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Er ist eine Herausforderung, der sich junge Forschende seit Jahren mit Begeisterung stellen: der internationale studentische Wettbewerb für Synthetische Biologie iGEM. In diesem Jahr feiert die Bioingenieur-Weltmeisterschaft ihr 20-jähriges Jubiläum. 350 Teams aus aller Welt werden im Oktober wieder nach Boston reisen, um mit ihren Projekten gegeneinander anzutreten. Auch 14 Teams von Hochschulen und Universitäten aus Deutschland gehen mit ihren Ideen ins Rennen um die begehrten Siegerplätze, darunter junge Forschende der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU).

Mit einem biologischen Dünger aus verbesserten symbiotischen Pilzen will die Düsseldorfer Forschungsgruppe einen Platz auf dem Siegertreppchen des iGEM-Wettbewerbs erobern. Ihr Ziel ist es, Überdüngung in der Landwirtschaft zu vermeiden. Das Problem: Pflanzen können phosphathaltigen Dünger nur begrenzt aufnehmen. Meist wird aber zu viel Dünger ausgebracht, so dass der Rest weggeschwemmt wird und erneut gedüngt werden muss. Die vom Regen ausgewaschenen Phosphate gelangen dann in die Gewässer und gefährden die Ökosysteme.

Natürliche Speicherfunktion des Pilzes nutzen

Mit der Pilzspezies Serendipita indica wollen die Studierenden das Problem der Phosphataufnahme lösen – denn der Pilz unterstützt auf natürliche Weise Pflanzen dabei, Nährstoffe aus dem Boden aufzunehmen. „Der Pilz hat eine natürliche Speicherfunktion für Nährstoffe, die wir ausnutzen und ausbauen wollen, um ein Puffersystem für den angewendeten Phosphatdünger aufzubauen. Außerdem vergrößert er die Aufnahmeoberfläche und damit die Geschwindigkeit, mit der überlebenswichtige Stoffe für die Pflanze gespeichert werden“, sagt Antigoni Mouratidou, der gemeinsam mit zwei weiteren Forschenden das Team leitet.

Transportprozesse im Pilz modifizieren

Um die Phosphataufnahme zu verbessern, wollen die Projektmitglieder die Transportprozesse des Pilzes so verändern, dass er dynamisch auf unterschiedliche Phosphatkonzentrationen im Boden reagieren kann. Bei hohen Phosphatkonzentrationen im Boden bildet der Pilz dann mehr Transportkanäle für den Mineralstoff und kann ihn so besser zu den Wurzeln leiten, was wiederum eine schnellere Aufnahme und bessere Speicherung bedeutet. So kann der Pilz auch in nährstoffarmen Zeiten mehr Phosphat an die Nutzpflanze abgeben.

Notfall-Gen im Fungilyzer steuert Nährstoffabgabe

„Wir wollen schlussendlich einen auf Pilzen basierenden biologischen Dünger verfügbar machen – einen ‚Fungilyzer‘. Dieser würde verhindern, dass Düngemittel ausgewaschen werden, weil der Pilz die überschüssigen Phosphate bindet“, erklärt Teamleiter Niklas Küppers. Denn sobald der Nährstoffgehalt im Boden zu niedrig wird, wird im Fungilyzer ein Notfall-Gen aktiviert, das den Pilz kontrolliert absterben lässt und alle im Pilz gespeicherten Nährstoffe an den Boden abgibt. Alle Experimente werden zunächst am Modellorganismus Hefe durchgeführt. Die Ergebnisse können später aber auch auf andere Pilze übertragen werden.

Bis zum iGEM-Wettbewerb im Herbst hat das Düsseldorfer Team noch jede Menge zu tun. Denn nicht nur die Projektidee muss entwickelt werden. Auch die Laborplanung und die Beschaffung von Haushaltsmitteln sowie die Öffentlichkeitsarbeit sind Teil des Wettbewerbs. Die Gruppe aus 15 Studierenden aus den Fachbereichen Biologie und Biochemie – vom Einsteiger bis zum Masterstudierenden – werden dabei von drei Professoren der HHU unterstützt. In den vergangenen Jahren waren deutsche Teams beim iGEM-Wettbewerb sehr erfolgreich und belegten regelmäßig Spitzenplätze.

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It is a challenge that young researchers have been taking up with enthusiasm for years: the international student competition for synthetic biology iGEM. This year, the world championship in bioengineering celebrates its 20th anniversary. 350 teams from around the world will again travel to Boston in October to compete with their projects. Fourteen teams from colleges and universities in Germany are also entering the race for the coveted places, including young researchers from Heinrich Heine University Düsseldorf (HHU).

With a biological fertilizer made from improved symbiotic fungi, the Düsseldorf research group is aiming for a place on the winners' podium of the iGEM competition. Their goal is to prevent overfertilization in agriculture. The problem is that plants can only absorb phosphate fertilizers to a limited extent. In most cases, however, too much fertilizer is applied, so that the rest is washed away and has to be fertilized again. The phosphates washed out by the rain then enter waterways and endanger ecosystems.

Use natural storage function of the fungus

The students want to use the fungus species Serendipita indica to solve the problem of phosphate uptake - because the fungus naturally helps plants absorb nutrients from the soil. "The fungus has a natural storage function for nutrients, which we want to exploit and expand to build a buffer system for the applied phosphate fertilizer. It also increases the uptake area and thus the rate at which substances important for plant survival are stored," says Antigoni Mouratidou, who leads the team along with two other researchers.

Modify transport processes in the fungus

To improve phosphate uptake, the project members want to modify the transport processes of the fungus so that it can respond dynamically to different phosphate concentrations in the soil. When phosphate concentrations in the soil are high, the fungus forms more transport channels for the mineral and can thus conduct it better to the roots, which in turn means faster uptake and better storage. In this way, the fungus can release more phosphate to the crop even in times of nutrient deficiency.

Emergency gene in the fungilyzer controls nutrient release

"We ultimately want to make a fungus-based biological fertilizer available - a 'fungilyzer'. This would prevent fertilizers from being washed out because the fungus binds the excess phosphates," explains team leader Niklas Küppers. This is because as soon as the nutrient content in the soil becomes too low, an emergency gene is activated in the fungilyzer, which causes the fungus to die in a controlled manner and releases all the nutrients stored in the fungus into the soil. All experiments are initially carried out on the model organism yeast. However, the results can later be transferred to other fungi.

The Düsseldorf team still has plenty to do before the iGEM competition in the fall. After all, it's not just the project idea that has to be developed. Laboratory planning and the procurement of budget funds as well as public relations are also part of the competition. The group of 15 students from the departments of biology and biochemistry - from beginners to master's students - will be supported by three professors from HHU. In previous years, German teams have been very successful in the iGEM competition, regularly taking top places.

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Menschen,Tiere, Pflanzen und Einzeller – alle nutzen kleine Biomoleküle als Signalstoffe, um Botschaften auszusenden oder Reaktionen auszulösen. „Mikroorganismen produzieren eine Vielzahl solcher Stoffe und wir beginnen gerade erst, diese Sprache zu verstehen“, schildert Axel Brakhage, Direktor des Leibniz-Instituts für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie und Professor an der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Als besonders kommunikationsfähig sind ihm und seiner Arbeitsgruppe Vertreter der Bakteriengattung Streptomyces aufgefallen.

Auslöser von Symbiosen, Gestaltwandel und Biofilmbildung

Das weit verbreitete Bodenbakterium produziert eine Vielzahl unterschiedlicher Arginoketide. Diese Naturstoffe sind zum einen oftmals potenzielle Antibiotika oder wirksam gegen Krebszellen. Zum anderen hat sich gezeigt, dass diese von vielen Organismen gebildeten Stoffe häufig in anderen Organismen Reaktionen auslösen, die dort sonst nicht zu beobachten sind: Ein Pilz geht plötzlich mit einer Grünalge eine Symbiose ein, ein anderer Pilz ändert seine Gestalt oder ein Bakterium bildet auf einmal einen Biofilm.

„In vorherigen Studien haben wir bereits gesehen, dass der Pilz Aspergillus nidulans manche Stoffe nur in Anwesenheit von Streptomyzeten produziert“, berichtet Maria Stroe, Erstautorin einer Studie zu diesem Thema im Fachjournal „Nature Micobiology“. Dahinter steckte das Arginoketid Azalomycin F. In weiteren Experimenten führten auch andere Arginoketide des Bakteriums zu ungewöhnlichen Reaktionen des Pilzes. „Wir haben deswegen vermutet, dass wir möglicherweise einen generellen Mechanismus der mikrobiellen Kommunikation gefunden haben“, folgert Lukas Zehner, der ebenfalls an der Studie beteiligt war.

Ansatz für den biologischen Pflanzenschutz

Der beobachtete Effekt ist dabei nicht auf A. nigulans begrenzt. Eine Vielzahl von Pilzen bildet in Gegenwart von Streptomyces iranensis Biomoleküle, die sie sonst nicht produzieren. Hinderten die Forschenden das Bakterium gentechnisch daran, Arginoketide zu bilden, blieben die Reaktionen der Pilze aus.

„Wir versuchen nun zu verstehen, welche Auswirkungen die Produktion von Arginoketiden selbst und auch die dann in einer zweiten Welle produzierten Substanzen aus Pilzen auf die Zusammensetzung von mikrobiellen Gemeinschaften, den Mikrobiomen, haben“, erläutert Studienleiter Brakhage. Neben theoretischem Verständnis der mikrobiellen Gemeinschaften und der Evolution könnte das auch praktischen Nutzen haben: Unter anderem hemmt A. nigulans einen Pilz, der Erreger einer Pflanzenkrankheit ist. Vielleicht liegt hier ein Ansatz für den biologischen Pflanzenschutz.

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Humans, animals, plants and single-celled organisms use small biomolecules as signaling substances to send messages or trigger reactions. "Microorganisms produce a variety of such substances, and we are just beginning to understand this language," says Axel Brakhage, director of the Leibniz Institute for Natural Product Research and Infection Biology and professor at Friedrich Schiller University Jena. He and his research group have found that representatives of the bacterial genus Streptomyces are particularly capable of communication.

Triggers of symbiosis, shape change and biofilm formation

The widespread soil bacterium produces a variety of different arginoketides. On the one hand, these natural substances are often potential antibiotics or effective against cancer cells. On the other hand, it has been shown that these substances produced by many organisms often trigger reactions in other organisms that are not otherwise observed there: A fungus suddenly enters into a symbiosis with a green alga, another fungus changes its shape, or a bacterium suddenly forms a biofilm.

"In previous studies, we have already seen that the fungus Aspergillus nidulans produces some substances only in the presence of streptomycetes," reports Maria Stroe, first author of a study on this topic in the journal Nature Micobiology. Behind this was the arginoketide azalomycin F. In further experiments, other arginoketides of the bacterium also led to unusual reactions of the fungus. "We therefore suspected that we may have found a general mechanism of microbial communication," concludes Lukas Zehner, who was also involved in the study.

Approach to biological plant protection

The observed effect is not limited to A. nigulans. In the presence of Streptomyces iranensis, a variety of fungi form biomolecules that they do not otherwise produce. When the researchers genetically prevented the bacterium from producing arginoketides, the fungal responses failed to materialize.

"We are now trying to understand what effects the production of arginoketides itself and also the substances then produced in a second wave by fungi have on the composition of microbial communities, the microbiomes," explains study leader Brakhage. In addition to theoretical understanding of microbial communities and evolution, this could also have practical benefits: Among other things, A. nigulans inhibits a fungus that is the causative agent of a plant disease. Perhaps this is an approach for biological plant protection.

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Biotechnologische Verfahren können eine Schlüsselrolle in der Verwertung lokaler Abfall- und Reststoffströme spielen und damit helfen, die industrielle Produktion in Richtung Kreislaufwirtschaft umzustellen. Trotz enormer wissenschaftlicher und technologischer Fortschritte in den vergangenen Jahren stellt die Skalierung dieser neuen biotechnologischen Verfahren und ihre Integration in bestehende oder neue Produktionsprozesse jedoch häufig eine Herausforderung dar. Vor allem die hohen Prozesskosten setzen solchen Innovationen noch Grenzen.

Hier setzt die Bundesagentur für Sprunginnovationen SPRIND an und hat einen neuen Innovationswettbewerb ausgerufen – die SPRIND Challenge „Circular Biomanufacturing“. Im Rahmen der dreijährigen Challenge werden bis zu acht Teams finanziert, die neue biotechnologische Verfahren zur Gewinnung von Rohstoffen aus Abfall- und Reststoffen und deren integrierte Weiterverarbeitung entwickeln. SPRIND stellt dafür insgesamt 40 Mio. Euro bereit. Damit bietet sich aktuell eine einzigartige Fördermöglichkeit für Innovatoren in der industriellen Bioökonomie und Biotechnologie.

Neue Wertschöpfungsketten für eine robuste Kreislaufwirtschaft

„Im Rahmen der SPRIND Challenge Circular Biomanufacturing soll ein End-to- End-Prototyp entwickelt werden, der kontinuierlich verschiedene kohlenstoffhaltige Abfallströme verarbeitet, Mikroben als Nahrung zuführt und die entstehenden Syntheseprodukte unmittelbar zu einem Zwischen- bzw. Endprodukt weiterverarbeitet“, sagt Jano Costard, Challenge Officer bei SPRIND. „Ziel ist es, neue Wertschöpfungsketten basierend auf lokal verfügbaren Sekundär-Rohstoffen zu etablieren. So soll eine komplett geschlossene, nachhaltige, umweltfreundliche und gegenüber Marktschwankungen robuste Kreislaufwirtschaft entstehen.“

Für die Teilnahme an der SPRIND Challenge, die am 1. November 2023 startet, können sich interessierte Teams bis 17. September 2023 bewerben. Die Auswahl wird von einer Expertenjury getroffen. Die Förderung erstreckt sich über drei Jahre. Jeweils nach dem ersten und zweiten Jahr bewertet eine Jury den Entwicklungsfortschritt und entscheidet, welche Teams weiter gefördert werden.

Das Ende fossiler Kraftstoffe wie Benzin und Diesel ist eingeläutet. Viele Staaten haben bereits Zeitpunkte beschlossen, ab denen entsprechend angetriebene Fahrzeuge nicht mehr vermarktet oder zugelassen werden dürfen. In der Schifffahrt, in der Luftfahrt und bei bestimmten Nutzfahrzeugen könnten flüssige Kraftstoffe mit hoher Energiedichte dennoch weiterhin eine Rolle spielen. Für sie müssen CO₂-neutrale Alternativen her.

11,9 Mio. Euro über einen Zeitraum von vier Jahren – so viel Geld stellt der Freistaat Bayern bereit, um klimaneutrale Kraftstoffe der Praxis näherzubringen. Die Fraunhofer-Institute IGB in Straubing und UMSICHT in Sulzbach wollen damit ein Zentrum für nachhaltige Kraftstoffe (ZENK) errichten.

Integriertes Raffineriekonzept

Beide Fraunhofer-Institute wollen mit ZENK ihre Expertise zusammenführen und eine gekoppelte Technikums- und Entwicklungsinfrastruktur aufbauen. Forschungsergebnisse sollen mit einem integrierten Raffineriekonzept schnell zur industriellen Anwendung gebracht werden. „Das Zentrum für nachhaltige Kraftstoffe in Straubing und Sulzbach-Rosenberg ist für mich ein zentrales Zukunftsprojekt, das wesentlich zur Energiewende und zur Sicherung der Energieversorgung in Bayern beitragen kann“, sagte Hubert Aiwanger, bayerischer Staatsminister für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie, als er Ende Juni 2023 den Zuwendungsbescheid übergab.

Power-to-X mit Biomasse-Ansatz gekoppelt

Konkret wollen die Forschenden zwei Ansätze kombinieren: In einem Power-to-X-Verfahren soll Strom aus erneuerbaren Energiequellen genutzt werden, um klimaneutral Wasserstoff herzustellen. Der wird dann mit Kohlendioxid chemisch weiterverarbeitet zu Methanol. Das wiederum soll als Ausgangsstoff für höhere Olefine dienen, die dann Grundlage für verschiedene Kraftstoffarten sein können.

Parallel dazu soll aus regional verfügbarer Biomasse ein wasserstoffreiches Synthesegas erzeugt werden, außerdem als Nebenstoffe ein Rohöl-Äquivalent sowie Biokohle. Das Synthesegas soll bei der Methanolsynthese des Power-to-X-Verfahrens zugeführt werden. Das biogene Öl könnte ebenfalls zu Kraftstoffen aufbereitet werden.

Formal CO₂-negative Kraftstoffproduktion

„Um die begrenzten Ressourcen möglichst hochwertig einzusetzen, wollen wir im Rahmen dieses Vorhabens die Synergien zwischen der Biomasseverwertung und den Power-to-X-Anwendungen – also der strombasierten Kraftstofferzeugung – identifizieren und heben“, erläutert Robert Daschner, der das Projekt auf UMSICHT-Seite leitet. „Dazu entwickeln wir technische Lösungen, beispielsweise zur Bereitstellung von Wasserstoff oder Kohlendioxid aus Biomassereststoff.“

Weil ein Teil des Kohlenstoffs in der Biokohle gebunden bleibt, erachten die Forschenden den Gesamtprozess als CO₂-negative Kraftstoffproduktion. Diese Betrachtung ergibt allerdings nur Sinn, wenn die Biokohle nicht genutzt wird oder nur in einer Weise, bei der das Treibhausgas nicht in die Atmosphäre gelangt.

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The end of fossil fuels such as gasoline and diesel has been heralded. Many countries have already decided when vehicles running on these fuels may no longer be marketed or registered. However, liquid fuels with high energy density could continue to play a role in shipping, aviation and certain commercial vehicles. CO2-neutral alternatives must be found for them.

11.9 million euros over a period of four years - this is how much money the Free State of Bavaria is providing to bring climate-neutral fuels closer to practice. The Fraunhofer Institutes IGB in Straubing and UMSICHT in Sulzbach want to use the money to establish a Center for Sustainable Fuels (ZENK).

Integrated refinery concept

With ZENK, the two Fraunhofer institutes intend to pool their expertise and establish a coupled pilot plant and development infrastructure. With an integrated refinery concept, the research results are to be quickly transferred to industrial application. "For me, the Center for Sustainable Fuels in Straubing and Sulzbach-Rosenberg is a key project for the future that can make a significant contribution to the energy transition and to securing the energy supply in Bavaria," said Hubert Aiwanger, Bavarian State Minister for Economic Affairs, Regional Development and Energy, when the funding decision was handed over at the end of June 2023.

Power-to-X coupled with biomass approach

Specifically, the researchers want to combine two approaches: In a power-to-X process, electricity from renewable energy sources is to be used to produce hydrogen in a climate-neutral way, which is then chemically processed with carbon dioxide to produce methanol. This, in turn, will serve as a starting material for higher olefins, providing the basis for various types of fuel.

In parallel, a hydrogen-rich synthesis gas is to be produced from regionally available biomass, as well as a crude oil equivalent and biochar as by-products. The synthesis gas is to be fed to the methanol synthesis of the power-to-X process. The biogenic oil could also be processed into fuels.

Formal CO2-negative fuel production

"In order to make the best possible use of the limited resources, we want to identify and leverage the synergies between biomass utilization and power-to-X applications - i.e., electricity-based fuel generation - as part of this project," explains Robert Daschner, who heads the project on the UMSICHT side. "To this end, we are developing technical solutions, for example, for the provision of hydrogen or carbon dioxide from biomass residues."

Since some of the carbon remains sequestered in the biochar, the researchers consider the overall process to be CO2-negative fuel production. However, this consideration only makes sense if the biochar is not used or only used in a way that does not release the greenhouse gas into the atmosphere.

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Jährlich werden knapp 15 Millionen Tonnen Synthesekautschuk produziert – Tendenz steigend. PKW-Reifen stellen dabei mit etwa 70 Prozent den Hauptmarkt für Synthesekautschuk dar. Die benötigten Ausgangsstoffe – die Monomere Butadien, Styrol und Isopren – werden aktuell fast ausschließlich auf Basis von Erdöl hergestellt.

Mit der Erschöpfung fossiler Ressourcen und der dringenden Notwendigkeit, CO₂-Emissionen in der Umwelt zu reduzieren, besteht weltweit für Kautschukproduzenten ein enormer Bedarf an nachhaltigen Alternativen. Darüber hinaus ergeben sich aus dem gesamtgesellschaftlichen Ziel, die Mobilität nachhaltiger zu gestalten, auch neue Anforderungen an Autoreifen. Diese erfordern fortgeschrittene Materialien, Design- und Fertigungstechnologien.

Allianz aus vier Fraunhofer-Instituten

Unter Federführung des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP erschließen nun vier Fraunhofer-Institute alternative, biobasierte Rohstoffquellen für Synthesekautschuk, die völlig neue Kautschuktypen für Autoreifen ermöglichen werden. Das dreijährige Projekt mit dem Titel „Nachhaltige Biomonomere für Synthesekautschuke mit anwendungsbezogenen einstellbaren viskoelastischen Eigenschaften – NaMoKau“ wird durch die Fraunhofer-Gesellschaft mit 3,25 Mio. Euro finanziert und startet im April 2024. Neben dem IAP sind die Fraunhofer-Institute für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS, für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM und für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT beteiligt.

Kautschuk-Monomere aus biobasierten Alkoholen

„In dem Projekt stellen wir die Kautschuk-Monomere Butadien, Isopren und Dimethylbutadien aus biobasierten Alkoholen her“, erklärt Barbara Zeidler-Fandrich vom Fraunhofer UMSICHT. „Damit dieser Prozess funktionieren kann, ist es essenziell, einen möglichst aktiven und selektiven Katalysator einzusetzen. Dafür entwickeln wir neuartige Materialien auf der Basis von Tonmineralien.“

„Insbesondere die Herstellung von nachhaltigem Dimethylbutadien ist ein herausragendes Merkmal des Projekts, da dieses Monomer im technischen Maßstab bisher nicht verfügbar war und folglich nicht in der Kautschukproduktion verwendet wird“, ergänzt NaMoKau-Projektleiter Ulrich Wendler, Polymerexperte am Fraunhofer IAP.
„Wir werden Dimethylbutadien für die Kautschuksynthese zugänglich machen. Kombiniert mit den Synthesebausteinen Butadien und Isopren werden wir neuartige Polymerstrukturen mit einzigartigen mechanischen und thermischen Eigenschaften synthetisieren. Auf diese Weise entstehen völlig neue biobasierte Kautschuktypen mit Materialeigenschaften, die bisher nicht realisierbar waren und äußerst systematisch eingestellt werden können“, so Wendler.

Auf dem Weg zu Autoreifen mit bisher unerreichten Eigenschaften

Eine der großen Herausforderungen bei der Entwicklung von Autoreifen besteht darin, einen idealen Ausgleich zwischen den drei Faktoren Rollwiderstand, Nassgriff und Abrieb zu finden. Zur Verbesserung dieser Parameter werden Füllstoffe, Verarbeitungshilfsmittel und andere Additive dem Kautschuk zugesetzt. Diese beeinflussen die Lauffläche des Autoreifens maßgeblich. „Unser Ziel ist es, auf Basis der Kautschuktypen, die wir im Projekt erforschen werden, neue Mischungen für PKW-Laufflächen mit bisher nicht erreichbaren Eigenschaftsprofilen zu entwickeln. Das wird der Reifenindustrie neue Perspektiven eröffnen“, erklärt Mario Beiner vom Fraunhofer IMWS.

Um die Markteinführung des Kautschuks so schnell wie möglich zu erreichen, ist der Einsatz digitaler Methoden im Materialdesign unverzichtbar – etwa um die Eigenschaften der komplexen Kautschukcomposite vorherzusagen. „Mittels datengestützter Simulationen machen wir möglichst zielgerichtete Vorschläge für Versuche zur Synthese und zur Materialcharakterisierung. Dafür entwickeln wir einen Softwareprototypen zur modellbasierten Vorhersage, Unsicherheitsbewertung und Versuchsplanung“, sagt Michael Bortz vom Fraunhofer ITWM.

Schlussendlich wird aus den entwickelten Materialien ein vollständig testbarer Reifen-Demonstrator entstehen. „Die gesamte Wertschöpfungskette vom Monomer über das Polymer bis zum Kautschukcompound im Demonstrator wird mit einem Life Cycle Assessment begleitet. Durch diese systematische Analyse sind wir in der Lage, den ökologischen Fußabdruck ISO-konform zu ermitteln und zur Grünen Chemie beizutragen“, erläutert Markus Hiebel vom Fraunhofer UMSICHT.

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Pflanzen vermitteln ihre Wechselwirkungen mit der Umwelt über chemische Signale. Ein Beispiel dafür ist das Alkaloid Gramin, das von Gerste, einer der weltweit am häufigsten angebauten Getreideart, produziert wird. Gramin bietet Schutz vor pflanzenfressenden Insekten und Weidetieren und hemmt das Wachstum anderer Pflanzen. Insbesondere in den grünen Pflanzenteilen wie Blättern und Halmen ist der Giftstoff präsent, kaum jedoch in den Körnern, die für die Lebensmittelherstellung bedenkenlos genutzt werden können. Für Wiederkäuer kann der Verzehr der grünen Pflanzenteile jedoch toxisch sein, dies schränkt die Nutzung der Gerste als Futtermittel ein.

Bisher war die genetische Grundlage der Gramin-Biosynthese nicht geklärt, daher konnte die Produktion nicht gesteuert und diese Möglichkeit nicht für die Züchtung genutzt werden. Nun ist es Forschungsgruppen des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) und der Leibniz Universität Hannover gelungen, den kompletten Biosyntheseweg von Gramin zu entschlüsseln. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht.

Zweites Schlüssel-Gen für die Biosynthese aufgespürt

Trotz langjähriger Forschung war das Schlüssel-Gen für die Bildung von Gramin bislang nicht bekannt. Die Forschenden entdeckten in der Gerste nun ein Cluster von zwei Genen für die Gramin-Biosynthese. Das erste Gen (HvNMT) war bereits vor 18 Jahren gefunden worden. In seiner Studie hat das Team vom IPK und der Leibniz-Universität Hannover jetzt ein zweites Schlüsselgen für die Biosynthese identifiziert. Es kodiert für das Enzym AMI-Synthase und liegt auf demselben Chromosom wie HvNMT. Damit ist jetzt der gesamte Stoffwechselweg von Gramin beschrieben.

„Wir haben entdeckt, dass AMIS ein Oxidase-Enzym ist, das eine ungewöhnliche kryptische oxidative Umlagerung von Tryptophan durchführt. Damit können wir die bisherige Theorie zur Gramin-Biosynthese aus den 1960er Jahren revidieren“, sagt John D'Auria, Leiter der IPK-Arbeitsgruppe Metabolische Diversität. Jakob Franke, Leiter der Arbeitsgruppe Biochemie sekundärer Pflanzenstoffe an der Leibniz-Universität Hannover, ergänzt: „Der bisher unbekannte Enzym-Mechanismus, über den Gramin gebildet wird, hat uns sehr überrascht. Gleichzeitig bietet sich dadurch nun die Möglichkeit, biologisch aktive Alkaloide mit nachhaltigen biotechnologischen Methoden zu produzieren.“

Gramin in Hefe und Modellpflanzen hergestellt

Die Forscherinnen und Forscher konnten damit Gramin in Hefe und Modellpflanzen (Nicotiana benthamiana, Arabidopsis thaliana) herstellen. „Anders als bei vielen anderen pflanzlichen Abwehrstoffen sind zur Bildung von Gramin nur zwei Gene erforderlich. Dadurch lassen sich unsere Erkenntnisse relativ leicht praktisch nutzen“, hebt Ling Chuang von der Leibniz-Universität hervor. „Zudem ist es uns durch gentechnische Veränderung auch gelungen, Gramin in einer nicht graminproduzierenden Gerstensorte herzustellen und umgekehrt, die Graminproduktion in einer graminproduzierenden Gerstensorte durch Genom-Editierung zu unterbinden“, sagt Sara Leite Dias von der International Max Planck Research School geförderte Wissenschaftlerin am IPK. Beteiligt an der Studie war auch Robert Hoffie, der auf bioökonomie.de in der Porträtreihe „Die Biopioniere“ vorgestellt wurde.

„Die Ergebnisse ermöglichen die Herstellung von Gramin in Organismen, die eigentlich nicht die Fähigkeit haben, es selbst zu synthetisieren“, erklärt John D‘Auria. „Umgekehrt kann Gramin nun aus Gerste und anderen Gräsern eliminiert werden, um die Toxizität für Wiederkäuer zu verringern“, sagt der IPK-Wissenschaftler. „Unter dem Strich bilden die Ergebnisse die Grundlage für die Verbesserung der Gerste, um ihre Resistenz gegen Schädlinge künftig weiter zu erhöhen, ihre Toxizität für Wiederkäuer zu verringern und einen Beitrag zur nachhaltigen Unkrautbekämpfung zu leisten.“

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Plants mediate their interactions with the environment via chemical signals. One example of this is the alkaloid gramine, which is produced by barley, one of the world's most widely cultivated cereals. Gramine provides protection against herbivorous insects and grazing animals and inhibits the growth of other plants. The toxin is particularly present in the green parts of the plant, such as leaves and stalks, but hardly ever in the grains, which can be safely used for food production. However, eating the green parts of the plant can be toxic to ruminants, which limits the use of barley as animal feed.

Until now, the genetic basis of gramine biosynthesis had not been clarified, so production could not be controlled and this possibility could not be utilised for breeding. Now, research groups from the Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK) and Leibniz University Hannover have succeeded in deciphering the complete biosynthetic pathway of gramine. The results have been published in the journal "Science" .

Second key gene for biosynthesis discovered

Despite many years of research, the key gene for the formation of gramine was previously unknown. The researchers have now discovered a cluster of two genes for gramine biosynthesis in barley. The first gene (HvNMT) had already been found 18 years ago. In their study, the team from the IPK and Leibniz University Hannover has now identified a second key gene for biosynthesis. It codes for the enzyme AMI synthase and is located on the same chromosome as HvNMT. This means that the entire metabolic pathway of gramine has now been described.

"We have discovered that AMIS is an oxidase enzyme that carries out an unusual cryptic oxidative rearrangement of tryptophan. This allows us to revise the previous theory of gramine biosynthesis from the 1960s," says John D'Auria, head of the IPK Metabolic Diversity research group. Jakob Franke, head of the Biochemistry of Secondary Plant Compounds research group at Leibniz University Hannover, adds: "We were very surprised by the previously unknown enzyme mechanism by which gramine is formed. At the same time, this now opens up the possibility of producing biologically active alkaloids using sustainable biotechnological methods."

Gramine produced in yeast and model plants

The researchers were thus able to produce gramine in yeast and model plants (Nicotiana benthamiana, Arabidopsis thaliana). "Unlike many other plant defences, only two genes are required to produce gramine. This makes it relatively easy to put our findings to practical use," emphasises Ling Chuang from Leibniz University. "In addition, we have also succeeded in producing gramine in a non-gramine-producing barley variety through genetic modification and, conversely, in preventing gramine production in a gramine-producing barley variety through genome editing," says Sara Leite Dias from the International Max Planck Research School, a scientist funded by the IPK. Robert Hoffie, who was featured on bioökonomie.de in the "Biopioneers" portrait series , was also involved in the study.

"The results enable the production of gramine in organisms that do not actually have the ability to synthesise it themselves," explains John D'Auria. "Conversely, gramine can now be eliminated from barley and other grasses to reduce toxicity to ruminants," says the IPK scientist. "All in all, the results form the basis for improving barley in order to further increase its resistance to pests in the future, reduce its toxicity to ruminants and contribute to sustainable weed control."

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Pflanzen brauchen Nährstoffe wie Stickstoff und Phosphor zum Wachsen. Die konventionelle Landwirtschaft setzt daher meist auf Kunstdünger, die Ökosysteme und Umwelt gleichermaßen belasten. Im Ökolandbau sind synthetische Dünger verboten. Forschende vom Leibniz-Institut für Gemüse- und Zierpflanzenbau (IGZ) setzen auf einen urinbasierten Recyclingdünger, der Rohstoffe und Umwelt gleichermaßen schont. Dass der Dünger aus menschlichem Urin das Pflanzenwachstum genauso fördert wie konventionelle Dünger, wurde bereits im Rahmen des Citizen-Science-Projekts „urban cycles“ in Berliner Gemeinschaftsgärten erfolgreich erprobt. Nun soll der Dünger im Nachfolgeprojekt „U-Cycle“ deutschlandweit in 100 Stadtgärten getestet werden, um Gärtnerinnen und Gärtner von der Innovation zu überzeugen.

Das Citizen-Science-Projekt, das im Februar gestartet ist und bis April 2026 läuft, wird von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) gefördert und vom IGZ und dem Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e. V. durchgeführt. Noch bis Mitte April können sich Interessierte für die Teilnahme an dem Projekt anmelden. Mitmachen können Klein-, Gemeinschafts-, Schul- und Heimgärtnerinnen und -gärtner.