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Die Zuse-Gemeinschaft als Zusammenschluss privatwirtschaftlicher Forschungseinrichtungen will sich stärker auf angewandte Bioökonomie-Forschung konzentrieren. Dazu hat die Industrieforschungsgemeinschaft nun den Cluster Bioökonomie gegründet, dem zunächst 15 der 75 Institute angehören. „Wir leben in einer Welt begrenzter Ressourcen und unausgeschöpfter Möglichkeiten“, begründete der Präsident der Zuse-Gemeinschaft Martin Bastian die Entscheidung.
Orientiert an Deutschlands Bioökonomiestrategie
Thematisch soll sich der neue Cluster an der Struktur orientieren, die die Nationale Bioökonomiestrategie der Bundesregierung vorgibt: biologisches Wissen, innovative Technologien, biogene Rohstoffbasis und Kreislaufwirtschaft sowie Nachhaltigkeitsbewertungen und Rückverfolgbarkeit. Konkret benennt das Leitbild des neuen Clusters die Themen Agrar, Ernährung, Bauen, Textilien, Energie, Forstwirtschaft, Wasserwirtschaft, Gesundheit, Konsumprodukte, Industrieprodukte, Ressourcenschutz, Recycling, Logistik und Mobilität.
Vernetzung und Fokussierung
Die Clusterbildung soll dazu beitragen, die Mitgliedsinstitute der Zuse-Gemeinschaft zu den Themen der Bioökonomie inhaltlich und organisatorisch stärker zu vernetzen, die Schwerpunktsetzungen in diese Richtung zu verschieben und nach außen die Sichtbarkeit der Bioökonomieforschung in der Zuse-Gemeinschaft zu erhöhen. „Im Cluster Bioökonomie bringen Institute der Zuse-Gemeinschaft ihr Wissen der Biologie und ihre Ideen für biobasierte Technologien und Produkte zusammen“, resümiert Cluster-Koordinator Jens Schrader vom DECHEMA-Forschungsinstitut in Frankfurt am Main den neuen Ansatz. So schaffe man wertvolle Synergien und präsentiere sich als „starke Gemeinschaft in diesem Zukunftsfeld“.
The Zuse-Gemeinschaft, an association of private sector research institutions, intends to focus more on applied bioeconomic research. To accomplish this, the industrial research community has now founded the Bioeconomy Cluster, which initially includes 15 of the 75 institutes. "We live in a world of limited resources and unexploited opportunities," said Martin Bastian, President of the Zuse-Gemeinschaft, explaining the decision.
Based on Germany's bioeconomy strategy
Thematically, the new cluster is to be based on the structure set out in the German government's National Bioeconomy Strategy: biological knowledge, innovative technologies, biogenic raw material base and recycling management as well as sustainability assessments and traceability. In concrete terms, the new cluster's mission statement names the topics of agriculture, nutrition, construction, textiles, energy, forestry, water management, health, consumer products, industrial products, resource conservation, recycling, logistics and mobility.
Networking and focusing
The formation of clusters is intended to contribute to a stronger networking of the member institutes of the Zuse-Gemeinschaft on bioeconomy topics in terms of content and organization, to shift the focus in this direction and to increase the external visibility of bioeconomy research in the Zuse-Gemeinschaft. "In the bioeconomy cluster, institutes of the Zuse-Gemeinschaft bring together their knowledge of biology and their ideas for biobased technologies and products," says cluster coordinator Jens Schrader from the DECHEMA Research Institute in Frankfurt am Main, summing up the new approach. This creates valuable synergies and presents itself as a "strong community in this future field".
Sie beschreiben nicht nur die Rolle der erneuerbaren Energien sondern zeigen auch, warum Digitalisierung und europäische Zusammenarbeit eine hohe Relevanz für das Gelingen der Energiewende haben.
Im Fokus der Thesen steht die Frage, wie der nationale Energiesektor gestaltet werden muss, damit Deutschland verglichen mit 1995 im Jahr 2050 tatsächlich 95% weniger Treibhausgase emittiert. Dieses Ziel ergibt sich aus den Klimazielen des Pariser Abkommens von 2015 und aus den Klimazielen der Bundesregierung.
Die Kernpunkte: Erneuerbare Energien, insbesondere Wind- und Solarenergie, entwickeln sich bis 2050 zur wichtigsten Energiequelle. Der Endenergieverbrauch in Deutschland geht deutlich zurück, vor allem dort, wo heute fossile Energieträger wie Heizöl oder Erdgas dominieren. Gleichzeitig steigt der Stromverbrauch für Verkehr, Gebäudewärme und chemische Prozesse in der Industrie. Für den sehr seltenen Fall, dass an wind- und sonnenarmen Tage erneuerbare Energien nicht ausreichend Strom liefern, übernehmen regelbare Kraftwerke kostengünstig die Energieversorgung. Entscheidend für das Gelingen der Energiewende ist neben Digitalisierung, Forschung und Entwicklung außerdem eine europaweite Zusammenarbeit, beispielsweise bei der Identifizierung besonders ertragreicher Standorte oder bei notwendigen Infrastrukturprojekten in der regionalen Wärmeversorgung.
Die 13 Thesen basieren auf Erkenntnissen aus drei Szenario-Studien, in denen Forschende der vier CINES-Kerninstitute Fraunhofer ISE, Fraunhofer IEE, Fraunhofer ISI und Fraunhofer IEG unterschiedliche Aspekte der Energiewende modelliert haben. Dazu zählen die Auswirkungen von Verhaltensänderungen, die Rolle von Verfahren zur Herstellung klimaneutraler Energieträger (Power-to-Gas und Power-to-Liquid), die zunehmende Verzahnung von Strom, Wärme und Mobilität und eine nationale Wasserstoffstrategie.
Die Welt der Bioökonomie hat ein unerschöpfliches Potenzial für bildstarke Themen. Dem hat das Team von bioökonomie.de jetzt Rechnung getragen und eigens einen Instagram-Kanal eingerichtet. Der Kanal ist als „Schaufenster“ der Bioökonomie gedacht, für all ihre spannenden Facetten. Von veganer Mode, Insektenburgern, biotechnologischer Pionierarbeit bis hin zu klimaneutraler Energieforschung – auf Instagram gibt es das bioökonomische Spektrum auf einen Blick und leicht zugänglich mit Bildbeiträgen, Videos und Stories.
Die Natur bietet eine große Palette an Wirkstoffen, die für Medizin, Pharma- und Lebensmittelindustrie eine immer wichtigere Rolle spielen. So rücken nach und nach auch Naturstoffe ins Rampenlicht, die wenig populär sind. Die Ferulasäure ist solch ein Kandidat. Sie ist in vielen Pflanzen wie Reis, Dill oder Rosenwurz enthalten und besitzt gesundheitsfördernde Inhaltsstoffe ebenso wie Geschmacksstoffe, die für die Herstellung von Aromen wie Vanillin und den typischen Weizenbiergeschmack relevant sind.
Ferulasäure mit Mikroben günstig herstellen
Die Produktion dieses Naturstoffs ist jedoch aufwendig. Mithilfe von Lösungsmitteln und Hitze wird die Ferulasäure aus Produktionsrückständen von Mais, Weizen oder Reis extrahiert. Forscher der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) und des Leibniz-Instituts für Pflanzenbiochemie (IPB) haben nun einen Weg gefunden, diesen vielversprechenden Naturstoff einfach und günstig von Mikroorganismen herstellen zu lassen.
E. coli-Bakterien als Enzymproduzent
Dafür hat ein Team um Markus Pietzsch vom Institut für Pharmazie der MLU gemeinsam mit Ludger Wessjohann vom IPB intensiv an Ferulasäuren geforscht. Die Wissenschaftler konnten klären, welche Stoffwechselprozesse für die Synthese der Ferulasäure in Pflanzen wichtig sind, und auch jene Enzyme isolieren, die für die Produktion des Naturstoffes relevant sind. Schließlich etablierte das Team einen Prozess zur biotechnologischen Herstellung des Naturstoffes. Dafür wurden E. coli-Bakterien so verändert, dass sie in der Lage sind, die in der Pflanze für die Ferulaproduktion verantwortlichen Enzyme selbst zu produzieren und so die Phenolsäure herzustellen.
Gesunde Inhalts- und Geschmacksstoffe produzieren
Den Prozess zur biotechnologischen Herstellung wollen die Forscher nun in einem neuen Projekt optimieren. Ziel ist es, die Ferulasäure als Ausgangsstoff für gesundheitsfördernde Substanzen und Geschmacksstoffe einzusetzen. „Es gibt antimikrobielle und neuroprotektive Verbindungen, die sich von Ferulasäure ableiten“, erläutert Pietzsch. Außerdem sollen sogenannte bittermaskierende Stoffe produziert werden, die für die Lebensmittelindustrie relevant sind. In den kommenden drei Jahren soll die Produktion des Naturstoffes für die industrielle Produktion vorbereitet werden. Hierbei werden die Forscher unterstützt von Experten am Fraunhofer CBP in Leuna. In der dortigen Fermentationsanlage können bis zu 10.000 Liter hergestellt werden. Die Arbeit der Wissenschaftler wird vom Bundesforschungsministerium mit 1,5 Mio. Euro gefördert.
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Nature offers a wide range of active ingredients that play an increasingly important role in medicine, the pharmaceutical and food industries. Natural substances that are not very popular are gradually coming into the spotlight. Ferulic acid is one of these candidates. It is contained in many plants such as rice, dill or roseroot and has health promoting ingredients as well as flavours which are relevant for the production of aromas such as vanillin and the typical wheat beer taste.
Cheap production of ferulic acid with microbes
The production of this natural substance is complex. Using solvents and heat, ferulic acid is extracted from production residues of corn, wheat or rice. Researchers at the Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU) and the Leibniz Institute of Plant Biochemistry (IPB) have now found a way to have this promising natural substance produced simply and cheaply by microorganisms.
E. coli bacteria as enzyme producers
A team led by Markus Pietzsch from the Institute of Pharmacy at MLU and Ludger Wessjohann from IPB have carried out intensive research on ferulic acids. The scientists were able to clarify which metabolic processes are important for the synthesis of ferulic acid in plants and also isolate those enzymes that are relevant for the production of the natural substance. Finally, the team established a process for the biotechnological production of the natural substance. To achieve this, E. coli bacteria were modified in such a way that they are able to produce the enzymes of the plant that are responsible for ferula production and thereby produce phenolic acid.
Producing healthy ingredients and flavours
The researchers now want to optimise the process for biotechnological production in a new project. The aim is to use ferulic acid as a starting material for health promoting substances and flavours. "There are antimicrobial and neuroprotective compounds that are derived from ferulic acid," explains Pietzsch. In addition, so-called bitter-masking substances shall be produced, which are relevant for the food industry. Over the next three years, the production of the natural substance will be prepared for industrial production. The researchers are supported by experts at the Fraunhofer CBP in Leuna. In the fermentation plant there, up to 10,000 liters can be produced. The work of the scientists is funded by the Federal Ministry of Education and Research with 1.5 million euros.
Kohlendioxid ist nicht nur ein Treibhausgas, das zur Erderwärmung beiträgt und den Klimawandel befeuert. Für Forschung und Industrie ist der CO2 längst eine wichtige Rohstoffquelle für neue Produkte geworden. So produziert Evonik seit Herbst vergangenen Jahres in der gemeinsam mit Siemens entwickelten Versuchsanlage Rheticus II aus Kohlendioxid und Wasser die Chemikalien Butanol und Hexanol. Möglich wird das durch eine mittels Bakterien erzeugte künstliche Photosynthese.
Produktpalette für künstliche Photosynthese erweitern
„Indem wir Kohlendioxid als Ausgangsstoff für die Herstellung von wertvollen Rohstoffen einsetzen, können wir den Kohlenstoffkreislauf schließen – genauso, wie die Natur es mit der Photosynthese vormacht“, erklärt Thomas Haas von Evonik. Nun will der Spezialchemiekonzern seine Produktpalette für die künstliche Photosynthese erweitern und klimafreundliche Kosmetik herstellen. Dafür wurde eine Forschungskooperation mit Beiersdorf, Hersteller von Hautpflegeprodukten, geschlossen. Zu den bekanntesten Marken des Hamburger Familienunternehmens gehören Nivea und Eucerin.
Neue Rohstoffe für CO2-basierte Hautpflege
„Mit Beiersdorf haben wir einen Partner gefunden, der die Wertschöpfungskette zu nachhaltigen CO2-basierten Produkten mit uns verlängert: in Richtung Endverbraucher", so Haas. Wie Evonik mitteilte, sollen im Rahmen des Projektes Rheticus „wertvolle Rohstoffe für Pflegeprodukte nach dem Vorbild der natürlichen Photosynthese aus Wasser und Kohlendioxid mithilfe von grünem Strom aus Sonnenenergie und Bakterien entstehen“. Im Fokus stehen nachhaltige Rohstoffe, die Kohlendioxid als Ausgangsstoff nutzen. „Gemeinsam mit Evonik prüfen wir, welche Rohstoffe mithilfe der künstlichen Photosynthese hergestellt werden können und für unsere Pflegeprodukte geeignet sind“, so May Shana’a, Corporate Senior Vice President Forschung & Entwicklung bei Beiersdorf. Mit der Partnerschaft will das Unternehmen nicht nur neue Rohstoffquellen erschließen, sondern auch den CO2-Fußabdruck des Unternehmens reduzieren.
Die von Siemens und Evonik entwickelte Versuchsanlage Rheticus II in Marl soll noch in diesem Jahr den regulären Betrieb aufnehmen. Zwei Jahre lang hatten beide Firmen an der technischen Machbarkeit einer Photosynthese aus Bioreaktor und Elektrolyseur gearbeitet. Die Entwicklung wird vom Bundesforschungsministerium gefördert.
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Wie denken die Deutschen über Technik? Das untersucht seit 2018 der TechnikRadar von acatech und der Körber Stiftung. In der nunmehr dritten Ausgabe stand erstmals die Bioökonomie im Fokus. Im Rahmen einer repräsentativen Umfrage wurden im Herbst vergangenen Jahres rund 2.000 Personen zum biobasierten Wirtschaften befragt. Das Fazit: Die Mehrheit der Deutschen befürwortet den bioökonomischen Wandel. Mit persönlichen Einschränkungen tun sich allerdings viele noch schwer.
Klima- und Umweltschutz sind nötig
Zu Fragen des Klima- und Umweltschutzes war die Haltung klar: 70,2% sprachen sich dafür aus, dass Deutschland beim Klimaschutz mit gutem Beispiel vorangehen soll. 74,4% finden zudem, dass es zum Schutz der Umwelt notwendig ist, den Konsum zu reduzieren. Auf konkrete Maßnahmen angesprochen, zeigte sich jedoch ein anderes Bild: Nur 29,5% der Befragten wären der Umwelt zuliebe bereit auf das Auto zu verzichten, und nur 40% würden deshalb weniger Fleisch essen.
„Wir sehen, dass nachhaltiges Wirtschaften den Deutschen grundsätzlich ein wichtiges Anliegen ist. Die Meinungsbildung zur Bioökonomie steht allerdings noch am Anfang“, kommentiert Tatjana König, Mitglied im Vorstand der Körber-Stiftung. König sieht darin jedoch die Chance, „die Menschen mitzunehmen, um die enormen Potenziale, aber auch mögliche Nebenwirkungen in den Blick zu nehmen“ und spricht sich für „mehr Wissensvermittlung“ und eine Debatte auf Augenhöhe mit den Entwicklern entsprechender Technologien aus.
Haltung zu Bioplastik und Biosprit überwiegend positiv
So sprach sich mit 88,4% jedoch eine klare Mehrheit dafür aus, herkömmliches Plastik durch bioökonomische Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen zu ersetzen. Die Hälfte der Befragten verspricht sich davon eine größere Unabhängigkeit vom Ölmarkt und einen Wettbewerbsvorteil für die deutsche Wirtschaft. Auch bei Biokraftstoffen war die Meinung überwiegend positiv. 76,8% hält es der Umfrage zufolge für sinnvoll, biologische Abfall- und Reststoffe für Kraftstoffe einzusetzen und diese Entwicklung auch zu fördern. Eine Anlage zur Biospritherstellung in der Nachbarschaft würden jedoch mit 42,1% nur wenige Befragte gut finden.
What do Germans think about technology? This is what the TechnikRadar from acatech and the Körber Stiftung has been investigating since 2018. The third issue of the magazine focused on the bioeconomy for the first time. In a representative survey last autumn, around 2,000 people were asked about the biobased economy. The conclusion: the majority of Germans are in favor of bioeconomic change. However, many people still have difficulties with personal restrictions.
Climate and environmental protection are necessary
On issues of climate and environmental protection, the position was clear: 70.2% were in support of Germany leading by example in climate protection. 74.4% also considered it necessary to reduce consumption to protect the environment. When asked about concrete measures, however, the picture was different: Only 29.5% of those surveyed would be prepared to give up their cars for the sake of the environment, and only 40% would therefore eat less meat.
"We can see that sustainable management is fundamentally important to Germans. However, opinion formation on the bioeconomy is still in its beginnings," comments Tatjana König, member of the Executive Board of the Körber Stiftung. König sees this as an opportunity "to take people with us to look at the enormous potential, but also possible side effects" and advocates "more knowledge transfer" and a debate on an equal footing with the developers of corresponding technologies.
Attitude towards bioplastics and biofuel mainly positive
A clear majority of 88.4% were in favor of replacing conventional plastics with bioeconomic products made from renewable resources. Half of the respondents expect this to lead to greater independence from the oil market and a competitive advantage for the German economy. The opinion was also mainly positive for biofuels. According to the survey, 76.8% think it makes sense to use biological waste and residual materials for fuels and to promote this development. Nevertheless, only a few respondents (42.1%) would welcome a biofuel production plant in their neighborhood.
Ob Trinkflaschen aus Bioplastik, Verpackungen aus Gras oder Textilien aus Holzfasern: Die Palette biobasierter und nachhaltiger Produkte wird von Jahr zu Jahr größer. Bei der diesjährigen Biobased Material Conference hat das Nova-Institut erneut die besten drei Materialien und Produkte auf dem Markt gekürt. Im Zuge der Corona-Krise fand die traditionelle Verleihung des Innovationspreises „Bio-based Material of the Year“ online statt.
Finnen siegen mit Holzfaserverpackung
Sechs Nominierte waren mit ihren Ideen ins Rennen um den Innovationspreises gegangen. Die Präsentation wurde per Bildschirm zu den Teilnehmern der Konferenz übertragen. Am Ende wurden in einer Online-Umfrage vom Publikum die besten drei Produkte ausgewählt. Sieger des Wettbewerbs ist Fresh - eine biologisch abbaubare Fertiggerichtverpackung, die das finnische Unternehmen Huhtamaki Lurgan auf den Markt gebracht hat. Die Verpackung besteht aus Holzfasern, ist recycelbar und für die Heimkompostierung zertifiziert. Sie wurde im Rahmen des BBI JU finanzierten "Horizon 2020"-Projekts entwickelt.
Deutsche Innovationen punkten mit biobasierten Beschichtungen
Auf dem zweiten Platz rangiert das nachhaltige Klebeband Monta Biopack, das vom Immenstädter Klebebandwerk Monta entwickelt wurde. Es besteht zu fast 90% aus nachwachsenden Rohstoffen. Träger des Verpackungsbandes ist eine biobasierte PLA-Folie, die mit einem Naturkautschukkleber beschichtet ist. Dadurch ist das Material in industriellen Kompostieranlagen innerhalb weniger Monate biologisch abbaubar und eine umweltfreundliche Alternative für den Verschluss von Kartonagen, biologisch abbaubaren Beuteln und für das Binden von Blumen und Gartenabfällen. Gleichzeitig werde damit unnötiger Verpackungsmüll vermieden, so die Begründung der Jury.
Im Rahmen einer repräsentativen Umfrage wurden im Herbst vergangenen Jahres rund 2.000 Personen zum biobasierten Wirtschaften befragt. Das Fazit: Die Mehrheit der Deutschen befürwortet den bioökonomischen Wandel.
Starke Zustimmung gab es zu Fragen des Klimaschutzes, allerdings war lediglich ein Drittel der Befragten bereit auf das Auto zu verzichten, und nur 40% würde zur Rettung des Klimas weniger Fleisch essen. Ein ebenso hoher Anteil der Befragten glaubt, dass sich die Welternährung durch einen Verzicht auf Fleisch sicherstellen lässt. Die grüne Gentechnik befürworten nur etwa 15% der Studienteilnehmer.
Eine große Mehrheit (88,4%) plädiert dafür, herkömmliches Plastik durch bioökonomische Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen zu ersetzen. Auch bei Biokraftstoffen war die Meinung überwiegend positiv. 76,8% hält es der Umfrage zufolge für sinnvoll, biologische Abfall- und Reststoffe für Kraftstoffe einzusetzen und diese Entwicklung auch zu fördern. Eine Anlage zur Herstellung von Biosprit konnten sich allerdings nur 42,1% in unmittelbarer Nachbarschaft vorstellen.
Die Ergebnisse zeigen: Geht es um den Schutz von Klima und Umwelt, hat die Mehrheit der Deutschen eine klare Haltung – zumindest, was die Zielsetzung und die allgemeinen Forderungen an die Politik angeht. Fragt man nach konkreten Maßnahmen, die die Menschen direkt betreffen, ist die Bereitschaft zum konsequenten Handeln deutlich schwächer ausgeprägt.
Around 2,000 people were questioned about biobased economy in a representative survey last autumn. The conclusion: the majority of Germans are in favour of bio-economic change.
There was strong agreement on climate protection issues. However, only a third of those questioned were prepared to give up their cars, and only 40% would eat less meat to save the climate. An equally high proportion of respondents believed that the world's food supply could be secured by doing without meat. Only about 15% of the participants in the study are in favour of green genetic engineering.
A large majority (88.4%) argues for replacing conventional plastics with bio-economic products made from renewable resources. The opinion was also predominantly positive for biofuels. According to the survey, 76.8% think it makes sense to use biological waste and residual materials for fuels and to promote this development. However, only 42.1% could imagine a biofuel production plant in the immediate vicinity.
The results show: When it comes to protecting the climate and the environment, the majority of Germans have a clear position - at least as far as the objectives and general demands on politicians are concerned. When asked about concrete measures that directly affect people, the willingness to act consistently is much less pronounced.
Forschung ist ein wichtiger Schlüssel, um die Potenziale der Bioökonomie zu identifizieren, zu erschließen und zu nutzen. Mit der Forschungsförderung zur Bioökonomie will die Bundesregierung die in der Nationalen Bioökonomiestrategie verankerten Ziele erreichen. Dabei spielt vor allem das Wissen über biologische Prinzipien, Systeme und Verfahren eine entscheidende Rolle. Um den Wandel hin zu einer biobasierten und nachhaltigen Wirtschaftsweise zu beflügeln, unterstützt die Bundesregierung vor allem der Einsatz verschiedener biotechnologischer Verfahren in der Industrie. Entscheidend dabei: bioökonomische Innovationen dürfen die globale Ernährungssicherheit nicht gefährden, dürfen also mit der Nahrungsmittelproduktion nicht konkurrieren.
Förderung neuer globaler F&E-Partnerschaften
Dafür ist es wichtig, das biologische Wissen weiter durch eine gezielte Forschungsförderung zu erschließen und die Forschung zu relevanten Themen auch im internationalen Kontext zu betrachten. Im Rahmen der Fördermaßnahme Bioökonomie International werden daher seit 2012 internationale F&E-Partnerschaften mit nicht EU-Ländern in Verbundprojekten gefördert. Nun ist eine neue Förderrunde gestartet. Gefördert werden insbesondere Allianzen mit Partnern aus Argentinien, Australien, Chile, China, Indien, Kanada, Kolumbien, Malaysia, Russland und Vietnam.
Biologisches Wissen erweitern
Gefördert werden Verbundvorhaben, die den in der Nationalen Bioökonomiestrategie festgelegten Leitlinien entsprechen und zumindest zu einem Thema Bezug nehmen. Im Rahmen der aktuellen Ausschreibung liegt der Schwerpunkt der Förderung bei Vorhaben, die den Baustein „Biologisches Wissen als Schlüssel der Bioökonomie“ bedienen. Hierbei gilt es vor allem, das Wissen um biologischer Ressourcen wie Pflanzen, Algen, Pilze, Bakterien oder Insekten für neue Verfahren oder Produkte der Bioökonomie zu erschließen. Konkret gefördert werden Arbeiten zum Verständnis und der Modellierung von biologischen Systemen, Projektskizzen zur Erforschung und Etablierung neuartiger Produktionsorganismen für die Primärproduktion und industrielle Produktion, Forschungsansätze zur Entwicklung und Weiterentwicklung innovativer biotechnologischer Verfahrenskonzepte für biobasierte Produktionssysteme sowie Forschungsarbeiten, die auf die nachhaltige Erzeugung biogener Ressourcen abzielen.
Von einer Förderung ausgeschlossen sind Vorhaben die die Charakterisierung und/oder die Anbauoptimierung agrarischer Primärprodukte im Partnerland in den Fokus stellen sowie Projekte, die auf eine energetische Nutzung von Biomasse ohne den Einsatz von Mikroorganismen abzielen.
Seit vielen Jahren schaut sich die Medizin so manches Molekül aus der Natur ab, doch meist sind diese Verbindungen so komplex, dass es schwierig ist, sie chemisch nachzubauen. Wenn es doch gelingt, ist die Basis dafür letztlich erdölbasierte Chemie. In der Natur hingegen erzeugen Enzyme diese komplexen Moleküle. Eines davon ist das Enzym AmbDH3, welches ein Team um Frank Hahn nun näher untersucht hat und das in Bakterien daran beteiligt ist, Ambruticin zu bilden, ein mutmaßliches Fungizid.
Wirkstoffe gegen Infekte, Krebs oder Alzheimer
AmbDH3 erzeugt dazu heterozyklische Moleküle, Ringe mit präzise definierter räumlicher Anordnung. Dazu zählen auch Tetrahydropyrane, die einer Reihe medizinischer Wirkstoffkandidaten erst ihre biologische Aktivität verleihen. Bayreuther Forscher haben ein solches Molekül im Rahmen einer Studie nun auf den Weg gebraucht: Sie entwickelten das potenzielle Antibiotikum (–)-Centrolobin. Denkbar wäre mit AmbDH3 auch die Herstellung noch komplexerer bioaktiver Verbindungen, darunter die antiviral wirksamen Bryostatine, die auch als Therapeutika gegen Krebs und Alzheimer erforscht werden.
Suche nach weiteren Enzymen
Aus Produktionssicht hat AmbDH3 zudem die Vorteile, dass es ein sehr stabiles Enzym ist, eine hohe Aktivität aufweist und damit große Mengen herstellen kann. „Künftige Anwendungen für das Enzym AmbDH3 erwarte ich vor allem in der Herstellung pharmazeutischer Wirkstoffe, aber auch in der Synthese von Feinchemikalien“, kommentiert Projektleiter Frank Hahn die im Fachjournal „ACS Catalysis“ veröffentliche Studie. „Unsere Forschungsgruppe ist zuversichtlich, dass wir weitere, mit AmbDH3 verwandte Enzyme entdecken können, die das Repertoire der Biokatalysatoren noch einmal deutlich erweitern.“
Beitrag zur Bioökonomie
Für Hahn ist die Entwicklung in der Weißen Biotechnologie zugleich ein wichtiger Schritt in Richtung einer nachhaltigen Bioökonomie: „Die Biokatalyse kann wesentlich dazu beitragen, eine stärker auf natürliche Ressourcen zurückgreifende Wirtschaftsweise zu etablieren“, betont der Forscher. Sie leiste damit einen Beitrag zur Lösung zentraler gesellschaftlicher Herausforderungen. „Durch neue Biokatalysatoren können Bereiche, die bis vor Kurzem noch der traditionellen chemisch-synthetischen Methodologie vorbehalten waren, für die Bioökonomie erschlossen werden. Es wird in Zukunft darum gehen, die Vorteile beider Forschungs- und Entwicklungsansätze zielführend miteinander zu kombinieren.“
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For many years, medicine has been looking at many molecules from nature, but usually these compounds are so complex that it is difficult to chemically replicate them. If they do succeed, the basis for this is ultimately petroleum-based chemistry. In nature, by contrast, enzymes produce these complex molecules. One of these enzymes is the enzyme AmbDH3, which a team led by Frank Hahn has now investigated in greater detail. This enzyme is involved in the formation of Ambruticin, a suspected fungicide in bacteria.
Active ingredients against infections, cancer or Alzheimer
AmbDH3 generates heterocyclic molecules, rings with a precisely defined three-dimensional arrangement. These include tetrahydropyrans, which are the first to give a number of medical drug candidates their biological activity. Researchers from Bayreuth have now used such a molecule in a study: They developed the potential antibiotic (-)-Centrolobin. It is also conceivable that AmbDH3 could be used to produce even more complex bioactive compounds, including the antivirally active bryostatins, which are also being researched as therapeutics against cancer and Alzheimer's disease.
Search for further enzymes
From a production point of view, AmbDH3 also has the advantages that it is a very stable enzyme, has a high activity and can therefore produce large quantities. "I expect future uses for the enzyme AmbDH3 to be primarily in the production of active pharmaceutical ingredients, but also in the synthesis of fine chemicals," comments project manager Frank Hahn on the study published in the trade journal "ACS Catalysis". "Our research group is confident that we will be able to discover further enzymes related to AmbDH3, which will significantly expand the repertoire of biocatalysts once again".
Contribution to the bioeconomy
For Hahn, the development in white biotechnology is at the same time an important step towards a sustainable bioeconomy: "Biocatalysts can make a major contribution to establishing an economy that makes greater use of natural resources," emphasizes the researcher. It thereby makes a contribution to solving central social challenges. "With new biocatalysts, areas which until recently were reserved for traditional chemical-synthetic methodology can be opened up for the bioeconomy. In the future, the aim will be to combine the advantages of both research and development approaches in a targeted manner".
Mit der im Januar beschlossenen Nationale Bioökonomiestrategie hat die Bundesregierung den Rahmen für eine nachhaltige Erschließung und Nutzung biologischer Ressourcen sowie umweltschonender Produktionsverfahren in allen Wirtschaftsbereichen geschaffen. Um bioökonomische Innovationen und damit den biobasierten Wandel in der Gesellschaft voranzutreiben, sind jedoch weitere Forschungsaktivitäten auf breiter Ebene gefragt. Start-ups sowie kleine und mittlere Unternehmen (KMU) sind hierfür wichtige Innovationstreiber. Doch häufig fehlt es gerade dem Mittelstand an Forschungs- und Entwicklungskapazitäten. Daher hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung ein Förderinstrument für die Bioökonomie-Forschung in Unternehmen maßgeschneidert und dafür das bekannte Förderpaket „KMU-innovativ“ um den Baustein Bioökonomie erweitert.
Die Maßnahme setzt die erfolgreiche Förderung der Biotechnologie durch das BMBF mit dem Förderprogramm KMU-innovativ: Biotechnologie – BioChance (2007-2019) sowie den Vorläuferprogrammen BioChancePlus (2004-2007) und BioChance (1999-2003) fort. Damit wurden in den letzten 20 Jahren mehr als 550 Einzel- und Verbundvorhaben, an denen sich mehr als 460 KMU beteiligten, mit rund 450 Mio. Euro gefördert.
Mit Förderung zu risikoreicher Forschung motivieren
Mit der Fördermaßmahme „KMU-innovativ: Bioökonomie“ will das BMBF Start-ups, KMU und mittelständische Unternehmen zu mehr Forschung und Entwicklung zur Bioökonomie motivieren und damit deren Innovationsfähigkeit stärken. Ziel ist es, einen Beitrag für Innovation und Wachstum in Deutschland zu leisten. Mithilfe der gezielten Förderung soll der Technologietransfer aus der angewandten Forschung und vorwettbewerblichen Entwicklung in die praktische Anwendung beschleunigt und Unternehmen Zukunftsperspektiven aufgezeigt werden.
Das BMBF fördert daher technologisch anspruchsvolle Projekte, die auf die effiziente und nachhaltige Nutzung von biologischem Wissen, nachwachsenden Ressourcen sowie Nebenerzeugnissen und Reststoffen aus Produktionsprozessen zielen. Die Vorhaben sollen jeweils einen anwendungsbezogenen Beitrag zum Aufbau einer nachhaltigen biobasierten Wirtschaft leisten.
Es ist eigentlich eine Idee aus der Raumfahrtforschung der 1960er-Jahre: Könnte man nicht aus den Ausscheidungen von Astronauten – Kohlendioxid und Ammoniak – wieder Proteine für deren Ernährung herstellen? Es wäre eine Art geschlossene Kreislaufwirtschaft im Miniformat. Jetzt kehrt diese Idee zurück: Forscher der Eberhard-Karls-Universität Tübingen haben sich gefragt, ob es möglich ist, einen großen Teil des menschlichen Proteinbedarfs ohne Tierzucht und Pflanzenbau zu decken.
Tierisches Protein ist problembehaftet
„Wir befinden uns mit der derzeitigen Nahrungsmittelproduktion in einer vielschichtigen Krise“, erläutert Lars Angenent den Hintergrund. „Vor allem die Viehhaltung zur Herstellung von tierischem Protein verbraucht viel Landfläche, fossile Rohstoffe, Phosphor und Wasser. Sie führt außerdem zu riesigen Mengen klimaschädlicher Emissionen.“ Hinzu komme, dass die Erzeugung von tierischem Protein vergleichsweise kostspielig und damit für Menschen in sehr armen Ländern kaum erschwinglich sei.
Power-to-Protein-Verfahren als Alternative
Im Fachjournal „Joule“ hat das Team des Umweltbiotechnologen deshalb analysiert, ob es möglich wäre, zumindest tierisches Protein durch Verfahren der Elektrochemie und der Biotechnologie zu ersetzen. Die Idee dabei ist es, Eiweiße mithilfe erneuerbarer Energien und Mikroorganismen direkt aus Grundstoffen wie dem eingangs genannten Kohlendioxid und Ammoniak zu erzeugen. „Bei den Power-to-Protein-Verfahren haben andere Forscher, aber auch der Gruppenleiter Bastian Molitor und ich in Tübingen, elektrochemische und biologische Prozesse in unterschiedlicher Weise verkettet“, erklärt Angenent. „Uns interessiert, wie effizient einzelne Verfahren sind und ob sie sich für unsere Zwecke eignen.“
Proteinreiche Mikroorganismen für den Verzehr
Das Ergebnis der theoretischen Betrachtungen ist positiv. Denkbar wäre es den Forschern zufolge, mittels erneuerbarer Energien Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Bakterien würden diesen Wasserstoff nutzen, um daraus Energie zu gewinnen und diese einsetzen, um Kohlendioxid und Ammoniak zu Proteinbausteinen zu verbinden. Im Vergleich zu bestehenden Methoden der Proteinerzeugung sei dies mit einem niedrigen Energieaufwand möglich. Obendrein wären manche der Mikroorganismen, die zur Produktion der Eiweiße herangezogen werden könnten, sogar direkt verzehrbar – wie beispielsweise Hefe.
Große strukturelle Umbrüche erforderlich
„Wir haben Ideen und Ansätze auf eine zügige praktische Weiterentwicklung geprüft und sehen darin ein großes Potenzial“, resümiert Angenent. „Einer Studie zufolge benötigt man nur rund 2,5% aller erzeugten Energie, um die Menschen weltweit mit Proteinen aus Power-to-Protein-Verfahren zu ernähren.“ Verbunden damit wären allerdings große Umbrüche in den Produktionsabläufen. So müsste emittiertes Kohlendioxid abgefangen und gespeichert werden, entsprechende Mengen erneuerbarer Energien müssten weltweit verfügbar sein und Landwirte von Viehwirtschaft auf den nachhaltigen Anbau von Getreide, Obst, Gemüse oder Nüssen umsteigen.
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Allein in einem Gramm Boden lassen sich mehr als 1.000 Arten von Mikroorganismen finden. In den Laboren der Erde untersuchen Wissenschaftler unzählige Mikrobenarten. Die Anzahl derjenigen Mikroorganismen, die für das Gros der industriellen Anwendungen der Biotechnologie relevant sind, lässt sich jedoch an zwei Händen abzählen. Vertreter der ältesten Domäne des Lebens, der Archaea, finden sich darunter nicht. Lediglich als Teil der Mikrobengemeinschaft, die in Böden und Sedimenten Biomasse abbaut – industriell genutzt für die Biogasherstellung –, sind methanogene Archaeen bislang großtechnisch in Erscheinung getreten.
Finanziert mit rund 2,2 Mio. Euro im Programm „Mikrobielle Biofabriken für die industrielle Bioökonomie - neuartige Plattformorganismen für innovative Produkte und nachhaltige Bioprozesse“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung ist nun ein Forschungskonsortium angetreten, um einen ganz neuen Bereich der Biotechnologie auf Grundlage methanogener Archaeen aufzubauen. Dabei ist der Name Programm: MethanoPEP – Methanogene als Plattformorganismen zur Energiespeicherung, Gen-Expression und Produktion von Chemikalien höherer Wertschöpfung.
Aufwendige Kultivierung
Projektkoordinator Michael Rother von der TU Dresden hat eine einfache Erklärung für die Vernachlässigung der Methanogenen in der Wirtschaft: „Diese Mikroorganismen sind schwierig zu bearbeiten, da sie strikt anaerob sind. Die Methodologie für ihre Kultivierung ist aufwendig – und die Industrie will einfache Prozesse.“ Zwar gebe es anaerobe industrielle Prozesse, doch die Produkte der methanogenen Archaeen seien dafür nicht werthaltig genug.
Was aber macht Methanogene dann interessant? „Viele Mikroorganismen sind metabolisch vielseitig“, erläutert Rother, – sie können also eine Vielzahl interessanter Verbindungen herstellen –, „aber sie benötigen komplexe Substrate.“ Methanogene hingegen können nicht viel. Dafür benötigen sie nur einfache Energiesubstrate, oftmals reine Abfallstoffe.