Biotechnologie/Systembiologie

Pflanzen und Tiere haben sich im Laufe der Evolution an ihre Umwelt angepasst. Die schrittweise Veränderung des Erbguts vollzog sich über unzählige Generationen. Doch der Klimawandel wird für viele Organismen zum Problem, weil er zu rasant voranschreitet. Forscher am GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel haben im Rahmen einer internationalen Studie nun untersucht, wie stark epigenetische Mechanismen die Anpassungsfähigkeit von Organismen an die Umwelt beeinflussen.

Pflanzliche Reststoffe sind ideale Rohstoffe für biobasierte Alternativen zu Produkten der Petroindustrie: Sie stehen nicht in Konkurrenz zum Anbau von Nahrungs- und Futtermitteln und versprechen zusätzlich generierten Mehrwert zu den ohnehin produzierten pflanzlichen Produkten. In der Praxis gibt es jedoch häufig eine Schwierigkeit: Die biotechnologisch genutzten Mikroorganismen kommen meist mit nur einer der beiden Sorten von Zuckern zurecht, die sich in pflanzlichen Reststoffen befinden.

Pflanzen brauchen Wasser zum Wachsen. Der Nachschub an Flüssigkeit erfolgt dabei über die Wurzeln. Wie stark die Wasseraufnahme ist, bestimmt ein Hydrauliksystem, das ähnlich wie bei Maschinen funktioniert. Ein Unterdruck sorgt dafür, dass Pflanzen das Wasser aus der Erde saugen. Die Saugkraft beruht dabei auf dem Unterdruck in den pflanzlichen Versorgungskanälen, der durch die Wasserverdunstung an den Zellwänden der Blätter entsteht. Doch der Druck in diesem Netzwerk ist mit minus 100 bar bei Pflanzen in der Regel limitiert. Warum das so ist, war bisher unklar.

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.

In der Corona-Pandemie sind Schutzmasken zum Alltagsgegenstand geworden. Mittlerweile ist der anfängliche Engpass behoben, Mundschutze sind fast überall erhältlich – denn fest steht: Schutzmasken werden das Bild in der Öffentlichkeit noch lange prägen. Doch die Maskenpflicht sorgt für neue Probleme: Achtlos entsorgte Einwegmasken sorgen für mehr Müll und gefährden die Umwelt, weil sich das Material nicht ohne weiteres zersetzt. Eine nachhaltige Alternative könnten Einmalmasken aus bakterieller Produktion sein.

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.

Wissenschaftlern der Universität Bielefeld ist es erstmals gelungen, 12-Oxophytodiensäure (12-OPDA) enzymatisch herzustellen, eine zentrale Vorstufe des Pflanzenhormons Jasmonsäure. Aus der Säure leiten sich die Jasmonate ab, mittels derer Pflanzen auf Verletzungen reagieren, sich gegenseitig vor Schädlingen warnen oder auch die Fruchtreifung steuern: „Jasmonsäure kann zum Beispiel die Freisetzung von giftigen Stoffen wie Nikotin in den Blättern anstoßen, die den Angreifern schaden“, erläutert der Biologe Karl-Josef Dietz.

Vanillin gibt der Vanilleschote das charakteristische Aroma. Bei der Lebensmittel- und Parfümherstellung, aber auch in der Arzneimittelproduktion ist er einer der am häufigsten eingesetzten Aromastoffe. Mehrere zehntausend Tonnen werden dafür jährlich verwendet. Bisher wird künstlich erzeugtes Vanillin jedoch aus Erdöl hergestellt, wobei giftige Abfälle entstehen. Forscher der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ist es nun gelungen, eine nachhaltige Methode zur Gewinnung des begehrten Aromastoffes zu entwickeln.