Aktuelle Veranstaltungen

Emmanuelle Charpentier hat mit dem CRISPR-Cas-System einen einzigartigen Mechanismus entdeckt und damit die Grundlagen für ein revolutionäres Werkzeug der molekularbiologischen Forschung geschaffen. Schon jetzt halten viele Experten das Werkzeug für einen Meilenstein der Biotechnologie  (zum Erklärvideo EXPRESS: hier klicken). Auf der ganzen Welt wird nun daran gearbeitet, wie sich die Genschere sinnvoll nutzen lässt – in der Medizin, aber auch in der Züchtung neuer Pflanzen. 

Seit 2015 ist die Französin Direktorin am Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie in Berlin, wo sie die Abteilung für "Regulation in der Infektionsbiologie" leitet. Künftig wird sie ein eigenes Institut leiten: die Max-Planck-Forschungsstelle für die Wissenschaft der Pathogene. Die Forschungsstelle wird zunächst weiter am MPI für Infektionsbiologie in Berlin angesiedelt sein, zukünftig wird es aber vermutlich eine eigene Adresse erhalten. Anfang April hat die Gemeinsame Wissenschaftskonferenz (GWK) beschlossen, diese neue Forschungsstelle in ihre Bund-Länder-Förderung aufzunehmen.

Charpentier hatte CRISPR-Cas als Teil des Virenabwehrsystems der Bakterien entdeckt. Die Mikroben wehren Attacken ihrer Feinde ab, indem sie deren Erbgut zerschneiden.  Nach Stationen in den USA und Österreich wechselte sie 2009 an die Universität in Umeå. 2012 veröffentlichte die Wissenschaftlerin eine komplette Anleitung für den Schneidemechanismus im Fachmagazin Science. Seitdem nutzen Wissenschaftler rund um den Globus das neue Genome-Editing-System. Seit Anfang 2013 ist Charpentier in Deutschland und arbeitete hier zunächst als Humboldt-Professorin am Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung in Braunschweig. Charpentier hat seither unzählige hochkarätige Wissenschaftspreise erhalten. 

jmr/pg

Molekulare Strukturen sind die Grundbausteine jedes Organismus. Doch gerade wegen ihrer geringen Größe sind sie nur sehr schwer zu visualisieren. Ein Team um die Dortmunder Forscher Leif Dehmelt von der Technischen Universität und Yaowen Wu vom Chemical Genomics Center der Max-Planck-Gesellschaft hat eine neue Methode entwickelt, um das Innere von Zellen darstellen zu können. Über ihre neue Methodik namens „Molecular Activity Painting“ berichten sie in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“.

Molekulare Aktivität nachzeichnen

Für die verschiedensten molekularbiologischen Prozesse wandern Proteine innerhalb von Zellen hin und her. Wäre es möglich diese Proteinwanderungen zu visualisieren, könnte man viele komplexe Prozesse innerhalb einer Zelle besser nachverfolgen und verstehen. Die Prozesse in der Nähe von Zellwänden sind hierbei aus technischen Gründen bisher besonders schwierig darzustellen.

Dortmunder Wissenschaftlern ist es jetzt gelungen, eine neue Methode zu entwickeln, die genau diese Schwierigkeiten überwindet. Bei der von ihnen vorgestellten Methode des Molecular Activity Painting (MAP) handelt es sich um einen neue Technik, die ein schnelles und stabiles Malen von Signalmolekülen und deren Aktivität an der Zellwand im Mikrometermaßstab ermöglicht.

Lichtempfindliche Moleküle mit Laser aktiviert

In einem ersten Schritte musste das Forscher-Team hierzu die frei beweglichen Teile in der Zellwand fest verankern. In einem nächsten Schritt wurden über diese Anker speziell entwickelte, lichtempfindliche Molekülsysteme in die Zelle eingebracht. Darauf abgestimmte Proteine binden dann an diese Systeme. Schließlich werden diese Verbindungen dann von außen punktuell durch einen fokussierten Laserstrahl aktiviert – und das „gemalte“ Bild ist zu sehen. Je nach dem welche Proteine an die Molekülsysteme gebunden werden, können die unterschiedlichsten Prozesse verfolgt werden. Manche Proteine lösen sogar muskelartige Kontraktionen in der Zelle aus, und auch die können jetzt beobachtet werden. Diese kontrahierenden Strukturen spielen eine besonders wichtige Rolle in der Bewegung von Zellen zum Beispiel in der Embryonalentwicklung oder bei der Metastasierung von Krebszellen. Ziel der Forschung ist es, solche komplexen Entwicklungs- und Krankheitsprozesse besser zu verstehen.

jmr

In Kläranlagen sind Bakterien nicht nur für die biologische Abwasserreinigung nützlich. Mithilfe der Stoffwechselleistung spezieller Mikroben kann aus den organischen Substanzen im Abwasser auch Strom gewonnen werden. Das Konzept einer sogenannten mikrobiellen Brennstoffzelle: Bakterien bauen die energiereichen Substanzen aus dem Abwasser ab und die dabei entstehenden Elektronen können an eine Elektrode abgegegeben werden - Strom wird gewonnen. Forscher der Universität Bayreuth haben einen Weg gefunden, die Stromproduktion in mikrobiellen Brennstoffzellen durch den Einsatz eines künstlichen Biofilms zu optimieren. Wie das Team im Fachjournal „Macromolecular Bioscience“ berichtet, handelt es sich dabei um ein Hydrogel, das nur mit einer einzigen Bakterienart namens Shewanella oneidensis besiedelt ist.

Elektrische Leistung verdoppelt

Bakterien in mikrobiellen Brennstoffzellen ernähren sich von organischen Substanzen wie Milchsäure. Die beim Verstoffwechseln freigesetzten Elektronen treten in Kontakt mit einer  Anode und werden dann zur gegenüberliegenden Kathode weitergeleitet. Mit dem neuen Biofilm gelingt dieser Prozess in mehrfacher Hinsicht besser. „Die elektrische Leistung einer Brennstoffzelle ist mit diesem Film doppelt so hoch, als wenn Bakterien der gleichen Art einen natürlichen Biofilm produzieren“, erklärt der Bayreuther Doktorand Patrick Kaiser.

Stabile Stromproduktion

Bei dem künstlichen Biofilm handelt sich um ein Netzwerk aus winzigen Polymerfasern, in denen sich lebende Bakterien befinden, die beim Stoffwechsel uneingeschränkt aber in deutlich größeren Mengen Strom produzieren. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Stromerzeugung zuverlässig und somit berechenbar ist. Der Grund: Die Dichte der Bakterien im künstlichen Biofilm wird von vornherein festgelegt. Das macht das neue Biokomposit auch anwenderfreundlicher. Natürliche Biofilme werden im Vergleich dazu auf eine schwer zu kontrollierende Weise abgebaut, wodurch der Prozess instabil ist.

Vliesstoff aus Polymerfasern

Das Biokomposit wurde durch das sogenannte Elektrospinnen von Polymerfasern hergestellt, die zusammen einen Vliesstoff bilden. „Das Elektrospinnen von Vliesstoffen ist heute eine weit verbreitete Technologie. Für die Einbettung der Bakterien sind keine zusätzlichen Produktionsschritte erforderlich“, betont Mitautor Steffen Reich. Die Entwicklung des neuen Biofilms erfolgte im Rahmen des Vorhabens „Biofilme für die Prozessintensivierung“ durch den Projektverbund „Ressourcenschonende Biotechnologie in Bayern – BayBiotech“.

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Molecular structures are the building blocks of every organism. But because of their minute size, they are extremely difficult to visualize. A team of Dortmund-based researchers headed by Leif Dehmelt at the Technical University and Yaowen Yu at the Chemical Genomics Center of the Max Planck Society developed a new method to depict the inner workings of a cell. They published their result and their new method entitled “Molecular –Activity Painting” in the renowned journal “Angewandte Chemie“.

Tracing molecular activity

Proteins are criss-crossing the cells for several molecular processes. If theses protein movements could be visualized, it would make it much easier to trace and decipher many of these complex processes. Most difficult to trace and understand have so far been processes occurring close to the cell membrane.

Dortmund-based scientists now managed to devise a new method that is disregards this difficulty. Their new approach of “Molecular- Activity Painting” (MAP) is a new technique that enables the stable trace of signal molecules and their activity close to the cell membrane on a micrometer scale.

Light sensitive molecules are activated by laser-light

In a first step the team of researcher needed to anchor the freely moving parts of the cell membrane. In a second step, specialized light sensitive molecule-systems were introduced into the cells via these anchors. Distinct proteins then bind to these molecule-systems. Subsequently these compounds are activated from the outside by a selective and targeted laser beam – now the “painted” picture is visible.

Depending on the proteins that bind to the molecule-system, distinct molecular processes can be observed. Some proteins even cause muscle-like contractions within the cell, which can now also be visualized. These contracting structures are especially important when it comes to embryogenesis or metastasizing cancerous cells.

The goal of this research project is to track and thereby understand these complex developmental and disease-related processes.

jmr

Obwohl die Technik bereits immer weiter voranschreitet, ist eine präzise Wettervorhersage immer noch schwierig. Viele Forscher setzen auf Klimasimulationsmodelle, doch auch diese müssen mit entsprechenden Daten gefüttert werden und oftmals haben bisherige Ansätze noch erhebliche Defizite. Gerade für die Landwirtschaft ist aber eine möglichst genaue Wettervorhersage von großer Bedeutung – insbesondere der Klimawandel sorgt hier inzwischen vielerorts für große Probleme.

Ein internationales Forscherteam unter deutscher Beteiligung will nun mit einem neuen Land-Atmosphäre Feedback Observatorium (LAFO) für ein besseres Verständnis von Wetter- und Klimaphänomenen sorgen und damit langfristig auch eine Beitrag zur Ernährungssicherung einer wachsenden Weltbevölkerung beitragen. So betont Klimaexperte und LAFO-Leiter Volker Wulfmeyer: „Es ist gesellschaftlich und wirtschaftlich höchst relevant, Dürren oder Starkniederschläge besser vorhersagen zu können und genauere Vorwarnungen zu ermöglichen.“

Modernste Klimaforschung auf neun Quadratkilometern

Hierfür entsteht seit Anfang des Jahres auf dem Heidfeldhof nahe der Universität Hohenheim auf rund neun Quadratkilometern von Agrarflächen, Wald und urbanen Flächen das neue LAFO. Organisatorisch ist die Einrichtung in das Forschungszentrum für Globale Ernährungssicherung und Ökosysteme an der Universität Hohenheim eingebettet. Die Deutschen arbeiten zudem sehr eng mit weiteren Partnern aus Deutschland – etwa dem Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) oder dem Erdbeobachtungs-Netzwerk TERENO der Helmholtz-Gemeinschaft sowie auf internationaler Ebene zusammen.

Die Wissenschaftler erhoffen sich wichtige Erkenntnisse und ein besseres Verständnis von Wind-, Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsfeldern in den unteren Atmosphärenschichten. Außerdem untersuchen sie den turbulenten Transport von Feuchte und Wärme bis in eine Höhe von etwa zwei Kilometer. Die Carl-Zeiss-Stiftung fördert die Einrichtung in den ersten vier Jahren mit 800.000 Euro in ihrem Programm zur Stärkung von Forschungsstrukturen an Universitäten.

LAFO wird aus drei Komponenten bestehen

Um die komplexen Vorgänge in der Wetter- und Klimaentwicklung möglichst komplett verfolgen zu können, setzt das LAFO von drei Ebenen gleichzeitig an: Für die Fernerkundung werden sogenannte Lidar-Systeme (Light Detection and Ranging) eingesetzt. Diese können turbulente Wind-, Temperatur- und Feuchtestrukturen in der Atmosphäre gleichzeitig vermessen. Als zweite Säule nutzen die Forscher am LAFO Sensoren, die die Energieflüsse an der Landoberfläche und den Zustand von Boden und Vegetation untersuchen. Mit diesen Messstationen wird der Austausch von Energie, Wasser und Spurengasen zwischen der Landoberfläche und der bodennahen Atmosphäre bestimmt werden. Hinzu kommt ein Bodenfeuchte-Messnetz, das unter anderem dazu dient, den Zusammenhang zwischen der Verdunstung und Bodenfeuchte zu untersuchen. Als dritte Ebene sollen Geräte zur Charakterisierung der Vegetation zum Einsatz kommen.

jmr

Bio-Lebensmittel werden immer beliebter. Ihr Umsatz stieg 2016 in Deutschland um fast ein Zehntel auf 9,5 Mrd. Euro an. Die erst kürzlich auf der weltgrößten Fachmesse für Bio-Produkte BIOFACH vorgestellten Zahlen werden durch die aktuelle Umfrage des Ökobarometers 2017 gestützt. Im Rahmen der vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft  beauftragten und von Marktforschungsinstitut infas durchgeführten Studie wurden insgesamt 1.004  Personen befragt. Etwa ein Viertel gab dabei an, häufig oder sogar ausschließlich Produkte aus dem Ökolandbau zu kaufen. Neben Fragen zur Häufigkeit des Konsums sowie zu Kauforten und Produkten wurde in diesem Jahr schwerpunktmäßig das Interesse an Biogerichten in der sogenannten Gemeinschaftsverpflegung, also Kantinen und Mensas, hinterfragt.  Auch in diesem Bereich zeigt sich ein großes Interesse an gesunder und nachhaltig produzierter Kost.

Preisaufschlag für Biokost angemessen

Bemerkenswert dabei: 96% der Befragten wären bereit für Biogerichte auch mehr zu zahlen. Zwei-Dritter der Außerhaus-Esser würden danach mindestens einen Euro, 14% sogar mehr als zwei Euro Preisaufschlag für angemessen halten. Der Anteil des „Außer-Haus-Verzehrs“ am deutschen Lebensmittelmarkt beträgt derzeit ein Drittel. Den Autoren zufolge wird damit deutlich, wie groß das Potenzial für eine Steigerung des Bioanteils hier noch ist.

The top coat of cars has to fulfil many requirements – it has to be scratch resistant, protect against sunlight and inclement weather, and also has to give the car a glossy appearance. Now, for the first time, a clearcoat containing a bio-based hardener was applied to test bodies of the Audi Q2 under near-series conditions at the Audi plant in Ingolstadt, Germany. A project team consisting of members from Audi, BASF’s Coatings division, and the materials company Covestro achieved this milestone.

The car industry is looking for sustainable solutions

Sustainability with regards to the auto motor industry is no longer limited to bio-fuels or electric cars. In fact, manufacturers and suppliers are actively working towards sustainable productions as well, in order to reduce energy consumption and CO₂ emissions during production.

To that end a clearcoat containing a bio-based hardener has recently been successfully applied to test bodies of the Audi Q2 series in Ingolstadt, Germany. These tests were conducted under near-series and realistic production conditions.

Conserving fossil resources and reducing CO₂ emissions

Markus Mechtel, head of marketing for automotive coatings at Covestro, explains: “Using renewable raw materials in the production of bio-based hardeners helps to conserve fossil resources. At the same time, the biomass, as it grows, captures CO2 in the environment.” In addition, certain process steps are eliminated during the bio-based raw material production for this hardener, thus leading to an additional reduction of CO2 emissions.

Although the clearcoat is not quite ready for wide-scale use in the industry, it is nonetheless an important step toward a sustainable automotive coating process

A pioneering role for Audi

“The use of bio-based raw materials in automotive coatings is still in its infancy,” says Thomas Heusser, Head of Materials and Process Engineering at Audi. “But the application of the new clearcoat on our existing machines fulfilled all our specifications and delivered promising results. With this project Audi takes up a pioneering role in this field in the automotive industry.”

jmr

Es ist wieder soweit: Die heimische Spargelsaison hat begonnen. Bundesweit haben Erntehelfer alle Hände voll zu tun, um für Nachschub an den Verkaufsständen zu sorgen. Denn deutscher Spargel, ob weiß oder grün, ist begehrt. Mit etwa 10 Euro für ein Kilo ist das heimische Gemüse allerdings teurer als die importierte Ware. Der Grund: Noch muss der Spargel mühsam einzeln gestochen werden und die Lohnkosten hierzulande sind höher als im Ausland. Doch eine Lösung für die Ernte von grünem Spargel, der im Vergleich zum weißen Gemüse über der Erde wächst, ist in Sicht.

Im Rahmen des EU-Projektes Green asparagus harvesting robotic system (Garotics) arbeiten deutsche und britische Partner an einen Feldroboter, der die Spargelernte erleichtern soll. An der Entwicklung beteiligt sind unter anderem Forscher vom Centrum für Mechatronik (BCM) der Universität Bremen, der Verpackungsmaschinenhersteller Strauss aus Buxtehude, der britische Landwirtschaftsunternehmen C. Wright & Son sowie die britische Firma Hepcomotion, die im bayerischen Feucht seit 1969 eine Niederlassung zur Entwicklung von Linearführungsystemen und Automatisierungskomponenten betreibt. 

Kamera erkennt reifen Spargel

Gemeinsam haben die Partner nun einen Prototypen für die Spargelernte entwickelt, der sich aktuell im Feldtest befindet. Der Ernteroboter besteht aus einem vierrädrigen Fahrgestell, zwischen dessen Vorderräder ein Kamerasystem integriert ist. Während sich das Gefährt selbstständig vorwärts bewegt, filmt die Kamera die grünen Spargelstangen im Vorbeifahren und erkennt, ob der Spargel für die Ernte reif ist. „Eine der Herausforderungen war es daher, eine Bildverarbeitung zu implementieren, die verschiedene Wachstumsstadien differenzieren kann“, berichtet Sebastian Allers, Konstrukteur bei Strauss. Denn einen Rasenmäher, der alles abmäht, lässt sich bei der Ernte der unterschiedlich schnell wachsenden Spargelstangen nicht einsetzen. Eine Software überträgt die Daten des grünen Gemüses an den Werkzeugkopf weiter, der unter einer Linearführungsschiene montiert ist.

Spargelposition präzise ausloten

Das Linienführungssystem wurde von HepcoMotion entwickel. Ein Wechselstrom-Getriebemotor sorgt dafür, dass zwei von einander unabhängige Werkzeugköpfe jeweils über die Schienen wie die Patrone im Drucker von einer Seite des Fahrzeugs zur anderen Seite sich bewegt und die Position des Spargels auslotet. „Das lässt Antriebskräfte bis 1.225 Newton und Geschwindigkeiten von bis zu zwei Metern pro Sekunde zu, mit speziellen Motoren kann man sogar über fünf Meter pro Sekunde erreichen“, erklärt Mark Völkers, Gebietsleiter Außendienst Norddeutschland bei HepcoMotion.

Greifarm fasst und schneidet Spargel

Die Bewegung kommt zustande, indem ein Zahnriemen den Laufwagen samt Greifarm, der an der Innenseite der Werkzeugköpfe befestigt ist, über die Schiene zieht und damit eine Schwenkbewegung erzeugt. „Die Rollenführung macht es zudem möglich, dass sich der Greifarm relativ schnell senken lässt und durch die Kombination aus linearer Bewegung und Rotation beim Absenken ein geringer Abstand zwischen zwei Stangen Spargel ausreicht“, erklärt Lasse Langstädtler  vom Bremer Institut für Strukturmechanik und Produktionsanlagen (bime) der Universität Bremen. Auf diese Weise garantiert die langsame Bewegung, dass der Greifarm den Spargel langsam abschneidet und unbeschadet einsammelt. Danach fährt der Werkzeugkopf wieder an die Seite und legt den Spargel auf einem Förderband ab.

Prototyp im Feldversuch getestet

Der Prototyp des Spargelernte-Roboters wird derzeit beim britischen Projektpartner C. Wright & Son getestet. „Wir wollen bei diesen Feldtests unter anderem herausfinden, wie lange die Akkus die Maschine mit Energie versorgen können“, erläutert Strauss. Zwar ist der Roboter derzeit kaum schneller als der menschliche Erntehelfer. Bei ausreichender Energie kann er jedoch 24 Stunden ohne Pause auf dem Feld arbeiten.  Solch eine automatisierte Höchstleistung würde nicht nur die Feldarbeit effektivieren, sondern die Preise für heimischen Spargel senken.

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Die Förderung setzt sich aus mehreren Phasen zusammen. In einer neunmonatigen Sondierungsphase können die Ideen vertieft ausgearbeitet, ein Entwicklungsplan für die technische Umsetzung erarbeitet oder geeignete Partner mit der erforderlichen wissenschaftlich-technischen Expertise zusammengestellt werden. Bis zu 50.000 Euro stehen für Forschungseinrichtungen bereit, Unternehmen können bis zu 25.000 Euro als Fördermittel erhalten.

In einer ggf. anschließenden zweijährigen Machbarkeitsphase können grundlegende Untersuchungen zur technischen Machbarkeit der Produktvision durchgeführt werden. In der ersten Ausschreibungsrunde waren mehr als 200 Ideen eingereicht worden, aus denen es 32 in die Sondierungsphase geschafft hatten. Im Jahr 2016 hat eine zweite Ausschreibungsrunde stattgefunden. 

Das Genome Editing, auch Genomchirurgie genannt, birgt enormes Zukunftspotenzial. Mögliche Anwendungen für Genscheren wie CRISPR-Cas & Co. sind vielfältig. Pflanzenforschern und Züchtern eröffnen sich mit den neuen Präzisionswerkzeugen ganz neue Möglichkeiten, um ertragreiche und robuste Nutzpflanzen züchten zu können. Der Vorteil: Mithilfe der Genomchirurgie können leichter und präziser als bisher Veränderungen einzelner DNA-Bausteine im Erbgut vorgenommen werden, was im Züchtungsprozess Zeit und Kosten spart. Hinsichtlich der optimalen Nutzung des Genome Editing in der Nutzpflanzenzüchtung gibt es jedoch noch reichlich Forschungsbedarf. Auch wie genom-editierte Pflanzen von den Regulierungsbehörden eingestuft werden sollen, ist noch unklar.

Genscheren und Hilfsmethoden optimieren

Um Wissenslücken zu schließen und das Genome Editing als hochinnovative Technologie voranzutreiben, hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) eigens eine neue Fördermaßnahme zur Pflanzenforschung aufgelegt. Im Fokus der neuen Förderinitiative „Nutzpflanzen der Zukunft“ steht dabei die Optimierung vorhandener Systeme wie CRISPR-Cas. Gefragt sind etwa innovative Genscheren, die neue Funktionen aufweisen und sogar mehrere Gene parallel bearbeiten können. Im Fokus steht jedoch auch die Verbesserung Genome-Editing-unterstützender Verfahren. Um die Baupläne für die Genscheren in Pflanzenzellen zu schleusen, sind neuartige zellbiologische Transfertechniken gefragt. Die genom-editierten Zellen müssen in späteren Schritten dann auch so kultiviert werden, dass daraus eine ganze Pflanze wird. Auch für diese Gewebekulturverfahren sind verbesserte Ansätze nötig.

April 22 has been dubbed “Earth Day” since 1970, when millions of Americans first demonstrated for a healthy and sustainable environment. Since then the movement has only grown and taken on major issues such as global warming and clean energy.

In January 2017, after the resounding success of the “Women’s March” in the U.S. and worldwide, and around the time the designated science advisor of the new Trump administration called climate scientists a “glassy-eyed cult”, and early budget reports offered grim prospects for the U.S. sciences, the idea for a “Scientist’s March on Washington” was born. However, the support grew faster and wider than anyone had anticipated, and soon it became the global movement "March for Science". The date for the march has been set – rather fittingly – for April 22, “Earth Day”, and so far more than 500 cities worldwide are participating.

Politicians, Nobel Laureates, and research institutes support the March

The movement may have started out as a statement against the Trump presidency, but it has become so much more than that in the last couple months. Now, it is a “movement to defend the vital role science plays in our health, safety, economies, and governments” – with global support. In Germany alone there will be events held in 20 locations - including Helgoland, which will probably host the smallest March for Science worldwide. The biggest demonstration, however, is anticipated to be taking place in Berlin. Here, people will meet on April 22 at 1pm in front of the Humboldt University, and will march to the Brandenburg Gate. On the way there the march will stop briefly in front of the Hungarian embassy to support academic freedom in Hungary, after the recent implementation of a new law. At the Brandenburg Gate a number of speeches are planned – including one by Michael Müller, the Governing Mayor of Berlin, but also other well-known science journalists, such as Ranga Yogeshwar.

Among the long list of supporters of the March for Science in Germany are not only the names of countless individual scientists, but also Nobel Laureates, as well as the president of the German Council of Science and Humanities, and the presidents of the Max Planck Society, Fraunhofer Society, Helmholtz Society, and the overarching Alliance of Science Organisations in Germany.

Die deutsche Forschungslandschaft in der Bioökonomie ist sehr breit aufgestellt. Innerhalb der naturwissenschaftlichen Disziplinen erstreckt sie sich von den Agrarwissenschaften bis zur Chemie, von der Biodiversität bis zu den Ernährungswissenschaften, von der Umwelttechnologie bis zur Materialwissenschaft, von den Energietechnologien bis zur Prozess- und Verfahrenstechnik. Hinzukommen Querschnittsfelder wie die Biotechnologie oder die Informations- und Kommunikationstechnologie sowie geisteswissenschaftliche Disziplinen wie die Sozial-, Wirtschafts-, Politik- und Rechtswissenschaften.

Die Bundeshauptstadt ist in diesem Jahr erstmals Schauplatz der Internationalen Gartenausstellung. Seit dem 13. April sind die Tore zum rund 104 Hektar großen Areal im Berliner Stadtteil Marzahn für die Besucher geöffnet. Bereits am ersten Wochenende zu Ostern tauchten nach Angaben der Veranstalter 40.000 Menschen in das „Mehr aus Farben“ ein und ließen sich von Blumenmeer sowie Gartenbau und Landschaftsarchitektur beeindrucken. Zu den Top-Attraktionen der bis Mitte Oktober dauernden Gartenschau zählt neben den "Gärten der Welt" die neu aufgebaute Kabinenseilbahn.

Doch die beliebte Garten- und Landschaftsschau ist längst mehr als nur ein Schaufenster für exotische Gewächse und Zierpflanzen, sowie Plattform für Gartentrends und Pflanztipps. Das IGA-Gelände in mitten von Hochhäusern zwischen den „Gärten der Welt“ und dem Wuhletal ist zugleich Kulisse, um Bioökonomie - als ein nachhaltiges und biobasiertes Wirtschaften - hautnah zu erleben.

Natur spielerisch erleben

So werden auf dem IGA-Campus neben grünen Themen wie Gärtnern und Pflanzen, biologische Vielfalt und gesunde Ernährung auch aktuelle global drängende Fragen zu Nachhaltigkeit, fairem Handel oder Klimawandel und Umweltschutz diskutiert und veranschaulicht. Die knapp 2.500 Veranstaltungen des IGA-Campus richten sich vorrangig an die jüngsten Besucher, um sie auf spielerische Weise der Natur näher zu bringen. 

Ackerkulturen der Welt auf 2000 m²

Ein Erfahrungspark für Landwirtschaft mit besonderer Perspektive ist der an den IGA-Campus angrenzende „Weltacker“ vom Projekt 2000 m². Auf 2000 Quadratmetern wurden hier maßstabsgetreu Nutzpflanzen wie Weizen, Mais, Reis oder Soja so angepflanzt, wie sie anteilig weltweit angebaut werden. Die Angebote reichen von der „AckerTour“ über Projekte rund um Fragen zu Klimawandel, Agrobiodiversität, industrieller Landwirtschaft oder Fleischkonsum. Zugleich wollen die Akteure Antworten auf drängende globale Fragen zur Ernährungssicherheit geben, wobei die Rolle der Gentechnik, die Größe der Anbauflächen sowie das Thema Biosprit kritisch hinterfragt wird.

Die Zuckerrübe ist eine der jüngsten Neuzugänge auf den Äckern der gemäßigten Breiten. Erst im 18. Jahrhundert war es deutschen Pflanzenzüchtern gelungen, den Zuckergehalt der Runkelrübe mehr als zu verdoppeln. Das war die Basis für die industrielle Zuckerproduktion. Heute stammt etwa ein Drittel des weltweit konsumierten Zuckers aus der Zuckerrübe (Beta vulgaris), rund 25 Mrd. Euro werden jährlich damit erwirtschaftet. Außerdem werden die Rüben auch in der Herstellung von Bioenergie verwendet, beispielsweise für Bioethanol.

Der namensgebende Zucker in den Zuckerrüben wird durch Photosynthese in jeder Zuckerrübenpflanze von Grund auf neu synthetisiert. Bei einer modernen, erntereifen Pflanze macht der gespeicherte Zucker dann etwa 18% des Frischgewichts der Pflanze aus.

Dabei sammelt sich der Zucker in Zellhohlräumen der Rübe an, den sogenannten Sammel-Vakuolen. Allerdings war bis vor Kurzem noch nicht bekannt, wie der Zucker überhaupt in diese Vakuolen gelangt.

Dem Zucker-Transporter auf der Spur

Wie der Zuckertransport in der Rübe genau funktioniert, stand im Fokus eines deutschlandweiten Verbundprojekts unter der Leitung des Pflanzenbiochemikers Ulf-Ingo Flügge von der Universität zu Köln. An dem Projekt „Betamorphosis“ waren außerdem die Universitäten Erlangen, Kaiserslautern und Würzburg sowie von Industrieseite die Südzucker AG und die KWS Saat AG beteiligt. Das Verbundprojekt wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen von „Plant 2030“ über einen Zeitraum von dreieinhalb Jahren mit insgesamt knapp 1,9 Mio. Euro gefördert. Das Ziel: den Ertrag und Zuckergehalt der Rübe erhöhen.

„Im Prinzip dreht sich alles um Source-Sink-Beziehungen“, bringt Flügge das Projekt auf den Punkt. In den Photosynthese-Organen der Pflanze, den Blättern, wird die Saccharose hergestellt. Die Pflanzenforscher sprechen daher von „Source“ (Quelle). Von den Blättern aus gelangt das Photosyntheseprodukt Zucker dann über die Leitgefäße in das Speichergewebe der Pflanze. Bei der Zuckerrübe handelt es sich hierbei um die Pfahlwurzel, bzw. die Rübe, die auch als „Sink“-Gewebe bezeichnet wird.

In ihren Bemühungen, den Zuckerertrag der Rüben durch herkömmliche Züchtung weiter zu steigern, gerieten die Züchter an ihre Grenzen. Unklar war jedoch, woran es lag: Kann in den Blättern nicht mehr produziert werden, oder sind die Speicherkapazitäten in der Rübe ausgereizt? „Bei der Kartoffel haben wir zuvor zeigen können, dass über eine Erhöhung der Sink-Kapazität der Stärkeertrag beträchtlich erhöht werden kann. Das haben wir durch eine Überexpression zweier Transporter am Ort der Stärkeproduktion in der Knolle erreicht“, so Flügge.

The sugar beet is one of the more recent arrivals on the fields of the world’s temperate zones, not least because it took until the 18th century for German plant breeders to significantly increase the sugar content of fodder beet. Once this had been achieved, the groundwork was laid for the industrial production of sugar. Today, about one third of the sugar consumed worldwide derives from sugar beet (Beta vulgaris), generating an annual turnover of around €25 billion. Beet is also used in the production of bioenergy, including bioethanol.

In every single sugar beet, the eponymous sugar is newly synthesised from the ground up via the process of photosynthesis. The sugar that can be stored in a modern and harvestable plant accounts for around 18% of the fresh weight of the plant. This valuable ingredient is concentrated in hollow spaces in the cells of the beet, the so-called ‘collecting vacuoles’. Until recently however, it was not known how the sugar accumulates in these vacuoles.

Tracking down the sugar transporters

The precise functioning of structures for sugar transportation in beet has been the focus of a Germany-wide collaborative project titled ‘Betamorphosis’, which was headed by plant biochemist Ulf-Ingo Flügge at the University of Cologne. The universities of Erlangen, Kaiserslautern and Würzburg as well as the industrial divisions of Südzucker AG and KWS Saat AG were also involved in the project, which was funded with nearly €1.9 million over a period of three and a half years by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF) within the scope of the initiative ‘Plant 2030'. The overarching objective: to increase the yield and sugar content of beet.

“In essence, it’s all about source-sink relationships,” summarises Ulf-Ingo Flügge. Sucrose is produced in the leaves - the photosynthesis organs of the plant. The plant researchers refer to them as the ‘source’. This photosynthesis product is then transported away from the leaves through the capillaries of the plant and into the storage tissue. In the case of sugar beet, this tissue is the taproot – also referred to as the ‘sink tissue’.

The efforts of breeders to further increase sugar yields from beet using conventional breeding eventually came up against their natural limits. However, the causes of these limits remained unclear: are the leaves unable to produce any more sugar, or have the storage capacities of the beet been reached? “In the case of the potato, we have previously demonstrated that increasing the sink capacity can considerably increase the starch content. We achieved this through an overexpression of two transporters proteins at the site of starch production in the tuber,” says Flügge.

Traditionelles Heilwissen ist in der Kultur vieler Länder Afrikas bis heute tief verwurzelt. Viele Jahre von der evidenzbasierten Medizin vernachlässigt, stehen die Geheimnisse der Medizinmänner heute in der pharmazeutischen Forschung hoch im Kurs. Auf der Suche nach Wirkstoffen für neue Antibiotika oder Krebsmedikamente gewinnen immer mehr Heilpflanzen an Bedeutung. So fanden Wissenschaftler vor einigen Jahren in dem strauchähnlichen Baum Phyllanthus engleri Substanzen, die Epilepsie, Husten, Bauchschmerzen und sogar Nierenkrebs heilen könnten.

Heilpflanzen aus Botswana, Äthopien und Tansania

In einem neuen internationalen Forschungsprojekt wollen Wissenschaftler der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) nun gemeinsam mit der University of Botswana, der Addis Ababa University in Äthiopien und der University of Health and Allied Sciences in Tansania in afrikanischen Gewächsen nach Heilkräften gegen Aids, Tuberkulose und Wurmerkrankungen suchen. Das Vorhaben wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und dem Akademischen Auslandsdienst in den kommenden vier Jahren mit insgesamt 800.000 Euro unterstützt.

Den Wirkstoffen auf der Spur

Im Fokus stehen dabei Pflanzen, die in den Ländern Äthiopien, Botswana und Tansania bereits medizinisch genutzt werden. "Wir wollen ökologisch gefährdete, therapeutisch wirksame und kommerziell nutzbare Pflanzen zunächst identifizieren und schließlich kultivieren", erklärt Projektleiter Peter Imming vom Institut für Pharmazie der MLU. Bei der Suche nach den Heilpflanzen arbeiten die Hallenser Forscher mit dem Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie in Halle zusammen. "Unser Ziel ist, wissenschaftlich zu begründen, welche Inhaltsstoffe für die Wirkung der Arzneipflanzen verantwortlich sind", sagt Imming.

Anbau und kommerzielle Nutzung vor Ort geplant

Darüber hinaus hofft das Team um Imming, Pflanzen zu finden, aus denen sich pharmazeutische Hilfsstoffe gewinnen lassen. „Hilfsstoffe sind für die Wirksamkeit von Arzneien essenziell und werden in größeren Mengen benötigt als die eigentlichen Wirkbestandteile", betont er. Hierbei werden die Hallenser von Experten des Instituts für Angewandte Dermatopharmazie sowie von der äthiopischen University in Addis Ababa unterstützt.

Der Plan: Jene Pflanzen die wissenschaftlich als Heilpflanzen identifiziert wurden, sollen später kultiviert und in den afrikanischen Ländern angebaut werden, um den heilenden Wirkstoff vor Ort in großen Mengen für medizinische Zwecke nutzen zu können. "Gelingt es uns, dies nach Abschluss des Forschungsprojekts in unternehmerische Hände vor Ort abzugeben, wäre das ein nachhaltiger Erfolg", so Immig.

bb

Mehr als zehn Prozent der Ernte wichtiger Nutzpflanzen wie Weizen oder Kartoffeln gehen jährlich durch Nematodeninfektionen verloren. Nematoden (Fadenwümer) sind mikroskopisch kleine Parasiten, die ihren Wirtspflanzen Nährstoffe und Wasser entziehen. Forschern der Universität Bonn und dem Sainsbury Laboratory in Norwich haben einen Rezeptor auf der Pflanzenoberfläche entdeckt, der Nematoden erkennt, und daraufhin eine Abwehrreaktionen gegen die Eindringlinge auslöst. Die Ergebnisse haben sie im Fachjournal "PLOS Pathogens" publiziert.

Ein Rezeptor gegen viele Nematoden

Die Pflanzenforscher aus Bonn und Norwich identifizierten ein Gen namens NILR1 in der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), das es den Gewächsen ermöglicht, die Nematoden zu erkennen. Das Team konnte aber auch bereits nachweisen, dass Nutzpflanzen wie Tomaten und Zuckerrüben ebenfalls über dieses Gen verfügen. Florian Grundler von der Universität Bonn erklärt: „NILR1 ist der genetische Code für ein Rezeptorprotein, das auf der Oberfläche von Pflanzenzellen sitzt und andere Moleküle binden und erkennen kann. Vermutlich erkennt NILR1 ein von den Nematoden abgegebenes Molekül, und leitet die Aktivierung der pflanzlichen Immunabwehr ein.”

Das Besondere an dem Fund: NILR1 erkennt ein breiteres Spektrum von Nematoden. Es wurden zwar schon einige Rezeptorproteine identifiziert, allerdings waren diese jeweils hochspezifisch für bestimmte Nematodenarten. Diese Besonderheit betont auch Shahid Siddique, Arbeitsgruppenleiter in der Molekularen Phytomedizin: „Das Gute an NILR1 ist, dass es in verschiedenen Nutzpflanzen vorkommt und dass es gegen viele Nematodenarten Schutz verleiht.“

Signal der Nematoden führt zu neuem Pflanzenschutz

Das nächste Ziel der Forscher ist es, das Molekül zu isolieren, welches an NILR1 bindet und dadurch die Immunabwehr aktiviert. Die Ergebnisse der Wissenschaftler könnten neue Perspektiven für die Züchtung resistenter Pflanzen eröffnen. Denn sobald das Signalmolekül der Nematoden charakterisiert ist, steht potenziell eine neue Generation von natürlichen Substanzen zur Verfügung, mit der sich Abwehrreaktionen der Pflanze aktivieren und somit Nematoden sicher und umweltfreundlich bekämpfen lassen.

jmr

Agriculture must adapt to the challenges of climate change in order to secure the supply of important food crops such as cereals in the future. Agnieszka Golicz from Justus Liebig University Giessen is convinced that bioinformatics can provide a crucial contribution. After all, the ability of crops to adapt to climate change is already anchored in their genome, says the molecular geneticist. In her research, she uses bioinformatics methods to analyze genome sequences. Using this data, Golicz is investigating how the plant genome is organized and how this affects gene expression and the characteristics of the plant. As part of a LOEWE start-up professorship, she has been leading a junior research group since October, which will use big data to investigate a wide range of variations in the genome of crop plants and their effects on important traits such as stress tolerance or disease resistance over the coming years.