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Leguminosen, Algen, Pilze und Insekten sowie Proteine, die durch zelluläre oder fermentative Verfahren gewonnen werden, sind geeignete Ressourcen für eine gesunde, umweltfreundliche und nachhaltige Ernährung. Angesichts einer wachsenden Weltbevölkerung und knapper werdender Ressourcen durch den Klimawandel gewinnen diese alternativen Eiweißquellen zunehmend an Bedeutung.

Doch Anbauflächen sind ein rares Gut. Mehr als die Hälfte der landwirtschaftlichen Nutzfläche in Dänemark, Deutschland, Frankreich, Großbritannien, Italien, den Niederlanden, Polen, Rumänien, Schweden und Spanien wird heute für die Erzeugung von Fleisch- und Milchprodukten genutzt. Nur 20% der landwirtschaftlichen Fläche wird für den Anbau von Pflanzen genutzt, die von der Bevölkerung gegessen werden.

Doch wie würde sich die landwirtschaftliche Flächennutzung in diesen zehn Ländern verändern, wenn Milch- und Fleischprodukte aus der Tierhaltung weitgehend durch alternative Proteine ersetzt würden, also Lebensmittel auf Basis von Pflanzen, Fermentation und tierischen Zellen? Dieses Szenario hat die Denkfabrik Green Alliance in einer aktuellen Studie betrachtet.  

Mehr freie Flächen durch Konsum von Ersatzprodukten

Die Autoren der Studie mit dem Titel "Eine neue Flächendividende" kommen zu dem Schluss, dass sich pflanzliche Ersatzprodukte bis zu einem gewissen Grad von selbst durchsetzen würden. „Unsere Analyse legt nahe, dass alternative Proteine selbst im Fall von wenig politischer Unterstützung bis 2050 ein Sechstel des europäischen Fleisch- und Milchkonsums ausmachen könnten“, heißt es in dem Report.

Mit dem richtigen Maß an politischer Unterstützung könnte es sogar gelingen, die Entwicklung modernerer Formen wie der Präzisionsfermentation oder der Zellkultivierung voranzutreiben. Im besten Fall könnten alternative Proteine dann bis 2050 „zwei Drittel der derzeit in Europa konsumierten tierischen Produkte ersetzen“ und so „die Flächenknappheit in Europa beheben“.

Für Deutschland bedeutet dies, dass im niedrigsten Szenario mit einem Marktanteil von einem Sechstel 22% der landwirtschaftlichen Nutzfläche frei werden könnten. Dies entspricht einer Fläche von 3,7 Millionen Hektar. Fast 44% der heute landwirtschaftlich genutzten Fläche stünden also zur Verfügung, wenn der Konsum von tierischen Fleisch- und Milchprodukten um zwei Drittel reduziert würde. In anderen europäischen Ländern würden sogar 57% der Flächen eingespart, die heute noch für den Export von Nahrungsmitteln nach Europa benötigt werden, schreiben die Autoren.

Freiflächen für Ökolandbau nutzen

Die freiwerdenden Flächen könnten von den betroffenen Ländern vielfältig genutzt werden, so die Studie: zum Anbau eigener Nahrungsmittel und damit zur Verbesserung der Selbstversorgung, zur Schaffung neuer natürlicher Lebensräume, die Kohlenstoff speichern und die Artenvielfalt fördern, oder zur Ausweitung der Flächen für agrarökologische Anbaumethoden wie den Ökolandbau in Europa.

Das Fazit der Autoren: „Ein höherer Anteil von alternativen Proteinen an unserer Lebensmittelversorgung würde Europa eine noch nie dagewesene Flächendividende bescheren. Auf diesem Weg ließen sich schwierige Abwägungsprozesse zwischen den Zielen einer Selbstversorgung mit Nahrungsmitteln, dem Klima- und Umweltschutz, dem Schutz der biologischen Vielfalt und dem Erhalt der ländlichen Lebensgrundlagen vermeiden.“

Ob Forschung oder medizinische Wirkstoffproduktion: Oftmals ist es nötig zu überprüfen, ob ein Protein tatsächlich das Protein ist, das es sein soll, – oder worum es sich stattdessen handelt. Während DNA-Analysen inzwischen miniaturisiert und günstig geworden sind, benötigen Proteinanalysen noch immer teure Geräte und sind oftmals zeitaufwendige Verfahren. Geht es nur darum, ein bekanntes Protein zu überprüfen, ist die Massenspektrometrie derzeit das Mittel der Wahl. Das vom Bundesforschungsministerium geförderte Forschungsprojekt ProNanoPep ist jedoch angetreten, das zu ändern.

Biotechnologisch erzeugte Proteine als Nanoporen

„Wir haben schon mit biologischen Nanoporen gearbeitet und wollen diese nun nutzen, um Proteine zu erkennen oder sogar zu sequenzieren“, erzählt Projektleiter Jan Behrends von der Universität Freiburg. „Biologische Nanoporen“, darunter versteht der Forscher porenbildende Proteine, die etwa von Bakterien hergestellt werden. Diese verwenden sie im Fall porenbildender Toxine als Waffe, um Zellmembranen des Wirtsorganismus durchlässig zu machen und die Zellen so zu zerstören. Andere Proteine, die Porine, ermöglichen den Transport von Substanzen über die eigene Zellmembran. Die Idee hinter dem messtechnischen Einsatz dieser etwa einen Nanometer durchmessenden und bis zu zehn Nanometer langen Poren ist einfach: Befindet sich eine solche Pore in einer Salzlösung und es liegt ein konstantes Potential an, so fließt ein von den Ionen des Salzes getragener Strom. Der Strom wird verringert, wenn ein Teilchen in die Pore eindringt und dabei vorübergehend die Salzlösung verdrängt. Diese Veränderung lässt sich messen, und sie ist höchst individuell für Größe und Form des Teilchens.

Allerdings sind es nicht ganze Proteine, die in die Pore eindringen, sondern nur Bruchstücke: Ähnlich wie für die Massenspektrometrie wird das zu analysierende Protein zunächst durch ein Enzym verdaut. Da diese sogenannten Proteasen ein Protein immer an typischen Stellen seiner Aminosäuresequenz zerschneiden – zum Beispiel hinter jeder Aminosäure vom Typ Arginin – entsteht ein Muster aus Bruchstücken, den Peptiden, das für das jeweilige Protein spezifisch ist wie ein Fingerabdruck. Fachleute sprechen daher auch vom Protein-Fingerprinting.

Peptide ändern den Stromdurchfluss der Poren

Im Fall des Projekts ProNanoPep lassen Diffusion oder ein elektrisches Feld die Peptide in die Nanopore hineinwandern. Das elektrisch leitende Volumen der Nanopore verändert sich und wird für jedes dieser Peptide vermessen. So entsteht ein charakteristisches Muster aus Änderungen des Stromflusses, anhand dessen ein bestimmtes Protein identifiziert werden kann.

Was einfach klingt, ist in der Praxis keineswegs trivial. Beispielsweise würde ein Peptid rein statistisch infolge der Diffusion die Nanopore in etwa einer Nanosekunde passieren. „Diesen Stromabbruch könnte man gar nicht messen, das geht erst ab mehreren Mikrosekunden“, erläutert Behrends. Die Proteine mit ihren Poren müssen daher als eine Art Molekülfalle konstruiert sein, energetische Barrieren, physische Verengungen oder starke Interaktionen zwischen Pore und Peptid müssen dafür sorgen, dass das Peptid nicht ganz so schnell wieder herausgelangen kann. „Das fangen wir gerade an zu verstehen“, berichtet der Forscher. So habe etwa der Austausch einer nah am Poreneingang gelegenen Aminosäure vom Typ Arginin gegen die kleinere und ungeladene Aminosäure Serin die Verweilzeit mehr als verdoppelt. Je länger ein Peptid in der Pore verweilt, desto genauer und verlässlicher wird das Messergebnis.

Technologische Herausforderungen

Die Poren selbst befinden sich in einer Doppelschicht aus Lipiden. Allerdings besteht das Porenprotein aus mehreren Untereinheiten, die korrekt in die Membran eingebaut werden müssen. „Im Moment ist das ein statistisches, nicht vollständig kontrolliertes Phänomen“, erläutert Behrends. Ideal wäre es, wenn an jedem geplanten Messpunkt in der Membran nur eine Pore eingebaut würde. Derzeit folgt die Zahl der Poren an einem Ort jedoch einer Poisson-Verteilung, sodass manchmal auch zwei, drei oder gar keine Poren entstehen. Auch deshalb hat das Team die Zahl der Messpunkte pro Chip von fünf auf sechzehn erhöht und strebt mittelfristig 96 Messkanäle an. „So können wir die Messpunkte heraussuchen, die nur eine Pore haben“, erklärt der Projektleiter. Außerdem bedeuten mehrere Messkanäle auf einem Chip eine kürzere Zeit, bis eine ausreichende Anzahl von Peptiden eine Pore besucht hat und ein aussagekräftiges Analyseergebnis vorliegt.

Schon jetzt müssen die Forschenden jedoch bis zu eine Million Datenpunkte pro Sekunde und Pore verarbeiten. Steigt die Zahl der Messkanäle, muss die Menge der aufkommenden Daten reduziert werden – eine weitere Herausforderung für die nahe Zukunft. Nicht zuletzt muss die Mikroelektronik gut auf die biologischen Komponenten abgestimmt sein. Je näher etwa die Feldeffekttransistoren an der Pore sitzen, desto geringer fällt das Rauschen der Messung aus, wodurch der gemessene Frequenzbereich größer gewählt werden kann.

Nanoporen zur Proteinsequenzierung nutzen

Anders als die Massenspektrometrie bietet dieses neue Verfahren noch ein zusätzliches Potenzial: Es wäre damit sogar möglich, die Aminosäurenfolge eines unbekannten Peptids zu sequenzieren. Dazu verwenden die Forschenden sogenannte Exopeptidasen. Diese Enzyme schneiden von einem Peptid immer eine Aminosäure nach der anderen von einem Ende her ab. „Dadurch entsteht über die Zeit eine Peptidleiter“, beschreibt Behrends, „also eine Mischung aus Peptiden, die zunächst das Ursprungspeptid enthält und dann fortschreitend jeweils um eine Aminosäure gekürzte Peptide.“

Charakterisiert man diese Mischung nun mit Hilfe der Nanopore, blockiert jedes kürzere Peptid die Pore entsprechend weniger stark, was sich in der Messung ablesen lässt. Da die Beschaffenheit der abgeschnittenen Aminosäure bestimmt, wie stark der Reststrom wieder zunimmt, können die Forschenden so Schritt für Schritt die Reihenfolge der Aminosäuren des Ursprungspeptids analysieren und rekonstruieren. „Künftig könnte es so möglich werden, Proteine mit Nanoporen zu sequenzieren“, hofft Behrends, denn noch ist das Verfahren nicht ausgereift. Die von unterschiedlichen Aminosäuren erzeugten Stromänderungen sind sich teilweise sehr ähnlich. Zudem spielt für das Signal auch eine Rolle, wie lang das Restpeptid ist und sogar, welche Aminosäure nach dem Abschneiden das neue Ende bildet.

Nicht nur Masse, sondern auch Form unterscheiden

„Das liegt unter anderem daran, dass das elektrische Feld in der Pore inhomogen ist“, erklärt der Projektleiter. Auf der anderen Seite ermöglicht gerade diese Inhomogenität, die Form der Peptide zu erkennen und massegleiche Peptide zu unterscheiden; etwas, das mittels Massenspektrometer nur sehr schwer möglich ist. „Wir können auch Acetylierungen und Methylierungen von Proteinen positionsabhängig messen und Isomere unterscheiden, etwa Leucin und Isoleucin, die die gleiche Masse besitzen, aber eine andere Form“, beschreibt Behrends die Stärke der Methode. Um die Messsignale noch besser interpretieren zu können, will das Forschungsteam künftig auch auf selbstlernende Algorithmen setzen.

Behrends setzt große Hoffnungen in die Sequenzanalyse. „Das Verfahren ist sehr viel sensitiver als das Fingerprinting“, erklärt er. So würden Subtypen von Antikörpern wie IgG ziemlich gleich aussehen. „Im Fingerprinting wird man die Spezifität für ein bestimmtes Antigen nicht unterscheiden können oder ob eine Aminosäure glykosyliert ist oder auch, ob eine Aminosäure erfolgreich gegen eine andere ausgetauscht worden ist“, sagt Behrends. „Das könnte man mit Hilfe  der Peptidleitermethode sofort sehen.“

Suche nach noch besseren Nanoporen

Das vom Bundesforschungsministerium im Rahmen der Fördermaßnahme „Zukunftstechnologien für die industrielle Bioökonomie“ mit rund 1,9 Mio. Euro geförderte Projekt ProNanoPep läuft seit Januar 2021 und endet in diesem Jahr. Bis Ende 2024 wollen die Projektbeteiligten – das Physiologische Institut der Universität Freiburg, die Ionera Technologies GmbH und die Hahn-Schickard-Gesellschaft – noch Einiges erreichen. Beispielsweise muss der neue Chip mit sechzehn Messkanälen noch validiert werden und die Versuchsbedingungen bei der Messung wollen die Forschenden weiter optimieren. „Außerdem haben wir weitere Mutanten der Porenproteine erstellt und aufgereinigt“, berichtet Behrends. „Die wollen wir auch noch testen.“ Schließlich könnte darunter eine sein, die die Peptide noch länger festhält, was noch klarere Messresultate liefern würde.

Autor: Björn Lohmann

Phenolharze als Standard

Dieser Aufgabe kommen herkömmliche Steckschäume seit vielen Jahrzehnten nach. Sie weisen außerdem ein geringes Gewicht auf und sind leicht zu verarbeiten. Ein Nachteil ist, dass sie in der Regel aus Phenolharzen gefertigt sind, eine Synthese aus Phenol und Formaldehyd und damit ein synthetischer Kunststoff. Bei der Herstellung der Phenolharze können umweltbelastende Emissionen entstehen, die nicht biologisch abbaubar sind.  

Pflanzenreste für frische Pflanzen

Ein deutsch-thailändisches Unternehmen hat eine plastikfreie Alternativ entwickelt, die zu 100% aus verwelkten Blumen besteht. Genauer gesagt nutzt das Unternehmen für das biobasierte Material die Fasern abgetrennter Stängel, hauptsächlich von Nelken und Iris.  

Details zum Verfahren sind nicht bekannt. Fest steht, dass die Reststoffe zerkleinert und zu einem vielseitigen, stabilen Schaum geformt werden, der die gleichen Vorzüge wie herkömmliche Steckmassen aufweist.

Der Schaum kann mehrfach zum Einsatz kommen. Wenn Stabilität und Speicherfähigkeit nachlassen, zersetzt er sich rückstandslos in der Biotonne oder auf dem heimischen Kompost.  

Marktreife  

Das Start-up operiert aktuell noch mit Prototypen und ist zudem mit der Entwicklung eines Sammelsystems beschäftig, das Pflanzenreste von Unternehmen und Privatpersonen integriert. 

Phenolic resins are the standard

Conventional plug-in foams have been fulfilling this task for many decades. They are also lightweight and easy to work with. One disadvantage is that they are usually made from phenolic resins, a synthesis of phenol and formaldehyde and therefore a synthetic plastic. The production of phenolic resins can produce environmentally harmful emissions that are not biodegradable.  

Plant residues for fresh plants

A German-Thai company has developed a plastic-free alternative that consists of 100% wilted flowers. More specifically, the company uses the fibres of separated stems, mainly from carnations and irises, for the bio-based material.  

The company has not shared details of the process. What is certain is that the residual materials are shredded and formed into a versatile, stable foam that offers the same benefits as conventional floral foams.

The foam can be used several times. When its stability and storage capacity deteriorate, it decomposes without leaving any residue in the organic waste bin or in home compost.  

Market maturity

The start-up is currently still working with prototypes and is also developing a collection system that integrates plant waste from companies and private individuals.

Für Neugierige und Liebhaber exotischer Genüsse ist die Grüne Woche seit jeher ein Highlight. Doch die weltgrößte Ausstellung für Ernährung, Landwirtschaft und Gartenbau ist längst mehr als das: Nachhaltigkeit und Klimaschutz prägen das Bild der Grünen Woche seit langem und dominieren auch die 88. Auflage des zehntägigen Events in diesem Jahr. Rund 1.400 Aussteller aus 60 Ländern präsentieren noch bis zum 28. Januar ihre Produkte auf dem Berliner Messegelände am Funkturm – darunter rund 1.000 Aussteller aus Deutschland.

Im Rahmen der Themenwelt „grünerleben“ in Halle 27 hat erneut die Bioökonomie ihren Platz. Hier können sich am Stand 215 der Fachagentur für nachwachsende Rohstoffe (FNR) Besucherinnen und Besucher einen Überblick über die Vielfalt biobasierter Produkte verschaffen. Die Palette reicht von Kinderspielzeug aus Biokunststoffen über T-Shirts und Rucksäcke aus Holz oder Cellulose bis hin zu Fahrradreifen aus Löwenzahn. Daneben gibt die FNR einen Einblick in aktuelle Projekte, die vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) gefördert werden. So stellt das Projekt TheForestCleanup biologisch abbaubare Wuchshüllen zum Schutz junger Bäume her, und die Entwicklung von Kunstrasen aus Biopolymeren steht wiederum im Fokus des Projekt NaKuRa.

Ein Großteil der FNR-Ausstellung widmet sich dem Thema nachhaltiges Bauen. Ein Highlight ist die große Wand, die einen typischen Aufbau mit Naturstoffen wie Holz, Stroh, Schafwolle oder Lehm zeigt.

Ob Gouda, Frischkäse oder Morzarella: Käse gehört zu den beliebtesten Lebensmitteln in Deutschland. Doch wie bei Fleisch werden auch bei der Herstellung von Milchprodukten große Mengen an Treibhausgasen freigesetzt. Milch- und Fleischersatzprodukte aus alternativen Proteinen sind daher eine vielversprechende Alternative, um gesunde und nachhaltige Lebensmittel herzustellen. Insbesondere die Herstellung von Lebensmitteln mittels Präzisionsfermentation, bei der Mikroorganismen oder andere Kulturzellen biologische Produkte herstellen, eröffnet neue nachhaltige Alternativen in der Lebensmittelproduktion.

Interesse steigt nach Aufklärung über Präzisionsfermentation

Doch wie steht es um die Akzeptanz von Käse, der biotechnologisch im Fermenter hergestellt wird? Antworten gibt eine aktuelle Studie der Georg-August-Universität Göttingen. In der Online-Befragung von Clara Mehlhose und Sarah Kühl wurden 2.035 Verbraucherinnen und Verbraucher unter anderem zu ihrem Einkaufsverhalten, ihrer Einstellung zu Lebensmitteln, ihrem Käsekonsum und zur Milchviehhaltung befragt. Das Ergebnis: Die Hälfte der Befragten würde sogenannten Laborkäse zumindest probieren, ein Drittel sogar regelmäßig kaufen. Es zeigte sich aber auch, dass die Präzisionsfermentation als Technologie noch weitgehend unbekannt ist. Nach Erläuterung der Technologie, so die Forscherinnen, sei die Bereitschaft, einen entsprechend hergestellten Käse zu probieren, jedoch groß.

Geschmack, Tierwohl und Gesundheit bestimmen Kaufverhalten

Käseprodukte aus dem Labor sind laut Umfrage für viele Menschen eine akzeptable Alternative zu tierischen Produkten. Geschmack, Tierwohl und Gesundheit seien jedoch die entscheidenden Aspekte beim Kauf von sogenanntem Laborkäse. Chancen der Präzisionsfermentation wurden vor allem in den Bereichen Tierwohl und Nachhaltigkeit gesehen. Mögliche Risiken wurden hingegen im Einkommen der Landwirte oder in der Macht großer Unternehmen gesehen. Knapp die Hälfte der Befragten sprach sich zudem dafür aus, dass Produkte aus der Präzisionsfermentation in Deutschland hergestellt werden sollten.

Klimafolgen von Milchprodukten kaum bekannt

Gleichzeitig waren die negativen Klimaauswirkungen der Milchviehhaltung einem Großteil der Befragten nicht bekannt, so dass die Klimawirkung von Milchprodukten häufig unterschätzt wird.

Ob Hitze, Trockenheit oder Überschwemmungen: Wetterextreme setzen Nahrungspflanzen wie Weizen unter Stress und führen zunehmend zu Ernteausfällen. Neben der Erforschung neuer resistenter Sorten, die den Klimafolgen trotzen und die Ernährung sichern, sind diagnostische Werkzeuge gefragt, um klimabedingte Stresssymptome oder Krankheiten bei Pflanzen frühzeitig zu erkennen. Zwei in der Humanmedizin bewährte bildgebende Verfahren sollen künftig auch in der Landwirtschaft Abhilfe schaffen. Darauf zielt ein dreijähriges Forschungsprojekt ab, das von der Europäischen Union mit insgesamt 1,6 Mio. Euro bis 2026 gefördert wird.

Mobile Messplattform kombiniert MRT und PET

Ein Team unter Leitung des Forschungscampus STIMULATE der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg will darin gemeinsam mit Partnern aus Österreich und Italien eine mobile Messplattform für den Feldeinsatz entwickeln, die erstmals die Magnetresonanztomographie (MRT) mit der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) kombiniert. Die Forschenden sind überzeugt, dass die Kombination der beiden bildgebenden Verfahren es Agrarwissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern sowie Landwirtinnen und Landwirten künftig ermöglichen wird, Stresssymptome von Pflanzenkulturen vor Ort frühzeitig und präzise zu erkennen, um darauf reagieren und so den Ertrag sichern zu können. Im Vergleich zu bisherigen Methoden misst das neue bildgebende Diagnoseverfahren „gleichzeitig die raum-zeitliche Dynamik des Stoffwechsels und die hochauflösende Pflanzenmorphologie“, heißt es in der Projektbeschreibung. Dadurch sei es möglich, neue digitale Biomarker zu gewinnen, die mit frühen Anzeichen von Pflanzenstress in Verbindung stehen, bevor Symptome sichtbar und damit irreversibel werden.

Medizintechnik für die Landwirtschaft nutzbar machen

„Mit diesem innovativen EU-Projekt transferieren wir unsere Expertise im Bereich der Bildgebung von der Medizin in die Landwirtschaft und erweitern den Forschungshorizont des Forschungscampus STIMULATE“, so der Sprecher des EU-Projekts und des Forschungscampus Georg Rose vom Lehrstuhl Medizinische Telematik und Medizintechnik der Uni Magdeburg. Mit seiner Forschung will das Team einen Beitrag zum Green Deal der EU leisten und die europäische Landwirtschaft resilienter und nachhaltiger gestalten. „Wir hoffen, dass die Ergebnisse dazu beitragen, die Nahrungsmittelversorgung in Europa auch in Zeiten des Klimawandels mit häufigeren Extremwetterereignissen wie Dürren oder Überschwemmungen sicherzustellen“, sagt Rose.

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Whether heat, drought or flooding: Weather extremes put food crops such as wheat under stress and increasingly lead to crop failures. In addition to research into new resistant varieties that can withstand the effects of climate change and secure food supplies, diagnostic tools are needed to detect climate-related stress symptoms or diseases in plants at an early stage. Two imaging methods that have proven their worth in human medicine should also provide a remedy in agriculture in the future. This is the aim of a three-year research project, which is being funded by the European Union with a total of 1.6 million euros until 2026.

Mobile measurement platform combines MRI and PET

A team led by the STIMULATE research campus at Otto von Guericke University Magdeburg is working with partners from Austria and Italy to develop a mobile measurement platform for use in the field that combines magnetic resonance imaging (MRI) with positron emission tomography (PET) for the first time. The researchers are convinced that the combination of the two imaging methods will enable agricultural scientists and farmers to detect stress symptoms in crops early and precisely on site in order to react to them and thus safeguard yields. Compared to previous methods, the new imaging diagnostic procedure "simultaneously measures the spatio-temporal dynamics of metabolism and the high-resolution plant morphology", according to the project description. This makes it possible to obtain new digital biomarkers that are associated with early signs of plant stress before symptoms become visible and thus irreversible.

Making medical technology usable for agriculture

"With this innovative EU project, we are transferring our expertise in the field of imaging from medicine to agriculture and expanding the research horizon of the STIMULATE research campus," says the spokesperson for the EU project and the research campus Georg Rose from the Chair of Medical Telematics and Medical Technology at the University of Magdeburg. With its research, the team wants to make a contribution to the EU's Green Deal and make European agriculture more resilient and sustainable. "We hope that the results will help to secure the food supply in Europe even in times of climate change with more frequent extreme weather events such as droughts or floods," says Rose.

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Betrachtet wurden Dänemark, Deutschland, Frankreich, Großbritannien, Italien, die Niederlande, Polen, Rumänien, Schweden und Spanien. Mehr als die Hälfte der landwirtschaftlichen Nutzfläche in diesen Ländern wird heute für die Erzeugung von Fleisch- und Milchprodukten genutzt. Lediglich 20% der landwirtschaftlichen Fläche wird für den Anbau von Pflanzen, die der Ernährung der Bevölkerung dienen, genutzt.

Die Autoren der Studie kommen zu dem Schluss, dass pflanzliche Ersatzprodukte bis 2050 auch ohne viel politische Unterstützung ein Sechstel des europäischen Fleisch- und Milchkonsums ausmachen könnten. Mit ausreichender Unterstützung könnten alternative Proteine sogar zwei Drittel der aktuellen tierischen Produkte ersetzen und die Flächenknappheit beheben.

In Deutschland könnten im niedrigsten Szenario mit einem Marktanteil von einem Sechstel 22% der landwirtschaftlichen Nutzfläche frei werden (3,7 Millionen Hektar). Andere europäische Länder könnten sogar 57% der Flächen einsparen, die derzeit für den Export von Nahrungsmitteln nach Europa genutzt werden.

Die freiwerdenden Flächen könnten für den Anbau eigener Nahrungsmittel, die Schaffung natürlicher Lebensräume oder den Ausbau agrarökologischer Anbaumethoden genutzt werden. Um die Auswirkungen auf die Flächen und den Nutzpflanzenbedarf genau zu berechnen, seien weitere Studien nötig. Insgesamt wird jedoch betont, dass alternative Proteine eine signifikante Verringerung des Flächenbedarfs der Viehwirtschaft ermöglichen könnten.

The countries analysed were Denmark, Germany, France, the UK, Italy, the Netherlands, Poland, Romania, Sweden and Spain. More than half of the agricultural land in these countries is currently used for the production of meat and dairy products. Only 20% of agricultural land is used to grow crops that feed the population.

The authors of the study conclude that plant-based substitute products could account for one-sixth of European meat and dairy consumption by 2050, even without much political support. With sufficient support, alternative proteins could even replace two thirds of current animal products and remedy the shortage of land.

In Germany, 22% of agricultural land could be freed up in the lowest scenario with a market share of one sixth (3.7 million hectares). Other European countries could even save 57% of the land currently used to export food to Europe.

he land freed up could be used to grow our own food, create natural habitats or expand agroecological cultivation methods. Further studies are needed to precisely calculate the effects on land and crop requirements. Overall, however, it is emphasised that alternative proteins could enable a significant reduction in the amount of land required for livestock farming.

Viele gute Ideen, die im Forschungslabor beginnen, schaffen es nicht in die industrielle Praxis. Häufig liegt das daran, dass sich Prozesse, die im Kleinen funktionieren, unter den Bedingungen großer Produktionsanlagen ganz anders verhalten. So ist es beispielsweise mit monoklonalen Zellen: Klone, die in der Mikrotiterplatte noch einen guten Eindruck vermitteln, liefern manchmal im Bioreaktor ganz andere Ergebnisse. Das vom Bundesforschungsministerium im Rahmen der Fördermaßnahme "KMU-innovativ: Bioökonomie" geförderte Forschungsprojekt AMBiO hat deshalb ein Verfahren entwickelt, das bereits im Labor die Bedingungen der späteren Produktionsprozesse annähern kann. So lassen sich ungeeignete Klone frühzeitig aussortieren.

Die Suche nach dem besten Klon

Immer mehr moderne Medikamente beruhen auf rekombinant hergestellten Proteinen. Häufig nutzen Pharmahersteller Säugetierzellen, um diese Proteine zu produzieren. Am Anfang dieser Produktion steht die Auswahl besonders geeigneter Zellen. Aus Hunderten oder Tausenden Zellen müssen die besten zehn oder zwanzig Klone ausgewählt werden. Aus diesen hoch produktiven Einzellzellklonen entstehen dann die Zelllinien, die später im Bioreaktor die Proteine in großem Maßstab erzeugen. „Am Ende möchte man einen Klon, der mit hoher Produktivität den richtigen Antikörper produziert und stabil ist unter den Bedingungen im Bioreaktor – und nicht plötzlich nicht mehr so gut produziert oder wächst“, erläutert Julian Riba, Geschäftsführer des Freiburger Biotech-Unternehmens Cytena.

„Die Entwicklung solcher Zelllinien ist aufwendig, komplex und teuer“, berichtet der AMBiO-Projektkoordinator. Wochen oder Monate könne es dauern, eine einzelne Zelle zu Billiarden identischer Zellen für die Produktion hochzuskalieren. Entsprechend groß ist der Verlust an Zeit und Geld, wenn sie sich in der Praxis nicht bewährt. „Heute muss man oft noch mal von vorne anfangen oder viel mehr Klone screenen.“

Sauerstoffversorgung stabil halten

Den Grund für die Problematik kann der Forscher schnell nennen: „Die Mikrobioreaktoren für die Auswahl der Klone – meist Mikrotiterplatten – sind für kleinste Volumen ausgelegt. Es gab keine Technologie am Markt, die darin eine Umgebung schaffen konnte, die den Tausende Liter großen Bioreaktoren in der Produktion entspricht.“

Im großen Reaktor aber werden die Zellen im Nährmedium gerührt und erleben Scherkräfte, die sie aushalten müssen. Andererseits sind sie dort gleichförmig mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt. In der Mikrotiterplatten hingegen liegen die Zellen am Boden, bewegen sich nicht und vermehren sich zu Zellhaufen. „Irgendwann ist die Sauerstoffversorgung über die Diffusion nicht mehr gut und es entsteht eine sauerstoffarme Umgebung“, erläutert Riba. Ideal wäre es also, auch in Mikrotiterplatten das Medium durchmischen zu können, Parameter wie die Sauerstoffkonzentration und den pH-Wert zu messen und auf einem Level wie später im Bioreaktor zu halten.

Winzige Volumina erschweren Durchmischung

Genau das ist den Projektbeteiligten Cytena GmbH, Presens Precision Sensing GmbH und der Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung gelungen. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat das KMU-innovativ-Projekt im Zeitraum von 2019 bis 2022 mit rund 1,2 Mio. Euro unterstützt. Schon vor dem Projektstart hatte ein Doktorand an der Universität Freiburg gezeigt, dass es möglich ist, die Mikrotiterplatten zu durchmischen und dass die Zellen dadurch schneller wachsen. Bislang scheitere die Durchmischung an der starken Oberflächenspannung der kleinen Flüssigkeitsvolumina: „Eine Rüttelplatte oder ein Schüttler funktionieren hier nicht“, erläutert Riba. „Man bräuchte enorm hohe Frequenzen und müsste extrem stark schütteln. Das erzeugt zu hohe Scherkräfte und tötet die Zellen.“

Das Bauen mit nachwachsenden Rohstoffen gewinnt zunehmend an Bedeutung, da der Bausektor ein wesentlicher Mitverursacher von klimaschädlichen Treibhausgasen ist. Alternative Baustoffe gibt es durchaus. Doch die Palette der nachwachsenden Rohstoffe geht weit über Holz, Stroh und Lehm hinaus, wie die Wanderausstellung FAKTOR WOHNEN zeigt. Seit Ende Januar ist die Schau „Ökologisch um:bauen mit regenerativen Baustoffen“ in Berlin-Kreuzberg zu Gast. Die Ausstellung und das Begleitprogramm werden von der Stiftung trias, dem Bauraum MV e. V. und dem lokalen Partner BAUinfo Berlin organisiert und durchgeführt.

Über nachhaltige Baustoffe aufklären

 „Messen, Fühlen, Ausprobieren“ lautet das Motto der Ausstellung auf dem Dragonerareal in Kreuzberg. Sie rückt nachhaltige Baustoffe wie Dämmplatten aus Holzweichfasern oder Stroh und Lehm ins Rampenlicht und informiert über deren Potenziale und Einsatzmöglichkeiten. „Bislang ist das Thema ökologische Baustoffe in der Öffentlichkeit eher unterrepräsentiert und es gibt noch viel Aufklärungsbedarf“, sagt Thomas Herzog, Projektleiter BAUInfo bei der Berliner Energieagentur, im Gespräch mit bioökonomie.de. „Mit der Ausstellung wollen wir nachhaltigen Baustoffen ein Forum bieten und Interessierten die Potenziale vermitteln.“

Regenerativer Baustoffe mit allen Sinnen erleben

Im Rahmen der Ausstellung werden die Unterschiede zwischen nachwachsenden und konventionellen Baustoffen anhand von interaktiven Vitrinen, Ausstellungswänden und einer Baustoff-Fühlbox visuell und haptisch erlebbar gemacht. Die Materialien werden jeweils so präsentiert, wie sie in der Praxis eingesetzt werden, zum Beispiel als Dämmstoff an der Wand oder auf dem Dach. So wird in einer Vitrine unter Infrarotlicht simuliert, wie Dämmplatten aus Zellulose und Holzfasern im Vergleich zu Mineralwolle und Polystyrol Wohnungen im Sommer vor Hitze schützen können. Digitale Thermometer machen den Temperaturunterschied sichtbar. Hörbar wird der Unterschied auch beim Vergleich von Dämmplatten aus Holzweichfasern mit herkömmlichen Styropor-Dämmplatten, die zur Schalldämmung eingesetzt werden.

Anfassen erlaubt heißt es auch bei der Präsentation verschiedener nachhaltiger Baustoffe im sogenannten Fühlkasten. Von Dampfbremsen aus Baupappe über Recyclingprodukte aus Gipsabfällen bis hin zu Innenausbauplatten aus Holzweichfaser und Lehm sowie Einblasdämmung aus Holzfasern reicht die Palette der ertastbaren Baustoffe.

Der Markt für vegetarische und vegane Produkte boomt. Nach Angaben des Statistischen Bundesamtes wurden im Jahr 2022 hierzulande 104.300 Tonnen Fleischersatzprodukte hergestellt – ein Plus von rund 17 % im Vergleich zum Vorjahr. Bisher dominieren pflanzliche Proteine aus Weizen oder Hülsenfrüchten wie Erbsen und Soja den Markt der fleischlosen Alternativen. Das Biotech-Start-up Infinite Roots nutzt dagegen Myzelien aus Pilzen, um daraus veganen Fleischersatz herzustellen. Dafür und für die Entwicklung neuer Produkte aus Pilzmyzel konnte sich das junge Hamburger Unternehmen jetzt im Rahmen einer Serie-B-Finanzierungsrunde 58 Mio. US-Dollar sichern.

Start-up gewinnt Haribo und Rewe als Investoren

Die Finanzierung wurde von der Dr. Hans Riegel Holding (HRH), einer der beiden Gesellschafter-Holdings der Haribo-Gruppe, angeführt und vom Europäischen Innovationsrat (EIC) unterstützt. „Die Myzel-Technologie von Infinite Roots kann einen sehr erfolgreichen Beitrag zur nachhaltigen Nahrungsmittelversorgung leisten“, erklärt HRH-Geschäftsführer Reinhard Schneider. An der Finanzierungsrunde beteiligt sind neben früheren Investoren auch die REWE Group sowie Betagro Ventures, der Innovationsarm von Thailands führendem Agrarunternehmen Betagro Group.

Europaweit größte Investition in Myzel-Technologie

Nach Angaben von Infinite Roots ist die Finanzierung „die größte Investition in Myzel-Technologie in Europa und ein besonderer Erfolg inmitten eines der schwierigsten Fundraising-Umfelder der letzten 20 Jahre“. Bei der Entwicklung des Fleischersatzes setzt das Team um Firmengründer Mazen Rizk auf das fadenförmige Wurzelgeflecht von Pilzen – die sogenannten Myzelien. Die Pilzsporen werden kultiviert und mit Abfällen wie Reishülsen und Kaffeesatz gefüttert. In Bioreaktoren wird ein protein- und ballaststoffreicher Fleischersatz fermentiert.

Markteinführung für 2024 geplant

Infinite Roots wurde 2018 unter dem Namen Mushlabs gegründet. Die Umbenennung erfolgte im Vorfeld der UN-Klimakonferenz COP28 in Dubai, zu der das Hamburger Biotech-Unternehmen als eines von wenigen Start-ups weltweit eingeladen war. „Wir sind in der besonderen Position, eine neue Ära von Produkten auf Basis von Pilzmyzel zu definieren. Mit der Technologie und den Produkten von Infinite Roots wollen wir den Wandel hin zu einem nachhaltigeren und gesünderen Ernährungssystem anführen“, beschreibt Mazen Rizk, CEO von Infinite Roots, die Vision des Unternehmens. Noch in diesem Jahr sollen erste Produkte auf Basis von Pilzmyzel auf den Markt kommen.

bb/gkä

The market for vegetarian and vegan products is booming. According to the Federal Statistical Office, 104,300 tons of meat substitute products were produced in Germany in 2022 - an increase of around 17% compared to the previous year. So far, plant-based proteins made from wheat or pulses such as peas and soy have dominated the market for meat-free alternatives. Biotech start-up Infinite Roots, on the other hand, uses mycelia from mushrooms to produce vegan meat substitutes. The young Hamburg-based company has now secured 58 million US dollars for this and for the development of new products from mushroom mycelium as part of a series B financing round.

Start-up wins Haribo and Rewe as investors

The financing was led by Dr. Hans Riegel Holding (HRH), one of the two shareholder holding companies of the Haribo Group, and supported by the European Innovation Council (EIC). "Infinite Roots' mycelium technology can make a very successful contribution to sustainable food supply," explains HRH Managing Director Reinhard Schneider. In addition to previous investors, the REWE Group and Betagro Ventures, the innovation arm of Thailand's leading agricultural company Betagro Group, are also involved in the financing round.

Europe's largest investment in mycelium technology

According to Infinite Roots, the financing is "the largest investment in mycelium technology in Europe and a particular success in the midst of one of the most difficult fundraising environments of the last 20 years". In developing the meat substitute, the team around company founder Mazen Rizk relies on the thread-like root network of fungi - the so-called mycelia. The fungal spores are cultivated and fed with waste such as rice husks and coffee grounds. A protein- and fiber-rich meat substitute is fermented in bioreactors.

Market launch planned for 2024

Infinite Roots was founded in 2018 under the name Mushlabs. The renaming took place in the run-up to the UN Climate Change Conference COP28 in Dubai, to which the Hamburg-based biotech company was one of only a few start-ups worldwide to be invited. "We are in a unique position to define a new era of products based on mushroom mycelium. With Infinite Roots' technology and products, we want to lead the change towards a more sustainable and healthier food system," says Mazen Rizk, CEO of Infinite Roots, describing the company's vision. The first products based on mushroom mycelium are to be launched on the market this year.

bb/gkä

Die Entwicklung von Technologien zur Herstellung innovativer Produkte aus Abfall- und Reststoffen steht im Mittelpunkt der aktuellen SPRIND-Challenge "Circular Biomanufacturing“, die im November vergangenen Jahres gestartet ist. Im Rahmen des Innovationswettbewerbs der Bundesagentur für Sprunginnovationen SPRIND erhielten acht Teams aus dem Bereich der industriellen Bioökonomie und Biotechnologie den Zuschlag für eine Förderung – darunter fünf Start-ups aus Deutschland. Im Rahmen des dreijährigen Wettbewerbs werden die Gewinnerteams nicht nur finanziell gefördert, sondern auch durch intensives Coaching und Kontakte zu privatwirtschaftlichen Investoren unterstützt. Um bioökonomische Innovationen weiter voranzutreiben, kooperiert SPRIND ab sofort mit DEEP, dem Institute for Deep Tech Innovation der ESMT Berlin.  

Exklusives Coaching- und Monitoring-Programm

Ziel von DEEP an der ESMT ist es, innovative Ökosysteme aufzubauen, die den Technologietransfer neu gestalten und Deep Tech Start-ups den Weg zur globalen Skalierung ebnen. Im Rahmen der Kooperation werden die acht SPRIND-Challenge-Teams von einem exklusiven Coaching- und Mentoring-Programm profitieren, das sie auf dem Weg zur erfolgreichen Kommerzialisierung ihrer Innovationen unterstützt. Das spezielle Programm läuft von Januar bis Oktober und umfasst vier Sitzungstage. „Diese Partnerschaft zeigt das Engagement von SPRIND, in radikal neue Lösungen und Zukunftsindustrien zu investieren und gleichzeitig ein Innovationsökosystem mit gleichgesinnten Institutionen zu schaffen”, sagt Jano Costard, Challenge Officer bei SPRIND.

Ein zentraler Aspekt der neuen Kooperation ist zudem die Einbindung der international bewährten Methodik des Creative Destruction Lab (CDL) der ESMT – einer Non-Profit-Organisation, die Deep-Tech-Start-ups mit einem gezielten Programm sowohl in der Frühphase als auch bei der Skalierung unterstützt. Die Nutzung dieses Wissens und dieser Erfahrung werde sicherstellen, dass die SPRIND-Challenge-Teams „mit den notwendigen Instrumenten und Anleitungen ausgestattet werden, um sich in dem komplexen Umfeld, in dem sie tätig sind, zurechtzufinden und durch ihre Ergebnisse einen nutzbaren Beitrag zur Zukunft der Industrie und einer nachhaltigen Entwicklung beizutragen“, heißt es.

Rund ein Drittel der weltweiten Treibhausgasemissionen entstehen durch die Art und Weise, wie Land bewirtschaftet wird und Lebensmittel produziert werden. Vor allem der Fleischkonsum und die damit verbundene Tierhaltung tragen zu den klimaschädlichen Emissionen bei und erfordern ein Umdenken in der Landwirtschaft. Ein globaler Bericht über die Ökonomie von Agrar- und Ernährungssystemen zeigt, wie die Weltwirtschaft von einer Ernährungswende profitieren würde. Die Studie, die von führenden Ökonominnen und Ökonomen sowie der Food System Economics Commission (FSEC) verfasst wurde, macht aber auch deutlich, dass die derzeitige Praxis mehr Wertschöpfung vernichtet als schafft und die politischen Rahmenbedingungen für eine Ernährungswende dringend überarbeitet werden müssen.  

Vorteile überwiegen Kosten für Transformation

Der Bericht „The Economics of the Food System Transformation“ ist nach Angaben der Forschenden die „bisher umfassendste Studie zur Ökonomie globaler Agrar- und Ernährungssysteme“. „Die Kosten, die entstehen, wenn wir das schlecht funktionierende Ernährungssystem nicht aktiv umgestalten, werden die Schätzungen dieses Berichts wahrscheinlich noch übersteigen, da die Welt weiterhin auf einem extrem gefährlichen Weg ist“, sagt Johan Rockström, Direktor des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung (PIK) und Initiator der FSEC. Der „einzige Weg“, um das Pariser Klimaziel von 1,5° C zu erreichen, ist nach Ansicht des Potsdamer Forschers neben dem Ausstieg aus fossilen Brennstoffen und dem Schutz der Natur die „Transformation des Agrar- und Ernährungssystems von einer Quelle von Treibhausgasen zu einer Senke“.  Von diesem globalen Ernährungssystem hänge die Zukunft der Weltbevölkerung ab, betont Rockström.

Nicht nur Klima, Umwelt und Gesundheit würden von einer globalen Ernährungswende profitieren, so der Bericht. Die Forschenden haben errechnet, dass eine umfassende Transformation jährliche Gewinne von 5 bis 10 Billionen US-Dollar bringen würde. „Die Kosten für diese Transformation – schätzungsweise 0,2 bis 0,4 % der weltweiten Wirtschaftsleistung pro Jahr – sind gering im Vergleich zu den Vorteilen, die sich daraus ergeben würden und die wirtschaftlich mehrere Billionen Dollar pro Jahr ausmachen“, sagt Hermann Lotze-Campen, FSEC-Kommissionsmitglied und Leiter der Forschungsabteilung Klimaresilienz am PIK.

Zwei Zukunftsszenarien modelliert

Für den Bericht wurden die Auswirkungen von zwei möglichen Zukunftsszenarien für das globale Ernährungssystem modelliert. Zum einen der Pfad der gegenwärtigen Trends, zum anderen der Pfad der Transformation des Ernährungssystems. Beim "Weiter-so-Pfad" wird prognostiziert, dass – selbst wenn die politischen Entscheidungsträger alle derzeitigen Zusagen einhalten – Unterernährung und Fettleibigkeit in einigen Teilen der Welt bis 2050 weiter zunehmen werden, die Nahrungsmittelproduktion anfälliger für den Klimawandel sein wird und die Ernährungssysteme weiterhin für ein Drittel der globalen Treibhausgasemissionen verantwortlich sein werden, was zu einem Anstieg der globalen Erwärmung auf 2,7 Grad bis zum Ende des Jahrhunderts führen wird.