7 April 2011

NRW-Verbund “Bioeconomy Science Center (BioSC)”

Turbolader für die Bioökonomie

Die Bioökonomie ist noch ein recht junges Pflänzchen, das es inzwischen auf die Agenda der Forschungspolitik geschafft hat. Gemeint ist ein Wirtschaften, das auf biologische Ressourcen setzt. Auf diese Weise, so die Hoffnung, sollen Nahrungsmittel, Chemikalien oder Energieträger umweltschonend produziert werden. In Nordrhein-Westfalen wird dieses Konzept nun fachübergreifend umgesetzt. Bereits im Herbst 2010 haben das Forschungszentrum Jülich, die Universitäten Bonn und Düsseldorf sowie die RWTH Aachen dazu einen strategischen Forschungsverbund gegründet. Das “Bioeconomy Science Centre (BioSC)” umfasst 54 Arbeitsgruppen aus den jeweiligen Standorten. Nun starten die ersten Projekte.

Bei der Bioökonomie dreht sich alles um die umweltschonende Nutzung nachwachsender Ressourcen. Dazu zählt eine Vielzahl von Schritten: Von der Bereitstellung von Biomasse über deren enzymatischen Aufschluss bis hin zur biotechnologischen Veredelung der Produkte. Hier ist das Know-how von verschiedensten Fachdisziplinen gefragt. Die Ausrichtung hin zu einer biobasierten Wirtschaft hat es mittlerweile sowohl auf europäischer Ebene als auch in Deutschland auf die Agenda der Forschungspolitik geschafft. Ende des vergangenen Jahres etwa hat die Bundesregierung die 2,4 Milliarden Euro schwere nationale Forschungsstrategie Biökonomie 2030 gestartet.

Gemeinsame Strategie
Fast zur selben Zeit haben sich Forscher in Nordrhein-Westfalen zu einem bisher in dieser Größe einzigartigen Verbund zusammengeschlossen, dem “Bioeconomy Science Center (BioSC)”. Vier Forschungseinrichtungen sind Partner in dieser strategischen Allianz: Das Forschungszentrum Jülich, die Universitäten Bonn und Düsseldorf und die RWTH Aachen. “Im BioSC bündeln wir die herausragenden Kompetenzen der Bioökonomie-Forschung in Nordrhein-Westfalen”, sagt Ulrich Schurr. Der Professor vom Institut für Bio-und Geowissenschaften am Forschungszentrum Jülich ist der Geschäftsführende Direktor des BioSC. “Uns geht es um einen Mehrwert durch Integration”, sagt Schurr. So werde jeder Standort seine besondere Expertise in dem Verbund einbringen, Bonn etwa seine Kapazitäten in den modernen Agrarwissenschaften, Jülich und Düsseldorf die Biotechnologie und die Pflanzenforschung und Aachen die Verfahrenstechnik. Die Zahlen zum BioSC sind schon jetzt bemerkenswert: Derzeit haben sich dem strategischen Zentrum 54 Kernarbeitsgruppen mit derzeit 1.200 Mitarbeitern angeschlossen. Insgesamt verfügen sie über eigene Drittmittel in Höhe von mehr als 30 Millionen Euro.

Bonn: Miscanthus liefert Biomasse meterhoch
Für alle Forschungsstandorte des neuen Zentrums gilt: Nachwachsende Rohstoffe sind der Ausganspunkt ihrer Arbeit. Zu den wichtigsten Rohstofflieferanten der Bioökonomie zählen Pflanzen. Die Universität Bonn mit ihrem Campus in Klein-Altendorf wird deshalb im Verbund eine zentrale Rolle als Basislager spielen. Hier haben derzeit alle Außenlabore und Freilandversuchsanlagen der landwirtschaftlichen Fakultät ihren Platz gefunden. Ralf Pude, Leiter des Forschungsbereiches Nachwachsende Rohstoffe, ist Experte für das Chinaschilf Miscanthus, das die Bonner in großem Stil auf ihren Versuchsäckern als Energiepflanze anbauen. Auf den frühlingsgrünen Äckern fallen die vier Meter hohen Schilfgräser sofort ins Auge.

“Miscanthus wächst im Sommer bis zu fünf Zentimeter am Tag”, sagt Pude. Der Anbau der mehrjährigen Pflanze sei ohne viel Aufwand möglich. “Wir ernten die Halme erst im Frühjahr, nachdem sie über die Winter auf dem Acker schön getrocknet sind”. Das geerntete Micanthus-Stroh zerhäckseln die Bonner Forscher zu einem feinen Streu, das sich problemlos in handliche Pellets oder Briketts pressen lässt. Aus einem Hektar Miscanthus-Ernte sei so etwa die Leistung von 8.000 Litern Heizöl herauszuholen. “Aus den Miscanthus-Fasern haben wir auch schon einen Leichtbeton hergestellt, der bereits in einigen Häusern verbaut wurde”, sagt Pude. Nun prüfen die Forscher, ob sich Miscanthus-Fasern auch für die Herstellung von Gegenständen aus Biokunststoffen eignen.

Düsseldorf: Tuning für den Motor der Pflanzen
Miscanthus-Gräser wachsen auch deshalb so schnell, weil sie eine besonders effiziente Form der Photosynthese betreiben. Nur zu gerne würde Peter Westhoff diese Eigenschaft auch Nutzpflanzen wie Weizen, Reis oder Zuckerrübe beibringen. Die Photosyntheseleistung ist eine der letzten Stellschrauben, an der Pflanzenzüchter heute noch drehen können, um den Ertrag ihrer Gewächse zu steigern. “Die Photosynthese ist der Motor der Pflanzen”, sagt der Professor für Entwicklungs- und Molekularbiologie an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, “doch bei den sogenannten C3-Pflanzen wie Weizen und Reis arbeitet er fehlerhaft”. Deshalb gingen bis zu einem Drittel des eingelagerten Kohlenstoffs in dem Prozess verloren. C4-Pflanzen wie Miscanthus und Mais hätten ihre Photosyntheseapparat anders konstruiert. “Sie haben an ihren Motor eine Art Turbolader gebaut, der die Verluste deutlich reduziert”, so Westhoff. Nun untersucht der Entwicklungsbiologe, wie sich C3-Pflanzen auf den C4-Turbolader-Typ umrüsten lassen. Dazu seien viele kleine Schritte nötig, die die Forscher derzeit an Modellpflanzen ausprobieren. Westhoff macht auch klar: “Ohne Gentechnik werden wir das nicht hinbekommen”.

Aachen: Biokraftstoffe einer neuen Generation
Die Ingenieure der RWTH Aachen wollen die gespeicherte Energie der Pflanzen wiederum für die Gewinnung neuer Kraftsstoffe nutzen. Ein Beispiel ist der Exzellenz-Cluster “Tailor Made Fuels from Biomass” (TMFB), der ins neue Zentrum integriert wird. Ziel ist es, aus Holz eine Reihe von chemischen Bausteinen zu gewinnen, die in einem nächsten Schritt dann zu neuartige Treibstoffmoleküle umgesetzt werden können. Desweiteren werden bis 2014 in Aachen mehrere RWTH-Lehrstühle für Verfahrenstechnik in einem Neubau, dem “Center for Next Generation Processes and Products” (NGP2) gebündelt werden. Dazu soll auch eine Bioraffinerie-Anlage im Pilotmaßstab errichtet werden, die auch für das NRW-Bioökonomiezentrum zum Einsatz kommen wird.

Im Forschungszentrum Jülich rücken die Forscher des IBG-2 den Pflanzen mit Hightech-Methoden zuleibe – zum Beispiel, um ihr Wachstum und ihre Wechselwirkung mit der Umwelt in Echtzeit zu untersuchen. Dazu haben die Forscher um Ulrich Schurr das “Jülich Plant Phenotyping Centre (JPPC) aufgebaut, das mit mehr als 20 Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützt wird. “Mit der Phänotypsierung sind wir noch an vielen Stellen am Beginn”, berichtet Siegfried Jahnke – einer von Schurrs Kollegen im Team. “Wir möchten herausfinden: Sind bestimmte Merkmale in einer bestimmten Art und Weise verknüpft mit dem, was im Erbgut hinterlegt ist.” Denn die Forscher wissen: Bei Pflanzen spielen Umweltbedingungen bei der Ausprägung von Eigenschaften eine maßgebliche Rolle.

Mit einer Reihe von nicht-invasiven Methoden, darunter ein Magnetresonanztomograph (MRT), können die Pflanzenforscher ihren grünen Studienobjekten nun zum Beispiel in unerreichter Präzision beim Wachsen zuschauen. Damit erfassen die Forscher nicht nur Veränderungen der anatomischen Merkmale im Zeitverlauf, sondern auch Pflanzeninhaltsstoffe wie den Wassergehalt. Ergebnisse wie diese können die Forscher dann nutzen, um Züchtern wertvolle Hinweise zu liefern, wie Pflanzen auch mit widrigen Bedingungen, etwa lang anhaltender Trockenheit, zurechtkommen.

Jülich: Mikroben als biologische Minifabrik
Einen andere biologische Ressource für die Bioökonomie nutzen die benachbarten Kollegen der Jülicher Pflanzenforscher am Biotechnologieinstitut IBG-1. Dort stehen nicht Pflanzen, sondern Mikroben im Mittelpunkt. Als biologische Minifabriken sollen Bakterien für die industrielle Herstellung von Produkten wie Aminosäuren fit gemacht werden. Dazu entwickeln die Forscher neue Produktionsstämme und ermitteln in eigens konstruierten Bioreaktoren die Bedingungen, mit den sich die optimale Leistung aus den Bakterien herausholen lässt.

Im Visier haben die Forscher vor allem den Stoffwechsel der Mikroben. “Die meisten wirtschaftlich interessanten Stoffwechselprodukte sind am sogenannten Zentralstoffwechsel eines Mikroorganimus gekoppelt”, so der Jülicher Forscher Wolfgang Wichert. “Das sind die großen Stoffwechselautobahnen in einer Zelle. Uns geht es darum, die chemischen Reaktionen in diesem Stoffwechsel zu verstärken, so dass mehr von einem bestimmten Stoff produziert wird.” Dafür verändern die Forscher die Mikroorganismen mithilfe gentechnischer Verfahren. “Zu jeder Reaktion gehört ein Gen und wenn man dem Organismus einfach mehr von diesem einem Gen ins Genom einbaut, dann setzt er in diesem Stoffwechselschritt mehr um als vorher”, so Wichert.

Was sich so einfach anhört, ist hochkomplex. An die tausend chemische Stoffe werden in einem Organismus wechselseitig ineinander ungewandelt. Wird an einer Stelle etwas verändert, macht sich das am anderen Ende sofort bemerkbar. Um diese Wechselwirkungen zu verstehen, nutzen die Forscher systembiologische Methoden. Sie beobachten damit ganz genau, wo wann was und wieviel produziert wird und lassen diese Daten in mathematische Computermodelle einfließen. Diese wiederum erleichtern die Identifikation von Stellschrauben im Genom, an denen die Forscher ansetzen können, um ihre biologischen Minifabriken bestmöglich zu optimieren.

Lehrstühle werden komplementär besetzt
Ob Jülich, Aachen, Bonn oder Düsseldorf: Im Forschungsverbund BioSC arbeiten die Wissenschaftler aller Standorte auf Augenhöhe zusammen. BioSC-Direktor Schurr betont: “Wir starten nicht von Null, es gibt bereits langjährige Zusammenarbeit mit einzelnen Instituten.” Doch bisher hätte es diese Kooperationen nur auf kleiner Flamme gegeben, das BioSC soll diese Aktivitäten nun deutlich befeuern und aufeinander abstimmen. Ein eigenes Gebäude ist dabei nicht geplant, das Zentrum ist eher virtueller Art. “Zur neuen Zusammenarbeit gehört zum Beispiel, dass neue Lehrstühle künftig an den Standorten komplementär besetzt werden”, so der Jülicher Pflanzenforscher, “außerdem erhalten die Partner Zugang zu den Technologieplattformen der jeweiligen Institute.” Finanziell wird das Zentrum zunächst von den vier Partnerinstitutionen getragen. Ab 2012 soll es eine eigene Finanzierung geben, so Schurr. Dann sollen vom Land Nordrhein-Westfalen rund 6 Millionen Euro pro Jahr ins BioSC fließen. Darüber hinaus ist das Ziel – mit dem Zentrum als gemeinsamer Flagge – weitere Drittmittel einzuwerben.

Source: biotechnologie.de, 2011-04-07.

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