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Gelber Badischer Landmais, Strenzfelder, Lacaune oder Lizagarotte – in Europa gibt es vom Mais rund 5.000 Landrassen. Sie sind während der rund 400 Jahre des Anbaus ohne systematische Züchtung entstanden. Doch seit rund 50 Jahren existieren sie fast nur noch in Genbanken, und Elite-Zuchtlinien haben ihre Stelle eingenommen. Während letztere auf Ertrag und Qualität optimiert wurden, besitzen die Landrassen andere Stärken: Sie sind robuster, weil sie an unterschiedliche Umweltbedingungen gut angepasst sind. Diese Eigenschaften wünschen sich Züchter in Zeiten der Klimakrise auch für die Hochleistungssorten. Das Forschungsverbundprojekt MAZE, an dem Forscher der Universität Hohenheim maßgeblich beteiligt waren, hat dafür nun die Grundlagen geschaffen.

Zunächst reinerbige Linien erzeugen

„Die genetischen Ressourcen, die in Landrassen schlummern, sind verborgenes Gold, das man allerdings noch schürfen und läutern muss“, erläutert Albrecht Melchinger von der Universität Hohenheim. Denn um leistungsstarke Hybriden zu züchten, benötigt man reinerbige Maislinien. Landrassen sind jedoch gemischterbig. Mit speziellen Tricks haben die Pflanzenforscher daher zunächst aus den Landrassen reinerbige Linien erzeugt.

Kältetoleranz als Schutz vor Dürre

„Das Gold ist damit geschürft. Im zweiten Schritt muss man es läutern“, veranschaulicht Melchinger. „Das heißt die Linien müssen nun im Hinblick auf ihre Kältetoleranz geprüft werden.“ Denn auch wenn es auf den ersten Blick widersinnig klingt: Kältetoleranz kann den Maisanbau in Zeiten des Klimawandels vor Dürreschäden schützen. „Würde der Mais besser mit tiefen Temperaturen klarkommen, könnte man früher aussäen und hätte durch den Wachstumsvorsprung bei der ersten Dürreperiode schon kräftigere Pflanzen“, erklärt Melchinger.

Genetische Vielfalt für Züchtung erschlossen

Gemeinsam mit der KWS Saat AG und der TU München haben die Hohenheimer rund 1.000 Linien auf ihre Kältetoleranz getestet und mit 125 Linien mehrjährige Testkreuzungen durchgeführt, um Ertrag und Qualität zu untersuchen. Immerhin ein Teil der Linien kam der Leistung von Elitesorten dabei nah. „Diese genetische Vielfalt ist nun für die Züchtung erschlossen und steht ihr künftig zur Verfügung“, fasst Melchinger zusammen. Den Luxus, nur auf Ertrag und Qualität abzuzielen, könne die Landwirtschaft sich in Zeiten des Klimawandels nicht mehr leisten. Das Bundesforschungsministerium fördert das MAZE-Projekt mit insgesamt rund 4 Mio. Euro.

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Strenzfelder, Lacaune or Lizagarotte - in Europe there are about 5,000 landraces of maize. They were developed during the 400 years of cultivation without systematic breeding. But for about 50 years, they have existed almost exclusively in gene banks, and elite breeding lines have taken their place. While the latter have been optimized for yield and quality, the land races have other strengths: they are more robust because they are well adapted to different environmental conditions. In times of climate change, breeders are looking for these characteristics for high-performance varieties as well. The MAZE joint research project, in which researchers from the University of Hohenheim played a major role, has now laid the foundations for this.

Generating pure lines

"The genetic resources slumbering in land races are hidden gold that has yet to be mined and purified," explains Albrecht Melchinger from the University of Hohenheim. The breeding of high-performance hybrids requires pure maize lines. However, landraces are mixed hereditary. Using special techniques, the plant researchers started out creating pure lines from the landraces.

Cold tolerance as protection against drought

"Now, the gold has been mined. In the second step, we have to purify it," Melchinger illustrates. "This means that the lines must now be checked with regard to their cold tolerance." Even if it sounds absurd at first glance, cold tolerance can protect maize from drought damage in times of climate change. "If maize could cope better with low temperatures, we could sow earlier and, due to the growth advantage, have stronger plants during the first drought period," Melchinger explains.

Genetic diversity developed for breeding

Together with KWS Saat AG and the Technical University of Munich, the Hohenheim-based company tested around 1,000 lines for their cold tolerance and carried out perennial test cross breedings with 125 lines to test yield and quality. Some of the lines even came close to the performance of elite varieties. "This genetic diversity has now been developed for breeding and will be available to breeders in future," summarizes Melchinger. Agriculture can no longer afford the luxury of focusing only on yield and quality in times of climate change, he stressed. The Federal Ministry of Education and Research is funding the MAZE project with a total of around 4 million euros.

bl/um

Wenn Wissenschaftler von Treibhausgasen sprechen, rechnen sie deren Effekt in CO₂-Äquivalente um. Denn neben dem bekannten Kohlenstoffdioxid gibt es eine Reihe weiterer Gase, die das Klima aufheizen. Distickstoffmonoxid, besser bekannt als Lachgas, ist ein solches Gas, das für das Klima rund 300 Mal so schädlich ist wie CO₂. Geowissenschaftler der Eberhard-Karls-Universität Tübingen haben nun eine bislang unbekannte Quelle dieses Treibhausgases identifiziert.

Bedingungen im Labor nachgestellt

„Bisher ging man davon aus, dass in klassischen marinen Küstensedimenten Lachgas hauptsächlich als Zwischenprodukt bei der Umsetzung von Nitrat durch Bakterien entsteht“, erläutert Andreas Kappler. Doch Messungen hatten mehr Lachgas ergeben als dieser Prozess erklären konnte. Zudem fanden sich auch in den Böden von Reisfeldern und in Flusssedimenten ungeklärte Lachgasquellen. Die Tübinger Forscher haben daher mit Sedimentproben von der dänischen Ostseeküste die dortigen Bedingungen im Labor nachgestellt und und die dort ablaufenden Prozesse analysiert.

Chemischer Prozess erzeugt aus Eisen und Nitrit Lachgas

Demnach sind für gut ein Viertel der Lachgasemissionen in Meeressedimenten nicht mikrobielle, sondern chemische Prozesse verantwortlich, wie die Wissenschaftler im Fachjournal „Scientific Reports“ berichten. „Dabei wird extrem schnell Lachgas gebildet und freigesetzt“, schildert Caroline Schmidt von der Universität Tübingen die Beobachtung. Ganz unbeteiligt seien Mikroorganismen allerdings nicht: Die Ausgangsstoffe dieser Reaktion – zweiwertiges Eisen und Nitrit – werden von Mikroben erzeugt.

Interaktion von Mikroorganismen und Sedimentchemie verstehen

„Die Studie verdeutlicht, wie Prozesse auf kleinster Skala – Interaktionen zwischen Mikroorganismen und der Sedimentchemie – massive Auswirkungen auf globale Umweltphänomene wie die Treibhausgasemission haben können“, resümiert Schmidt. Die Relevanz verdeutlicht Kollege Kappler: „Wir müssen alle durch Menschen verursachten und natürlichen Quellen der Bildung von Treibhausgasen verstehen, um die künftige Klimaentwicklung abschätzen zu können.“

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When scientists talk about greenhouse gases, they convert their effect into CO2 equivalents. In addition to the known carbon dioxide, there are a number of other gases that heat up the climate. Nitrous oxide, also known as laughing gas, is a gas that is around 300 times more harmful to the climate than CO2. Geoscientists at the Eberhard Karls University in Tübingen have now identified a previously unknown source of this greenhouse gas.

Conditions simulated in the laboratory

"Previously, it was assumed that nitrous oxide was mainly created as an intermediate product in the conversion of nitrate by bacteria in typical coastal marine sediments," explains Andreas Kappler. However, measurements had shown more laughing gas than this process could explain. In addition, unexplained nitrous oxide sources were also found in the soils of rice fields and in river sediments. The researchers from Tübingen used sediment samples from the Danish Baltic Sea coast to simulate the conditions in the laboratory and analyze the processes taking place there.

Chemical process forms laughing gas from iron and nitrite

According to the report, chemical processes are responsible for a good quarter of nitrous oxide emissions in marine sediments, rather than microbial processes, as scientists report in the scientific journal "Scientific Reports". "Laughing gas is produced and released extremely quickly," says Caroline Schmidt from the University of Tübingen, describing the observation. However, microorganisms are not completely uninvolved: the starting materials of this reaction - divalent iron and nitrite - are produced by microbes.

Understanding the interaction of microorganisms and sediment chemistry

"The study illustrates how processes on the smallest scale - interactions between microorganisms and sediment chemistry - can have massive effects on global environmental phenomena such as greenhouse gas emissions," Schmidt sums up. The relevance of this issue is made clear by his colleague Kappler: "We must understand all man-made and natural sources of greenhouse gas formation in order to be able to assess future climate developments".

bl/um

Algenblüten sind ein regelmäßiges Phänomen in den Meeren. Wegen des damit verbundenen schnellen Abbaus und der anschließenden Freisetzung von atmosphärischem Kohlenstoff spielt der Prozess eine wichtige Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf. Forscher des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie in Bremen haben nun die Abläufe beim Abbau einer Algenblüte am Beispiel der Frühjahrsalgenblüte vor Helgoland genauer untersucht und darüber in der Fachzeitschrift „The ISME Journal“ berichtet.

Remineralisierung nur unvollständig verstanden

„Sobald die Algen sterben, wird der Kohlenstoff von Mikroorganismen, die die Algenreste nutzen, remineralisiert. Dadurch gelangt er wiederum als Kohlendioxid in die Atmosphäre. Sinken die toten Algen hingegen auf den Meeresgrund, wird die organische Substanz im Sediment vergraben, manchmal für sehr lange Zeit“, erläutert Karen Krüger vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, was bislang bekannt war. Unvollständig verstanden seien hingegen die Details der Remineralisierung des Algenkohlenstoffs gewesen.

Gemeinsam mit Wissenschaftlern der Universität Greifswald und des DOE Joint Genome Institutes in Kalifornien untersuchten die MPI-Forscher daher die Genome der am Abbau beteiligten Bakterien. Dabei gibt es typische Genmuster, sogenannte PUL (polysaccharide utilisation loci), die darauf hinweisen, ob ein Organismus eine bestimmte Art von Mehrfachzuckern metabolisieren kann. „Anders als erwartet war die Vielfalt der wichtigen PULs ziemlich gering“, berichtet Krüger. Im Wesentlichen konsumierten die Bakterien ihren Genen zufolge fünf Gruppen von Mehrfachzuckern: insbesondere Beta-Glucane und Alpha-Glucane, aber auch Mannane, Xylane und Alginate.

Anfangs dominieren einfache Mehrfachzucker

Die Mikrobiologen beobachteten außerdem, dass zu Beginn der Algenblüte besonders einfache Mehrfachzucker dominierten und im Verlauf der Blüte dann von komplexeren Zuckern abgelöst wurden – plausibel, wie MPI-Forscher Ben Francis findet: „Erstens bevorzugen die Bakterien normalerweise leicht-abbaubare Substrate wie einfache Speicherstoffe gegenüber biochemisch anspruchsvolleren Substraten. Zweitens werden im Verlauf der Blüte, wenn immer mehr Algen sterben, immer komplexere Polysaccharide verfügbar.“

Geringe Komplexität erstaunt die Forscher

Erstaunt zeigten sich die Forscher von der Überschaubarkeit der Abbauprodukte und der beteiligten Organismen: „Angesichts dessen, wie vielfältig Algen und Bakterien sind und wie komplex Polysaccharide sein können, waren wir recht überrascht, ein so begrenztes Spektrum an PULs zu finden, und das in vergleichsweise wenigen Bakteriengruppen“, resümiert Francis.

Als nächstes wollen die Forscher die Abbauprozesse im Details analysieren mit dem Abbau anderer Kohlenstoffquellen, beispielsweise in der Arktis oder im Sediment, vergleichen.

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Sie zählt zur Familie der Sonnenblumen, wächst in Afrika als Wildpflanze und gilt vielen als Unkraut: Vernonia galamensis. Doch die Pflanze, die am besten in der Äquatorialregion wächst, hat attraktive Eigenschaften: Ihre Samen weisen einen hohen Anteil an ungesättigten epoxidierten Fettsäuren auf, deren Anteil am Ölgehalt bei einigen in Äthiopien beheimateten Vertretern bis zu 80% betragen kann. Forscher des Max-Planck-Instituts für Chemische Energiekonversion in Mülheim an der Ruhr möchten aus diesem pflanzlichen Rohstoff nun besonderes „grüne“ Kunststoffe herstellen. Projektpartner ist die äthiopischen Universität Addis Ababa.

Katalysatoren für biologisch abbaubare Kunststoffe

„Wir planen wechselseitige Aufenthalte von Doktoranden und technischen Mitarbeitern an den jeweiligen Instituten, um so Kontakte aufzubauen und einen wissenschaftlichen und interkulturellen Austausch zu schaffen“, erläutert MPI-Direktor Walter Leitner einen wichtigen Zustznutzen. Wissenschaftlich muss das Team nicht bei Null anfangen, denn Vernoniaöl wird bereits zur Herstellung von Klebstoffen, Lacken und Farben genutzt. Die Forschungskooperation möchte nun Katalysatoren entwickeln, mit deren Hilfe aus dem Öl der Vernonia galamensis biologisch abbaubare Kunststoffe und Klebstoffe hergestellt werden können.

Potenzial für äthiopische Wirtschaft

„Wenn man nachweisen kann, dass sich aus dem vermeintlichen Unkraut nachhaltige Produkte herstellen lassen können, wäre das nicht nur ein Fortschritt auf dem Gebiet der grünen Chemie, sondern auch ein lukratives Exportprodukt für Äthiopien“, hofft Yonas Chebude, Leiter der Fakultät für Chemie in Addis Ababa. Obwohl es bereits eine große Nachfrage nach Vernoniaöl gibt, fehlt bislang jedoch ein kommerzieller Anbau in Äthiopien.

Privat finanziert

Zunächst ist das Projekt auf ein Jahr begrenzt und wird durch eine private Spenderin finanziert. „Es ist mir eine Herzensangelegenheit, dieses vielversprechende Projekt zu unterstützen“, sagt sie. „Denn wenn sich alles umsetzen lässt wie geplant, wird wirklich vor Ort geforscht und produziert und das käme dem Land Äthiopien sehr zugute.“

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It belongs to the sunflower family, grows in Africa as a wild plant and is considered by many to be a weed: Vernonia galamensis, commonly known as ironweed. But the plant that can only grow along the equator has attractive properties: Its seeds contain a high proportion of unsaturated epoxidized fatty acids, which can account for up to 80% of the oil content in some Ethiopian species. Researchers at the Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion in Mülheim an der Ruhr now want to produce special "green" plastics from this vegetable raw material. The project partner is the Ethiopian University of Addis Ababa.

Catalysts for biodegradable plastics

"We are planning mutual research visits for doctoral students and technical staff at both institutes in order to establish contacts and create a scientific and intercultural exchange," explains MPI Director Walter Leitner. Scientifically, the team doesn't have to start from scratch, because vernonia oil is already used in the production of adhesives, paints and varnishes. The research cooperation now wants to develop catalysts that can be used to produce biodegradable plastics and adhesives from the oil of Vernonia galamensis.

Potential for Ethiopian economy

"If one can prove that sustainable products can be produced from the supposed weeds, this would not only be progress in the field of green chemistry but also a lucrative export product for Ethiopia," hopes Yonas Chebude, head of the Faculty of Chemistry in Addis Ababa. Although there is already great demand for vernonia oil, there is still no commercial cultivation in Ethiopia.

Privately financed

Initially, the project is limited to one year and is financed by a private donor. "Supporting this promising project is a matter close to my heart," she says, "If sustainable products can be made from Vernonia galamensis, this would greatly benefit Ethiopia, because research and production would take place locally."

bl/um

Am 29. Mai 2019 hatte Deutschland gemessen am seinem Bevölkerungsanteil alle Ressourcen verbraucht, die die Erde in einem Jahr nachhaltig bereitstellen kann. Gleichzeitig gilt vielen Wirtschaftswissenschaftlern ein stetiges Wirtschaftswachstum als unerlässlich. Einen möglichen Ausweg aus diesem Zielkonflikt stellt die Kreislaufwirtschaft dar – international als Circular Economy bezeichnet. Zirkulares, ressourcenschonendes Wirtschaften bedeutet nicht nur Recycling, sondern auch das Schließen von Material- und Energiekreisläufen.

Für Deutschland ist nun eine Initiative für Kreislaufwirtschaft gestartet, die Circular Economy Initiative Deutschland (CEID). Sie will ein nationales Konzept für eine Kreislaufwirtschaft erarbeiten und Ziele definieren, die auf den Weg dahin erreicht werden müssen. Dem Lenkungskreis gehören Akteure aus Wirtschaft, Wissenschaft und Zivilgesellschaft an. Koordiniert wird die Initiative von der Deutschen Akademie der Technikwissenschaften (acatech).

Wertschöpfungsketten zu Kreisläufen verbinden

Thomas Weber, Co-Vorsitzender der CEID und Vizepräsident der acatech, erläuterte zum Auftakt  Vorhaben: „Mit Recycling und zunehmend effizienteren (industriellen) Prozessen sind wir in Deutschland zumindest in einzelnen Bereichen schon in die richtige Richtung unterwegs. Wenn wir wirklich nachhaltiges Wachstum ermöglichen wollen, müssen wir allerdings neu und systemischer denken. Mit der Vision einer Circular Economy zeigen wir neue, effektive Wege auf, wie Wertschöpfungsketten zu Kreisläufen verbunden werden können, sodass Abfälle und Emissionen zum Nutzen von Mensch und Umwelt soweit wie möglich vermieden werden.“

Bislang nur Teilaspekte adressiert

Eine Vorstudie, die die Stiftung Mercator und die European Climate Foundation finanziert haben, hat gezeigt, das zahlreiche Länder bereits Pläne für den Übergang zu einer Kreislaufwirtschaft entwickelt haben, darunter die Niederlande, Luxemburg und Portugal, aber auch China, Japan und Kanada. Für Deutschland stellt die Vorstudie fest: Auch wenn bereits eine Vielzahl ressourcenpolitischer Instrumente, welche die Privatwirtschaft, die Zivilgesellschaft und die Wissenschaft mobilisieren soll, umgesetzt werde, hätten diese bisher eher einen inkrementellen Charakter und adressierten nur Teilaspekte eines Circular Economy Narratives. Die Autoren der Studie fordern daher: „Es wird deshalb Zeit für eine deutsche Circular Economy Strategie.“

Wichtig zum Erreichen der Klimaziele

Lars Grotewold, Bereichsleiter Klimawandel der Stiftung Mercator, kommentierte die Vorstudie: „Der Ansatz der Circular Economy hat ein bisher noch unzureichend berücksichtigtes Potenzial – nicht zuletzt auch für den Klimaschutz.“ Zum Erreichen der Klimaziele müsse gerade ein Industrieland wie Deutschland dieses Potenzial voll ausschöpfen. „Die Analysen von acatech und SYSTEMIQ zeigen, dass andere Länder Deutschland hier bereits voraus sind.“

Bundesforschungsministerium unterstützt die Initiative

Zum Auftakt der Circular Economy Initiative resümierte daher auch Thomas Rachel, Parlamentarischer Staatssekretär im Bundesforschungsministerium: „Wir brauchen eine ressourceneffiziente Kreislaufwirtschaft, damit auch zukünftige Generationen in einer intakten Umwelt gesund und in Wohlstand leben können.“ Das Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstütze deshalb die Beteiligten dabei, den Wandel hin zu einer ressourceneffizienten Kreislaufwirtschaft intensiv voranzutreiben.

bl/pg

Rund eine Million Tier- und Pflanzenarten sind derzeit in Gefahr auszusterben, warnte vor wenigen Wochen der Weltbiodiversitätsrat in seinem jüngsten Bericht. Dabei sind bislang lediglich 1,75 Millionen Arten bekannt. Um die pflanzliche Vielfalt zu bewahren und nicht zuletzt das genetische Potenzial – beispielsweise für die Pharmaforschung – zu erhalten, konservieren Saatgutbanken die Samen vieler Pflanzenarten. Die Bestände sind jedoch nur von Wert, wenn sie noch keimfähig sind. Pflanzenforscher der Universität Osnabrück haben dafür jetzt einen einfachen Schnelltest entwickelt.

Samen werden nicht geschädigt

Bislang waren Keimfähigkeitstest zeit- und arbeitsaufwendig, nicht immer eindeutig oder konnten sogar die Samen beschädigen. Das ist beim neuen Test anders, wie die Forscher im Fachjournal „Trends in Plant Science“ berichten. „Keimfähige Samen werden durch den Test nicht geschädigt und können später erneut getestet werden“, betont der Pflanzenforscher Klaus Mummenhoff von der Universität Osnabrück.

Farbe zeigt Zustand an

Die Anwendung des Tests beschreibt Mummenhoff so: „Für den jetzt in Osnabrück entwickelten einfach durchzuführenden und zuverlässigen Test wird zu einzelnen Samen eine Testflüssigkeit gegeben und ein Farbumschlag zeigt die Keimfähigkeit an.“ Dabei beruht der Farbumschlag auf organischen Substanzen, die in alternden Samen freigesetzt werden. Blau weist auf voll vitale und keimfähige Samen hin, Pink signalisiert alternde Samen, und wenn die Flüssigkeit farblos wird, ist der Samen nur noch bedingt keimfähig oder schon abgestorben. In diesem Fall ist die sofortige Nachzucht erforderlich.

Schnell und günstig

Ein weitere Vorteil des Tests besteht für Saatgutbanken darin, dass er mit üblichen Laborgeräten automatisiert werden kann. Tausende von Samenproben können so in nur einem Tag getestet werden. Obendrein ist das Verfahren günstig: „Bei Kosten von weniger als einem Euro pro 1000 Samenproben ist unser Test besonders interessant für Institutionen in unterentwickelten Ländern“, betont Mummenhoff.

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Around one million animal and plant species are currently in danger of extinction, the World Biodiversity Council warned a few weeks ago in its latest report. Only 1.75 million species are known to date. Seed banks conserve the seeds of many plant species in order to preserve plant diversity and, last but not least, preserve the genetic potential, for example for pharmaceutical research. However, the stocks are only of value if they are still viable. Plant researchers at the University of Osnabrück have now developed a simple rapid test for this purpose.

Seeds are not damaged

Up to now, germination tests have been time-consuming and labor-intensive, not always conclusive or sometimes even able to damage the seeds. This is different with the new test, as the researchers report in the specialist journal "Trends in Plant Science". "Germinatable seeds are not damaged by the test and can be re-tested later," stresses plant researcher Klaus Mummenhoff from the University of Osnabrück.

Color indicates condition

Mummenhoff describes the application of the test as follows: "For the reliable test now developed in Osnabrück, which is easy to perform, a test liquid is added to individual seeds and a color change indicates the germination capacity. The color change is based on organic substances released in aging seeds. Blue indicates fully vital and germinable seeds, pink signals aging seeds, and when the liquid becomes colourless, the seed is only partially germinable or already dead. In this case, immediate reproduction is necessary.

Fast and inexpensive

Another advantage of the test for seedbanks is that it can be automated with standard laboratory equipment. Thousands of seed samples can be tested in just one day. In addition, the method is inexpensive: "At a cost of less than one euro per 1000 seed samples, our test is particularly interesting for institutions in underdeveloped countries," emphasizes Mummenhoff.

bl/um

Sie sitzen fest verankert am Meeresgrund. Auch die peitschende Brandung an den Küsten kann ihnen wenig anhaben – Miesmuscheln. Das Geheimnis ihrer Widerstandfähigkeit liegt in den Füßen: Die Schalentiere stellen dort ein Protein her, das unter Wasser so gut klebt wie kein anderes Material. Egal ob Stein, Metall oder Kunststoff, der Muschelkleber haftet enorm effizient auf den unterschiedlichsten Oberflächen.

Solch ein Klebstoff ist besonders in der Chirurgie und der Regenerativen Medizin ein gefragtes Werkzeug. Denn mit biokompatiblen Klebern könnten komplizierte Knochenbrüche rasch behandelt werden, anstatt sie aufwendig mit Schrauben, Nägeln oder Platten richten zu müssen. Aber auch Hautwunden und andere Gewebeverletzungen ließen sich mit einem solchen Nassklebstoff wieder verschließen.

Haftprotein-Gewinnung aus Muscheln zu aufwendig

Daher ist der Superkleber aus Muschelfußprotein schon seit Längerem ins Visier von Materialforschern und Medizinprodukteherstellern geraten. Allerdings ist es sehr aufwendig, das Haftprotein in größeren Mengen aus den Meerestieren zu gewinnen. Versuche, die Substanz chemisch zu synthetisieren, schlugen bisher fehl oder waren nicht wirtschaftlich. Eine weitere Herausforderung: Einmal zusammengerührt beginnt der Muschelkleber sofort zu kleben. Er ist dadurch schwer zu handhaben.

Im Rahmen eines Projektes aus der BMBF-Fördermaßnahme Ideenwettbewerb „Neue Produkte für die Bioökonomie“ entwickelt ein Team um Nediljko Budisa von der Technischen Universität Berlin ein biotechnologisches Verfahren, um den Superkleber in einer anwendungsfreundlicheren Form im Labor herzustellen.

Bakterien umprogrammiert

Dazu haben die Biotechnologen das Bakterium Escherichia coli so umfunktioniert, dass es fortan das Muschelfußprotein herstellen kann. Chemische Analysen haben offenbart: Die Aminosäure L-DOPA ist für die Superklebekraft des Leims verantwortlich. L-DOPA ist allerdings eine nicht-proteinogene Aminosäure – sie gehört von Natur aus nicht zum Repertoire der Proteinsynthese in der Zelle. In natürlichen Proteinen entsteht L-DOPA erst in nachgeschalteten Schritten durch einen biochemischen Prozess, der posttranslationale Modifikation genannt wird. L-DOPA ist allerdings auch sehr reaktiv, sodass das Protein von Anfang an überall kleben würde. Um dies zu vermeiden haben die Chemiker im Team noch die Schutzgruppe ortho-Nitrobenzol (oNB) an das L-DOPA gehängt.

Um die Bakterien zu Muschelproteinfabriken umzugestalten, die die nicht in der Natur vorkommende, sozusagen fremde (Xeno-) Aminosäure oNB-DOPA verwerten können, haben die Forscher den genetischen Code ihrer Organismen erweitert – eine Herangehensweise, die deshalb auch als Xenobiologie oder Synthetische Biologie bezeichnet wird.

Fortan können die Mikroben die Aminosäure direkt in ihrer Proteinsynthese verwenden. Der Clou: Da die Berliner Wissenschaftler die reaktive Catecholgruppe von L-DOPA mit der Schutzgruppe abgeschirmt haben,  fungiert oNB-DOPA wie ein fotoaktivierbarer Schutzschalter. Erst wenn man das Muschelprotein mit UV-Licht bestrahlt, wird seine Klebeeigenschaft aktiviert. „Diese Schutzgruppe macht den Kleber überhaupt erst für die Praxis tauglich“, sagt Projektmitarbeiter Christian Schipp.

Förderung im Rahmen des Ideenwettbewerbs

Der Ideenwettbewerb „Neue Produkte für die Bioökonomie“ bietet Menschen mit originellen Produktideen für eine biobasierte Wirtschaft eine einfache Startförderung. Die Förderung erfolgt zweistufig. In der Sondierungsphase können Interessierte ihre Idee ausloten, einen Projektplan aufstellen und geeignete Partner suchen. In der etwa zweijährigen Machbarkeitsphase unterstützt das Bundesforschungsministerium die Projektpartner, damit aus der Idee tatsächlich ein Produkt oder eine Unternehmung werden kann.

„Ohne die BMBF-Förderung wäre unser ambitioniertes Projekt sicher nicht weitergegangen. Die Sondierungsphase bot uns die Möglichkeit, ein möglichst breites Konsortium für die Umsetzung unserer Idee zusammenzustellen“, sagt Schipp. Für die Machbarkeitsphase des XenoGlue-Projekts hat er ein Konsortium mit sechs Partnern zusammengestellt, damit aus der Idee bald ein marktreifes Medizinprodukt werden kann. Das BMBF unterstützt das Vorhaben in der Machbarkeitsphase mit insgesamt 1,2 Mio. Euro.

Produktionsprozess optimieren und klinische Tests

„Wir wollen bei der Produktionsmenge vom Milligramm- in den Grammbereich vorstoßen“, erläutert Schipp.  Mit den Bioverfahrenstechnikern der TU Berlin und der Firma EloSystems GbR entwickelt das Xenoglue-Team Produktionsprozesse, die auch klinischen Qualitätsstandards genügen. Zudem wird der Nassklebstoff zur Behandlung oberflächlicher Wunden in der Tiermedizin erprobt. Der Partner Cellbricks GmbH entwickelt Hautmodelle, an denen die Biotechnologen die Klebekraft ihres Produkts ausgiebig testen können. Das Unternehmen Dendropharm wiederum entwickelt die richtige Zusammensetzung des Muschelklebers und testet ihn dann an Kleintieren. Überzeugt der Kleber hier, wollen die Biotechnologen auch erste klinische Studien starten und ein Unternehmen namens „XenoGlue“ gründen.

Erste Schritte auf diesem Weg hat das Team um Schipp bereits gemeistert. Im vergangenen Jahr zählten die Berliner zu den Gewinnern des Science4Life-Businessplan-Wettbewerbs. Auch die Initiative „Deutschland – Land der Ideen“ ist auf das Projekt aufmerksam geworden. 2018 wurde das Projektteam als ausgezeichneter Ort im Land der Ideen prämiert.

Autor: Philipp Graf

They sit tight on the seabed, and even the waves hitting the coast can’t harm them – mussels. The secret of their resilience lies in their feet: The shellfish’s feet produce a protein that sticks underwater like no other substance. Be it stone, metal, or plastic: the mussel adhesive sticks extremely well to almost any surface.

This kind of glue is in high demand for surgery and regenerative medicine. In place of time-consuming treatment involving screws, nails or plates, complicated bone fractures can be sorted quickly using biocompatible glues. Wounds to the skin and other tissues can also be closed using such wet glues.

Extraction of adhesive protein too costly

The superglue made from the protein found in mussels’ feet has been a target of material science researchers and medical product manufacturers for a long time. Yet generating large quantities of adhesive protein from the sea creatures is a particularly complicated task. To date, attempts at chemical synthesis have either failed or were not cost-effective. And it brings with it a further challenge: The mussel glue begins to adhere immediately as soon as it’s mixed together. That makes it difficult to handle.

As part of a project from the BMBF funding measure "New Products for Bioeconomics", a team led by Nediljko Budisa of Technische Universität Berlin developed a biotechnological procedure to produce the superglue in the lab in an user-friendlier format.

The biotechnologists have reprogrammed the bacterium E. coli so that it is able to produce the mussel foot protein. Chemical analyses revealed that the amino acid L-DOPA is responsible for the paste’s excellent adhesive powers. L-DOPA is a non-canonical amino acid, however it doesn’t occur naturally in the repertoire of protein synthesis within cells. In natural proteins, L-DOPA is generated in downstream stages through a biochemical process known as post-translational modification. However, L-DOPA is also very reactive, so that the protein would stick everywhere right from the start. In order to avoid this, the chemists in the team have added the protective group ortho-nitrobenzene (oNB) to the L-DOPA.

To transform the bacteria into mussel protein factories that are able to use the foreign (xeno) amino acid oNB-DOPA (which does not occur in nature), the researchers extended their genetic code – an approach that is therefore also referred to as xenobiology or synthetic biology.

From now on, the microbes can integrate the amino acid directly in their protein synthesis process. The trick: oNB-DOPA functions much like a photoactivatable safety switch. Its adhesive properties are only activated once the mussel protein has been irradiated with UV light. “This protecting group is what makes the glue suitable for a real-life setting at all”, says Christian Schipp, a member of the project team.

Support from the ideas competition

The "New Products for the Bioeconomy" ideas competition offers people with original product ideas for a bio-based economy a simple starting grant. The funding is provided in two stages. In the exploratory phase, interested parties can sound out their ideas, draw up a project plan and find suitable partners. During the two-year feasibility phase, the Federal Ministry of Education and Research supports the project partners so that the idea can actually become a product or a company.

"This ambitious project certainly wouldn’t have progressed without the BMBF grant. The test phase offered us the opportunity to create as extensive a consortium as possible for the implementation of our idea," said Schipp. For the feasibility phase of the XenoGlue project, Schipp has put together a consortium of six partners so that the idea can soon become a marketable medical device. The BMBF is supporting the project in the feasibility phase with a total of 1.2 million euros. 

Optimizing the production process and clinical testing

"We want to advance production quantities from milligrams to grams," explains Schipp.  The Xenoglue team is working with bioprocess engineers from TU Berlin and EloSystems GbR to develop production processes that also meet clinical quality standards. The wet adhesive is also being tested in veterinary medicine for the treatment of superficial wounds. The partner Cellbricks GmbH develops skin models that biotechnologists can use to extensively test the adhesive strength of their products. The company Dendropharm in turn develops the correct composition of the mussel glue and then tests it on small animals. If the adhesive is convincing, the biotechnologists also want to start initial clinical studies and found a company called "XenoGlue".

Schipp and his team have already taken the first steps in this direction. Last year, the Berlin-based company was one of the winners of the Science4Life business plan competition. The initiative "Germany - Land of Ideas" also took notice of the project. In 2018, the project team was awarded a prize as an "outstanding location in the land of ideas". 

Ebenso wie der Mensch als Ganzes altert auch sein Erbgut. Einer dieser Alterungsmechanismen ist die Methylierung, bei der kleine Moleküle, sogenannte Methylgruppen, an die DNA angeheftet werden. Oftmals haben diese Methylierungen eine regulatorische Funktion und sind reversibel. Doch unter dem Strich nimmt das Ausmaß der Methylierung im Verlauf des Lebens zu. Fraunhofer-Forscher haben jetzt im Projekt „DrugTarget“ eine Methode entwickelt, um anhand der Methylierungen das Alter eines Menschen zu bestimmen.

Bis auf wenige Monate genau

Ein Mundschleimhautabstrich und dessen genetische Analyse einschließlich des Methylierungszustands bilden die Grundlage des Alterungstests. Eine vom Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie (IME) entwickelte Software wertet die Methylierungen aus und errechnet daraus das biologische Alter der Testperson. Bei ersten Versuchen mit 150 Probanden lag das Programm maximal ein paar Monate neben dem chronologischen Alter. Die Firma Cerascreen bietet den Test bereits als Life-Style-Produkt gesundheitsbewussten Personen an, die wissen wollen, wie biologisch jung ihr Körper tatsächlich ist.

Methylierte Gene reaktivieren

Die Fraunhofer-Forscher verfolgen allerdings ein anderes Ziel. Methylierungen blockieren die Aktivität des jeweiligen Gens und können zur Entstehung von Krankheiten beitragen. Die Wissenschaftler möchten deswegen gezielt Methylierungen einzelner Gene aufheben. „Heute gibt es riesige Datenbanken mit mehreren Tausend Wirkstoffen, die wir im Labor durchtesten wollen, um herauszufinden, ob diese bei bestimmten Methylierungen wirken“, erläutert Fraunhofer-Forscher Carsten Claussen. Zusätzlich will das Team neue Wirkstoffe entwickeln und testen.

Software zur Wirkstoffsuche

Wesentlichen Anteil daran soll die eigens entwickelte Software haben: „Der Algorithmus ist in der Lage, auch bislang unbekannte Felder im Erbgut zu finden, in denen relevante Gene stecken“, erklärt Claussen und denkt dabei vor allem an Gene, die aufgrund ihrer Methylierung ausfallen und so zum Ziel für Therapien werden könnten. Die Anwendung erleichtern soll ein Programm, dass die Kollegen vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Informationstechnik (FIT) beisteuern. „Damit wird es möglich, die genetische Information beispielsweise mit der Suche in internationalen Datenbanken und öffentlichen Listen zu verknüpfen – etwa, wenn in den Daten plötzlich ein auffälliges Gen angezeigt wird“, schildert Carina Goretzky vom FIT. „So kann man schnell nachprüfen, ob das Gen schon bekannt ist, oder ob bereits bestimmte Wirkstoffe existieren, die interessant sein könnten.“

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As people age, so does their genetic material. One of these aging mechanisms is methylation, in which small molecules, so-called methyl groups, are attached to the DNA. These methylations often have a regulatory function and are reversible. However, the overall extent of methylation increases over the course of a lifetime. In the "DrugTarget" project, Fraunhofer researchers have now developed a method for determining a person's age on the basis of methylations.

Accurate to within a few months

An oral mucosal swab and its genetic analysis including methylation status form the basis of the aging test. Software developed by the Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology (IME) evaluates the methylations and calculates the biological age of the test person. In the first experiments with 150 volunteers, the programme missed the chronological age by no more than a few months. Cerascreen already offers the test as a lifestyle product to health-conscious people who want to know how biologically young their body really is.

Reactivating methylated genes

However, the Fraunhofer researchers are following a different goal. Methylations block the activity of the respective gene and can contribute to the development of diseases. The scientists would therefore like to selectively remove methylations from individual genes. "Today there are enormous databases with thousands of compounds we want to test in the laboratory to find out whether they are effective in altering the methylation of inviduals," explains Fraunhofer researcher Carsten Claussen. In addition, the team wants to develop and test new active substances.

Software for drug discovery

The software developed in-house will make a significant contribution to this. "The algorithm is using previously unknown areas of the genome to predict age which is a very exciting discovery," explains Claussen, thinking in particular of genes that fail due to their methylation and could thus become the target for therapies. The application will be supported by a programme contributed by colleagues from the Fraunhofer Institute for Applied Information Technology (FIT). "Now we can link the methylation information with genes and compounds identified from international publically accessible databases in order to rank the targets for therapeutic intervention," explains Carina Goretzky from FIT. This makes it possible to quickly check whether the gene is already known or whether interesting active substances are already in use.

bl/um

Erdöl ist für die chemische Industrie so wertvoll wegen der enthaltenen Kohlenstoffverbindungen. Doch nicht nur pflanzliche Biomasse, auch das Treibhausgas Kohlendioxid kommt als alternative Kohlenstoffquelle für chemische Prozesse in Frage – sofern diese Prozesse profitabel sind. Ein Schlüsselelement für die Wirtschaftlichkeit sind dabei Katalysatoren. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) arbeiten daran, solche Katalysatoren und Prozesse zu optimieren. Für die Herstellung von Ethen ist ihnen das in den Institutsteilen in Leuna und in Straubing mit einer eigens entwickelten elektrochemischen Zelle in größerem Maßstab gelungen.

Ethenproduktion im industrienahen Maßstab

„Mit dieser Anlage produzieren wir auf 130 Quadratzentimetern Elektrodenfläche und mit eigenen Katalysatoren Ethen aus CO₂ und Wasser in einem einzigen Schritt“, berichtet IGB-Forscher Carsten Pietzka. Vergleichbare Ergebnisse für diesen Elektrosyntheseprozess seien bislang nur im Labormaßstab erzielt worden, „mit Elektrodenflächen von wenigen Quadratzentimetern und nur in kleinem Maßstab herstellbaren Katalysatoren“, so der Chemiker. Eine neue Elektrolyseplattform soll ab 2020 ermöglichen, den Prozess in den industrienahen Maßstab zu skalieren. Nachhaltig seien diese Verfahren natürlich nur, wenn der genutzte Strom aus regenerativen Quellen stamme, betonen die Forscher.

Für die Herstellung von Methanol haben IGB-Forscher die Erzeugung der zugehörigen Katalysatoren revolutioniert. Bislang wurden diese aufwändig in mehreren Zwischenstufen aus kupferhaltigen Lösungen hergestellt. „Um bei der Katalysatorsynthese im industriellen Maßstab Energie, Zeit und Ressourcen einzusparen, haben wir das Verfahren für den kontinuierlichen Betrieb optimiert“, erklärt IGB-Forscher Lénárd Csepei. Außerdem haben die Chemiker ein Verfahren entwickelt und zum Patent angemeldet, das es vereinfacht, Katalysatoren unterschiedlichster Elementzusammensetzungen herzustellen.

Katalysatortest im Hochdurchsatz

Um die Leistungsfähigkeit der neuen Katalysatoren zu testen, haben die Wissenschaftler eine spezielle Apparatur entwickelt. „In unserem Mehrzwecksystem mit vier parallelen Reaktorrohren können wir Katalysatoren unter verschiedenen Reaktionsbedingungen – etwa unterschiedlichen Synthesegasgemischen, Drücken und Temperaturen – im Hochdurchsatz testen“, schildert Csepei. Einer der wichtigsten Faktoren für einen Katalysator sei die möglichst hohe Ausbeute an gewünschtem Produkt. Nebenprodukte sollten möglichst nicht entstehen.

Doch den Wissenschaftlern geht es um mehr als Katalysatoren. „Wir entwickeln auch neue Verfahren und konstruieren entsprechende Apparate, um CO₂ elektrochemisch – mit Strom aus erneuerbaren Energien – oder chemisch umzuwandeln, oder kombinieren diese mit biotechnologischen Verfahren“, erläutert Gerd Unkelbach, der am IGB das Geschäftsfeld „Nachhaltige Chemie“ verantwortet.

Synthesegas mit biotechnologischer Fermentation koppeln

Weil die elektrochemische Herstellung von Chemikalien aus Kohlendioxid nur im wirklich großen Maßstab konkurrenzfähig zur erdölbasierten Alternative ist, arbeiten die Fraunhofer-Forscher an einer Lösung für kleinere Emittenten wie Biogasanlagen oder Brauereien: Sie wollen die Synthese direkt mit einer biotechnologischen Fermentation zu höherwertigen Chemikalien koppeln. „Über eine neue Reaktionsführung wird Methanol dabei zum Zwischenprodukt und – ohne weiteren Aufarbeitungsschritt – in bestimmten Zeitabständen direkt in einen Fermenter gepumpt“, beschreibt Csepei das Ziel. Die Mikroorganismen verwenden das Methanol als einzige Kohlenstoffquelle und produzieren beispielsweise Milchsäure, Isopren, Polyhydroxybuttersäure und langkettige Terpene – Produkte, für die sich gute Preise erzielen lassen, da die herkömmliche Herstellung auf chemisch-katalytischem Weg aufwendig und teuer ist.

bl

Crude oil is of great value to the chemical industry because of the carbon compounds it contains. Not only vegetable biomass, but also the greenhouse gas carbon dioxide can be considered as an alternative source of carbon for chemical processes - as long as these processes are profitable. Catalysts are a key element for economic efficiency. Researchers at the Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology (IGB) are working on optimizing such catalysts and processes. For the production of ethylene, they have achieved this on a larger scale in the Leuna and Straubing parts of the institute with a specially developed electrochemical cell.

Ethylene production on an industrial scale

"With this system, we produce ethylene from CO₂ and water in one single step on an electrode surface of 130 cm² and with our own catalysts," reports IGB researcher Carsten Pietzka. Comparable results for this electrosynthesis process have so far only been achieved on a laboratory scale, "with electrode surfaces of just a few square centimeters and catalysts that can only be produced on a small scale," says the chemist. From 2020, a new electrolysis platform will make it possible to scale the process to an industrial scale. The researchers emphasize that, naturally, these processes are only sustainable if the electricity used comes from regenerative sources.

For the production of methanol, IGB researchers have revolutionized the production of the associated catalysts. So far, these have been produced from copper-containing solutions in several complex intermediate stages. "In order to save energy, time and resources during catalyst synthesis on an industrial scale, we have optimized the process for continuous operation," explains IGB researcher Lénárd Csepei. In addition, the chemists have developed and patented a process that makes it easier to produce catalysts with a wide variety of elemental compositions.

High-throughput catalyst test

The scientists have developed a special apparatus to test the performance of the new catalysts. "In our multi-purpose system with four parallel reactor tubes, we can test catalysts under different reaction conditions – such as different synthesis gas mixtures, pressures and temperatures – in high throughput," explains Csepei. One of the most important factors for a catalyst is the highest possible yield of the desired product. By-products should not form if possible.

But the scientists are interested in more than just catalysts. "We are also developing new processes and design appropriate plants to convert CO₂ electrochemically – with electricity from renewable energies – or chemically; or we combine these with biotechnological processes," explains Gerd Unkelbach, who is responsible for the Sustainable Chemistry business area at Fraunhofer IGB.

Coupling synthesis with biotechnological fermentation

Because the electrochemical production of chemicals from carbon dioxide can only compete with the petroleum-based alternative on a really large scale, the Fraunhofer researchers are working on a solution for smaller emitters such as biogas plants or breweries. They want to couple synthesis directly with biotechnological fermentation to produce higher-value chemicals. "Using a new reaction process, CO₂ is transformed to methanol as intermediate product, which is pumped directly into a fermenter at certain intervals without further processing," said Csepei, describing the goal. The microorganisms use methanol as the sole carbon source and produce, for example, lactic acid, isoprene, polyhydroxybutyric acid and long-chain terpenes - products for which good prices can be achieved because conventional chemical-catalytic production is complex and expensive.

bl/um

Der Bestand der großen Süßwassertiere – mit einem Gewicht von mindestens 30 Kilogramm – ist zwischen 1970 und 2012 um 88 Prozent zurückgegangen. Das ist der erschreckende Befund eine großangelegten Studie unter der Leitung von Forschern des Leibniz-Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei. Demnach sind die Populationsverluste doppelt so hoch wie bei Wirbeltieren an Land und im Meer, wie die Forscher im Fachjournal „Global Change Biology“ berichten. Besonders betroffen sind demnach große Fischarten wie Störe, Lachsfische und Riesenwelse.

Übernutzung und Staudämme sind das Problem

Als wesentliche Ursache identifizieren die Forscher die Übernutzung der Arten, ob nun für den Fleisch- und Kaviarkonsum oder infolge der Verwendung von Häuten für Luxusartikel und Medizinprodukte. Es gibt aber eine weitere wichtige Ursache: „Der Rückgang von großen Fischarten wie dem Stör liegt auch an der zunehmenden Verbauung von Fließgewässern, durch die der Zugang zu Laich- und Futtergründen versperrt wird“, schildert Fengzhi He, Experte für Biodiversitätsmuster und den Schutz von Süßwasser-Megafauna am IGB. Trotzdem seien weltweit weitere 3700 große Staudammprojekte in Planung beziehungsweise im Bau, die diese Situation noch verschärfen werden. „Mehr als 800 dieser geplanten Staudämme befinden sich in genau den Gebieten mit der größten Artenvielfalt an Süßwasser-Megafauna, darunter die Amazonas-, Kongo-, Mekong und Ganges-Flusseinzugsgebiete“, so He weiter.

Schutzprojekte zeigen Erfolge

Hoffnung macht den Forschern, dass sich Schutzbemühungen durchaus als erfolgreich erweisen können. Dadurch seien beispielsweise in den USA die Bestände von 13 großen Süßwasserarten stabil oder wachsen. In Europa gebe es – vielleicht aufgrund politischer Grenzen – weniger großangelegte Schutzstrategien. So kann die Studie nur Teilerfolge bei der Wiederansiedlung des Europäischen Bibers vermelden und auf Wiederansiedlungsversuche des Europäischen und des Atlantischen Störs verweisen.

Zu wenig Aufmerksamkeit auf Süßwasserökosystemen

Insgesamt seien die Schutzmaßnahmen sehr unzureichend. „Laut der Roten Liste der Weltnaturschutzunion IUCN gilt über die Hälfte aller bewerteten Megafauna-Arten im Süßwasser als vom Aussterben bedroht. Dennoch erhalten diese Arten weniger Aufmerksamkeit von Forschung und Naturschutz als die Megafauna in terrestrischen oder marinen Ökosystemen“, mahnt Jähnig. Neben dem Schutz der Süßwasserarten sei nicht zuletzt deren Monitoring wichtig: Veränderungen der Tierbestände und deren Verbreitung sind Frühindikatoren für den Zustand der jeweiligen Ökosysteme in ihrer Gesamtheit.

bl

Es ist die erste Ausschreibung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der im Januar 2020 veröffentlichten Nationalen Bioökonomiestrategie: Im Fokus stehen die „Zukunftstechnologien für die industrielle Bioökonomie“. Innerhalb der Bioökonomie befasst sich der Teilbereich der industriellen Bioökonomie mit der Entwicklung und der Etablierung industrieller Verfahren, die biologische Ressourcen oder Prinzipien für die Produktion werthaltiger Substanzen oder die Entwicklung innovativer Dienstleistungen nutzen. Für die Produktion von Chemikalien, Biopharmazeutika oder Nahrungsmittelzusatzstoffen werden dabei verbreitet biotechnologische Verfahren genutzt. Doch sowohl die Auswahl möglicher Rohstoffe als auch die Effizienz sowie nicht zuletzt das Produktspektrum sind in solchen Prozessen derzeit begrenzt.

Konvergierende Technologien nutzen

Es gilt, das biologische Wissen verstärkt in neuartige, innovative Plattformtechnologien und Verfahrenskonzepte zu überführen, um biotechnologischen Verfahren und Dienstleistungen neue Anwendungspotenziale zu eröffnen und sie so für den Einsatz in der Industrie attraktiver zu gestalten. Wie bereits die BMBF-Förderinitiative Biotechnologie 2020+ gezeigt hat, finden sich aussichtsreiche Ansatzpunkte für bioökonomische Innovationen besonders in systemischen sowie in inter- und transdisziplinären Ansätzen, die biologisches Wissen mit konvergierenden Technologien verbinden. Von großer Bedeutung sind konvergierende Wissensgebiete und Technologien wie Nanotechnologie, Miniaturisierung, Digitalisierung, Automatisierung und Künstliche Intelligenz. Die Nutzung von Synergien und Schnittstellen zwischen den unterschiedlichen Fachdisziplinen soll vorangetrieben werden.

Biohybride Ansätze: Biologie trifft Technik

In der aktuellen Ausschreibung steht dabei Forschung und Entwicklung innovativer Produkte und Verfahren im Vordergrund, bei denen biologische und technische Komponenten kombiniert werden. Es geht darum, die einzigartigen Eigenschaften biologischer Komponenten (etwa Biomoleküle wie DNA, RNA, Proteine oder Zellen) mit technischen Komponenten wie Oberflächen, Polymeren oder auch andere Materialien zu vereinen. Es gibt bereits eine Reihe von Beispielen, in denen solche biohybriden Ansätze erforscht werden. Das reicht von biohybriden Kompartimenten für die Biokatalyse, Konzepten zum Aufbringen von Enzymen an technischen Flächen bis zum Aufbau biohybrider Photosynthese- oder Bioelektrosynthese-Einheiten. Miniaturisierten und automatisierten Lösungen, die von den Vorteilen der Nanotechnologie, der Mikrofluidik oder der Mikrosystemtechnik und den verstärkten Entwicklungen im Bereich der Digitalisierung profitieren, kommt dabei eine besondere Bedeutung zu. Im Fokus der Förderung stehen kreative, ambitionierte Ideen mit einem hohen wissenschaftlich-technischen Risiko. Das Potenzial für eine spätere industrielle Anwendung muss bereits erkennbar sein.