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Gen für das Gefühlsleben von Pflanzen entdeckt

Pflanzen zu drücken oder zu streicheln ist eine jahrhundertealte Methode im japanischen Landbau. Die mechanische Stressbehandlung erhöht die Widerstandsfähigkeit der Pflanzen und steigert damit auch den Ertrag, führt aber auch zu gedrungenem Wachstum und verzögertem Blühen. Verantwortlich dafür ist ein Gen, das nun von Dr. Maria Pimenta Lange und Prof. Theo Lange vom Institut für Pflanzenbiologie der Technischen Universität Braunschweig entdeckt wurde.

Die positive Auswirkung mechanischer Stressbehandlung von Pflanzen wurde erst vor wenigen Jahren in den westlichen Industrienationen bekannt. Bis dahin ging die Forschung davon aus, dass sich die sogenannte Thigmomorphogenese vor allem durch gedrungenes Wachstum und verzögertes Blühen auf Pflanzen auswirke, erläutert Prof. Theo Lange. Forschungsergebnisse aus den USA und der Schweiz wiesen in den vergangenen Jahren auch auf nützliche Effekte hin, wie etwa eine bessere Schädlingsabwehr, jedoch ohne den Wirkmechanismus aufzuklären, so der Braunschweiger Pflanzenbiologe.

Gemeinsam mit Dr. Maria Pimenta Lange ist es dem Leiter der Abteilung Biochemie und Physiologie der Pflanzen am Institut für Pflanzenbiologie der TU Braunschweig nun gelungen, das Gen zu identifizieren, das für die Berührungsreaktion von Pflanzen verantwortlich ist. Das Gen „AtGA2ox7“ kodiert ein Protein, das für den Abbau eines bestimmten Pflanzenhormons, den Gibberellinen, zuständig ist. Ohne dieses Gen, so die aktuellen Forschungsergebnisse der Braunschweiger Pflanzenbiologen, reagiere die Pflanze auf den Berührungsreiz nicht mehr mit morphologischen Veränderungen und wachse wie eine unbeeinflusste Vergleichspflanze.

In den kommenden Monaten setzt das Braunschweiger Forscherteam seine Arbeit fort und untersucht, inwieweit in genveränderten Pflanzen nach einer Berührung gewünschte Eigenschaften, wie gesteigerte Stressresistenz, erhalten geblieben sind. Auch soll untersucht werden, wie das identifizierte Gen als Marker beispielsweise in Züchtungsprogrammen eingesetzt werden kann. „Langfristig bietet unsere Grundlagenforschung die Möglichkeit, die jahrhundertealte japanische Methode als Anwendung im ökologischen Landbau weiterzuentwickeln und nachteilige Auswirkungen mit Mitteln der Biotechnologie zu lindern“, erklärt Prof. Lange. (Quelle: idw)

Zur Publikation
Maria João Pimenta Lange, Theo Lange: Touch-induced changes in Arabidopsis morphology dependent on gibberellin breakdown. Nature Plants, doi: 10.1038/nplants.2014.25 (2015).

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Weg vom Erdöl! Biomasse als alternative Kohlenstoffquelle.

Video: Wie aus Tiefseebakterien nützliche Enzyme für die Energiegewinnung und Anwendung in der chemischen Industrie gewonnen werden.

(idw). Erdöl wird immer teurer – das bekommt auch die chemische Industrie zu spüren. Eine alternative Kohlenstoffquelle ist Biomasse.

Erdöl ist der Ausgangsstoff für viele Produkte der chemischen Industrie. Doch dieser fossile Rohstoff wird immer knapper und teurer. Eine Alternative ist es, nachwachsende Rohstoffe zu nutzen. Doch müssen Bioethanol und Co. aus Nahrungsmitteln wie Zuckerrohr oder Getreide gewonnen werden? Nein. Über die weiße Biotechnologie lassen sich chemische Stoffe auch aus Abfallprodukten der Lebensmittelindustrie oder Restbiomasse aus der Forst- und Landwirtschaft oder Reststoffen gewinnen. Wie das gehen kann, demonstrieren Forscher des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart am Beispiel der biotechnischen Verwertung von Raps, Molke und Krabbenschalen.

Kunststoff und Lacke aus Raps
Bei der Herstellung von Biodiesel aus Rapsöl fällt als Nebenprodukt Rohglyzerin an. Wissenschaftler am IGB haben nun ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Rohglyzerin in 1,3-Propandiol umsetzen lässt – einen chemischen Grundstoff für die Herstellung von Polyestern oder Holzlacken. Bislang wird 1,3-Propandiol chemisch synthetisiert. Es gibt aber auch Mikroorganismen, die Glyzerin zu 1,3-Propandiol umsetzen können. So produziert das Bakterium Clostridium diolis den chemischen Grundstoff für die Herstellung von Polyestern oder Holzlacken in vergleichsweise hoher Ausbeute.

Bio-Plastik aus Molke
Ein Abfallprodukt bei der Herstellung von Milchprodukten ist Sauermolke. Bislang wird die Molke teuer entsorgt. Mit Hilfe von Michsäurebakterien lässt sich der in der Sauermolke enthaltene Milchzucker (Lactose) jedoch zu Milchsäure (Lactat) umsetzen. Lactat dient nicht nur als Konservierungs- und Säuerungsmittel in der Lebensmittelherstellung, sondern kann auch als Grundstoff in der chemischen Industrie eingesetzt werden – zum Beispiel in der Produktion von Polylactiden, biologisch abbaubaren Kunststoffen. Einweggeschirr und Schrauben für die Chirurgie aus Polymilchsäure gibt es bereits.

Feinchemikalien aus Krabbenschalen
Chitin ist nach Zellulose das am häufigsten vorkommende Biopolymer auf der Erde. Der nachwachsende Rohstoff fällt in der Aquakultur und bei der Verarbeitung von Meeresfrüchten wie Krabben in großen Mengen als Abfall an. In dem vom Bundesforschungsministerium geförderten Projekt “BioSysPro” untersuchen Forscher des IGB, ob sich Chitin durch den Einsatz von mikrobiellen Chitinasen als nachwachsender Rohstoff für die chemische Industrie erschließen lässt.

“Die Weiße Biotechnologie nutzt die Natur als chemische Fabrik. Herkömmliche chemische Produktionsprozesse werden durch den Einsatz von Mikroorganismen oder Enzymen ersetzt”, erläutert Prof. Thomas Hirth, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, den Ansatz. Auf der Messe Biotechnica vom 7. bis 9. Oktober in Hannover stellen die Forscher die Verfahren auf dem Fraunhofer-Gemeinschaftsstand in Halle 9, Stand E29 vor.

Weitere Informationen:
Das Video ist Teil der DVD “Die Zukunft der Biotechnologie — Eine Deutschlandreise”, die im Auftrag des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Jahr 2008 entstanden ist und kostenlos auf der Webseite www.biotechnologie.de bestellt werden kann.

Archostemata: 200 Millionen Jahre alter Käfer gibt sein Geheimnis preis.

Lebendes Fossil ist Auslaufmodell der Evolution!

Wunderwelt Wissen: Archostemata - 200 Millionen Jahre alter Käfer
Der “Tetraphalerus bruchi” aus Argentinien ist einer der altertümlichsten heute noch existierenden Käfer.
Foto: Rolf Beutel /FSU

(idw) Nach einem solchen Forschungsgegenstand muss man lange suchen: Die urtümlichen Käfer der Unterordnung “Archostemata” bekommen auch Experten nur äußerst selten in freier Natur zu Gesicht. Denn die wenigen heute noch existierenden Arten (ca. 40) leben – seit nunmehr rund 200 Millionen Jahren – im Verborgenen. Sie zwängen sich durch dunkle, enge Spalten unter der Rinde von Nadelbäumen und sind durchweg äußerst selten. Unter den rund 350.000 Käferarten fallen sie damit kaum ins Gewicht. “Es gibt Arten, von denen bislang lediglich ein einzelnes Exemplar gefunden wurde”, weiß Prof. Dr. Rolf Beutel von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. “Andere hat man bereits seit mehr als 30 Jahren nicht mehr gesehen”, so der Professor für Zoologie und Entomologie weiter.

Welche Rolle diese seltenen urtümlichen Insekten im Stammbaum der Käfer spielen, das hat ein Forscherteam um Prof. Beutel am Phyletischen Museum der Universität Jena nun erstmals systematisch analysiert und kürzlich in der Fachzeitschrift “Cladistics” publiziert. Ihre Studie haben die Entomologen im Rahmen des Forschungsprojektes “Beetle Tree of Life” (“Der Stammbaum der Käfer”) der Harvard University durchgeführt, an dem Beutels Gruppe als einziges europäisches Forscherteam beteiligt ist. Mittels der Mikro-Computertomographie haben sie die Anatomie der Archostemata genauestens unter die Lupe genommen.

“Mit dieser Methode lassen sich sowohl äußere, vor allem aber innere Strukturen, wie Muskeln oder das Innenskelett dreidimensional und hochaufgelöst abbilden”, erläutert Prof. Beutel. Untersucht wurde vor allem eine Art aus Argentinien (Tetraphalerus bruchi) und Micromallthus debilis, ein Käfer mit einem extrem komplizierten Lebenszyklus. Vergleichend wurden aber auch fossile Vertreter der urtümlichen Insekten in die Studie mit einbezogen.

Deren Ergebnis überrascht: “Im Grunde sind die Archostemata gar keine echte Gruppe”, so Prof. Beutel. “Vielmehr handelt es sich bei der Bezeichnung Archostemata um eine Art taxonomischen Mülleimer, in dem einfach alles gelandet ist, was altertümlich ist”, ergänzt Prof. Dr. Si-qin Ge von der chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking. Die Forscherin hatte 2007 als Post-Doc an der Jenaer Universität entscheidenden Anteil an den nun veröffentlichten Daten. Das bedeute, dass die Archostemata neu definiert werden müssen. Die ältesten bekannten Käfer aus dem Perm gehören nicht in diese Gruppe sondern in die Stammlinie der gesamten Käfer.

Allein die heute noch lebenden Vertreter stellen tatsächlich eine monophyletische Gruppe dar. “Sie weisen eine Reihe von gemeinsamen Schlüsselmerkmalen auf”, so Prof. Beutel. Charakteristisch sind die noch nicht vollständig sklerotisierten Vorderflügel, die im Gegensatz zu allen übrigen Käfern noch beim Flug eingesetzt werden. Auch die Ausstattung mit Muskeln ist wesentlich ursprünglicher als bei anderen Vertretern.

Dank des Vergleichs mit fossilen Vertretern konnten die Jenaer Insektenforscher auch die evolutiven Schritte rekonstruieren, die während der frühesten Verzweigungsereignisse innerhalb der Käfer stattgefunden haben. Ein entscheidender Schritt der von den besonders artenreichen Gruppen der “modernen” Käfer vollzogen wurde, war die enge Bindung an bedeckt-samige Pflanzen. Zusammen mit diesen sehr artenreichen Samenpflanzen haben sie während der Kreidezeit eine rasante evolutive Entfaltung durchlaufen. Heute sind die Käfer die artenreichste Insektengruppe überhaupt und stellen etwa ein Viertel aller bekannten Organismen. Dabei führen die Archostemata aber ein Schattendasein. “Heute kann man sie getrost als Auslaufmodell der Evolution bezeichnen”, so Prof. Beutel schmunzelnd. Es sei durchaus möglich, dass die meisten Arten bald völlig verschwunden sind oder die ganze Gruppe komplett ausstirbt.

Mit der Charakterisierung der Archostemata hat sich das Interesse der Insektenforscher von der Jenaer Universität jedoch noch lange nicht erschöpft. Derzeit kooperieren sie mit den chinesischen Kollegen um Prof. Ge in einem Projekt zur Untersuchung von Blattkäfern – einem weiteren Baustein zum kompletten “Beetle Tree of Life”.

Weitere Informationen:

https://www.uni-jena.de

Biodiesel: Machen Algen das Tanken bald preiswerter?

WISSEN DER ZUKUNFT berichtet :

Algenschlick am blauen Wasser, Foto: cwgoodroe

Algenschlick am blauen Waser, Foto: cwgoodroe

(Stuttgart/Kornwestheim) -(idw) Der Kornwestheimer Anlagenexporteur Hezinger GmbH will künftig weltweit als Lieferant für Photobioreaktoren zur Algenzucht auftreten, um – alternativ zur Verwendung von Weizen, Raps und Mais – die Gewinnung von Biodiesel aus dem Pflanzenöl der Algen voranzutreiben. In Zusammenarbeit mit renommierten Partnern wurde eine verfahrenstechnisch optimierte Reaktoranlage zur Massenzucht von Algen entwickelt, die die Kosten der Herstellung von Biodiesel erheblich reduzieren wird. Das Ende letzten Jahres gegründete Unternehmen Hezinger Algaetec GmbH soll das neue System im kommenden Herbst auf den Markt bringen.

“Unser Ziel ist es, die industrielle Zucht von Mikroalgen wesentlich günstiger zu gestalten, als das bisher möglich ist”, sagt Steffen Hezinger. Zwar könne man Algen mit derzeitigen Systemen wie Röhren- oder Flachplattenreaktoren züchten, allerdings noch nicht in den wirtschaftlich rentablen Mengen, wie man sie für die Biodieselherstellung benötigt. “Wenn ich 40 Fußballfelder mit Reaktoren voll stellen muss, ist so ein System einfach nicht effektiv zu betreiben, Wirtschaftlichkeit ist aber das A und O, wenn ich am Markt für Biodiesel langfristig Erfolg haben will.”

Auf der Suche nach einer effizienten Lösung setzt der Diplom-Kaufmann deshalb auf geballte Kompetenz in den Bereichen Anlagenbau, Design und Lichttechnik. Dafür holte er sich international renommierte und weltmarktführende Partner in den Bereichen Algenbiologie und Anlagenplanung mit ins Boot.

Das Resultat der Branchen übergreifenden Zusammenarbeit ist ein Photobioreaktor, mit dem sich Produktionsflächen nicht nur horizontal, sondern auch vertikal nutzen lassen. Der Kerngedanke ist, das Licht ins System und an die Alge zu bringen – statt umgekehrt. Die Idee sei zwar nicht wirklich neu, so Steffen Hezinger, entscheidend sei aber die verfahrenstechnische Optimierung. “Der Schlüsselfaktor ist die innovative Lichttechnik, die es möglich macht, einen Reaktor von sechs Metern Höhe und 30 Metern Innendurchmesser nahezu ohne Fremdenergie zu betreiben.”

Noch kann die Hezinger Algaetec GmbH zwar nicht mit genauen Zahlen aufwarten – doch der Prototypentest unter Serienbedingungen ist erfolgreich angelaufen; aussagefähige Ergebnisse sind ab Mitte des Jahres zu erwarten.