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Das Kürzel „BonaRes“ steht für „Boden als nachhaltige Ressource für die Bioökonomie“. Bei dieser vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Jahr 2015 gestarteten Förderinitiative steht die nachhaltige Nutzung der knappen Ressource Boden im Vordergrund.

Ziel von zehn interdisziplinäre Projektverbünde und des BonaRes-Zentrums ist es, das wissenschaftliche Verständnis von Bodenökosystemen zu erweitern und die Produktivität der Böden und ihre anderen Funktionen zu verbessern sowie neue Strategien für eine nachhaltige Nutzung und Bewirtschaftung von Böden zu entwickeln. Im Jahr 2025 läuft die Maßnahme, die das BMBF mit insgesamt 108 Mio. Euro gefördert hat, aus.

Anwenderperspektive im Fokus

Die BonaRes-Konferenz am 28. und 29. Mai im Leipziger KUBUS bot den etwa 120 beteiligten Forschenden aus 53 Institutionen den passenden Anlass, Bilanz aus knapp einem Jahrzehnt Bodenforschung zu ziehen und ihre zentralen Ergebnisse anschaulich zu präsentieren. Rund 180 Teilnehmende waren nach Leipzig gekommen. „Auf dieser Konferenz steht klar die Anwendungsperspektive im Mittelpunkt“, so Hans-Jörg Vogel aus dem BonaRes-Koordinationsteam.

„Wir freuen uns besonders über die Gäste aus der praktischen Landwirtschaft, um ihnen unsere Ergebnisse vorzustellen und zu diskutieren“, sagte der Departmentleiter Bodensystemforschung am Umweltforschungszentrum Leipzig.  Schließlich sei man bei BonaRes mit dem Ziel angetreten, das Wissen aus Grundlagenforschung mit dem aus der praktischen Landwirtschaft zu kombinieren und einen systemischen Ansatz zu verfolgen.

Dateninfrastrukturen werden verstetigt

Mit eben diesem systemischen Ansatz sei BonaRes ein echter Vorreiter gewesen, sagte Klaus-Peter Michel, Referent im Bioökonomie-Referat des BMBF. Die zehn großen Verbünde und das BonaRes-Zentrum hätten signifikante Ergebnisse geliefert und hätten auch international hohe Sichtbarkeit erlangt. Zwar laufe die BMBF-Förderung von BonaRes demnächst aus, aber die aufgebauten standardisierten Dateninfrastrukturen wie das „BonaRes Repositorium“ würden im Rahmen von institutioneller Förderung verstetigt und weiterentwickelt. Michel verwies auch auf offene Fördermöglichkeiten auf EU-Ebene, wie etwa die sogenannte Boden-Mission, in der 100 „Living Labs“ als Forschungs- und Innovationsökosysteme entstehen sollen. „Bodenforschung spielt eine entscheidende Rolle für Bioökonomie und Klimaschutz. Boden ist und bleibt ein Zukunftsthema“, sagte er.

The abbreviation "BonaRes" stands for "soil as a sustainable resource for the bioeconomy". This funding initiative launched by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) in 2015 focuses on the sustainable use of soil as a scarce resource.

The aim of ten interdisciplinary project consortia and the BonaRes Centre is to expand the scientific understanding of soil ecosystems and improve the productivity of soils and their various other functions, as well as to develop new strategies for the sustainable use and management of soils. The programme, which was funded by the BMBF with a total of 108 million euros, will come to an end in 2025.

Focus on the user perspective

The BonaRes conference on 28 and 29 May in Leipzig's KUBUS offered the approximately 120 participating researchers from 53 institutions the perfect opportunity to take stock of almost a decade of soil research and to present their key findings in a vivid way. Around 180 participants travelled to Leipzig. "This conference clearly focuses on the application perspective," says Hans-Jörg Vogel from the BonaRes coordination team.

"We are particularly pleased to welcome guests from practical agriculture to present and discuss our results with them," said the Head of the Department of Soil System Research at the Environmental Research Centre Leipzig.  After all, the aim of BonaRes was to combine knowledge from fundamental research with that from practical agriculture and to pursue a systemic approach.

Data infrastructures are being stabilised

With this systemic approach, BonaRes was a real pioneer, said Klaus-Peter Michel, a consultant in the Bioeconomy Division of the BMBF. The ten large consortia and the BonaRes Centre had delivered significant results and had also achieved a high level of international visibility. Although BMBF funding for BonaRes will soon come to an end, the standardised data infrastructures that have been established, such as the "BonaRes Repository", will be consolidated and further developed within the framework of institutional funding. Michel also referred to open funding opportunities at EU level, such as the so-called Soil Mission, in which 100 "living labs" are to be created as research and innovation ecosystems. "Soil research plays a crucial role in the bioeconomy and climate protection. Soil is and will remain a topic of the future," he said.

Der Ingenieur Felix Lenk ist Gründer und Geschäftsführer der SmartLab Solutions GmbH. Das Spin-off der Technischen Universität Dresden entwickelt Hardware- und IT-Lösungen für das digitalisierte und automatisierte Labor der Zukunft. Darunter sind die „Sens-o-Spheres“, ein mobiles Messsystem in Erbsengröße, das im Nährmedium eines Bioreaktors wichtige Prozessparameter wie die Temperatur erfasst und an eine Basisstation funkt. Das Bundesforschungsministerium hat die Entwicklung im Rahmen des Ideenwettbewerbs „Neue Produkte für die Bioökonomie“ sowie „KMU-innovativ“ gefördert.

Engineer Felix Lenk is the founder and Managing Director of SmartLab Solutions GmbH. The spin-off from Dresden University of Technology develops hardware and IT solutions for the digitalised and automated laboratory of the future. These include the ‘Sens-o-Spheres’, a mobile measuring system the size of a pea that records important process parameters such as temperature in the culture medium of a bioreactor and transmits them to a base station. The Federal Ministry of Education and Research funded the development as part of the ideas competition ‘New products for the bioeconomy’ and 'SME-innovative'.

Cannabinoide Substanzen – das klingt im Kontext der aktuellen Teillegalisierung von Cannabis irgendwie nach Rauschmitteln. Doch viele der rund 120 bekannten Cannabinoide sind potente Schmerzmittel, darunter auch Delta-9-THC (Dronabinol), das Ärzte sehr spezifisch bei bestimmten chronischen Schmerzen verschreiben. Weil die bisher übliche chemische Synthese nicht unproblematisch ist, suchen Forschende im Projekt BigPharm nach nachhaltigen biotechnologischen Alternativen.

Im ersten Moment klingt die chemische Synthese gar nicht schlecht: Immerhin beginnt sie mit einem biobasierten Reststoff, Limonen, das bei der Herstellung von Orangensaft als Nebenprodukt anfällt. „Limonen ist sehr billig. Aber man muss es oxidieren zu Menthadienol. Das geht nur sehr schlecht und es fallen viele toxische Nebenprodukte an“, erläutert Projektleiter Norbert Mehlmer von der TU München. Die Nebenprodukte müssen mit teils problematischen Lösungsmitteln oder über Chromatographie aufwendig entfernt werden. „Dabei entstehen viele Waschfraktionen mit schwer recycelbaren Stoffen – das macht den Prozess so teuer.“ Am Ende werden die Nebenprodukte meist verbrannt.

Umweltfreundlicher und energiesparender

Weil die Biotechnologie immer öfter Alternativen zu chemischen Katalysen bietet, hat Mehlmer sich gefragt, ob das nicht auch hier der Fall sein könnte, denn Enzyme sind in der Lage, eine Vielzahl komplexer Moleküle herzustellen. „Enzyme arbeiten sehr spezifisch, mit wenig Nebenprodukten und bei niedrigen Temperaturen, wodurch die Prozesse weniger Energie benötigen“, nennt der Projektleiter einige Vorzüge. Die Basis ist zudem Wasser statt ökologisch bedenklicher Lösungsmittel.

In der Literatur fand das Team tatsächlich „einige wenige“ Organismen, für die dokumentiert ist, dass sie in ihren Zellen Menthadienol bilden, darunter das afrikanische Zitronengras und die Bartblume. Letztere bekamen die Forscherinnen und Forscher in einer Gärtnerei sogar geschenkt, 14 Stück an der Zahl. „Zunächst haben wir untersucht, in welcher Menge die Pflanzen Menthadienol produzieren“, erzählt Mehlmer. Sechs Pflanzen erwiesen sich als besonders produktiv, einzelne bildeten die gesuchte Verbindung gar nicht.

Analysen von Genom, Transkriptom und Proteom

Aus diesen Pflanzen wählte das Team Exemplare aus, die sich zwar äußerlich ähnelten, aber in der produzierten Menge Menthadienol stark unterschieden. Dann sequenzierten sie deren Genome und annotierten die Gene – ordneten ihnen also aufgrund von Ähnlichkeiten mit bekannten Genen in Datenbanken mutmaßliche Funktionen zu. Ähnlich verfuhr das Team mit dem Transkriptom und dem Proteom, der Gesamtheit der mRNA und der daraus gebildeten Produkte. „Die Idee war, dass die eine Pflanze Menthadienol produziert, die andere nicht. Die eine muss also den gesuchten Biokatalysator bilden, die andere nicht“, erläutert Mehlmer. Die Untersuchungsergebnisse müssten sich an dieser Stelle somit unterscheiden.

Cannabinoid substances – in the context of the current partial legalisation of cannabis, this somehow sounds like a narcotic. However, many of the 120 or so known cannabinoids are potent painkillers, including delta-9-THC (dronabinol), which doctors prescribe very specifically for certain chronic pains. Because the chemical synthesis used to date is not without its problems, researchers in the BigPharm project are looking for sustainable biotechnological alternatives.

At first glance, the chemical synthesis doesn't sound bad at all: after all, it starts with a bio-based residue, limonene, which is a by-product of orange juice production. "Limonene is very cheap. But you have to oxidise it to menthadienol. This is very difficult to do and produces many toxic by-products," explains project manager Norbert Mehlmer from the Technical University of Munich. The by-products have to be laboriously removed using solvents, some of which are problematic, or by chromatography. "This produces many wash fractions with substances that are difficult to recycle - that's what makes the process so expensive." In the end, the by-products are usually incinerated.

More environmentally friendly and energy-saving

As biotechnology is increasingly offering alternatives to chemical catalyses, Mehlmer wondered whether this could also be the case here, as enzymes are able to produce a large number of complex molecules. "Enzymes work very specifically, with few by-products and at low temperatures, which means that the processes require less energy," says the project manager, citing some of the advantages. The basis is also water instead of ecologically questionable solvents.

The team actually found "a few" organisms in the literature for which it is documented that they produce menthadienol in their cells, including African lemongrass and the bearded flower. The researchers even received 14 of the latter as a gift from a nursery. "First of all, we analysed the amount of menthadienol produced by the plants," explains Mehlmer. Six plants proved to be particularly productive, while some did not produce the sought-after compound at all.

Analyses of genome, transcriptome and proteome

From these plants, the team selected specimens that were similar in appearance but differed greatly in the amount of menthadienol they produced. They then sequenced their genomes and annotated the genes - assigning them presumed functions based on similarities with known genes in databases. The team proceeded in a similar way with the transcriptome and the proteome, the entirety of the mRNA and the products formed from it. "The idea was that one plant produces menthadienol and the other does not. One must therefore form the biocatalyst we are looking for, while the other does not," explains Mehlmer. The test results should therefore differ at this point.

Schub für die Protein- und Pflanzenforschung an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU). Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat den neuen Sonderforschungsbereich (SFB) 1664 „Diversität pflanzlicher Proteoformen – SNP2Prot“ bewilligt. Rund 12,5 Mio. Euro erhält die Universität dafür in der ersten Förderperiode, die knapp vier Jahre dauert.

Wie wirken sich kleine Veränderungen im Erbgut aus?

Im Zentrum der Forschungsprojekte steht die Frage, wie winzige Veränderungen im Erbgut – sogenannte Punktmutationen oder Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs) – in großem Ausmaß zur genomischen Vielfalt beitragen. Diese SNPs führen zu unterschiedlichen Proteoformen, also zu verschiedenen Formen eines Proteins, die wiederum Pflanzen bei der Anpassung an verschiedene Umweltbedingungen helfen können.

Beteiligt an dem neuen SFB sind neben der MLU das Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK), das Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie (IPB) und die Universität Leipzig. „Die Proteinbiochemie und die Pflanzenforschung gehören zu den wissenschaftlichen Schwerpunkten der Martin-Luther-Universität. Hier leisten unsere Forschenden jeweils hervorragende Arbeit. Der neue SFB hebt ihre Arbeit nun auf ein noch höheres Level“, sagt MLU-Rektorin Claudia Becker. Die DFG hat alle 17 beantragten Teilprojekte des SFB bewilligt. Teil davon ist ein integriertes Graduiertenkolleg für bis zu 27 Promovierende. Hinzu kommen neun weitere Stellen für Postdocs.

Wie Mutationen die Proteinstruktur beeinflussen

Thematisch verknüpft der SFB 1664 die Protein- und Pflanzenforschung: Im Zentrum stehen winzige Veränderungen im Erbgut der Pflanzen, die mitunter erhebliche Folgen haben. Bei der Gerste verändert etwa eine Mutation an einer einzigen Stelle im Erbgut den Zeitpunkt, wann die Pflanzen blühen. Der Grund: Das Erbgut der Pflanze fungiert als Bauanleitung für Proteine, die alle wichtigen Prozesse der Pflanze steuern. Eine einzige Abweichung im genetischen Code kann die Struktur eines Proteins verändern und so zu anderen Eigenschaften führen. „Im Detail ist noch zu wenig darüber bekannt, welchen Einfluss diese natürlich auftretenden Mutationen auf die Struktur von Proteinen und so auf deren Funktion haben“, sagt der Pflanzenwissenschaftler und SFB-Sprecher Marcel Quint von der MLU.

Auch Strukturbiologie und Bioinformatik im Einsatz

Für die Forschung kommen Methoden aus Pflanzen- und Strukturbiologie, Biochemie und Bioinformatik zum Einsatz. Ein tieferes Verständnis dieser natürlich auftretenden Punktmutationen sowie ihrer Folgen ist für viele Bereiche relevant: „Wir wollen verstehen, was die Natur macht, um dieses Wissen in einem späteren Schritt gezielt einzusetzen“, sagt Quint. Davon profitieren könnte zum Beispiel die Pflanzenzüchtung, wenn es darum geht, Nutzpflanzen gegen die Folgen des Klimawandels zu wappnen. Die Ergebnisse könnten auch dabei helfen, die Produktion pflanzlicher Inhaltsstoffe zu verbessern.

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Boost for protein and plant research at Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU). The German Research Foundation (DFG) has approved the new Collaborative Research Centre (SFB) 1664 "Diversity of Plant Proteoforms - SNP2Prot". The university will receive around 12.5 million euros for the first funding period, which will last just under four years.

What effect do small changes in the genome have?

At the centre of the research projects is the question of how tiny changes in the genome - so-called point mutations or single nucleotide polymorphisms (SNPs) - contribute to genomic diversity on a large scale. These SNPs lead to different proteoforms, i.e. different forms of a protein, which in turn can help plants to adapt to different environmental conditions.

In addition to MLU, the Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK), the Leibniz Institute of Plant Biochemistry (IPB) and Leipzig University are involved in the new SFB. "Protein biochemistry and plant research are among the scientific specialisations of Martin Luther University. Our researchers are doing outstanding work in each of these areas. The new SFB will now take their work to an even higher level," says MLU Rector Claudia Becker. The DFG has approved all 17 proposed sub-projects of the SFB. Part of this is an integrated research training group for up to 27 doctoral students. There are also nine additional positions for postdocs.

How mutations influence protein structure

The SFB 1664 thematically links protein and plant research: the focus is on tiny changes in the genetic material of plants, which sometimes have considerable consequences. In barley, for example, a mutation at a single point in the genome changes the time at which the plants flower. This is because the plant's genetic material acts as a blueprint for proteins that control all of the plant's important processes. A single deviation in the genetic code can change the structure of a protein and thus lead to different properties. "Too little is known in detail about the influence these naturally occurring mutations have on the structure of proteins and thus on their function," says plant scientist and SFB spokesperson Marcel Quint from MLU.

Structural biology and bioinformatics also involved

The research utilises methods from plant and structural biology, biochemistry and bioinformatics. A deeper understanding of these naturally occurring point mutations and their consequences is relevant for many areas: "We want to understand what nature does so that we can utilise this knowledge in a targeted manner at a later stage," says Quint. Plant breeding, for example, could benefit from this when it comes to arming crops against the consequences of climate change. The results could also help to improve the production of plant-based ingredients.

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