Aktuelle Veranstaltungen

Im September hat das Futurium in Berlin seine Pforten geöffnet – und sich zum Publikumsmagneten entwickelt. Die Ausstellungsmacherinnen Rosalina Babourkova und Jasmin Minges erzählen im Doppelinterview, wo es in der Zukunftsschau um Bioökonomie und biobasierte Innovationen geht und welche Exponate zu ihren persönlichen Favoriten zählen.

Architekt wollte er werden, für Soziologie hat er sich eingeschrieben, und heute ist er Professor für Bodenkunde: Der Weg, der Thilo Streck auf seine Forscherkarriere geführt hat, war gewunden, doch das Wissen jenseits der Fachgrenzen kommt dem Biogeophysiker häufig gelegen. „Ich war gerne in Marburg“, erinnert sich der 59-Jährige an seine vier Studiensemester in Soziologie. Aber er habe schon sehr früh gewusst, dass er dieses Fach nicht zu Ende studieren werde: „Das war für mich mehr ein Studium generale. Ich wollte etwas Handfesteres machen.“

Vom Wasser zum Boden

Handfest, das war in Strecks Fall die Landwirtschaft. „Anfang der 1980er-Jahre gab es in diesem Studiengang drei Gruppen“, erzählt er, „Studenten vom Hof, solche, die in den Ökolandbau wollten, und welche, deren Ziel die Entwicklungshilfe war.“ Streck gehörte zu letzterer und legte seinen Schwerpunkt während des Studiums in Gießen und Göttingen auf den Bereich Wasser und Bewässerung. Die Promotion an der TU Braunschweig führte ihn schließlich zur Bodenphysik, wobei Streck von Anfang an die chemischen und biologischen Prozesse im Boden fast so wichtig waren wie die physikalischen. Die praktischen Erfahrungen bei Entwicklungshilfeprojekten im Ausland lehrten ihn jedoch: „Entwicklungshilfe funktioniert nicht, wie man sich das aus Zeitungsartikeln vorstellt. Da muss man viel dickere Bretter bohren.“

Die akademische Arbeit allerdings überzeugte den jungen Mann: „Nach der Promotion habe ich mich für eine wissenschaftliche Karriere entschieden“, schildert Streck. „Ich wusste: Wenn ich Professor werden will, muss ich Gas geben.“ Er erreichte sein Ziel: Nach einer Postdoc-Zeit an der University of California in Riverside habilitierte sich der Forscher 1999 in Braunschweig in Geoökologie und Bodenkunde. 2001 berief ihn die Universität Hohenheim zum Professor für Biogeophysik, wo Streck noch heute wirkt.

Verbindung aus Biologie und Physik

Die Verbindung aus Biologie und Physik reizt Streck an seinem Forschungsgebiet. „Die Pflanzen und Mikroben mit ihrer Vielfalt machen die Böden spannend“, findet er. Und ob er sich in Portugal mit einem Solartrockner für Trauben befasst oder mit der Verdunstung durch Pflanzen – die Physik ist immer mit im Spiel. Apropos Spiel: Neben der Forschung ist Strecks zweite Leidenschaft die Bewegung in der Natur und beim Fußball, sowohl in Stuttgart als auch in Berlin kickt der 59-Jährige noch heute gerne.

Strecks erste richtig große Forschungsvorhaben in Hohenheim waren Projekte in einem Sonderforschungsbereich, die sich mit Pflanzenschutz in tropischen Böden in Thailand und Vietnam befassten. „Wir haben untersucht, wie viel Pflanzenschutzmittel in die Flüsse gelangen und wie sich die Intensivierung der Landwirtschaft darauf auswirkt“, erläutert der Forscher. Wichtig ist ihm, dass ein Projekt lösungsorientiert ist, Messung und Modellierung gehören für ihn zusammen. „Wir haben simuliert: Was passiert, wenn man zum Beispiel eine Steuer auf Pflanzenschutzmittel erhebt? Wird dann weniger geerntet? Bauen die Bauern andere Früchte an?“

Raps ist eine der bedeutendsten Ölpflanzen weltweit. Die Pflanze beinhaltet hochwertige und gesunde Fette und ist reich an Vitaminen. Neben ihrem Einsatz in Lebens- und Futtermitteln wird Raps auch für energetische Zwecke wie zur Herstellung von Biosprit genutzt. Die Nachfrage nach noch ertragreicheren neuen Sorten ist daher hoch. Forscher des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben haben gemeinsam mit der Justus-Liebig Universität Gießen und zwei Pflanzenzuchtunternehmen nun die genetischen Mechanismen entschlüsselt, die das Wachstum der Rapspflanzen beeinflussen.

Um die Ausprägung gewisser Merkmale einer Pflanze wie die Blattfläche zu ermitteln, griffen die Wissenschaftler zum einen auf sogenannte genomweite Assoziationsstudien zurück. Bei der Genome-wide association study – kurz GWAS - handelt es sich um eine statistische Methode, bei der die Merkmalsausprägungen mit Erbgutinformationen verknüpft und so die genetische Basis komplexer Eigenschaften aufgedeckt werden kann, die für die Landwirtschaft wichtig sind – etwa der Samenertrag.

Genetische Wachstumsmerkmale der Rapspflanze in hoher zeitlicher Auflösung

Zugleich kamen neueste technologische Entwicklungen in der Hochdurchsatz-Phänotypisierung zum Einsatz, um die Beziehung zwischen Erbmaterial und Merkmalsausprägung mit einer hohen zeitlichen Auflösung aufzuschlüsseln. Wie das Team im Fachjournal Plant Biotechnology Journal berichtet, wurden dafür die Pflanzenphänotypen über vier Wochen täglich fotografiert und zudem jeweils das Frisch- und Trockengewicht der Pflanzen am Ende des Experiments bestimmt. Gemeinsam mit den genetischen Markern haben die Forscher die von den Bildern gewonnenen phänotypischen Daten dann im Rahmen einer neuen genomweiten Assoziationsstudie analysiert.

Zeitliches Muster für genetischen Wachstumsmechanismus

Auf Grund der hohen zeitlichen Auflösung konnte das Forscherteam ein sogenanntes QTL-Muster (Quantitative Trait Loci) im Raps identifizieren und so ein dynamisches Pflanzenwachstum im Raps aufdecken. Dieses zeitliche Muster genetischer Mechanismen zeigt, dass die Eigenschaft „frühes Pflanzenwachstum” ein hochkomplexer Prozess ist, der gleich von mehreren genetischen Loci geregelt wird, welche jeweils in verschiedenen kurzen Phasen aktiv sind.

Die Forscher sind überzeugt, dass für die Aufklärung komplexer Einflüsse von Genen, welche in verschiedenen Entwicklungsphasen aktiv sind, die zeitliche Komponente eine entscheidende Rolle spielt. Zudem wurden mehrere Kandidatengene für Eigenschaften wie Vitalität, Form, Größe, Blattfläche und Biomasse identifiziert, die wiederum für die Züchtung neuer Rapssorten relevant sind.

bb

Dass Bakterien den vor allem für Plastikflaschen verwendeten Kunststoff PET abbauen können, weiß man schon seit einigen Jahren: Mikroorganismen wie Ideonella sakaiensis – 2016 auf einer halbverrotteten PET-Flasche in Japan entdeckt – geben hierzu ein Enzym ab, genannt PETase. Dieses ist in der Lage, die Kettenmoleküle des Kunststoffs in seine Bestandteile zu zerlegen. „Das ist vor allem für den Abbau von Kleinstpartikeln interessant, zum Beispiel von Mikroplastik“, erklärt Nachwuchsgruppenleiter Daniel Moog von der Philipps-Universität Marburg. Ideonella sei jedoch nicht gut an das Salzwasser der Meere angepasst. „Das Bakterium an sich eignet sich aus diesem Grund nicht für die biologische Sanierung der belasteten Ozeane.“

Bakterienenzym in Alge eingebaut

Die Forschungsgruppe um Moog setzt alternativ auf die Meeres-Kieselalge Phaeodactylum tricornutum. Wie das Team im Fachjournal Microbial Cell Factories berichtet, bauten sie in die Alge eine maßgeschneiderte Version des Bakteriengens ein, das die Anleitung für das Enzym enthält. Anschließend prüften die Wissenschaftler, ob das abgesonderte Enzym tatsächlich PET und einen verwandten Kunststoff abbaut. Sie kultivierten zu diesem Zweck die Algen in Gefäßen, die zerkleinertes Plastik enthielten. Die Gruppe stellte fest, dass das Material Furchen und Löcher aufweist, wenn es dem Enzym ausgesetzt ist, das die Algen absondern. Zurück bleiben harmlose Abbauprodukte. Noch ist das jedoch Grundlagenforschung.

PET klimafreundlich recyceln

„Die PETase-produzierenden Kieselalgen könnten zu einem klimafreundlichen Recycling von PET beitragen“, ist Moog überzeugt. Ihm schweben abgegrenzte, Klärwerk-ähnliche Anlagen vor, in denen die modifizierte Alge das Mikroplastik der Ozeane abbaut. „Unsere Ergebnisse im Labor zeigen, dass sich mit diesem Ansatz prinzipiell PET aus Meerwasser entfernen lässt." Es gelte nun, das biologische Plastikabbausystem weiter zu optimieren, um es für eine technische Umsetzung effizient nutzbar zu machen.

am/bb

It has been known for several years that bacteria can degrade PET, which is mainly used for plastic bottles: Microorganisms such as Ideonella sakaiensis - discovered in 2016 on a partially decayed PET bottle in Japan - release an enzyme called PETase. This enzyme is able to break down the chain molecules of the plastic into its components. "This is of particular interest when it comes to the degradation of microparticles, for example microplastics," explains Daniel Moog, head of the junior research group at the Philipps University in Marburg. However, Ideonella is not well adapted to the salt water of the oceans. "For this reason, the bacterium itself is not suitable for the bioremediation of polluted oceans."

Bacterial enzyme built into algae

Instead, the research group around Moog relies on the marine diatom Phaeodactylum tricornutum. As the team reports in the journal Microbial Cell Factories, they incorporated a tailor-made version of the bacterial gene containing the instructions for the enzyme into the diatom. The scientists then tested whether the enzyme actually degrades PET and a related plastic. For this purpose, they cultivated the algae in vessels containing crushed plastic. The group found that the material had furrows and holes when exposed to the enzyme secreted by the algae. Harmless degradation products are left behind. However, this is still basic research.

Climate-friendly PET recycling

"The diatoms producing PETase could contribute to a climate-friendly recycling of PET," Moog believes. He envisages delimited sewage treatment plants in which the modified algae degrades the microplastics of the oceans. "Our laboratory results show that PET can be removed from seawater with this approach." It is now necessary to further optimize the biological plastic degradation system in order to make it efficiently usable for technical implementation.

am/bb/um

Nach aktuellen Prognosen ist ein Anstieg des Marktanteils von Biopolymeren am globalen Kunststoffmarkt auf etwa 10% innerhalb der nächsten fünf Jahre zu erwarten. Der Trend zu biobasierten und biologisch abbaubaren Kunststoffen ergibt sich vor allem aus der weltweiten Abfallproblematik und den steigenden Umweltauflagen für die Industrie. Das kürzlich an den Start gegangene Internet-Portal BioFoN will die Akteure aus Wissenschaft und Wirtschaft zum Thema biobasierte Polymerwerkstoffe entlang der gesamten Wertschöpfungskette hierzulande besser vernetzen. Benjamin Baudrit vom SKZ – Das Kunststoff-Zentrum in Würzburg koordiniert das Projekt.

Hilfreich und unverzichtbar

Folienverpackungen im Obst- und Gemüseregal, bei Müsli und Flocken, Süßigkeiten, Hülsenfrüchten, Nudeln, Wurst und Käse bis hin zum Tierfutter. Im Nahrungsmittelbereich sind sie unverzichtbar geworden, die praktischen transparenten Folien, die es uns möglich machen, das Produkt zu begutachten, und es außerdem vor äußeren Einflüssen schützen. Aber gibt es keine nachhaltigen Alternativen? Diese Frage stellte sich auch ein Start-up aus Schleswig-Holstein und ließ eine alte Technik wieder aufleben.

Altes Verfahren ...

Bereits 1869 wurde in den USA ein Patent erteilt auf einen ersten „thermoplastischen“ Kunststoff, der aus stark erhitztem und unter hohem Druck in eine Form gepresstem Kollodium bestand. Der Kunststoff aus Nitrocellulose und Kampfer erhielt den Namen „Zelluloid“. Bis in die 1930er Jahre wurden Kunststoffe fast ausschließlich aus nachwachsenden Rohstoffen, hauptsächlich Holz, hergestellt. Dann wurde Erdöl als Rohstoff eingesetzt und erwies sich als günstiger und vielseitiger.

... neu belebt

Die Superseven GmbH knüpfte an die alte Technik an und verhalf der Folie aus Holz zu einer Renaissance. Die plastikfreie bedruckbare Folienverpackung, die unter dem Namen Repaq Cellulose vertrieben wird, ist zu 100% biologisch kreislauffähig. Den Rohstoff für Repaq Cellulose liefern Rest- und Abfallhölzer aus FSC-zertifizierter Forstwirtschaft. Die Folie fühlt sich genauso an wie jede andere transparente Tüte oder wie jede andere Schutzfolie. Nach ihrer Nutzung wird sie spurlos verrotten, je nach Materialmix sogar innerhalb weniger Wochen im ganz normalen Gartenkompost.

Marktreife

Verpackt werden neben Lebensmitteln und Spielwaren auch Textilien, Zeitschriften und Papierwaren, Hygieneartikel, aber auch elektronische Waren und Bauteile. Noch ist das junge Unternehmen nur im B2B-Sektor tätig. Doch steht es bereits in Verhandlungen mit Großhändlern, um künftig auch kleinere Margen anbieten zu können.

In vielen Ländern der Erde ist Reis das Hauptnahrungsmittel. Kleinbauern, vor allem in Südasien und Afrika, leben vom Anbau der wichtigen Nahrungspflanze. Doch ihre Lebensgrundlage und Nahrungssicherheit ist durch die Pflanzenseuche Bakterienbrand bedroht. Dafür verantwortlich ist der Erreger Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo). Allein in Indien verursacht das Bakterium jedes Jahr Ernteverluste im Wert von etwa 3,6 Milliarden Dollar. Das internationale Forscherkonsortium Healthy Crops ist dem Ziel, die Pflanzenseuche auszurotten, nun einen entscheidenden Schritt nähergekommen.

Im Fachjournal Nature Biotechnology stellen die Wissenschaftler in gleich zwei Studien neue Werkzeuge für den Kampf gegen den bakteriellen Krankheitserreger vor. In der einen Studie präsentieren sie zwei populäre Reissorten, die resistent sind gegen verschiedene Erreger des Bakterienbrands. In der anderen zeigen sie ein Werkzeug, mit dessen Hilfe neue Ausprägungen des Erregers schnell diagnostiziert werden können.

Nährstoffversorgung des Erregers blockiert

Doch wie ist es den Forschern gelungen, den Reiserreger auszutricksen? „Wir verhindern, dass das Xoo-Bakterium Nährstoffe von der Pflanze rauben kann, um sich zu vermehren“, erklärt Bing Yang von der University of Missouri. Frühere Untersuchungen haben offengelegt, wie sich die gefährlichen Bakterien Zugang zur Nährstoffkammer der Reispflanze verschaffen, die sie zur Vermehrung brauchen. Demnach schleusen die Xoo-Bakterien sogenannte TAL-Effektoren in die Reiszelle ein. Diese sind der Schlüssel für die pflanzliche Vorratskammer. Sie aktivieren die „SWEET-Gene“ der Reispflanze und setzten dadurch sogenannte SWEET-Promotoren in Gang, die wiederum Zucker aus der Reiszelle zu den Bakterien transportieren.

Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass einige Reissorten gegen bestimmte Stämme des Xoo-Erregers jedoch resistent sind. Den Forschern zufolge haben hier die Pflanzen ihr Schloss so geändert, dass der bakterielle Schlüssel zur Vorratskammer nicht mehr passt. Gleichzeitig stieß das Team aber auch auf Xoo-Bakterien, die sich an diese Veränderung angepasst haben und mit jeweils anderen Schlüsseln den Zugang attackieren.

Zwei neue resistente Reispflanzen vorgestellt

Wie das Team im Fachjournal Nature Biotechnology berichtet, konnten sechs verschiedene Angriffspunkte in den SWEET-Promotoren von drei verschiedenen SWEET-Genen nun identifiziert werden. „Mit diesem Wissen und den Werkzeugen, die wir entwickelt haben, können wir mindestens so schnell neue resistente Reissorten entwickeln wie die Bakterien neue Schlüssel“, sagt der Leiter des Konsortiums, Wolf Frommer, vom Institut für Molekulare Physiologie der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf.

Diagnose-Set zum Aufspüren der Krankheitserreger

Einschließlich des neu entwickelten Diagnose-Kits, das die Forscher in der zweiten Studie vorstellen, ist nun der Weg für den schnellen und zielgerichteten Einsatz neuer Resistenzen geebnet, um den Bakterienbrand bei Reis langfristig auszurotten. „Wir haben jetzt die Möglichkeit, das Bakterium auszutricksen, in dem wir ihm einen Schritt voraus sind“ , ergänzt Ricardo Oliva, Erstautor und Leiter des IRRI-Teams. Das „SWEETR-RESISTANCE KIT“ soll Reisbauern und Forschern schon bald in Asien und Afrika bereitgestellt werden.

Am Healthy-Crops-Konsortium sind neben der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und der University of Missouri die University of Florida in den USA, das Tropenzentrum für Agrarforschung (CIAT) in Kolumbien, das Institut de Recherche pour le Développement (IRD) in Frankreich und das Internationale Institut für Reisforschung (IRRI) auf den Philippinen beteiligt. Die Forschung wurde unter anderem durch die Bill & Melinda Gates-Stiftung gefördert.

bb

In many countries of the world, rice is a staple food. Small farmers, especially in South Asia and Africa, live from the cultivation of this important crop. However, their livelihood and food security are threatened by the plant disease bacterial blight. This is caused by the pathogen Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo). In India alone, the bacterium causes annual harvest losses worth around 3.6 billion dollars. The international research consortium Healthy Crops has now taken a decisive step towards the goal of eradicating the plant disease.

In the scientific journal Nature Biotechnology, the scientists present new tools for the fight against the bacterial pathogen in two studies. In one study, they present two popular rice varieties that are resistant to various bacterial blight pathogens. In the other, they show a tool that can be used to quickly identify new forms of the pathogen.

Nutrient supply of the pathogen blocked

But how did the researchers manage to trick the rice pathogen? "We're preventing the Xoo bacterium from stealing nutrients from the plant to multiply," explains Bing Yang of the University of Missouri. Previous research revealed how dangerous bacteria gain access to the rice plant's nutrient chamber, which they need to multiply. The Xoo bacteria introduce so-called TAL effectors into the rice cell. These are the key to the plant pantry. They activate the "SWEET genes" of the rice plant and set so-called SWEET promoters in motion, which in turn transport sugar from the rice cell to the bacteria.

Earlier investigations have shown that some rice varieties are resistant to certain strains of the Xoo pathogen. According to the researchers, the plants have changed their locks in such a way that the bacterial key no longer fits into the pantry. At the same time, the team also came across Xoo bacteria that have adapted to this change and attack with different keys.

Two new resistant rice plants presented

As the team reported in the journal Nature Biotechnology, six different targets have now been identified in the SWEET promoters of three different SWEET genes. "With this knowledge and the tools we have developed, we can develop new resistant rice varieties at least as quickly as the bacteria can develop new keys," says Wolf Frommer, head of the consortium at the Institute of Molecular Physiology at Heinrich Heine University in Düsseldorf.

Diagnostic set for the detection of pathogens

With the newly developed diagnostic kit presented by the researchers in the second study, the way has now been paved for the rapid and targeted use of new resistances to eradicate bacterial blight in rice in the long term. "We now have the opportunity to outwit the bacterium by being one step ahead of it," says Ricardo Oliva, first author and head of the IRRI team. The "SWEETR-RESISTANCE KIT" will soon be made available to rice farmers and researchers in Asia and Africa.

The Healthy Crops Consortium includes the Heinrich Heine University in Düsseldorf, the University of Missouri, the University of Florida in the USA, the Tropical Centre for Agricultural Research (CIAT) in Colombia, the Institut de Recherche pour le Développement (IRD) in France and the International Rice Research Institute (IRRI) in the Philippines. The research was supported by the Bill & Melinda Gates Foundation, among others.

bb/um

In seinem jüngsten Bericht hatte der Weltbiodiversitätsrat (IPBES) ein dramatisches Bild zur globalen Lage der Artenvielfald gezeichnet. Danach nimmt die Zahl der Tier- und Pflanzenarten weltweit dramatisch ab und war noch nie so hoch wie heute. Die Ursachen dafür sind vielfältig. Das Berliner Start-up Ark-Biodiversity, das sich selbst als ein grünes Hightech-Unternehmen bezeichnet, hat eigenen Angaben zufolge eine Technologie parat, die „zumindest eine der Ursachen des globalen Artensterbens“ adressiert: den weltweiten illegalen Handel mit geschützten und bedrohten Lebewesen und daraus hergestellten Produkten.

„Ich glaube nicht an ein Überleben der Menschheit ohne Artenvielfalt, und nicht an die Erhaltung der Artenvielfalt, wenn unsere Gesellschaften nicht gemeinsam Mechanismen finden, Biodiversität zu bewerten und Geschäftsmodelle zu entwickeln, die von ihrem Erhalt profitieren“, sagt Unternehmensgründer Alexander Olek. Der Biochemiker ist in der hiesigen Biotech-Branche kein Unbekannter: Unter anderem gründete er 1998 das Berliner Biotech-Unternehmen Epigenomics.

Universeller genetischer Fingerabdruck

Bei dem Test handelt es sich um einen universellen genetischen Fingerabdruck, den „universal fingerprint of life“, mit dem alle Lebewesen und ihre Produkte identifiziert und charakterisiert werden können. Die molekulare Diagnostiktechnologie basiert auf sogenannten Mikrosatelliten, die auch bei Abstammungsgutachten oder in der Forensik Verwendung finden. Den neuen Artenbestimmungstest hat sich Ark-Biodiversity patentieren lassen.

Er soll wissenschaftliches Know-how, neueste genomische Methoden und Big-Data-Technologien vereinen. Dem Unternehmen zufolge erlaubt die Technologie, „aus jeglichem höheren Lebewesen einen komplexen genetischen Fingerabdruck zu generieren. Das universelle genetische Adress-System des Berliner Start-ups könnte, so die Entwickler, kombiniert mit modernen Daten-und Transaktionstechnologien wie Blockchain helfen, wichtige Fragen zur Eindämmung des illegalen Handels sowie der Züchtung geschützter und bedrohter Arten und Ökosysteme zu beantworten.

Kapital vom Hightech-Gründerfonds

Hierfür konnte das Berliner Unternehmen den Hightech-Gründerfonds (HTGF) nun als Investor für die Weiterentwicklung der Technologie gewinnen. Über die Höhe der Finanzierung wurde nichts bekannt. „Das Geschäftsmodell der Ark-Biodiversity zeigt, dass ein Investment in Nachhaltigkeit auch wirtschaftlich attraktiv sein kann. Wir freuen uns zusammen mit dem mutigen und gleichzeitig erfahrenen Gründerteam auf diese Weise High-Tech in den Dienst des Artenschutzes zu stellen“, kommentiert Tobias Faupel, Senior Investment Manager des HTGF die erste Finanzierungsrunde.

bb/pg