Brot, Wein, Bier, Käse – bereits seit Jahrtausenden werden biotechnische Anwendungen vom Menschen angewandt. Dabei arbeiten die wichtigsten Helfer der Biotechnologie im Verborgenen: Bakterien, Hefen, Mikroalgen und Enzyme sind für den Menschen unsichtbar, aber trotzdem überall im Einsatz. Doch kann die Biotechnologie auch helfen die Zukunft zu gestalten und vielleicht sogar zu retten? Dieser Frage geht das Futurium in seinem Online-Wissensmagazin „Mit Biotech die Welt retten. Geht das?“ auf den Grund:

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Mit immer schnelleren und hochauflösenden Techniken und immer besseren Computern und intelligenteren Analyseansätzen werden auch in der Pflanzenforschung große Mengen an umfangreichen wissenschaftlichen Datensätzen erzeugt. Das ist ein toller Fortschritt, mit hohem Nutzen für die Wissenschaft und die Gesellschaft! Dies führt jedoch zu einer Vielzahl an Daten aus den verschiedensten Bereichen, die mit den unterschiedlichsten Techniken gewonnen werden, bei denen man am Ende doch auch den Überblick verlieren kann. Mit den großen, komplexen Datensätzen der heutigen Wissenschaft wird es zudem immer schwieriger, Zusammenhänge herzustellen und zu erkennen und die Ergebnisse zu deuten. Deshalb wird unter Beteiligung vieler Wissenschaftler für den Bereich der Pflanzenforschung eine gemeinsame Dateninfrastruktur entwickelt. Hier sollen Daten gesammelt, überprüft, angepasst und über eingebaute Methoden verständlich sichtbar gemacht werden. Diese Dateninfrastruktur soll für alle zugänglich und nutzbar sein. Der Institutsbereich Bioinformatik (IBG-4) ist an dem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Nationalen Forschungsdateninfrastruktur (NFDI) geförderten Konsortium DataPLANT beteiligt, das am 01.Oktober 2020 offiziell mit seinen Arbeiten beginnen wird.

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Marine Naturstoffe weisen im Vergleich zu Naturstoffen aus terrestrischen Systemen oft eine größere Anzahl an halogenierten Verbindungen auf. Halogene sind u.a. die Elemente Fluor, Chlor, Brom und Iod. Diese werden oft an pharmazeutische Moleküle angehängt, um deren Bio-Aktivität und Wirkung zu verbessern. Dabei ist es wichtig, dass die Halogene gezielt an die richtige Stelle der Moleküle gekoppelt werden. Das kann man sehr gut mit Enzymen sicherstellen, die Moleküle und Halogene kontrolliert binden und zusammenführen. Deshalb untersucht das BioSC-Seed-Fund Projekt HaloEnz unter anderem den Lappentang (Palmaria palmata), den Knotentang (Ascophyllum nodosum) und auch den Meersalat (Ulva lactuca/Ulva australis) um Enzyme zu finden, die die Halogenierung von Molekülen ermöglichen. Auch einzellige Algen wurden in der Arbeitsgruppe von Prof. Usadel sequenziert, um Enzyme zu untersuchen.

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Die Strukturwandelinitiative Modellregion BioökonomieREVIER hat sich zur Aufgabe gesetzt, Innovationen aus der Wissenschaftslandschaft für die wirtschaftliche Umsetzung in der Region des Rheinisches Reviers zu nutzen.  Eines von 15 Innovationslaboren, die gerade aufgebaut werden, ist das „Digitales Geosystem Rheinisches Revier“ (DG-RR). Hier entwickeln wir eine Art „Echtzeit-Atlas“ für das Rheinische Revier.  Hierzu werden Daten bestehender und neuer Umweltsensorsysteme, u.a. aus der Wetterbeobachtung und Fernerkundung, mit innovativen Simulationsmodellen auf den Hochleistungsrechnern des Jülich Supercomputing Centre kombiniert und analysiert.

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In biotechnologischen Produktionsprozessen werden Mikroorganismen mit außergewöhnlichen Eigenschaften eingesetzt. Sie stammen z.B. aus dem Boden, dem Verdauungsapparat, von Pflanzenoberflächen oder aus dem Wasser. Im Labor lebt eine solcher Mikroorganismus in einem gerührten Gefäß mit ca. 0,5-20 L Volumen (sogenannten Bioreaktoren). Hier werden alle Umgebungsbedingungen präzise kontrolliert. Für die darin lebenden Mikroorganismen ist ein solcher Bioreaktor das reinste Schlaraffenland: Es gibt Nahrung im Überfluss, die Temperatur ist im Wohlfühlbereich und an Luft zum Atmen mangelt es auch nicht.

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Die in Landwirtschaft und Gartenbau genutzten Pflanzen sind auf einen hohen Ertrag gezüchtet. Oft ist dabei weniger auf eine Stresstoleranz geachtet worden, die in vielen geführten Anbausystemen (Gewächshaus, bewässerte und bewirtschafte Felder) nicht vorrangig war. Im anstehenden Klimawandel werden aber Stresstoleranzen z. B. gegen Hitze und Trockenheit in der Landwirtschaft und im Gartenbau immer wichtiger. Wild wachsende Sorten oder Ursprungssorten der heutigen Nutzpflanzen, weisen oft höhere Stresstoleranzen als die aktuellen Nutzpflanzen auf. In solchen wilden oder alten Sorten liegt oft eine höhere genetische Vielfalt vor, die genutzt werden kann, um z.B. Stresstoleranzen oder auch eine größere Vielfalt oder Menge an z.B. gesundheitsfördernden Pflanzeninhaltsstoffe zu finden. Oft können die Erkenntnisse dann auf derzeit genutzte Pflanzensorten übertragen werden. Die Erforschung solcher Wildsorten stellt somit eine wichtige Grundlage für eine Züchtung von verbesserten Nutzpflanzen dar.

Zwei aktuelle internationale Forschungsprojekte am IBG-4 beschäftigen sich mit dieser Fragestellung. Dabei wird die genetische Information der Vorfahren mit denen der heutigen Nutzpflanzen verglichen und Sequenzinformationen in Zusammenhang mit bekannten Funktionen und/oder besonderen Eigenschaften oder Standortbedingungen der Linien gebracht. So können den Genen oder Abschnitten der genetischen Sequenzen Funktionen zugeordnet werden, die helfen, Nutzpflanzen züchterisch zu verbessern. Hier hatte das IBG-4 bereits vor einiger Zeit die wilde Tomate Solanum pennellii erforscht (https://www.nature.com/articles/ng.3046 und http://www.plantcell.org/content/29/10/2336) und gezeigt, dass dort Transposons oder „springende Gene“ eine Rolle bei der Stresstoleranz spielen. Derzeit arbeitet das IBG-4 in einem internationalen Konsortium an Solanum lycopersicoides (https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.04.16.039636v1.full).

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Am 30. Juli ist in Münster die MS Wissenschaft gestartet, die seit vielen Jahren als Ausstellungsschiff im Rahmen der Wissenschaftsjahre unterwegs ist. Im Wissenschaftsjahr Bioökonomie ist ein Exponat von IBG-2 und Bioeconomy Science Center an Bord, das spielerisch veranschaulicht, wie man mit Hilfe von Algen Abwasser reinigen und wertvolle Nährstoffe zurückgewinnen kann.

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Ohne Phosphor kann keine Pflanze auf dem Feld gedeihen, doch die Lagerstätten der Rohphosphate, aus denen mineralische Phosphordünger hergestellt werden, sind endlich und zudem nur auf eine Handvoll Länder verteilt. Daher erforschen Wissenschaftler in dem BMBF-BonaRes Verbundprojekt InnoSoilPhos nach möglichen Alternativen.

Die Idee Knochen als Phosphordünger zu nutzen ist nicht neu, denn bereits Ende des 1800 Jahrhunderts galten Knochen – die aus ca. 15 % Phosphor bestehen – und Knochenmehl als wertvoller Dünger. Durch die wachsende Fleischindustrie fallen immer mehr Knochen als Schlachtabfälle an, die teilweise als Knochenmehl für die unterschiedlichsten Zwecke genutzt wurden. Allerdings wurden die Bedenken über eine mögliche Übertragung von Pathogenen und Krankheiten durch die Nutzung von Knochen und Knochenmehl mit der Zeit immer größer. Um eventuelle Krankheitserreger zu eliminieren können die Knochen jedoch auch verkohlt werden, wobei potentielle Nährelemente wie Phosphor, Kalzium oder auch Magnesium enthalten bleiben. Diese sogenannte Knochenkohle bildet daher den idealen Grundstein für einen neuartigen Phosphordünger – der nicht auf einer endlichen Ressource wie dem Rohphosphat basiert – und die Schließung von Elementkreisläufen.

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Mikroorganismen sind immer bestens an ihre natürliche Umgebung angepasst. Die Evolution hat dafür gesorgt, dass sie die verfügbaren Nährstoffe effizient nutzen können und darüber hinaus gegen schädliche Einflüsse gewappnet sind (nach Charles Darwin’s: „Survival of the Fittest”). Aber was passiert, wenn Biotechnologen ganz neue Stoffwechselwege in Mikroorganismen einbauen, um damit z. B. alternative Nährstoffquellen für die biotechnologische Produktion nutzbar zu machen?

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