noch auf den 29. Dezember. Bei dem Datum handelt sich um einen globalen Durchschnitt. Es gibt große Unterschiede zwischen den einzelnen Ländern. So hat beispielsweise Indonesien seine Ressourcen erst Mitte Dezember aufgebracht, während wir Deutschen diesen Tag bereits am 3. Mai erreicht hatten.

Noch ist es aber nicht zu spät: Schaffen wir es durch aktive Klimamaßnahmen und Umweltschutz den Erdüberlastungstag jedes Jahr um fünf Tage nach hinten zu verschieben, könnte die Menschheit es noch vor dem Jahr 2050 schaffen, mit unserer einen Erde ein Auskommen zu finden, so die Berechnungen des Global Footprint Network. 

Manche Mikroorganismen aus der Frühzeit des irdischen Lebens besitzen einen Schutzmechanismus gegen radioaktive Schwermetalle. Wissenschaftlerinnen des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) haben diesen Mechanismus nun erstmalig beschrieben und empfehlen, ihn bei der Sicherheitsbewertung möglicher Endlagerstätten für hochradioaktive Abfälle zu berücksichtigen.

Phosphat-Ionen binden die Schwermetall-Ionen

Die sogenannten Haloarchaeen haben ihren Namen daher, dass sie extrem hohe Salzkonzentrationen tolerieren können. Sie kommen daher natürlicherweise in Salzstöcken vor, die als eine Option für die Endlagerung hochradioaktiver Abfälle aus Atomkraftwerken untersucht werden. Beim Studium dieser Mikroorganismen beobachteten Miriam Bader und Andrea Cherkouk vom HZDR, dass die Archaeen beim Kontakt mit gelösten Schwermetall-Ionen Phosphat-Ionen freisetzen. „Die für die Mikroben eigentlich giftigen Schwermetall-Ionen werden dadurch binnen Minuten fest an die Phosphat-Ionen gebunden“, erläutert Bader. „Die gebildeten Phosphat-Minerale sind für die Mikroben nicht mehr gefährlich.“ Selbst hochradioaktive Substanzen können die Archaeen der Art Halobacterium noricense so mineralisieren und für ihren Organismus unschädlich machen.

Worst-Case-Szenario Wassereinbruch im Endlager

Hintergrund der Untersuchung war die Fragestellung, was bei einem Wassereinbruch in eine Atommüllendlagerstätte in einem Salzstock geschehen würde. In einem solchen Fall würden sich geringe Mengen radioaktive Substanzen in der entstehenden Sole lösen. „Dabei müssen wir klären, ob und wie sie sich verändern, denn davon hängt auch ab, wohin und wie weit die Substanzen im Wirtsgestein verlagert werden und ob sie mit dem Sickerwasser in die Umgebung gelangen“, erläutert die Geoökologin Cherkouk. Das Ergebnis präsentierten die Helmholtz-Forscherinnen im Fachjournal „Environmental Science & Technology“.

Selbst hochradioaktive Schwermetalle gelangen nicht in die Umwelt

Mittels zeitaufgelöster laserinduzierte Fluoreszenz-Spektroskopie beobachteten die Forscher, was im Experiment mit Uran geschah: „Zuerst sahen wir das freie, im Wasser gelöste Uranyl-Ion. Das lagerte sich an die Zellwand unserer Archaeen an, die – wie bei allen Lebewesen – hauptsächlich aus organischer Substanz besteht“, beschreibt Bader. Sobald die Mikroorganismen jedoch Phosphat-Ionen absonderten, bildeten sich schnell wachsende Uranylphosphat-Mineralien. „Die Haloarchaeen bilden quasi ein natürliches Wachpersonal für nukleare Abfälle und können recht wirkungsvoll verhindern, dass Uran und andere hochradioaktive Schwermetalle bei einem Wassereinbruch vom Endlager in die Umwelt gelangen“, bringt die Geoökologin das Ergebnis auf den Punkt.

bl

Some microorganisms from the early days of life on earth have a defence mechanism against radioactive heavy metals. Scientists at the Helmholtz Centre Dresden-Rossendorf (HZDR) have now described this mechanism for the first time and recommend that it be considered in the safety assessment of possible repositories for high-level radioactive waste.

Phosphate ions bind heavy metal ions

The so-called haloarchaea derive their name from the fact that they can tolerate extremely high salt concentrations. They therefore occur naturally in salt domes, which are being investigated as an option for the disposal of highly radioactive waste from nuclear power plants. While studying these microorganisms, Miriam Bader and Andrea Cherkouk of the HZDR observed that the archaea release phosphate ions upon contact with dissolved heavy metal ions. "The heavy metal ions, which are actually poisonous to the microbes, are thus firmly bonded to the phosphate ions within minutes," explains Bader. "The phosphate minerals formed are no longer dangerous for the microbes. The archaea of the species Halobacterium noricense can even mineralize highly radioactive substances and render them harmless to their organism.

Worst case scenario: inrush of water in the repository

The background to the investigation was the question of what would happen in a salt dome if water were to enter a nuclear waste repository. In such a case, small amounts of radioactive substances would dissolve in the resulting brine. "We must clarify whether and how they change, because it also depends on where and to what extent the substances are transferred in the host rock and whether they get into the environment with the leachate," explains geoecologist Cherkouk. The Helmholtz researchers presented the results in the journal "Environmental Science & Technology".

Even highly radioactive heavy metals do not escape into the environment

Using time-resolved laser-induced fluorescence spectroscopy, the researchers observed what happened in the experiment with uranium: "First we saw the free uranyl ion dissolved in water. This attached itself to the cell wall of our archaea, which - like all living creatures - consists mainly of organic matter," said Bader. However, as soon as the microorganisms secreted phosphate ions, rapidly growing uranyl phosphate minerals were formed. "The haloarchaea form a natural guard personnel for nuclear waste, so to speak, and can quite effectively prevent uranium and other highly radioactive heavy metals from escaping from the repository into the environment in the event of water inflow," says the geo-ecologist, summarizing the result.

bl/um

Weinanbau ökologisch zu gestalten, ist nicht einfach: Weinreben sind eine intensiv bewirtschaftete Sonderkultur, die nur wenig ökologische Leistungen bereitstellt. Gleichzeitig sind ein hoher maschineller Einsatz und der intensive Gebrauch von Pflanzenschutzmitteln typisch für den Anbau. Eine Möglichkeit, an dieser Situation etwas zu verbessern, könnte die gleichzeitige Haltung von Nutztieren im Weinberg sein. Mangels Praxiserfahrungen schrecken jedoch viele Weinbauern schon vor dem Versuch zurück. Ein Projekt in Baden-Württemberg soll nun für die Beweidung mit Schafen Best-Practice-Empfehlungen herausarbeiten.

Passgenaue Umsetzungsstrategien entwickeln

Für das Projekt „Win-Win-im-Weinberg (W³) – Innovatives, ökologisches und ökonomisches Weinbergmanagement mit extensiver Schafbeweidung“ haben sich Wissenschaftler der Hochschule für Forstwirtschaft Rottenburg, der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg und des Staatlichen Weinbauinstituts Freiburg zusammengeschlossen. „Die stärkere Berücksichtigung von Schafen in deutschen Weinbergen scheitert vor allem an eindeutigen Handlungsanleitungen und Informationen“, begründet Nicolas Schoof von der Universität Freiburg. „Wir werden in naher Zukunft passgenaue Umsetzungsstrategien für unterschiedliche Weinbausysteme liefern, bei denen voraussichtlich auch Schäfereien eine wichtige Rolle spielen werden.“

Begleitvegetation kontrollieren, bodennahe Triebe entfernen

Konkret erhoffen sich die Forscher, dass die Schafe beispielsweise die Begleitvegetation in Schach halten. Sie konkurriert mit den Weinreben um Wasser und Nährstoffe, weshalb Weinbauern sie bislang mechanisch oder chemisch bekämpfen. Das hat negative Begleiteffekte auf die Insektenpopulationen. Außerdem müssen die Weinbauern Triebe in Bodennähe entfernen und händisch oder maschinell die Reben entblättern – eine in Hanglagen anspruchsvolle Aufgabe, die voraussichtlich gut durch Schafe gemeistert werden könnte. Darüber hinaus bedeuten die Schafe durch den Verkauf von Wolle und Fleisch zusätzliche Einnahmemöglichkeiten für Weinbauern.

Erste Ergebnisse sind vielversprechend

Erste Ergebnisse weisen darauf hin, dass Schafe tatsächlich die Unterstockpflege erheblich vereinfachen und auch problematische Arten wie Zaun- und Ackerwinde erfolgreich beseitigen. Das erspart den Weinbauern Arbeit und der Natur chemische Pflanzenschutzmittel. Inwieweit der Einsatz der Schafe insgesamt die Biodiversität im Weinberg beeinflusst und auch Bodenleben und Humusaufbau fördert, soll nun der weitere Projektverlauf zeigen.

Die Stiftung Naturschutzfonds Baden-Württemberg fördert das Forschungsprojekt über vier Jahre mit 380.000 Euro. Die Musella-Stiftung in Freiburg und die Heidehof Stiftung GmbH in Stuttgart geben weitere 21.000 Euro für den Aufbau der Weideinfrastruktur.

bl

Weltweit produzieren geschätzt 100.000 Tierarten Giftstoffe. Manche dienen dem Schutz vor Fressfeinden, andere der Jagd auf Beute. Vielen Giften ist gemein, dass sie in geringer Dosierung das Gegenteil sein können: Wichtige Blutdrucksenker, Gerinnungshemmer und Schmerzmittel basieren auf tierischen Toxinen, und ein Toxin des Bakterium Bacillus thuringiensis sorgt als biologisches Insektizid für Aufsehen. Anders als bei Schlangen oder Spinnen ist über die Giftstoffe von Raubfliegen bislang wenig bekannt. Forscher der Justus-Liebig-Universität Gießen und des LOEWE-Zentrums haben das nun für die auch in Hessen beheimatete Große Wolfsfliege geändert.

Bislang unbekannte Toxine entdeckt

Wie andere Raubinsekten auch, nutzt die Große Wolfsfliege Giftstoffe, um ihre Beute zu jagen. Viele dieser Toxine waren bislang gänzlich unbekannt, wie die Evolutionsbiologen im Fachjournal „GigaScience“ berichten. Genetische Analysen bestätigten, das ein großer Teil der Gifte sich nur in Raubfliegen und nicht in anderen Arten entwickelt hat. „Durch den Vergleich mit den Genomen verwandter Fliegenarten und anderer Insekten konnten wir zeigen, dass neben Toxinfamilien, die auch von anderen giftigen Tieren bekannt sind, in Raubfliegen Toxin kodierende Gene im Laufe der Evolution entstanden sind, die offenbar nur in dieser Gruppe vorkommen“, resümiert Stephan Drukewitz vom Fraunhofer Institut für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie, das am LOEWE-Zentrum beteiligt ist.

Toxine mit artspezifischer Wirkung

Über Millionen Jahre hat die Evolution das Wirkspektrum des Giftcocktails der Großen Wolfsfliege demnach auf deren Beuteinsekten zugeschnitten. Denkbar wäre daher, einzelne der Toxine in der Landwirtschaft als Bioinsektizid einzusetzen, weil die Gifte oft sehr spezifisch nur gegen eine Insektenart wirken. „In Zeiten eines bisher ungesehenen Rückgangs von Insekten ist eine nachhaltige Nutzung von Insektiziden von größter Wichtigkeit“, betont der Forschungsleiter Björn von Reumont.

Protein mit neurotoxischer Wirkung

Jetzt arbeiten die Forscher daran, die Wirkmechanismen der Giftstoffe aus der Großen Wolfsfliege aufzuklären. „Die Aktivität der meisten raubfliegenspezifischen Toxine ist noch unbekannt“, berichtet von Reumont. „Wir testen diese in Bezug auf Einsatzmöglichkeiten gerade aufwändig im Labor in unserer Arbeitsgruppe Tiergifte.“ Ein erstes Toxin mit medizinischem Potenzial hat das Team jedoch bereits identifiziert: Asilidin1, ein kurzes Protein mit neurotoxischer Wirkung.

„Unsere Ergebnisse zeigen, wie wichtig es ist, nicht nur Schlangen, Spinnen und Skorpione, sondern auch weniger bekannte giftige Tiergruppen besser zu untersuchen“, hebt Drukewitz hervor. Die Studie sei die größte vergleichende Genomanalyse, die am Beispiel von Raubfliegen die evolutionären Prozesse untersucht, die der Entstehung der vielfältigen Toxingene zugrunde liegen.

bl

Worldwide, an estimated 100,000 animal species produce toxins. Some serve to protect against predators, others to hunt prey. What many poisons have in common is that they can have the opposite effect in small doses: Important antihypertensives, anticoagulants and pain killers are based on animal toxins, and a toxin of the bacterium Bacillus thuringiensis is making waves as a biological insecticide. Unlike snakes or spiders, little is known about the toxins of predatory flies. Researchers at the Justus Liebig University in Giessen and the LOEWE Centre have now investigated those of a species of robber fly native to Hesse.

So far unknown toxins discovered

Like other predatory insects, the robber fly uses toxins to hunt its prey. Many of these toxins were previously unknown, as evolutionary biologists report in the scientific journal "GigaScience". Genetic analyses confirmed that a large proportion of the toxins developed only in predatory flies and not in other species. "By comparing it with the genomes of related fly species and other insects, we were able to show that, in addition to toxin families known from other poisonous animals, toxin-encoding genes in predatory flies were formed in the course of evolution, which apparently only occur in this group," sums up Stephan Drukewitz of the Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology, which is involved in the LOEWE Center.

Toxins with species-specific effects

Over millions of years, evolution has thus tailored the effectiveness of the robber fly’s poison cocktail to its prey insects. It would therefore be possible to use some of the toxins in agriculture as bioinsecticides, because the toxins often have a very specific effect against only one insect species. "In times of an unprecedented decline in insects, the sustainable use of insecticides is of utmost importance," said Björn von Reumont, head of research.

Protein with neurotoxic effects

The researchers are now working on clarifying the mechanisms of action of the robber fly toxins. "The activity of most predatory fly-specific toxins is still unknown," reports von Reumont. "We are currently testing these toxins in the laboratory of our animal toxins research group in order to determine their potential applications. However, the team has already identified an initial toxin with medical potential: Asilidin1, a short protein with neurotoxic effects."

"Our results show how important it is to better investigate not only snakes, spiders and scorpions, but also lesser known toxic animal groups," Drukewitz emphasizes. The study is the largest comparative genome analysis that uses predatory flies as an example to investigate the evolutionary processes underlying the development of the various toxin genes.

bl/um

Am 4. September 2019 wird es spannend: Dann wird der diesjährige Gewinner des internationalen Studierendenwettbewerbs „Global Biobased Businessplan Competition (G-Bib) gekürt. Nach dem deutschen Halbfinale im Juli sind noch zwei deutsche Beiträge im Rennen. Der Wettbewerb ist eine Aktion des deutsch-belgischen-niederländischen Bio Innovation Growth mega Cluster (BIG-Cluster) und zielt darauf ab, Innovationen und Firmengründungen zu stimulieren. Die Businesspläne müssen sich damit beschäftigen, Chemikalien, neue Materialien oder Kraftstoffe aus erneuerbaren natürlichen Rohstoffen herzustellen.

Deutsche und belgische Studierendenteams im Wettstreit

Teams aus zwei bis fünf Bachelor-, Master- oder PhD-Studenten von deutschen oder belgischen Universitäten können am Wettbewerb teilnehmen. Die Entstehung des Businessplans wird durch Meisterkurse begleitet. Bei den deutschen Teams haben sich in diesem Jahr LignoPure und Engineering Biosurfactants (EBS) bis ins Finale durchgesetzt. Auf den Gewinner wartet eine Finanzspritze, um die eigene Idee weiterzuentwickeln.

Chemiefreie Ligninherstellung und Biotenside aus Zigarettenkippen

LignoPure ist es gelungen, Lignin unter chemiefreien Bedingungen aus Biomasse zu extrahieren und so ein hochwertiges Polymer herzustellen, das für Lebensmittel, Kosmetika oder die Weiterverarbeitung zu speziellen Materialien genutzt werden kann. EPS beabsichtigt in seinem Businessplan, Biotenside aus nachhaltigen Rohstoffen herzustellen und sich damit zunächst an den hochpreisigen Kosmetikmarkt zu richten. Später will sich das studentische Team auch an den gesamten Tensidmarkt wenden. Ihr belgischer Konkurrent im Finale wird das Team Innovived sein, das aus Zigarettenkippenabfällen ein biologisch abbaubares 3D-Druck-Filament produzieren möchte.

Die Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana dient Pflanzenforschern als Modellorganismus, weil ihr Genom vergleichsweise einfach strukturiert ist. Unpraktisch ist es allerdings, wenn die Modellpflanze gar nicht modellhaft für andere Pflanzenarten steht. Das haben Forscher zuletzt wiederholt bei der Ackerschmalwand festgestellt. Auch auf das Immunsystem des wilden Tabaks Nicotiana benthamiana lassen sich die Erkenntnisse aus der Ackerschmalwand nicht übertragen, wie ein Team der Martin-Luther-Universität (MLU) Halle-Wittenberg jetzt im Fachjournal „The Plant Cell“ berichtet.

Wechselspiel zwischen Pathogenen und Pflanzen

Im Jahrtausende alten Kampf zwischen pathogenen Bakterien und Pflanzen haben beide Seiten ihr Waffenarsenal immer wieder an den Gegner angepasst: Pflanzenzellen besitzen an ihrer Oberfläche Rezeptoren, die erkennen, wenn ein schädliches Bakterium anwesend ist, und daraufhin eine Immunreaktion auslösen. Bakterien haben daraufhin sogenannte Effektor-Proteine entwickelt, die diese Immunantwort der Pflanzen verhindern. Doch viele Pflanzen haben ihrerseits Mechanismen entwickelt, die die Effektor-Proteine im Zellinneren aufspüren und eine starke Immunreaktion aktivieren.

Gleicher Rezeptor, anderer Proteinkomplex

Während diese Prozesse in der Ackerschmalwand recht gut verstanden sind, ist das Wissen über den komplexeren wilden Tabak begrenzt. Die MLU-Forscher wollten nun testen, ob die sogenannten TNL-Rezeptoren des pflanzlichen Immunsystems in den Zellen beider Organismen gleich arbeiten. So erfüllen diese ihre Schutzfunktion in der Ackerschmalwand nur im Zusammenspiel mit einem bestimmten Proteinkomplex. „Dabei zeigte sich eine unerwartete Komplexität“, berichtet der Biologe Johannes Stuttmann. Während ein TNL-Rezeptor aus dem Tabak auch in der Ackerschmalwand funktionierte, traf das nicht auf die Gene des Proteinkomplexes zu. „Tatsächlich wird in Tabakpflanzen ein anderer Proteinkomplex für die Immunantwort, induziert durch TNL-Rezeptoren, benötigt als in der Ackerschmalwand. Die Signalwege für Immunreaktionen in verschiedenen Pflanzen sind also offenbar unterschiedlich", resümiert Stuttmann.

Tabak als weiteren Modellorganismus etablieren

Bislang waren Pflanzenforscher davon ausgegangen, dass die Immunmechanismen zwischen den meisten Pflanzenarten weitgehend identisch sind, da sich die beteiligten Proteine evolutionär nur wenig auseinander entwickelt haben. Die Arbeitsgruppe möchte nun N. benthamiana als Modellorganismus für diese und weitere Fragestellungen etablieren. Die Pflanze habe verschiedene Vorteile, die sie für die weiterführende Forschung interessant machen.

bl

The thale cress Arabidopsis thaliana serves plant researchers as a model organism because its genome is relatively simply structured. However, it is impractical if the model plant is not a good model for other plant species. Researchers have recently discovered that this may be the case with thale cress. A team from Martin Luther University (MLU) Halle-Wittenberg reported in the scientific journal "The Plant Cell" that the findings from thale cress cannot be transferred to the immune system of the wild tobacco Nicotiana benthamiana.
 

Interplay between pathogens and plants

In the millennia-old battle between pathogenic bacteria and plants, both sides have repeatedly adapted their arsenal of weapons to the enemy's tactics: Plant cells developed receptors on their surface that recognize when a harmful bacterium is present and then trigger an immune reaction. Bacteria then developed so-called effector proteins that prevent this immune response of the plants. However, many plants have developed mechanisms that detect the effector proteins in the cell interior and activate a strong immune reaction.

Same receptor, different protein complex

While these processes are well understood in thale cress, knowledge about the more complex wild tobacco is limited. The MLU researchers tested whether the so-called TNL receptors of the plant immune system work in the same way in the cells of both organisms. In thale cress, for example, they only fulfil their protective function in interaction with a specific protein complex. "This revealed an unexpected complexity," said the biologist Johannes Stuttmann. While a tobacco TNL receptor also functioned in thale cress, this did not apply to the genes of the protein complex. "In fact, tobacco plants require a different protein complex for the immune response induced by TNL receptors than Arabidopsis. The signalling pathways for immune reactions in different plants are obviously different," said Stuttmann.

Establishing tobacco as an additional model organism

Previously, plant researchers had assumed that the immune mechanisms between most plant species were largely identical, since the proteins involved had developed only slightly apart in evolutionary terms. The group now hopes to establish N. benthamiana as a model organism for these and other questions. The plant has several advantages that make it interesting for further research.

bl & siw

Antibiotika sind eine wirksame Waffe gegen die Erreger vieler Krankheiten. Doch dieses einst scharfe Schwert wird zunehmend stumpf, da immer mehr Krankheitserreger Resistenzen gegen diese Wirkstoffe entwickeln. Die Medizin benötigt daher dringen Antibiotika mit neuen Wirkmechanismen. Zwei solche Stoffe haben nun Forscher der Universität Konstanz vorgestellt. Die Substanzen sind zudem hoch spezifisch, was Nebenwirkungen und die Entstehung weiterer Resistenzen begrenzt.

Von einem bakteriellen Signalstoff abgeschaut

Ursprünglich hatten die Chemiker Signalstoffe des Bakteriums Pseudomonas aeruginosa untersucht. Dabei stießen sie auf einen Signalstoff, der hoch selektiv das Wachstum eines anderen Bakteriums hemmt. Dieses andere Bakterium namens Moraxella catarrhalis ist der Erreger von Atemwegserkrankungen und Mittelohrentzündungen. Ausgehend von diesem natürlichen Signalmolekül entwickelten die Forscher eine neue Klasse von Antibiotika, die nicht nur sehr effektiv, sondern auch außergewöhnlich spezifisch wirkt: Während die Wirkstoffe das Wachstum von Moraxella catarrhalis erfolgreich hemmten, hatten sie selbst auf eng verwandte Arten der gleichen Bakteriengattung keinerlei Effekt, wie die Forscher im Fachjournal „Chemical Science“ berichten.

Parasit gestoppt, bevor er Blutzellen befällt

Nach dem gleichen Prinzip ist es den Konstanzern gelungen, gemeinsam mit Partnern aus den USA hochselektive Wirkstoffe gegen den Malariaerreger zu entwickeln. Im Fachjournal „Chemical Communications“ erläutern sie, wie diese ebenfalls der Natur abgeschaute Substanz funktioniert. Diese sogenannten Chinolon-Ringsysteme greifen demnach den einzelligen Parasiten gezielt in dem Stadium seines Lebens an, in dem er sich in der Leber einnistet, aber noch bevor er beginnt, Blutzellen zu befallen.

Nützliche Darmflora wird geschont

Der große Vorteil solch selektiver Antibiotika liegt nicht nur darin, dass kein Druck auf andere Krankheitserreger entsteht, Resistenzen gegen diesen Wirkstoff zu entwickeln. Anders als sogenannte Breitbandantibiotika werden hier zudem nützliche Darmbakterien verschont und die Darmflora bleibt intakt. Bis zu einem klinisch erprobten und kommerziell erhältlichen Wirkstoff auf Basis dieser Forschungsarbeiten dürfte es jedoch noch einige Jahre dauern – vorausgesetzt, die weitere Entwicklung verläuft ebenfalls erfolgreich.

bl

Das Gefühl der Entspannung und Erholung durch einen Aufenthalt in der Natur kennen wohl die meisten Menschen. Wissenschaftler der Universität Heidelberg und des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben nun untersucht, wie Grünflächen auf das Wohlbefinden wirken und was dabei im Gehirn vor sich geht.

„Die Studie bedurfte eines interdisziplinären Ansatzes, der Methoden aus Epidemiologie, Psychologie, Neuroimaging und Geoinformatik verbindet“, erklärt Ulrich Ebner-Priemer vom KIT. Für die Studie dokumentierten 33 junge Erwachsene mittels speziell ausgestatteter Smartphones eine Woche lang, wann und wo sie sich wie wohlfühlten. Die Wissenschaftler werteten anschließend mit Methoden der Geoinformatik aus, wie groß der Anteil an Grünflächen in der Umgebung jeweils war.

Bewegung und Wetter berücksichtigt

Tatsächlich zeigte sich, dass mehr Grünflächen mit einem höheren Wohlbefinden korrelierten, wie das interdisziplinäre Team im Fachjournal „Nature Neuroscience“ berichtet. Durch die Kombination mit Sensordaten zur körperlichen Aktivität der Studienteilnehmer sowie mit Wetterdaten konnten die Forscher andere wichtige Einflussfaktoren herausrechnen. „Unser Methoden-Setup ermöglichte es festzustellen, ob momentane innerstädtische Grünflächenexposition das Wohlbefinden der Probanden direkt verändert“, erläutert Markus Reichert vom KIT.

Das Team wiederholte den Versuch mit 52 weiteren jungen Erwachsenen, die anschließend einer funktionellen Magnetresonanztomographie unterzogen wurden. Dabei stellte sich heraus, dass Personen mit einer verminderte Aktivität im dorsolateralen präfrontalen Cortex besonders stark auf Grünflächen ansprachen. „Diese Ergebnisse legen nahe, dass Grünflächen besonders für solche Menschen wichtig sind, deren Kapazität vermindert ist, negative Emotionen selbst zu regulieren“, interpretiert Andreas Meyer-Lindenberg von der Universität Heidelberg.

Potenzial zur Prävention psychischer Erkrankungen

Aus früheren Studien ist bereits bekannt, dass Stadtmenschen anders auf Stress reagieren als Landbewohner und auch häufiger an Depressionen oder Angststörungen erkranken. „Entsprechend gut über eine Stadt verteilte Grünflächen könnten ein erhebliches Potenzial zur Prävention psychischer Erkrankungen entfalten“, resümiert Reichert.

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Most people are familiar with the feeling of relaxation and recuperation when spending time in a natural setting. Scientists at the University of Heidelberg and the Karlsruhe Institute of Technology (KIT) have now investigated how green spaces affect well-being and what goes on in the brain.

"The study required an interdisciplinary approach combining methods from epidemiology, psychology, neuroimaging and geoinformatics," explains Ulrich Ebner-Priemer from KIT. For the study, 33 young adults used specifically equipped smartphones to document when and where they felt comfortable for a week. The scientists then used geoinformatics methods to evaluate the proportion of green spaces in the surrounding area.

Movement and weather taken into account

The interdisciplinary team reported in the journal "Nature Neuroscience" that more green spaces indeed correlated with greater well-being. By combining this with sensor data on the physical activity of the study participants and weather data, the researchers were able to calculate other important influencing factors. "Our method setup made it possible to determine whether current inner-city green space exposure directly changed the well-being of the volunteers," explains Markus Reichert from KIT.

The team repeated the experiment with 52 other young adults who were subsequently subjected to functional magnetic resonance imaging. It turned out that people with reduced activity in the dorsolateral prefrontal cortex responded particularly strongly to green areas. "These results suggest that green areas are particularly important for people whose capacity to regulate negative emotions is decreased," interprets Andreas Meyer-Lindenberg from the University of Heidelberg.

Potential for the prevention of mental illnesses

It is already known from earlier studies that urban dwellers react differently to stress than rural dwellers and also suffer more frequently from depression or anxiety disorders. "Accordingly, green spaces well distributed over a city could unfold a considerable potential for the prevention of mental illnesses," Reichert concludes.

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