1st BioSC Symposium: Towards an Integrated Bioeconomy

Am 21. November 2016 findet das 1. öffentliche BioSC-Symposium in Köln statt. Erstmals werden Ergebnisse und integrative Konzepte aus BioSC-Projekten zu drei relevanten Forschungsfeldern für die Bioökonomie öffentlich vorgestellt und gemeinsam mit komplementären Beiträgen eingeladener Experten diskutiert werden. Perspektiven, Ziele und Erwartungen für die Entwicklung einer integrierten und nachhaltigen Bioökonomie werden von verschiedenen Standpunkten aus Wissenschaft und Wirtschaft reflektiert werden. Die Teilnahme ist kostenlos, Anmeldeschluss ist der 1. November.

Wann: 21. November 2016
Wo: Maternushaus, Köln
Deadline: 01.11.2016

Programm

NRW-Doktorandentag ”Zukunft Bioökonomie”

Am 22. September 2016 fand in Düsseldorf der erste NRW-weite Doktorandentag “Zukunft Bioökonomie“ statt. Das Grußwort hielt die Ministerin für Innovation, Wissenschaft und Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen, Frau Svenja Schulze. 63 Doktoranden aus verschiedenen Fachbereichen stellten ihre Promotionsprojekte und deren Rolle für die Bioökonomie vor.

Der Doktorandentag wurde gemeinsam ausgerichtet vom Bioeconomy Science Center, dem Cluster of Excellence on Plant Sciences (CEPLAS), dem CLIB-Graduate Cluster Industrial Biotechnology (CLIB-GC), der Theodor-Brinkmann-Graduate School (Universität Bonn), der Faculty of Biology (Westfälische Wilhelms-Universität Münster) und der International Max Planck Research School (IMPRS). Im Rahmen der Veranstaltung hatten insgesamt 63 Doktoranden aus ganz unterschiedlichen Bioökonomie-relevanten Fachbereichen die Möglichkeit, ihr Promotionsprojekt und dessen Rolle für die Bioökonomie in einem "Elevator Pitch" vorzustellen. In der anschließenden Postersession konnten die Doktoranden sich noch einmal ausführlicher untereinander austauschen und sich mit den sehr unterschiedlichen Themenbereichen intensiv auseinandersetzen.

Nach einem Grußwort gab es die Möglichkeit, eigene Fragen an die Ministerin für Innovation, Wissenschaft und Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen, Frau Svenja Schulze, zu richten und diese mit ihr zu diskutieren. Wie sich aus einer ersten Idee ein Unternehmen entwickeln kann und welche Stolpersteine bei der Unternehmensgründung zunächst aus dem Weg geräumt werden müssen, wurde von den Spin-Offs WeGrow GmbH, PS Biotech GmbH und dem Projekt NUMAFERM dargestellt.

Der Doktorandentag war für alle Beteiligten ein Erfolg und soll nach Möglichkeit auch 2017 wieder stattfinden.

Neu im BioSC

Neue Core Groups im BioSC stellen sich vor

Core Group Benjamin Stich - HHU Düsseldorf

Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Benjamin Stich wurde im August 2016 als neue Core Group ins BioSC aufgenommen. Herr Stich leitet das Institut für Quantitative Genetik und Genomik der Pflanzen an der HHU Düsseldorf, ist aber vorerst am Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung (MPIPZ) in Köln verortet. Ziel seiner Forschung ist es, die phänotypischen Eigenschaften von unterschiedlichen Genotypen unter verschiedenen Umweltbedingungen vorherzusagen. Langfristig könnten mit Hilfe verschiedener Zuchtmethoden Pflanzen erzeugt werden, die die benötigten Eigenschaften hinsichtlich der Biomasse bzw. der Herstellung biobasierter Produkte aufweisen.

Benjamin Stich studierte Agrarbiologie an der Universität Hohenheim und wurde dort 2007 promoviert. Anschließend leitete er drei Jahre die unabhängige Forschergruppe “Quantitative Crop Genetics” am MPIPZ und habilitierte im Jahr 2010. Seine nächsten Stationen waren in der Industrie als Leiter der Molekularen Zuckerrübenzüchtung (KWS Saat AG, Einbeck) und als Senior Maiszüchter (Limagrain GmbH, Pocking). Im Mai 2016 zog es Herrn Stich jedoch wieder in die akademische Forschung und er nahm einen Ruf als W3 Professor an der Heinrich-Heine-Universität an.

BioSC-Vorlesung beim Bürgerforum RWTHextern

Ernährungssicherung für eine wachsende Weltbevölkerung - Herausforderung für die Bioökonomie

Am 19. Oktober 2016 hielt Prof. Ulrich Schurr eine öffentliche Vorlesung beim Bürgerforum RWTHextern zum Thema „Ernährungssicherung für eine wachsende Weltbevölkerung – Herausforderung für die Bioökonomie“. Die Veranstaltung war gut besucht und endete mit einer rund halbstündigen Diskussion. Mit Hilfe von RWTHextern war es möglich, verschiedene Bevölkerungsgruppen mit Themen der Bioökonomie zu erreichen.

Beim Stichwort „Weltweite Ernährungssicherung“ denkt man zunächst an Hunger und Unterernährung in Entwicklungsländern. Dass das Thema deutlich komplexer ist, zeigte Prof. Schurr im ersten Teil seines Vortrags auf. Neben unzureichender Kalorienzufuhr ist der Mangel an Mikronährstoffen, also Vitaminen und Spurenelementen, ein erhebliches Problem und gehört in Entwicklungsländern zu den zehn häufigsten Todesursachen. Gleichzeitig legen Daten aus den USA nahe, dass in den Industrieländern Unter- und Mangelernährung zunehmen. Das dritte große Ernährungsproblem ist die Fettleibigkeit, die weltweit, auch in Entwicklungsländern, zunimmt. Während Unterernährung mit der wirtschaftlichen Situation sowohl von Haushalten als auch von Staaten korreliert ist, haben Mangelernährung und Fettleibigkeit auch damit zu tun, dass weltweit die Ernährung immer einseitiger wird und immer mehr auf Getreide fokussiert ist.

Wenn für geschätzt 10 Milliarden Menschen im Jahr 2050 eine gesunde Ernährung möglich sein soll, stellt das die Landwirtschaft vor große Herausforderungen, auch angesichts der steigenden Nachfrage nach Biomasse zur Güterproduktion. Die landwirtschaftlich genutzten Flächen lassen sich kaum noch ausweiten. Somit müssen die notwendigen Produktionssteigerungen erreicht werden durch Ertragssteigerungen, eine effizientere Nutzung der Biomasse und die Minimierung von Verlusten – vor dem Hintergrund, dass die klimatischen Bedingungen schwieriger werden und die heutige Landwirtschaft global betrachtet erhebliche Umweltschäden verursacht.

Als Lösungsansatz führte Prof. Schurr das Konzept einer nachhaltigen Bioökonomie ein, die biologische Systeme nutzt und sich an natürlichen Stoffkreisläufen orientiert. Zahlreiche Regierungen weltweit, darunter auch die Bundesregierung, haben in den vergangenen Jahren Bioökonomie-Strategien entwickelt. Er stellte das Bioeconomy Science Center und dessen interdisziplinären Ansatz vor. Schließlich zeigte er eine Reihe von Beispielen aus der Pflanzenforschung im BioSC, die darauf abzielen, pflanzliche Ressourcen zu optimieren, darunter innovative Methoden zur Phänotypisierung wie die Photosynthesemessung mit flugzeuggestützten Sensoren oder die Beobachtung der Entwicklung von Pflanzenwurzeln im Kernspintomographen. Zuletzt betonte er, dass Forschungsergebnisse auch vor Ort in die Praxis umgesetzt werden müssen. Als Beispiel stellte das von BMBF und BMZ geförderte Projekt BiomassWeb vor, bei dem Kleinbauern in Südafrika dabei unterstützt werden, verbesserte Pflanzen und Anbautechniken zu nutzen und damit nicht nur ihre Ernährungssituation, sondern auch ihre gesamtwirtschaftliche Situation zu verbessern.

Die Veranstaltung im Hörsaal HKW 2 der RWTH Aachen war mit rund 50 Zuhörern gut besucht. An den Vortrag schloss sich eine gut halbstündige Diskussion mit zahlreichen Fragen an. Mit Hilfe des Bürgerforums RWTHextern war es möglich, verschiedene Bevölkerungsgruppen mit Themen der Bioökonomie zu erreichen.

BOOST FUND Project PlaMint

Investigate plant-microbe interactions to improve plant health and productivity

Abstract

Reliable and increased generation of plant biomass is a central aim of sustainable bioeconomy. An important factor for productivity is protection against pathogens in a changing environment. Breeding of resistant lines is an efficient method of protection against many pathogens, but so far has proven inefficient against certain diseases such as Verticillium wilt on oilseed rape (Brassica napus).

This project aims at identifying novel targets for breeding and advanced agricultural practices by translating knowledge on molecular mechanisms of plant microbe interaction from the model plant Arabidopsis thaliana and close relatives to the bioeconomically relevant crop Brassica napus.

We will compare two fungal pathogens of different families with initially similar infection strategies, but ultimately very different symptoms: the smut fungus Thecaphora thlaspeos and the wilt Verticillium longisporum. In a first step, we analyse the pre-infection communication between plant and fungus. Compounds released by the plant serve as a signal for either fungus that reveals presence of a potential host. Interference with conserved plant signals at this pre-infection level could represent an effective plant protection strategy and require intricate knowledge about plant molecular biology and fungal signal perception and integration. In a second step, we will analyse the crosstalk between host and pathogen early during infection with a major focus on oxidative processes and redox controlled molecular responses. The combination of dynamic live cell imaging, molecular genetics, high-throughput phenotyping and genomics will pave the way for the development of crops with enhanced pathogen resistance and advanced agricultural practice, contributing to ameliorate the consequences of pathogen infection.

Impact on bioeconomy

Oilseed rape is an economically important crop in Germany with applications in cooking oil, biofuels and high-grade protein feed. Besides product-based direct economic value, oilseed rape is also indispensable for crop rotation in German agriculture. Continuous cropping of oilseed rape without rotation leads to dramatic reduction in yield with losses of up to 50% which are assumed to be caused largely by an accumulation of soil-borne fungal pathogens such as Verticillium longisporum (Rapswelke, Verticillium wilt) or Plasmodiophora brassicae (Kohlhernie, Club root). In contrast to other fungal pathogens Verticillium cannot be treated with fungicides and thus can only be controlled through extended rotation cycles, which limits the growth capacity for oilseed rape. Increased production of oilseed rape thus depends on the development of novel agricultural procedures that may help suppressing soil-borne pathogens and breeding and selection of rape variants that are less sensitive.

Expected results/project products

This BOOST FUND project investigates the molecular and genetic basis of plant-microbe interaction and ultimately aims at a proof-of-concept for a translational approach from the model plant Arabidopsis thaliana to the crop plant oilseed rape. If successful this knowledge can help developing plant protection/growth promotion strategies for oilseed rape and be used as a proxy for a huge diversity of similar plant-microbe interactions for most crop plants. To reach this goal, we will (1) identify the spore-germination inducing plant signal at the pre-penetration level, (2) phenotypically characterize the plant response to fungal infection post-penetration, and (3) characterize the underlying molecular communication using high throughput genomic approaches and dynamic in vivo imaging tools.

Participating Core Groups
Prof. Dr. Andreas Meyer, INRES - Chemical Signalling, University of Bonn
Dr. Vera Göhre and Prof. Dr. Michael Feldbrügge, Institute of Microbiology, Heinrich-Heine-University Düsseldorf
PD Dr. Ulrich Schaffrath, Institute of Biology III (Plant Physiology), RWTH Aachen and Prof. Dr. Björn Usadel, Institute of Biology I (Botany), RWTH Aachen/FZ Jülich
Dr. Robert Koller and Prof. Dr. Ulrich Schurr, Institute of Bio- and Geosciences IBG-2: Plant Sciences, Forschungszentrum Jülich GmbH

Contact (Coordinator)
Prof. Dr. Andreas Meyer
INRES – Chemical Signalling
University of Bonn
Friedrich-Ebert-Allee 144
53113 Bonn
phone: +49 (0) 228 - 73 60353
e-mail: andreas.meyer@uni-bonn.de

Project duration
01.11.2015 – 31.10.2018

Funding budget
The total budget of PlaMint is € 687.742. PlaMint is part of the NRW-Strategieprojekt BioSC and thus funded by the Ministry of Innovation, Science and Research of the German State of North Rhine-Westphalia.

Baustoffentwicklung aus mehrjährigen Biomassepflanzen

Hochleistungs-Dämmputz aus Biomasse - an diesen und ähnlichen Fragestellungen arbeiten Wissenschaftler der Universität Bonn. Am Fachbereich Nachwachsende Rohstoffe am INRES wird die Eignung verschiedener mehrjähriger Pflanzen für die Herstellung von Baustoffen untersucht.

Die mehrjährigen Biomassepflanzen Miscanthus, Topinambur, Silphie und Sida wollen Agrarwissenschaftler der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn nutzen, um einen Hochleistungs-Dämmputz zu entwickeln. Der natürliche Dämmstoff ist das schwammartige Parenchym. Die einzelnen Poren des Gewebes sind im Pflanzenstängel außergewöhnlich gut und viel verteilt, sodass Wärme diesen Porenraum nur schwer durchdringen kann. Im Forschungsvorhaben sollen diese hervorragenden baustatischen, bauphysikalischen und bauakustischen Eigenschaften genutzt werden, um einen neuartigen Putz mit sehr guten Wärmedämmeigenschaften herzustellen. „Wir sind gerade dabei, das Porenvolumen genau zu bestimmen und stehen vor der Herausforderung, wie wir die geerntete Biomasse zerkleinern, damit möglichst wenig Poren zerstört werden und die Isolationsleistung der Pflanze optimal bleibt“, sagt Professor Ralf Pude, Projektleiter und Leiter des Fachbereichs Nachwachsende Rohstoffe des INRES an der Universität Bonn.

Im Labor untersuchen die Wissenschaftler Poren grober und feiner Häcksel unterschiedlichster Genotypen. Ziel ist, für die Weiterverarbeitung zum Hochleistungs-Dämmputz so viel Luftporenstrukturraum wie möglich zu haben, denn: je mehr Poren, desto besser die Dämmung. In einem weiteren Schritt werden die zerkleinerten Pflanzen-Partikel in ein spezielles Bindemittel eingemischt und der Porenraum dadurch noch einmal vergrößert. Gleichzeitig sorgt das Bindemittel aber auch dafür, dass das Material später als Putz an der Wand kleben bleibt und die luftigen Poren sich nicht mit Wasser vollsaugen, denn sonst würde der Putz seine wärmedämmenden Eigenschaften verlieren und wäre als Dämmstoff unbrauchbar. Ein Hochleistungs-Dämmputz aus den low-Input Biomasse-Pflanzen verringert maßgeblich den Primärenergieeinsatz und ist darüber hinaus recyclebar. Auch das Klima profitiert: Jährlich bindet die Pflanze während ihres Wachstums pro Hektar Anbaufläche 30 Tonnen des Treibhausgases Kohlenstoffdioxid und spart auch als Wärmedämmung C02 ein. Pude und seine Kollegen wollen bis zum Projektende im Jahr 2018 einen Hochleistungs-Dämmputz entwickeln, der nachhaltiger ist als Produkte, die derzeit auf dem Markt sind. Das BMWi fördert das Forschungsprojekt HL-Dämmputz mit über 1 Million Euro.

In dem bereits 2015 angelaufenen BioSC-Projekt „SPREAD“ wird an der Universität Bonn unter anderem intensiv die Eignung der Durchwachsenen Silphie als Zuschlagsstoff für Leichtbeton erforscht. Hier kann sehr gut auf die langjährigen Ergebnisse zur Miscanthus-Forschung aufgebaut werden, zumal 2002 die Miscanthus-Leichtbeton-Forschung der Universität Bonn mit dem Förderpreis für Nachwachsende Rohstoffe des Landes NRW ausgezeichnet wurde.

Dr. Andreas Knapp | HHU Düsseldorf | IMET - Molekulare Enzymtechnologie

Biotechnologische Toolbox für die Enzymproduktion

Bakteriell produzierte und sekretierte Enzyme sind aufgrund der einfachen Aufarbeitung für die industrielle Anwendung interessant und rentabel. Daher beschäftigt sich die Nachwuchsgruppe von Dr. Andreas Knapp mit den Grundlagen der Sekretionsprozesse, um hier gewonnene Erkenntnisse auf die biotechnologische Anwendung übertragen zu können. Die so erzielten Optimierungen dienen der Steigerung der Produktausbeute und damit einem ökonomischeren Einsatz von Mikroorganismen in der Biotechnologie.

In seiner Doktorarbeit, in der es um die Lipaseproduktion in Burkholderia glumae ging, beschäftigte sich Andreas Knapp bereits mit der bakteriellen Proteinsekretion in Gram-negativen Organismen. Nach seiner Promotion im April 2014 erweiterte er das Spektrum der untersuchten Modellorganismen und untersucht seitdem im Rahmen des BOOST Fund Projekts „BioBreak“ auch im Gram-positivem Bakterium Bacillus subtilis, wie die Sekretion von Proteinen optimiert werden kann. Ziel ist es, eine Plattform zur kostengünstigen bakteriellen Produktion von Biomasse-abbauenden Enzymen zu etablieren, um langfristig die biotechnologische Nutzung pflanzlicher Biomasse ökonomischer zu gestalten. Besonders spannend findet er an diesem Projekt, dass aufgrund der engen Zusammenarbeit mit den Verfahrenstechnikern der AG Büchs und AG Spieß die ganze Prozesskette in das Forschungsvorhaben miteinbezogen wird. Dieser interdisziplinäre Ansatz ermöglicht eine unmittelbare Beobachtung der Auswirkungen solcher Optimierungen etwa auf das bakterielle Wachstum oder die enzymatische Aktivität bei unterschiedlichen Biomasse-Zusammensetzungen. Diese Optimierungen werden parallel von der AG Schmitt ebenfalls im Modellorganismus Escherichia coli durchgeführt.
2015 hat Andreas Knapp die Koordination des Projekts „BioBreak“ übernommen und baut seit dem seine Nachwuchsgruppe um das Thema heterologe Sekretion von Enzymen in Bakterien auf. Neben dem Gram-positiven Organismus B. subtilis wird seine Gruppe langfristig auch weiterhin Gram-negative Organismen wie B. glumae für die heterologe Proteinsekretion über verschiedene Transportwege untersuchen. Während sekretierte Proteine in Gram-positiven Bakterien nur eine Biomembran passieren müssen, erfolgt der Transport in Gram-negativen über zwei solcher Membranen, was komplexere Sekretionsapparate nötig macht. Dies ermöglicht jedoch auch komplexere Modifikationen des Zielproteins, etwa im Periplasma der Gram-negativen Bakterien, die für die Produktion aktiver Enzyme notwendig sein können. Durch die Wahl der Modellorganismen und Ausnutzung verschiedener Sekretionswege soll die Produktion vieler unterschiedlicher Proteine gewährleistet werden.
Zusammen mit einem Postdoc, zwei Doktorandinnen sowie Master- und Bachelorstudenten möchte die AG Knapp das Potential von – unter anderem – B. subtilis als microbial cell factory erweitern und konzentriert sich daher auch auf die Grundlagenforschung. Aufbauend auf den neugewonnenen Erkenntnissen soll eine „biotechnologische Toolbox“ etabliert werden, damit die Produktion zukünftig maßgeschneidert auf das jeweilige Zielenzym erfolgen kann.

Termine und Ausschreibungen