Aktuelle Pressemeldungen

Bioökonomie-Alternative für Phosphatdüngung

Nachdem es unserem Mitarbeiter Dr. Adnan Kanbar gelungen ist, im Botanischen Garten des KIT eine neue Sorte der Mohrenhirse (Sorghum bicolor) zu züchten, die unter unseren Klimabedingungen gedeiht und aufgrund ihres hohen Zuckergehalts für die Erzeugung von Bioethanol geeignet ist (Zur Pressemeldung des KIT), geht es nun darum, den Kreislauf zu schließen. In einem vom Bereich I geförderten Gemeinschaftsprojekt mit Prof. Stapf (Institut für Technische Chemie, Campus Nord) konnten wir zeigen, dass Sorghum bicolor in der Lage ist, unter Mangelbedingungen (wie sie auf Grenzertragsflächen vorkommen) ein größeres Wurzelsystem zu bilden und Gene für Phosphattransporter zu aktivieren, so dass Phosphor und Silicat angereichert werden. Wenn man nach Abtrennung des Zuckers die Reste unter niedriger Temperatur zu Biokohle verarbeitet, kann man so mineralische Phosphatdüngung ersetzen. Diese Arbeit ist nun im International Journal of Molecular Sciences erschienen. mehr...

Was war die Frage hinter dieser Arbeit? Bio-Ökonomie strebt eine Wirtschaftsform an, die in Kreisläufen arbeitet und so nachhaltig ist. Davon sind wir noch weit entfernt, nicht nur in der Industrie, sondern auch in der Landwirtschaft. Wir setzen Mineraldünger ein – Nitrat muss unter hohem Energieaufwand über das Haber-Bosch-Verfahren aus Luftstickstoff hergestellt werden, Phosphorsalze werden in Minen gefördert, die in wenigen Jahrzehnten erschöpft sein werden und die zudem in politisch problematischen Ländern wie Syrien oder Saudi Arabien liegen, von denen man sich besser nicht zu abhängig machen sollte.

Wie sind wir die Frage angegangen? Nachdem es unserem Mitarbeiter Dr. Adnan Kanbar gelungen ist, im Botanischen Garten des KIT eine neue Sorte der Mohrenhirse (Sorghum bicolor) zu züchten, die unter unseren Klimabedingungen gedeiht und aufgrund ihres hohen Zuckergehalts für die Erzeugung von Bioethanol geeignet ist (Zur Pressemeldung des KIT), ging es nun darum, den Kreislauf zu schließen. In einem vom Bereich I geförderten Gemeinschaftsprojekt mit Prof. Stapf (Institut für Technische Chemie, Campus Nord) wurde untersuchen, ob die Mohrenhirse auf mageren Böden ohne Phosphor gedeihen kann.

Was kam heraus? Tatsächlich konnten wir zeigen, dass Sorghum bicolor in der Lage ist, unter Mangelbedingungen (wie sie auf Grenzertragsflächen vorkommen) ein größeres Wurzelsystem zu bilden und Gene für Phosphattransporter zu aktivieren, so dass aus dem Boden gebundener Phosphor, aber auch Silicat losgelöst und in der Pflanze angereichert werden. Wenn man nach Abtrennung des Zuckers die Reste unter niedriger Temperatur zu Biokohle verarbeitet, kann man so mineralische Phosphatdüngung ersetzen.

Veröffentlichung 170. Kanbar A, Mirzai M, Abuslima E, Flubacher N, Eghbalian R, Eiche E, Garbev K, Bergfeldt B, Ullrich A, Leibold H, Müller M, Mokry M, Stapf D, Nick P (2021) Starve to Sustain – An Ancient Syrian Landrace of Sorghum as Tool for Phosphorous Bioeconomy? Int J Mol Biol 22, 9312 - pdf

Metabolisches LEGO mit dem Chip

Was war die Frage hinter dieser Arbeit? Leben ist Kommunikation. Die Zellen eines Organismus, aber auch verschiedene Organismen stehen in fortwährendem Austausch miteinander. Nur so kann sich Leben ohne einen Big Boss selbst organisieren. Die elektrische Kommunikation unserer Nervenzellen ist uns vertraut - der Löwenanteil der zellulären Kommunikation geschieht jedoch auf chemischem Wege. Da wird verhandelt, aber auch betrogen, aus dem Kontext gerissen und geantwortet. Können wir diesem chemischen Dialog zuhören und ihn vielleicht eines Tages sogar steuern?

Wie sind wir die Frage angegangen? Gemeinsam mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Guber am Institut für Mikrostrukturtechnologie am Campus Nord haben wir über die Jahre hinweg einen Mikrofluidikchip für Pflanzenzellen entwickelt. Damit lassen sich verschiedene Zellen gemeinsam kultivieren, so dass chemische Kommunikation möglich wird, obwohl die Abstandsregeln strikt eingehalten werden.

Was kam heraus? In unserer neuen Arbeit untersuchen wir nun exemplarisch, was man mit diesem modularen Chip-System anfangen kann. Wir zeigen, dass einsame Pflanzenzellen sich nicht mehr teilen, aber mithilfe des Chips wieder zur Teilung angeregt werden, wenn sie über den mikrofluidischen Strom die Gegenwart anderer Zellen wahrnehmen (Quorum Sensing). Wir zeigen weiterhin, dass man mit dem Chip studieren kann, wie Pilze, die mit dem Esca Syndrom zusammenhängen (einer Rebkrankheit, die infolged des Klimawandels immer bedrohlicher wird) in Antwort auf Pflanzenzellen Toxine abgeben. In einer dritten Anwendung spielen wir dann metabolisches LEGO und bringen zwei unterschiedliche Zell-Linien aus der Medizinalpflanze Catharanthus roseus dazu, gemeinsam, in einer Art chemischer Teamarbeit, Vindolin zu produzieren, den unmittelbaren Vorläufer der wertvollen Anti-Tumorstoffe Vinblastin und Vincristin. Der Chip ist ein wichtiger Meilenstein bei unserem Interreg-Projekt DialogProTec.

Veröffentlichung 166. Finkbeiner T, Manz C, Raorane M, Metzger C, Schmidt-Speicher L, Shen N, Ahrens R, Maisch J, Nick P, Guber A (2021) A modular microfluidic bioreactor to investigate plant cell-cell interactions. Protoplasma, https://doi.org/10.1007/s00709-021-01650-0 - pdf

zur Pressemeldung des KIT...

Altes Geheimnis der Evolution gelüftet

Was war die Frage hinter dieser Arbeit? Einer der Bausteine der Mikrotubuli, ein zentrales Element des Zellskeletts, was Wachstum und Teilung von Pflanzenzellen ausrichtet, α-Tubulin wird am einen Ende durch das Enzym TTC "angeknabbert", so dass eine verkürzte Version des Proteins entsteht. Das abgespaltene Teil, die Aminosäure Tyrosin, kann durch ein anderes Enzym TTL wieder angefügt werden. Die Bedeutung dieses seltsamen Ringelreihens ist unklar - da aber alle Tubuline von allen Lebensformen an ihrem Ende ein Tyrosin tragen, scheint es wichtig zu sein.

Wie sind wir die Frage angegangen? Wir haben nun die TTL aus Reis in Reis und in Tabakzellen durch Gentechnik hochgefahren, um nach Veränderungen zu suchen. Dann haben wir untersucht, wie sich Wachstum und Entwicklung verändern. Gleichzeitig haben wir mit einem von uns entwickelten Verfahren die beiden Tubulinformen (also mit und ohne das endständige Tyrosin) gereinigt und gemessen.

Was kam heraus? Wenn man die Ligase hochfährt, sollte eigentlich mehr "angeknabbertes" Tubulin wieder mit einem Tyrosin vervollständigt werden. Wir beobachten jedoch das Gegenteil - es entsteht mehr und nicht weniger detyrosiniertes Tubulin. Das Enzym tut also genau das Gegenteil dessen, was zu erwarten war, es verhält sich als TTC. Auf zellulärer Ebene geht damit einher, dass bei der Zellteilung die Querwände schief oder wellig eingefügt werden. Diese Beeinträchtigung der Teilung hat zur Folge das die Wurzeln der transgenen Reispflanzen langsamer wachsen. Haben wir in Wirklichkeit die seit 30 Jahren vergeblich gejagte TTC gefunden?

Veröffentlichung 163. Zhang K, Durst S, Zhu X, Hohenberger P, Han MJ, An GH, Sahi V, Riemann M, Nick P (2021) A rice tubulin tyrosine ligase‐like 12 protein affects the dynamic and orientation of microtubules. J Int Plant Biol 63, 848-864 - pdf

Elektrische Nase schnuppert Minzduft

Was war die Frage hinter dieser Arbeit? Pflanzliche Düfte sind vielfältig und wirken sehr präzise, sie manipulieren Insekten, treiben Konkurrenten in den Selbstmord und üben auch auf uns Menschen vielfältige Wirkungen aus. Um sie untersuchen zu können, muss man sie unterscheiden können - und dies schnell, sicher und objektiv. Dies ist nicht nur für die Biologie wichtig, sondern auch für die Industrie. Der Markt für Düfte ist exklusiv und teuer, Lug und Trug gehören hier zum Alltag.

Wie sind wir die Frage angegangen? Über eine wahrhaft interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen dem Botanischen Institut, dem Institut für Lichttechnik und dem Institut für Funktionelle Grenzflächen wurde eine auf der SURMOF-Technik beruhende elektronische Nase entwickelt und erprobt. Als Fallbeispiel haben wir die Minze ausgesucht - hier gibt es zahlreiche, eng verwandte und nur schwer zu unterscheidende Arten, die in einer Art chemischer Evolution sehr unterschiedliche Düfte hervorgebracht haben.

Was kam heraus? Im Botanischen Garten des KIT steht eine Sammlung von authentifizierten Minzarten zur Verfügung, mit der die elektronische Nase erst trainiert wurde. Die verschiedenen Geruchszellen wurden dabei über Sensoren aus verschiedenen Materialien ersetzt. Jeder Duftstoff bindet an diese Sensoren unterschiedlich und nach Art eines neuronalen Netzwerks kann man das System so trainieren, dass es den Fingerabdruck eines jeden Minzdufts erkennen kann. Die so trainierte Nase war dann mit hoher Präzision eine unbekannte Minze der richtigen Art zuzuordnen. Ein Problem ist noch, dass die Nase etwa eine halbe Stunde lang mit frischer Luft "gespült" werden muss, bis sie wieder für einen neuen Duft bereit ist. Derzeit arbeiten wir daher an neuen Sensoren, die schneller wieder in den Anfangszustand übergehen - ähnlich wie ein Weintester zwischen den Proben immer seinen Mund mit Mineralwasser spült.

Veröffentlichung 164. Okur S, Sarheed M, Huber R, Zhang Z, Heinke L, Kanbar A, Wöll C, Nick P, Lemmer U (2021) Identification of Mint scents using a QCM based E-Nose. Chemosensors 9, 31. doi.org/10.3390/chemosensors9020031 - pdf