Aktuelle Veranstaltungen

Rice is one of the most important staple foods in the world and is grown in many sub-Saharan African countries, among others. However, rice production in the region is threatened by the Rice Yellow Mottle Virus (RYMV). It leads to considerable crop failures, which can threaten the livelihoods of small farmers in particular. To counter this problem, researchers at Heinrich Heine University Düsseldorf (HHU), together with a team from the Institut de recherche pour le développement (IRD) in Montpellier, have developed the first RYMV-resistant rice varieties, which are intended to serve as a preliminary stage for genome editing of African elite varieties. Their results were published in the "Plant Biotechnology Journal".

Genome editing instead of conventional breeding

The RYMV virus is transmitted via animals or through contact between healthy rice plants and infected plants. Prophylactic measures only have a limited effect. "The only real protection is to develop rice varieties that have a resistance gene against RYMV, so that the plant would be immune," explains Yugander Arra, the first author of the study. In fact, there are already African rice varieties that are resistant to the virus. But they only produce low yields. Cross-breeding trials with other high-yielding rice varieties have not yet brought the desired success. The researchers therefore tested an alternative approach using CRISPR-Cas gene scissors.

Resistant rice plants with high yields

The genes responsible for the development of resistance in the low-yielding rice varieties were already known to the researchers. The RYMV2 gene - also known as CPR5.1 - proved to be particularly promising. It encodes an important protein from the pores of the cell nucleus. If it is switched off in the model plant Arabidopsis thaliana, the plants are immune to pathogens such as viruses, bacteria and fungi. But at a high price. Without the functional gene, the plants are severely restricted in their growth and hardly produce any seeds. To the researchers' surprise, switching off the gene in Asian rice plants of the Oryza india variety had a different effect. The plants became immune to the virus – but without any loss of growth or yield.

Genome editing of African elite varieties

The results of the team led by Humboldt Professor Wolf B. Frommer suggest that genome editing of the RYMV2 gene is a promising approach to combating the rice disease in Africa. The next step is to edit the relevant African elite varieties in the same way and make them available to small farmers in sub-Saharan Africa.

dpd

Tausendsassa Mais

Mais ist eine vielseitig einsetzbare Nutzpflanze. Im Bereich Ernährung liegt ihr Kolben auf dem Grill und aus den Körnern lässt sich Öl pressen. Ein großer Teil der Ernte findet außerdem als Futtermittel Verwendung und die Pharmaindustrie setzt Maisdextrin, ein aus der Pflanze gewonnenes Kohlenhydrat, als Trägerstoff und Bindemittel ein.

Industrielle Anwendung

In der Bioökonomie verwendet man die Stärke aus Mais zur Produktion von Biokunststoffen und zur Veredelung von Papier, um seine Festigkeit und Widerstandsfähigkeit zu erhöhen. Die dafür eingesetzte Stärke wird aus dem ganzen Korn gewonnen, das damit nicht mehr für den Ernährungssektor bereitsteht.

Formteile aus Maisresten

Im Fall der CornPack-Verpackungslösungen ist das anders. Ihr Hersteller, eine Firma aus Lübeck, stellt Formteile aus Maisgrieß her. Und damit aus einem Reststoff, der unter anderem bei der Herstellung von Müsli anfällt. Mit organischen Bindemitteln vermischt, wird daraus ein leichtes, robustes Material, das Glasflaschen vor Bruch und frische Lebensmittel vor dem Verderb schützt. 

Das Material stellt eine nachhaltige Alternative zu Styropor dar, das sich nach einer langen Nutzungsdauer nicht nur in Industrieanlagen, sondern sogar auf dem heimischen Kompost zersetzt.  

Marktreife  

An der Marktreife wird noch gearbeitet. Bislang gibt es nur den Prototypen.

Maize, the jack of all trades

Maize is a versatile crop. In the food sector, its cobs are on the grill and oil can be pressed from the kernels. A large proportion of the harvest is also used as animal feed and the pharmaceutical industry uses maize dextrin, a carbohydrate obtained from the plant, as a carrier and binding agent.

Industrial application

In the bioeconomy, starch from maize is used to produce bioplastics and to refine paper in order to increase its strength and resilience. The starch used for this is obtained from the whole grain, which is therefore no longer available for the food sector.

Moulded parts made from maize residues

In the case of CornPack packaging solutions, things are different. Their manufacturer, a company from Lübeck, produces moulded parts from corn semolina. And thus from a residual material that is produced in the manufacture of muesli, among other things. Mixed with organic binders, it becomes a light, robust material that protects glass bottles from breakage and fresh food from spoiling. 

The material is a sustainable alternative to polystyrene, which not only decomposes in industrial plants after a long service life, but also in domestic compost. 

Market readiness  

Market maturity is still being worked on. So far there is only a prototype.

Ob beim Bau von Gebäuden, beim Abbau und Transport von Rohstoffen oder bei der Herstellung von Baustoffen wie Beton: Die Bauwirtschaft verursacht enorme Mengen an Treibhausgasen und verbraucht laut Umweltbundesamt mehr als 70 % aller in Deutschland abgebauten Rohstoffe. Um Ressourcen und Umwelt gleichermaßen zu schonen, gewinnen nachwachsende Baustoffe wie Holz, Stroh oder Hanf zunehmend an Bedeutung. Studierende der Technischen Universität München (TUM) arbeiten derzeit an einem Baustoff, der aus regionalen Reststoffen hergestellt werden kann und damit lange Transportwege und Treibhausgase vermeidet.

Hopfenreste aus der Region als Rohstoff

Auf der Suche nach regionalen Rohstoffen, die sich als Baumaterial eignen, stieß das Gründungsteam von HopfON auf Hopfen – genauer gesagt auf die Reststoffe, die bei der Ernte im nahegelegenen, weltweit größten Hopfenanbaugebiet, der Hallertau, anfallen und nicht zum Bierbrauen benötigt werden. „Das bringt neben dem ökologischen auch einen Kostenvorteil“, sagt Marlene Stechl, die neben Matthias Steiger, Thomas Rojas Sonderegger und Mauricio Fleischer Acuña zum Gründungsteam von HopfON gehört.

Materialtests bestätigen Eignung von Hopfen als Baumaterial

Unterstützt von Architekturprofessor Niklas Fanelsa konnte das Quartett im Bioregional Design Lab der TUM erste Materialtests durchführen. Schnell war klar, dass sich die Pflanze, die hauptsächlich zum Bierbrauen verwendet wird, auch als Baustoff eignet. Ähnlich wie beim Hanf, zu dessen Gattung der Hopfen gehört, sorgt die faserige Struktur des Hopfens für eine gute Zugfestigkeit, die vor allem für Akustikplatten, Dämmstoffe und Baupaneele benötigt wird. Der hölzerne Kern der Pflanze, die sogenannten Schäben, sorgen wiederum für die nötige Druckfestigkeit. Und auch in Sachen Wärmedämmung und Entflammbarkeit überzeugte das Hopfenmaterial im Test.

Unternehmensgründung und erste Produkte für 2024 geplant

Mit seiner Idee gewann das HopfON-Team den mit 15.000 Euro dotierten ersten Platz beim TUM IDEAward 2022. Mit dem TUM Booster Grant erhielt das Team zudem eine einjährige Förderung in Höhe von 45.000 Euro sowie zwei Prototyping Grants des Zentrums für Gründung und Innovation an der TUM, UnternehmerTUM. Mit dem Startkapital will das HopfOn-Team 2024 ein Unternehmen gründen. Ziel des Quartetts ist ein recycelbarer Baustoff, der ohne künstliche und schwer lösliche Zusatzstoffe auskommt. So könnten die Baustoffe aus Hopfen am Ende ihrer Nutzung in ihre Bestandteile zerlegt und wieder für neue Produkte verwendet werden. „Wir arbeiten daran, dass wir irgendwann eine ernsthafte Alternative zu konventionellen Baumaterialien anbieten können“, sagt Stechl. Noch in diesem Jahr wollen die Studierenden erste Akustikplatten aus Hopfen zur Schalldämmung auf den Markt bringen.

bb

Whether in the construction of buildings, the extraction and transportation of raw materials or the production of building materials such as concrete, the construction industry produces enormous amounts of greenhouse gases and, according to the Federal Environment Agency, consumes more than 70% of all raw materials mined in Germany. To conserve resources and the environment in equal measure, renewable building materials such as wood, straw and hemp are becoming increasingly important. Students at the Technical University of Munich (TUM) are currently working on a building material that can be produced from regional waste materials, thus avoiding long transportation routes and greenhouse gases.

Hop residues from the region as raw material

In their search for regional raw materials suitable for use as building materials, the founding team of HopfON came across hops - more precisely, the residual materials from the harvest in the nearby Hallertau, the world's largest hop-growing region, which are not needed for brewing beer. "In addition to the ecological benefits, this also has a cost advantage," says Marlene Stechl, who is part of the founding team of HopfON alongside Matthias Steiger, Thomas Rojas Sonderegger and Mauricio Fleischer Acuña.

Material tests confirm suitability of hops as a building material

Supported by architecture professor Niklas Fanelsa, the quartet was able to carry out initial material tests in TUM's Bioregional Design Lab. It quickly became clear that the plant, which is mainly used for brewing beer, is also suitable as a building material. Similar to hemp, to which hops belong, the fibrous structure of hops provides good tensile strength, which is primarily required for acoustic panels, insulating materials and building panels. The wooden core of the plant, the so-called shives, in turn provide the necessary compressive strength. The hop material also impressed in the test in terms of thermal insulation and flammability.

Company foundation and first products planned for 2024

With its idea, the HopfON team won first place in the TUM IDEAward 2022, endowed with 15,000 euros. With the TUM Booster Grant, the team also received one-year funding of 45,000 euros and two prototyping grants from UnternehmerTUM, the Center for Entrepreneurship and Innovation at TUM. The HopfOn team plans to use the start-up capital to found a company in 2024. The quartet's aim is to create a recyclable building material that does not require artificial and poorly soluble additives. This would allow the building materials made from hops to be broken down into their components at the end of their use and reused for new products. "We are working on being able to offer a serious alternative to conventional building materials at some point," says Stechl. The students want to launch the first acoustic panels made from hops for sound insulation on the market this year.

bb

Die Agrar- und Ernährungswirtschaft befindet sich im Wandel. Nicht nur der Klimawandel, sondern auch die steigende Nachfrage nach gesunden und nachhaltig erzeugten Produkten sowie neue Auflagen und Gesetze zwingen die Branche zum Handeln. Fachkräfte in der Agrar- und Ernährungswirtschaft müssen daher zunehmend internationale und interdisziplinäre Zusammenhänge berücksichtigen. Mit einem neuen Masterstudiengang im Agrarbereich will die Technische Universität München (TUM) dieser Entwicklung Rechnung tragen.

Interdisziplinäre Lösungsansätze mit Fokus auf Nachhaltigkeit

Der englischsprachige Studiengang AgriFood Economics, Policy and Regulation an der TUM School of Life Sciences verbindet Agrarwissenschaften, Politik und Ökonomie und ist europaweit einzigartig. Er richtet sich an Bachelorabsolventinnen und -absolventen aus den Agrar- und Gartenbauwissenschaften sowie aus Politik und Wirtschaft, die in einem internationalen und interdisziplinären Umfeld arbeiten möchten, heißt es. „Der Agrar- und Ernährungssektor sieht sich zunehmend gesellschaftlichen Ansprüchen gegenüber, die mit ökonomischen und ökologischen Realitäten harmonisiert werden müssen. Dies erfordert Sektorspezialistinnen und Sektorspezialisten, die interdisziplinäre Lösungsansätze erarbeiten können und den Überblick über alle Säulen der Nachhaltigkeit bewahren“, erläutert der Studiengangsverantwortliche Johannes Sauer.

Internationale Verflechtungen besser verstehen

Das Studium beginnt mit Grundlagen in Ökonomie, Politik, Nachhaltigkeit und neuen Technologien in der Agrarwirtschaft. Danach können die Studierenden entsprechend ihrer Interessen und Stärken Schwerpunkte in den Bereichen (Agrar-)Ökonomie, Politik, Ökologie oder Innovation wählen. Der Studiengang soll dazu beitragen, dass die Studierenden die internationalen Verflechtungen der Akteure im Agrar- und Ernährungssektor besser verstehen und damit über interkulturelle und interdisziplinäre Kompetenzen verfügen. Diese Qualifikationen seien bei einer Vielzahl potenzieller Arbeitgeberinnen und Arbeitgeber gefragt, heißt es. „Die Absolventinnen und Absolventen dieses neuen Studiengangs werden als Expertinnen und Experten der sozialen und ökonomischen Implikationen unserer Agrarproduktionssysteme international sehr gefragt sein und die Transformation des Agrarsektors hin zu mehr Nachhaltigkeit und Resilienz entscheidend beeinflussen“, so Dekanin Ingrid Kögel-Knabner.

Bewerbungsfrist startet im Februar

Der neue Studiengang startet zum Wintersemester 2024/2025. Interessierte können sich ab dem 1. Februar 2024 bewerben. Bewerbungsschluss ist der 31. Mai 2024.

 

The agricultural and food industry is in a state of transition. Not only climate change, but also the increasing demand for healthy and sustainably produced products as well as new regulations and laws are forcing the industry to act. Specialists in the agricultural and food industry must therefore increasingly take international and interdisciplinary contexts into account. The Technical University of Munich (TUM) wants to address this development with a new Master's degree course in agriculture.

Interdisciplinary solutions with a focus on sustainability

The English-language AgriFood Economics, Policy and Regulation degree program at the TUM School of Life Sciences combines agricultural sciences, politics and economics and is unique in Europe. It is aimed at Bachelor's graduates from agricultural and horticultural sciences as well as politics and economics who wish to work in an international and interdisciplinary environment. "The agricultural and food sector is increasingly faced with social demands that need to be harmonized with economic and ecological realities. This requires sector specialists who can develop interdisciplinary solutions and maintain an overview of all the pillars of sustainability," explains Johannes Sauer, who is responsible for the course.

Understanding international interdependencies better

The course begins with the basics of economics, politics, sustainability and new technologies in agriculture. Students can then choose specializations in the areas of (agricultural) economics, politics, ecology or innovation according to their interests and strengths. The course is designed to help students gain a better understanding of the international interdependencies of players in the agricultural and food sector and thus acquire intercultural and interdisciplinary skills. These qualifications are in demand from a large number of potential employers, they say. "The graduates of this new degree course will be in great demand internationally as experts in the social and economic implications of our agricultural production systems and will have a decisive influence on the transformation of the agricultural sector towards greater sustainability and resilience," says Dean Ingrid Kögel-Knabner.

Application period starts in February

The new course will start in the winter semester 2024/2025 and interested students can apply from February 1, 2024. The application deadline is May 31, 2024.

Organische Reststoffe nutzen

Organische Reststoffe aus der Landwirtschaft und der Lebensmittelproduktion gelten in der Bioökonomie als wertvolle Ressourcen. Mit umweltfreundlichen Verfahren können daraus innovative Produkte mit niedrigem Ressourcenfußabdruck entstehen. Beispiele dafür sind Handtaschen aus Teakblatt-Leder oder Isolierverpackungen aus Sägespänen. 

Bio-Komposit aus Zitrusschalen

Ein italienisches Unternehmen konzentriert sich auf die Verarbeitung von nicht essbaren Lebensmittelresten. In einem ersten Schritt fertigt das Team wahlweise aus Zitrusresten oder Kaffeesatz ein patentiertes Bio-Komposit und formt es zu langen Schnüren. Auf eine Spindel aufgerollt, können diese in einen modernen 3D-Drucker eingespannt und zu verschiedenen Objekten geformt werden. So entstehen Hocker, Obstschalen, Kerzen- oder Zeitschriftenständer.

Vorteile 3D-Druck  

Neben der Nutzung der Abfallstoffe ist auch das angewandte 3D-Druckverfahren besonders nachhaltig. Dieses läuft energiesparend ab, zudem fallen weder Materialreste noch Überproduktionen an, da nur auf Nachfrage mit exakt benötigter Materialmenge gearbeitet wird.  

Marktreife  

Die biobasierten Produkte sind auf dem Markt und können über den Online-Shop des Unternehmens bezogen werden. 

Utilising organic residues

Organic residues from agriculture and food production are considered valuable resources in the bioeconomy. Environmentally friendly processes can be used to create innovative products with a low resource footprint. Examples of this include handbags made from teak leaf leather or insulating packaging made from sawdust.

Organic composite made from citrus peel

An Italian company specialises in the processing of non-edible food waste. In a first step, the team produces a patented bio-composite from either citrus residues or coffee grounds and moulds it into long cords. Rolled onto a spindle, these can be clamped into a modern 3D printer and moulded into various objects. This creates stools, fruit bowls, candle holders or magazine racks.

Advantages of 3D printing

In addition to the utilisation of waste materials, the 3D printing process used is also particularly sustainable. It is energy-saving and there is no material waste or overproduction, as the exact amount of material required is only produced on demand.

Market maturity

The bio-based products are on the market and can be purchased via the company's online shop.

Schätzungen zufolge fallen in der gesamten Europäischen Union jährlich mehr als 900 Millionen Tonnen Restbiomasse an. Nur ein kleiner Teil davon wird verwertet und zum Beispiel in Biogasanlagen vergoren. Der Großteil, rund 98 %, landen auf Deponien, in Verbrennungsanlagen oder auf Müllkippen. Doch das soll sich nun ändern. Ziel des EU-Projekts PRIMED ist es, faire Geschäftsmodelle zu entwickeln, um das verborgene Potenzial von Biomasseressourcen zu erschließen.

Vom Bioabfall zum biobasierten Produkt

Biomasseabfälle aus der Agrar- und Ernährungswirtschaft sollen veredelt und über fortschrittliche Bioraffinerien in eine breite Palette biobasierter Produkte wie Biokunststoffe, Biokraftstoffe oder Biodünger umgewandelt werden. Das Projekt wird von der Europäischen Union im Rahmen von Horizon-Europe mit insgesamt 4 Mio. Euro gefördert und ist offiziell im Januar 2024 gestartet. Im PRIMED-Konsortium arbeiten insgesamt zwölf Partner zusammen. Sie kommen aus Belgien, Finnland, Irland, Italien, Norwegen, Portugal, Spanien und Deutschland. Sprecherin des Projekts ist Stefanie Bröring, Leiterin des Lehrstuhls für Entrepreneurship und Innovative Geschäftsmodelle an der Ruhr-Universität Bochum (RUB).

According to estimates, more than 900 million tons of residual biomass are produced throughout the European Union every year. Only a small proportion of this is recycled and fermented in biogas plants, for example. The majority, around 98%, ends up in, incineration plants or landfill sites. But this is now set to change. The aim of the EU PRIMED project is to develop fair business models in order to tap into the hidden potential of biomass resources.

From biowaste to biobased product

Biomass waste from the agricultural and food industry is to be refined and converted into a wide range of bio-based products such as bioplastics, biofuels and biofertilizers using advanced biorefineries. The project is funded by the European Union under Horizon Europe with a total of 4 million euros and officially started in January 2024. A total of twelve partners are working together in the PRIMED consortium. They come from Belgium, Finland, Ireland, Italy, Norway, Portugal, Spain and Germany. The project spokesperson is Stefanie Bröring, Head of the Chair of Entrepreneurship and Innovative Business Models at Ruhr University Bochum (RUB).

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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