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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“.

bb/pg

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.

bb