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Die Wirtschaft basiert noch immer auf fossilen Rohstoffen – das führt zu Problemen wie Klimawandel, Energiekrise und Ressourcenverknappung. Gesucht sind deshalb Wege, die aus der Abhängigkeit führen. Genau solche Lösungen möchte die Joachim Herz Stiftung mit dem innovate! Fonds unterstützen. Laut Ausschreibung fördert sie transferorientierte Forschungsprojekte mit risikoreichen Ansätzen, die biogene Ressourcen für eine fossilfreie Zukunft nutzbar machen. Gesucht werden dafür drei interdisziplinäre Forschungsteams.

Natürliche Ressourcen als Rohstoffquelle

Ein wichtiger Hebel für eine fossilfreie Zukunft sind biogene Ressource, natürliche Rohstoffe, die aus lebenden oder toten Organismen stammen. Sie können als Energiequelle zur Energiewende beitragen und sind vielseitig für Baustoffe, Industriegüter und Produkte einsetzbar. Allerdings fehle es an Lösungsansätzen und innovativen Ideen aus der Wissenschaft, die tatsächlich in der Praxis umgesetzt werden können: „Mit dem „innovate! Fonds“ unterstützen wir den Mut, Zukunft neu zu denken, und fördern anwendungsorientierte Projekte“, so Sabine Kunst, Vorstandsvorsitzende der Joachim Herz Stiftung.

The economy is still based on fossil fuels which leads to problems such as climate change, energy crisis and resource scarcity. Ways are therefore needed to break this dependency. The Joachim Herz Foundation would like to support precisely such solutions with the innovate! Fund. According to the call for proposals, it supports transfer-oriented research projects with high-risk approaches that make biogenic resources usable for a fossil-free future. Three interdisciplinary research teams are being sought.

Natural resources as a source of raw materials

Biogenic resources, natural raw materials derived from living or dead organisms, are an important lever for a fossil-free future. They can contribute to the energy transition as a source of energy and can be used in a variety of ways for building materials, industrial goods and products. However, there is a lack of solutions and innovative ideas from science that can actually be implemented in practice: “With the ”innovate! Fund, we support the courage to rethink the future and promote application-oriented projects,” says Sabine Kunst, Chairwoman of the Joachim Herz Foundation.

Ob im Bauwesen, der chemischen Industrie oder in der Futtermittelproduktion: Wo Biomasse zum Einsatz kommt, fallen häufig auch Reststoffe an, die bisher entsorgt werden. Dieses ungenutzte Potenzial im Sinne einer zirkulären und nachhaltigen Bioökonomie zu erschließen, steht im Fokus eines Konzeptes, das Forschende des Leibniz-Instituts für Agrartechnik und Bioökonomie (ATB) in Potsdam erstellt haben. Das Konzeptpapier mit dem Titel „Smart Integrated Biorefineries in Bioeconomy: A Concept Toward Zero-Waste, Emission Reduction, and Self-Sufficient Energy Production“ ist im Biofuel Research Journal erschienen. 

Konzept für integrierte Bioraffinerie

Ein wesentlicher Bestandteil des visionären Konzepts sind smarte, integrierte Bioraffinerien. Für die Umwandlung von Biomasse in neue biogene Wertstoffe werden Technologien wie mikrobielle Fermentation, anaerobe Vergärung und Pyrolyse genutzt. Im Vergleich zu gängigen Bioraffinerien, in denen aus einem biogenen Ausgangsstoff wie Stroh eine Biochemikalie gewonnen wird, setzten die Leibniz-Forschenden auf die Kombination mehrerer gängiger Umwandlungsverfahren und arbeiten mit 90 verschiedenen regional und saisonal verfügbaren Rohstoffen. 

Dieser systemische Ansatz ermöglicht es den Forschenden, die Reststoffverwertung zu verbessern. „Bei der anaeroben Vergärung wird zum Beispiel Biogas erzeugt, wobei der verbleibende Gärrest noch wertvolle organische Verbindungen enthält“, erläutert ATB-Forscher und Erstautor des Konzeptpapiers, Nader Marzban. „Anstatt ihn, wie herkömmlich, als Dünger zu verwenden, können wir diesen Gärrest durch hydrothermale Humifizierung in künstliche Huminstoffe umwandeln.“ 

So groß das Potenzial integrierter Bioraffinerien ist, so groß ist auch die Anzahl der Optimierungsmöglichkeiten. Um die effizientesten Ansätze zu identifizieren, setzen die Forschenden auf KI-gesteuerte Simulationen. „Die smarten, integrierten Bioraffinerien können mithilfe von Netzwerken und Dialogen zwischen verschiedenen, modellierten Systemen entwickelt und anschließend in der Realität validiert werden“, erklärt Barbara Sturm, wissenschaftliche Direktorin des ATB und hauptverantwortliche Autorin des Papers. Mithilfe dieses Validierungsprozesses können Lücken und Möglichkeiten der Verwertung aufgedeckt und Reststoffe wiederverwertet werden.

Vision für biobasiertes Wirtschaften

Die Vision der Forschenden ist es, zu einer widerstandsfähigeren, effizienteren und zukunftssicheren biobasierten Wirtschaft zu gelangen. „Der integrierte Ansatz könnte es uns ermöglichen, eine tatsächlich nachhaltige Bioökonomie zu schaffen, die Abfall nicht kennt und innerhalb der planetaren Grenzen bleibt“, schreiben die Forschenden. 

Neue Bioraffinerie auf dem InnoHof

Das Konzeptpapier wurde gemeinsam mit der Universität Potsdam und der Technischen Universität Berlin erstellt und wird nun umgesetzt. Bereits im März will das ATB im brandenburgischen Groß Kreutz mit dem Bau einer Bioraffinerie zu Forschungszwecken beginnen. Die Anlage entsteht im Rahmen des Leibniz-Innovationshofes für Nachhaltige Bioökonomie (InnoHof). Sie soll Forschung und Praxis zusammenbringen und die Machbarkeit solcher Konzepte demonstrieren. 

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Die Mehrheit der Pflanzen lebt in Symbiose mit Mykorrhiza-Pilzen. Diese unterirdische Lebensgemeinschaft ist für Pflanze und Wurzelpilz gleichermaßen vorteilhaft. Doch wie entstehen solche Symbiosen und wie entscheiden Pflanzen, ob die Interaktion zustande kommt oder nicht? Ein Team um die Symbioseforscherin Caroline Gutjahr vom Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam liefert dazu neue Erkenntnisse.

Rolle von arbuskulärer Mykorrhiza auf Symbiose

Im Fokus der Studie stand die sogenannte arbuskuläre Mykorrhiza – eine besonders enge Symbioseform. Dabei besiedeln Pilze die Pflanzenwurzel und bilden in den Wurzelzellen kleine bäumchenartige Strukturen, die Arbuskeln. Über das Feinwurzelsystem im Boden, die sogenannten Hyphen der Pilze, gelangen dann wichtige Nährstoffe und Wasser aus dem Boden in die Pflanze. Im Gegenzug erhält der Pilz von der Pflanze Kohlenhydrate und Lipide, die diese aus der Photosynthese gewinnt.

Zwar hat sich die Symbiose zwischen Pflanze und Pilz seit Jahrmillionen bewährt. Doch es gibt auch Ausnahmen. Unter bestimmten Bedingungen lehnen Pflanzen solch eine Interaktion ab. Im Rahmen der Studie untersuchten die Potsdamer Forschenden, welche Prozesse in den Wurzeln der Pflanze die Symbiose zulassen oder ablehnen.

Pflanzenhormon Ethylen reguliert Symbiose bei Stress

Wie das Team im Fachjournal Nature schreibt, spielen bei der Symbiose Hormone eine entscheidende Rolle. Insbesondere der Einfluss des Stresshormons, das die Pflanze produziert, konnte aufgeklärt werden. „Seit etwa 40 Jahren wissen wir, dass das gasförmige Pflanzenhormon Ethylen, welches bei Stress wie zum Beispiel Überflutung von Pflanzen gebildet wird, die Symbiose zwischen Pflanzen und Pilzen hemmt“, erklärt Gutjahr. „Nun lernten wir, welche Prozesse dabei in den Pflanzen ablaufen und wie verschiedene Pflanzenhormone zusammenspielen. Endlich wissen wir, was passiert, wenn sich Pflanzen für oder durch Ethylenbildung gegen diese Partnerschaft entscheiden.“

Die Studie ergab, dass das Pflanzenhormon Ethylen – entgegen bisheriger Annahmen – nicht zu einer Abwehr durch das pflanzliche Immunsystem gegen den Pilz führt. Stattdessen sorgt es für eine Anhäufung des zentralen Steuerungsproteins SMAX1, das eine Reihe von Pflanzengenen unterdrücken kann, die für die Ausbildung der Symbiose zuständig sind. „Bei unpassenden Umweltbedingungen produziert die Pflanze also ein Hormon, das ihre Symbiosegene hemmt. Die Ausbildung der Symbiose wird verringert oder nicht mehr zugelassen“, schreiben die Forschenden. Ändern sich die Bedingungen, übernehmen wiederum andere Hormone das Steuer und sorgen für den Abbau von SMAX1. In Zusammenarbeit mit Forschenden in Kalifornien konnten die Potsdamer zudem zeigen, dass Ethylen die Ansammlung von SMAX1 auch in Pflanzen fördert, welche die Fähigkeit zur Symbiose mit Pilzen verloren haben.

Wichtige Erkenntnis für Züchtung stressresistenter Nutzpflanzen

Mit ihrer Studie konnten die Forschenden nicht nur klären, wie Pflanzen die Symbiose zu Pilzen unter Stressbedingungen regulieren. Sie liefern damit ebenfalls wichtige Erkenntnisse für die Züchtung von Nutzpflanzen, die auch unter veränderten Stress- oder Klimabedingungen vorteilhafte Partnerschaften mit Pilzen eingehen und damit Ernten sichern.

Für die Erforschung des Zusammenlebens von Pflanzen und symbiontischen Pilzen im Boden erhielt Caroline Gutjahr 2023 den begehrten Consolidator Grants des Europäischen Forschungsrates (ERC). In der Porträtreihe „Die Biopioniere“ wurde die Biologin und ihr Forschungsfeld genauer vorgestellt.

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The majority of plants live in symbiosis with mycorrhizal fungi. This subterranean symbiosis is equally beneficial for plants and root fungi. But how do such symbioses develop and how do plants decide whether or not to interact? A team led by symbiosis researcher Caroline Gutjahr from the Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology in Potsdam has provided new insights into this.

Role of arbuscular mycorrhiza in symbiosis

The study focused on arbuscular mycorrhiza - a particularly close form of symbiosis. Here, fungi colonize the plant root and form small tree-like structures, the arbuscules, in the root cells. Important nutrients and water are then transported from the soil to the plant via the fine root system in the soil, the so-called hyphae of the fungi. In return, the fungus receives carbohydrates and lipids from the plant, which the plant obtains from photosynthesis.

The symbiosis between plant and fungus has proven itself over millions of years. But there are also exceptions. Under certain conditions, plants reject such an interaction. As part of the study, the Potsdam researchers investigated which processes in the roots of the plant allow or reject symbiosis.

Plant hormone ethylene regulates symbiosis under stress

As the team writes in the journal Nature, hormones play a key role in symbiosis. In particular, the influence of the stress hormone produced by the plant has been elucidated. “We have known for around 40 years that the gaseous plant hormone ethylene, which is produced by plants under stress, for example during flooding, inhibits the symbiosis between plants and fungi,” explains Gutjahr. “We have now learned which processes take place in the plants and how different plant hormones interact. We finally know what happens when plants decide for or against this partnership through ethylene production.”

The study revealed that the plant hormone ethylene - contrary to previous assumptions - does not lead to a defense by the plant's immune system against the fungus. Instead, it leads to an accumulation of the central regulatory protein SMAX1, which can suppress a number of plant genes that are responsible for the formation of the symbiosis. “Under unsuitable environmental conditions, the plant produces a hormone that inhibits its symbiosis genes. The formation of the symbiosis is reduced or no longer permitted,” the researchers write. If the conditions change, other hormones take over and ensure the degradation of SMAX1. In collaboration with researchers in California, the Potsdam scientists were furthermore able to show that ethylene also promotes the accumulation of SMAX1 in plants that have lost the ability to form symbioses with fungi.

Important findings for breeding stress-resistant crops

With their study, the researchers were not only able to clarify how plants regulate the symbiosis with fungi under stress conditions. They also provided important insights for the breeding of crops that enter into beneficial partnerships with fungi even under altered stress or climatic conditions, thereby securing harvests.

In 2023, Caroline Gutjahr received the coveted Consolidator Grant from the European Research Council (ERC) for her research into the coexistence of plants and symbiotic fungi in the soil. The biologist and her field of research were presented in more detail in the “Biopioneers” portrait series.

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Wo Landwirtschaft stattfindet, existieren unweigerlich auch Schädlinge, die die Erträge reduzieren. Deswegen werden häufig chemische Pflanzenschutzmittel eingesetzt. Das Bielefelder Institut für Angewandte Materialforschung der Hochschule Bielefeld forscht an einer biologischen Alternative: Schädlinge sollen künftig mit dem Pilz Beauveria bassiana bekämpft werden.  

Pilze als natürliche Gegner

Lebende Mikroorganismen wie Bakterien oder der Pilz Beauveria bassiana haben ein insektizides Potenzial: Sie kommen natürlicherweise in Böden, Wasser und Luft vor - daher sind sie gut abbaubar. Schädlinge präferieren sie von Natur aus als Wirtstiere, die sie infizieren und am Ende eliminieren. Zudem ist „der Einsatz deutlich sicherer für Umwelt, Erzeuger und Verbraucher als die Nutzung von chemischen Pestiziden“, sagt die Agraringenieurin Natasha Sant‘Anna Iwanicki aus der Forschungsgruppe. 

Flüssigfermentation und vorkonditionierte Trocknung

Damit der Pilz in großer Menge und guter Qualität produziert werden kann, setzen die Forschenden auf Flüssigfermentation: „Bei der Produktion der Pilze in einer Nährstofflösung bilden sie nicht nur verschiedene infektiöse Zellen für die Schädlingsbekämpfung, auch die Industrie bevorzugt dieses Verfahren, denn es lässt sich besser automatisieren und skalieren“, erklärt Iwanicki. Anschließend muss der Pilz wieder getrocknet werden, worauf er jedoch sensibel reagiert. Deswegen hat sich das Team einen innovativen Ansatz überlegt: „Durch Vorkonditionierung verändern wir bei der Kultivierung verschiedene Parameter wie die Temperatur oder die osmotische Konzentration.“ Somit entsteht eine Art Schutzhülle, wodurch Beauveria bassiana die notwendige Trocknung besser übersteht und seine Wirkung auf dem Feld voll entfalten kann.

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Wetterextreme wie Hitze, Trockenheit oder Starkregen setzen den Weinanbau zunehmend unter Druck. Ein großes Problem für Winzer ist die Bodenerosion. Davon betroffen ist vor allem der Weinanbau in Hanglagen wie an Mosel, Rhein oder Elbe. Durch Wind und Regen wird Boden abgetragen oder weggespült und damit den Reben buchstäblich die Grundlage für das Wachstum entzogen.

Digitale Entscheidungshilfe für Winzer

Ein EU-Projekt unter Beteiligung von Forschenden der Universität Trier will Abhilfe schaffen. Zusammen mit Partnern aus Spanien und Griechenland will ein Team um Manual Seeger in den kommenden vier Jahren eine App entwickeln, um den Weinanbau vor Bodenerosion zu schützen. Die Software soll Informationen über die jeweilige Bodenbeschaffenheit, die Anlage von Grünbewuchs, der das Erdreich zusammenhält, oder auch Schädlingserkennung liefern und damit Winzern helfen, die richtigen Entscheidungen beim Schutz des Bodens zu treffen. 

„Wir haben große Erfahrung mit Messungen im Gelände, Drohnenaufnahmen und Vegetationsdokumentation“, erklärt Manuel Seeger, Akademischer Oberrat in der Physischen Geographie der Universität Trier. „Außerdem ist die Situation bei unseren Partnern in Granada mit Steillagen auf Schiefer vergleichbar mit unserer Weinbauregion.“

Bodenschutz-App für andere Landwirtschaftszweige nutzen

Neben der direkten Anwendung im Weinbau wollen die Forschenden prüfen, ob die Methodik auch auf andere Landwirtschaftszweige anwendbar ist. 

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Extreme weather conditions such as heat, drought and heavy rain are putting increasing pressure on winegrowing. Soil erosion is a major problem for winegrowers. Vineyards on slopes such as the Moselle, Rhine or Elbe are particularly affected by this. Soil is eroded or washed away by wind and rain, leaving the vines without a basis for growth.

Digital decision-making aid for winegrowers

An EU project involving researchers from Trier University aims to remedy this situation. Together with partners from Spain and Greece, a team led by Manual Seeger wants to develop an app over the next four years to protect vineyards from soil erosion. The software is intended to provide information on the respective soil conditions, the establishment of green growth that holds the soil together and pest detection, thus helping winegrowers to make the right decisions regarding soil protection.

“We have a lot of experience with field measurements, drone recordings and vegetation documentation,” explains Manuel Seeger, Senior Academic Advisor in Physical Geography at the University of Trier. “In addition, the situation at our partners in Granada with steep slopes on slate is comparable to our wine-growing region.”

Using the soil protection app for other branches of agriculture

In addition to direct application in viticulture, the researchers want to examine whether the methodology can also be applied to other branches of agriculture. 

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Die Nutzung von CO₂ als Rohstoff oder Baustein für innovative Produkte spielt neben der Vermeidung von Emissionen eine zentrale Rolle beim Erreichen der Klimaziele und wird von der Bundesregierung gezielt gefördert. Mit dem neu eröffneten Transferlabor will das Rostocker Leibniz-Institut für Katalyse (LIKAT) dazu einen Betrag leisten. Am Leibniz-Transferlabor für nachhaltige Energie- und Stofftransformationen (LTLNES) wird sich die Arbeit der Forschenden auf die Entwicklung von CO₂- und klimaneutralen chemischen Prozessen konzentrieren.

Höherwertiger Kohlenwasserstoffe und Chemikalien

Konkret geht es um die Produktion höherwertiger Kohlenwasserstoffe und Chemikalien. „Die Vision ist letztlich eine Kreislaufwirtschaft, die CO₂-neutral funktioniert und mit nachhaltigen chemischen Prozessen weder Klima noch Umwelt gefährdet“, sagt Christoph Wulf. Das Team um den Chemiker wird sich damit befassen, wie das Klimagas CO₂ als Ausgangsstoff für chemische Prozesse genutzt werden kann. Eine Möglichkeit ist die Herstellung von sogenannten E-Fuels aus Kohlendioxid und grünem Wasserstoff. Dafür sollen Pilotanlagen geplant und konstruiert werden.

Kohlendioxid aus Biogas und Atmosphäre

Das für die Herstellung notwendige Kohlendioxid soll aus Biogas oder aus der Atmosphäre gewonnen werden. Hierfür will das LIKAT-Team eine eigene Abscheidungsanlage installieren. Ziel ist es, mit Partnern die Anlage so weit zu entwickeln, dass sie an sogenannten Punktquellen, wie etwa Biogasanlagen, laufen könnte. Darüber hinaus soll grünes Kerosin aus grünem Wasserstoff über die eigene Photovoltaikanlage mittels Wasserelektrolyse produziert, aber auch grünes Methanol kosteneffizient gewonnen und etwa zu Treibstoff für Schiffe weiterverarbeitet werden.

Brücke zwischen Labor und Industrie

Das Transferlabor will aber vor allem eins sein: eine Brücke zwischen Laborexperiment und Industrieverfahren. Im neuen Labor sind neben Materialsynthesen auch Langzeittests von Katalysatoren im Technikumsmaßstab möglich.

Eine neue Arbeitsgruppe unter Leitung von Christoph Wulf wird sich zudem gezielt mit der Forschung an Technologien wie neuen Katalysatoren befassen, um erneuerbare Rohstoffe im Energie- und Wertstoffsektor zu etablieren. Labor und Arbeitsgruppe werden von Bund und Land jährlich mit 1,25 Mio. Euro gefördert. 

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Die Studie zeigt, dass große, zusammenhängende Landschaften mehr Arten beherbergen als fragmentierte Gebiete.  Die Forschenden untersuchten 4.006 Tier- und Pflanzenarten an 37 Standorten weltweit und verglichen die Unterschiede in der Artenvielfalt zwischen zusammenhängenden und fragmentierten Landschaften. Die Ergebnisse belegen, dass fragmentierte Landschaften im Durchschnitt 13,6 % weniger Arten auf lokaler Ebene und 12,1 % weniger auf Landschaftsebene aufweisen. Zudem dominieren in diesen Gebieten Generalisten, während spezialisierte Arten verloren gehen. Eine gründliche Analyse der Alpha-, Beta- und Gamma-Diversität ergab, dass die erhöhte Beta-Diversität in fragmentierten Gebieten den Verlust an Gesamtartenvielfalt nicht ausgleicht.

Die Studie fordert eine Neuausrichtung des Naturschutzes: Statt über Fragmentierung zu debattieren, sollte der Fokus auf der Wiederherstellung und dem Schutz zusammenhängender Ökosysteme liegen. Gerade in Regionen mit bereits stark zerstörten Wäldern sei die Aufforstung entscheidend, um den Verlust der Biodiversität langfristig zu minimieren.

Veröffentlicht wurde die Studie in Nature: Species turnover does not rescue biodiversity in fragmented landscapes

Seit Millionen von Jahren gewinnen Pflanzen Energie aus der Photosynthese. Dabei werden mithilfe des Sonnenlichts Kohlenstoff und Wasser in Zucker und Sauerstoff umgewandelt. Diesen natürlichen Stoffwechselweg technisch nachzuahmen, hätte viele Vorteile und ist daher ein ambitioniertes Ziel zahlreicher Forschungsteams. Chemiker der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg sind auf dem Weg zur künstlichen Photosynthese nun einen Schritt weiter gekommen.

Farbstoffmoleküle synthetisiert

Die natürliche Photosynthese ist ein komplexer Prozess. Sie findet in den Zellen der Pflanzen in einzelnen Schritten und unter Beteiligung zahlreicher Farbstoffe, Proteine und anderer Moleküle statt. Gemeinsam mit Forschenden der Yonsei-Universität in Seoul (Korea) gelang es einem Team um den Würzburger Chemiker Frank Würthner einen der ersten Schritte der natürlichen Photosynthese nachzuahmen. Wie das Team im Fachjournal Nature Chemistry berichtet, wurde ein Stapel aus Farbstoffen synthetisiert, der dem Photosynthese-Apparat in der Pflanzenzelle sehr nahekommt.

Konkret besteht die Struktur aus vier aufeinander gestapelten Farbstoffmolekülen aus der Klasse der Perylenbisimide. Dieser künstliche Prozess absorbiert der Studie zufolge an einem Ende Lichtenergie, nutzt diese zur Trennung von Ladungsträgern und leitet sie über einen Transport von Elektronen schrittweise ans andere Ende weiter. „Wir können den Ladungstransport in dieser Struktur mit Licht gezielt anstoßen und haben ihn genau analysiert. Er läuft effizient und schnell ab. Das ist ein wichtiger Schritt hin zur Entwicklung einer künstlichen Photosynthese“, so JMU-Doktorand Leander Ernst, der die gestapelte Struktur synthetisiert hat.

Photofunktionale Materialien für die künstliche Photosynthese

Als Nächstes will das Würzburger Team die Anzahl der gestapelten Farbstoffmoleküle weiter erhöhen. Am Ende soll eine Art supramolekularer Draht entstehen, der Lichtenergie aufnimmt und diese schnell und effizient über größere Strecken hinweg transportiert. Den Forschenden zufolge wäre das „ein weiterer Schritt hin zu neuartigen photofunktionalen Materialien, die sich für die künstliche Photosynthese nutzen lassen“.

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For millions of years, plants have been obtaining energy from photosynthesis. In this process, carbon and water are converted into sugar and oxygen with the help of sunlight. Imitating this natural metabolic pathway technically would have many advantages and is therefore an ambitious goal of numerous research teams. Chemists at Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg in Bavaria, Germany, have now come one step closer to artificial photosynthesis.

Dye molecules synthesized

Natural photosynthesis is a complex process. It takes place in the cells of plants in individual steps and involves numerous dyes, proteins and other molecules. Together with researchers from Yonsei University in Seoul (Korea), a team led by Würzburg chemist Frank Würthner has succeeded in imitating one of the first steps of natural photosynthesis. As the team reports in the journal Nature Chemistry, a stack of dyes was synthesized that comes very close to the photosynthetic apparatus in the plant cell.

Specifically, the structure consists of four stacked dye molecules from the perylene bisimide class. According to the study, this artificial process absorbs light energy at one end, uses it to separate charge carriers and passes it on step by step to the other end via a transport of electrons. “We can specifically trigger the charge transport in this structure with light and have analyzed it in detail. It is efficient and fast. This is an important step towards the development of artificial photosynthesis,” says JMU doctoral student Leander Ernst, who synthesized the stacked structure.

Photofunctional materials for artificial photosynthesis

The next step for the Würzburg team is to further increase the number of stacked dye molecules. The end result should be a kind of supramolecular wire that absorbs light energy and transports it quickly and efficiently over long distances. According to the researchers, this would be “a further step towards novel photofunctional materials that can be used for artificial photosynthesis”.

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Feldroboter, die Unkraut jäten, kranke Pflanzen aufspüren oder bewässern, unterstützen schon heute Landwirtinnen und Landwirte vielerorts bei ihrer Arbeit. Mit Polybot haben Tübinger Forschende einen KI-gestützten Erntehelfer entwickelt, der auch sogenannte kleinteilige Anbauformen – wie den Gemüseanbau – wirtschaftlich machen kann. Nun muss sich der Tübinger Ernteroboter in einem Praxistest bewähren. Bei der siebenmonatigen Validierung wird das Projekt von der Bundesagentur für Sprunginnovationen SPRIND mit knapp 220.000 Euro unterstützt.

KI-gestützter Ernteroboter für kleinteilige Anbauformen

Polybot ist eine vollständig autonome Lösung, die mit modernster KI-Technologie arbeitet. Der Roboter soll künftig vielfältige Aufgaben im Anbau von Feldfrüchten, Obst und Gemüse übernehmen – vom Unkraut jäten, der Ernte von Tomaten oder Gurken bis hin zum Freischnitt. „Durch die Kombination aus computergestütztem Sehen und robotergestützter Mechanik reduziert Polybot den Bedarf an chemischen Herbiziden und kann kleinteiligere und nachhaltigere Anbauformen wirtschaftlich machen“, schreiben die Forschenden. 

Praxistest für Ernte von Feingemüse

„Mit der Validierung können wir unsere Lernalgorithmen jetzt auf den schwierigsten Tätigkeiten in der Landwirtschaft, der Ernte von Feingemüse, trainieren und zusammen mit Landwirten im Praxisbetrieb testen“, sagt Projektleiter Wieland Brendel vom Ellis Institut Tübingen und Forschungsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für intelligente Systeme.

Derzeit erfolgt die Ernte von Feingemüse fast ausschließlich manuell. Der Test soll zeigen, dass mithilfe von Polybot neue Aufgaben flexibel integriert und automatisiert werden können. Auch der konkrete Nutzen für Landwirtinnen und Landwirte wird untersucht.  Auf Basis dieser Zusammenarbeit soll ein erstes marktfähiges Produkt direkt vor Ort erarbeitet werden.

Vorbereitung für Start-up-Gründung

Nach erfolgreicher Validierung plant das Polybot-Team die Gründung eines Start-ups. Die Unterstützung durch SPRIND sei hierfür strategisch und kommunikativ ein großer Schritt für das Team, heißt es. 

Die Bundesagentur für Sprunginnovationen SPRIND wurde 2019 gegründet. Alleinige Gesellschafterin ist die Bundesrepublik Deutschland, vertreten durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK).

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Zwei antennenartige Fühler machen einzellige Mikroalgen zu fantastischen Schwimmern. Diese Fähigkeit haben sich zwei Forscherinnen vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme zu Nutze gemacht. Sie verwandelten die Organismen in Miniroboter, die beispielsweise als Wirkstofftransporter in der Medizin zum Einsatz kommen könnten.

Magnetische Mikroalge als Mikroroboter

Im Rahmen der Studie wollten die Forscherinnen Birgül Akolpoglu und Saadet Fatma Baltaci herausfinden, ob die Mikroalge auch durch enge Räume und zähe Flüssigkeit, wie sie im menschlichen Körper vorkommt, schwimmen kann. Ihr Ziel war es, die Oberfläche der einzelligen Organismen mit einem magnetischen Material so zu funktionalisieren, dass sich die Zellen wie ein Mikroroboter in jede gewünschte Richtung steuern lassen. Dafür beschichteten sie Algen mit dem Biopolymer Chitosan und magnetischen Nanopartikeln. Bei neun von zehn Mikroalgen funktionierte die magnetische Beschichtung problemlos. Diese biohybriden Miniroboter wurden dann sowohl in einer wasserähnlichen als auch in einer zähen Flüssigkeit getestet. In beiden Fällen wurden die magnetischen Mikroalgen mithilfe externer Magnetfelder gesteuert und entlang winziger 3D-gedruckter Röhrchen manövriert.

Magnetische Steuerung funktioniert

Wie das Team in der Fachzeitschrift Matter berichtet, blieb die Schwimmfähigkeit der Mikroalge durch die magnetische Beschichtung „weitgehend unbeeinträchtigt“, während sie ohne Beschichtung entweder steckenblieb oder sich rückwärts bewegte. „Mit magnetischer Steuerung bewegten sie sich jedoch reibungsloser und umgingen Hindernisse“, sagt Co-Erstautorin der Publikation, Birgül Akolpoglu. „Die magnetische Steuerung half den Mikroschwimmern, sich an der Richtung des Feldes auszurichten. Sie zeigten echtes Potenzial für die Navigation in engen Räumen – als würde man sie mit einer Art winzigem GPS ausstatten.“

Potenzial nicht nur in der Biomedizin

Der Studie zufolge hat die Viskosität jedoch Einfluss auf die Schwimmfähigkeit der beschichteten Mikroalge. Erst als das Magnetfeld anlag, bewegten sich die Schwimmer. „Dies zeigt, wie die Feinabstimmung von Viskosität und magnetischer Ausrichtung die Navigation von Mikrorobotern in komplexen Umgebungen optimieren kann“, sagt Saadet Fatma Baltaci. Die Forscherinnen sind überzeugt, dass die Miniroboter aus Algen „Türen für Anwendungen wie die gezielte Medikamentenabgabe“ öffnen und ein „aufregendes Potenzial für zukünftige Innovationen in der Biomedizin und darüber hinaus bieten“. 

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Two antenna-like feelers turn unicellular microalgae into fantastic swimmers. Two researchers from the Max Planck Institute for Intelligent Systems have harnessed this ability. They transformed the organisms into mini-robots that could be used as drug transporters in medicine, for example.

Magnetic microalgae as microrobots

As part of the study, researchers Birgül Akolpoglu and Saadet Fatma Baltaci wanted to find out whether the microalgae could also swim through confined spaces and viscous fluids such as those found in the human body. Their aim was to functionalize the surface of the unicellular organisms with a magnetic material so that the cells could be steered in any desired direction like a micro-robot. To do this, they coated algae with the biopolymer chitosan and magnetic nanoparticles. The magnetic coating worked without any problems in nine out of ten microalgae. These biohybrid mini-robots were then tested in both a water-like and a viscous liquid. In both cases, the magnetic microalgae were controlled using external magnetic fields and maneuvered along tiny 3D-printed tubes.

Magnetic control works

As the team reports in the journal Matter, the microalgae's swimming ability was “largely unaffected” by the magnetic coating, whereas without the coating they either got stuck or moved backwards. “With magnetic control, however, they moved more smoothly and avoided obstacles,” says co-first author of the publication, Birgül Akolpoglu. “Magnetic steering helped the microswimmers to align themselves with the direction of the field. They showed real potential for navigation in confined spaces - as if they were equipped with a kind of tiny GPS.”

Potential not only in biomedicine

According to the study, however, the viscosity has an influence on the buoyancy of the coated microalgae. Only when the magnetic field was applied did the swimmers move. “This shows how fine-tuning viscosity and magnetic orientation can optimize the navigation of microrobots in complex environments,” says Saadet Fatma Baltaci. The researchers are convinced that the mini-robots made from algae “open doors for applications such as targeted drug delivery” and offer “exciting potential for future innovations in biomedicine and beyond”.

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