Duftstoff der Minze hemmt Wachstum von Unkräutern

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 15.04.2020

Neuer Ansatz für nachhaltige Unkrautbekämpfung untersucht biologische Kommunikation zwischen Pflanzen – Menthon hat Potenzial als Bioherbizid

Im Wettbewerb um Bodenfläche, Nährstoffe und Wasser sind manche Pflanzen sehr erfolgreich: Sie behindern das Wachstum ihrer Konkurrenten durch chemische Signale, die bei der Nachbarpflanze den Zelltod auslösen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Botanischen Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) untersuchen, wie dieser Effekt zustande kommt, um ihn für die Entwicklung umweltfreundlicher Bioherbizide zu nutzen.

Hobbygärtner und Waldspaziergänger kennen das Phänomen, dass im Umkreis eines Walnussbaums andere Pflanzen nicht gedeihen, und dass Bärlauch und Minze ihre Nachbarn verdrängen. Allelopathie nennen Fachleute diese chemische Kriegsführung. „Dabei handelt es sich zumeist nicht um Gifte, sondern um chemische Signale, die bei der Zielpflanze die Wirkung hervorrufen“, erläutert Peter Nick, Professor für Molekulare Zellbiologie am Botanischen Institut des KIT. Während Bärlauch und Minze selbst gegen die Wirkung ihrer chemischen Signale immun sind, löst die biologische Kommunikation in der Nachbarpflanze den selbstgesteuerten Zelltod aus. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erkennen in diesem Mechanismus der Pflanzenkommunikation einen Weg zur Entwicklung neuartiger und umweltfreundlicher Bioherbizide, deren Wirkung spezifisch für eine jeweilige Unkrautart ist, ohne die Nutzpflanzen zu beeinträchtigen.

„Wir sind mit offenem Blick durch die Natur gegangen und haben uns gefragt, ob es sein könnte, dass es einen Zusammenhang zwischen dem starken Wuchern von Minzen und ihrem ausgeprägten Duft gibt, der bei jeder Minzsorte unterschiedlich ist“, sagt Nick. Anhand der umfangreichen Minzsammlung am Botanischen Institut des KIT wurden ätherische Öle verschiedener Minzen extrahiert, einzelne bioaktive Komponenten mit molekularen Markern versehen und ihre Signalwirkung auf andere Pflanzen untersucht. In den Zellkulturen ließ sich erkennen, dass die im ätherischen Öl der Minze vorhandene Verbindung Menthon bei konkurrierenden Pflanzen einen Prozess aktiviert, durch den sich Mikrotubili – feinverzweigte, röhrenförmige Eiweißstrukturen – selbst zerstören. „Es zeigte sich, dass Menthon besonders gegen das auf Bergweiden vorkommende Unkraut Ampfer wirksam ist“, so Dr. Mohammed Sarheed. Der Biologe hat die Ergebnisse seiner Forschung am Botanischen Institut des KIT als Doktorarbeit mit dem Thema „Allelopathic compounds from Mint target the cytoskeleton from cell biology towards application as bioherbicides“ veröffentlicht. Darin beschreibt er auch, dass das Duftöl der Pferdeminze auf das Protein Actin zielt, dort zur zellulären Selbsttötung führt und auf diese Weise hochwirksam gegen die Ackerwinde ist. Hier verstehen die Forscherinnen und Forscher den Mechanismus, obwohl sie den dafür ursächlichen Stoff noch nicht identifiziert haben. Sarheeds Untersuchungen am KIT ergaben zudem, dass Menthon das Wachstum von HeLa-Zellen – menschlichen Krebszellen – hemmt. „Das macht seine Nutzung als Krebstherapeutikum denkbar“, so der Wissenschaftler, dessen Forschung durch Stipendien des irakischen Ministeriums für Bildung und Wissenschaft, aber auch des Karlsruhe House of Young Scientists am KIT gefördert wurde.

Unkräuter sind einer der Hauptgründe für Ernteverluste, sie konkurrieren mit den Kulturpflanzen um dieselbe ökologische Nische. „Würde man sie nicht bekämpfen, gingen 30 bis 50 Prozent des landwirtschaftlichen Ertrags verloren“, sagt Nick. „Konventionelle Herbizide stellen eine ökologische Belastung dar und Unkräuter werden bald resistent. Sie wirken immer nur eine begrenzte Zeit“, so der Biologe. Die Entwicklung umweltfreundlicher Mittel gegen Unkräuter sei deshalb eine globale Herausforderung für die Ernährungssicherheit. Es gehe darum, Strategien zu finden, mit denen sich landwirtschaftliche Ökosysteme in Harmonie mit der Evolution steuern lassen. An der Forschung des Botanischen Instituts des KIT zur Allelopathie der Minze sind unter anderem das Schweizer Forschungsinstitut für biologischen Landbau (FiBL) und das Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena beteiligt. (afr)

Originalpublikation:
Mohammed Mahmood Sarheed: Allelopathic compounds from Mint target the cytoskeleton from cell biology towards application as bioherbicides, KITopen, 2019. DOI: 10.5445/IR/1000099195

Externer Link: www.kit.edu

Nachweis viraler Erbinformation im Abwasser: Frühwarnsystem durch neue Testmethode

Medieninformation der Universität Innsbruck vom 22.04.2020

Dank einer neuen Methode kann das Erbgut von SARS-CoV-2 erstmals im Zulauf österreichischer Kläranlagen nachgewiesen werden. So lässt sich ein regionales Auftreten der Viren frühzeitig erkennen.

Die große Frage nach der Dunkelziffer der mit SARS-CoV-2 infizierten Personen beschäftigt derzeit verschiedene wissenschaftliche Disziplinen. Eine erfolgversprechende Möglichkeit, um einen umfassenden Überblick über die Ausbreitung der Krankheit und den Verlauf der Pandemie zu erhalten, bietet die Untersuchung von Abwasserproben, in denen das Virus noch bruchstückhaft vorhanden, aber nicht mehr infektiös ist.

Zwei österreichischen Forschungsgruppen – einer Gruppe um Heribert Insam von der Universität Innsbruck und dem Team von Norbert Kreuzinger an der TU Wien  – gelang es nun gleichzeitig, das Erbmaterial von SARS-CoV-2 im Zulauf von zwei österreichischen Kläranlagen nachzuweisen. Solche Tests könnten einen besseren und rascheren Einblick in die Ausbreitung von COVID-19 erlauben. Dadurch soll ein Frühwarn- bzw. Monitoringsystem aufgebaut werden, mit dessen Hilfe die Gesundheitsbehörden rasch Informationen über Auftreten und Verbreitung des Virus erhalten.

Schneller Erfolg des neugegründeten Konsortiums

Forschungsteams der Medizinischen Universität Innsbruck, der Technischen Universität Wien und der Universität Innsbruck haben sich Anfang April zum „Coron-A“ Konsortium zusammengeschlossen, um gemeinsam herauszufinden, wie das Auftreten von SARS-CoV-2 in häuslichem Abwasser mit der Anzahl der Infektionen im Einzugsgebiet von Kläranlagen im Zusammenhang steht.

Das soll auch neue Information über die Dunkelziffer liefern. Ein relevanter Teil an Infizierten, auch solche mit keinen oder nur milden Symptomen, scheidet nämlich das Virus über den Stuhl aus. Da die Fäkalien am Knotenpunkt Kläranlage zusammenlaufen, können aus der Analyse von dort entnommenen Proben Rückschlüsse auf die Verbreitung der Infektionen in der Bevölkerung gezogen werden. Dadurch soll ein zusätzliches Instrument für ein aussagekräftiges Breiten-Screening bereitgestellt werden.

Ganz ähnliche Methoden wurden zum Nachweis von SARS-CoV-2 im Abwasser auch bereits in den Niederlanden und den USA eingesetzt. Mit diesen Forschungsgruppen stehen die „Coron-A“-Partner in engem Kontakt und arbeiten gemeinsam an der Umsetzung des Verfahrens in Österreich. Die ersten Schritte in Innsbruck wurden vom Förderkreis 1669 unterstützt.

Selbst winzige Spuren werden entdeckt

Nun konnten erste reproduzierbare Ergebnisse erzielt werden, anhand von Abwasserproben von Kläranlagen aus Tirol und dem Großraum Wien. Mittels PCR-Methode wird dabei nicht das aktive, infektiöse Virus nachgewiesen, sondern dessen virale RNA. Der Test reagiert somit auch auf Virenbruchstücke, die nicht infektiös sind. Selbst geringste Spuren des Virenerbguts können detektiert werden.

Das ist von zentraler Bedeutung, weil die Menge viraler RNA im Abwasser weit unter jener von infektiösen Tröpfchen liegt, und Abwasser daher nicht als Infektionsquelle gilt. Auch wenn Viren-RNA im Wasser nachgewiesen werden kann, bedeutet das also nicht, dass vom Wasser eine Infektionsgefahr ausgeht.

Österreichisches Monitoring-System

Das Coron-A-Konsortium möchte nun einerseits weitere Untersuchungen über die Stabilität der viralen RNA in Abwasserproben durchführen, andererseits sollen in weiterer Folge österreichweit Abwasserproben in unterschiedlicher räumlicher und zeitlicher Auflösung gesammelt und analysiert werden, um die Grundlagen für ein abwasserepidemiologisches Monitoring zu schaffen. Ein regionales Wiederaufflammen der Epidemie soll sich dadurch frühzeitig erkennen lassen.

Dieses Monitoring könnte Gesundheitsbehörden unterstützen, die über Zeitpunkt und Schwere von Interventionen wie Kontaktvermeidung oder Quarantänemaßnahmen entscheiden müssen. Den Behörden wird damit ein Instrument in die Hand gegeben, mit dem die Wirksamkeit der gesetzten Interventionen zeitnah abgeschätzt werden kann.

Externer Link: www.uibk.ac.at

Welser Werkstoffwissenschaftler entwickeln gemeinsam mit Inocon desinfizierende Beschichtungen

Pressemeldung der FH Oberösterreich vom 03.04.2020

Gesundheitsschädigende Keime können sich auf alltäglich verwendeten Oberflächen verbreiten. Gefährdete Stellen sind etwa Schalter, Tische, Sessel, aber auch Gehäuse von medizinischen Geräten. Um eine keimtötende Oberfläche zu erzeugen, werden bisher dem gesamten Kunststoffmaterial biozide Stoffe – Additive – beigemengt oder sie wurden mit bioziden Lacken lackiert. Wirken können diese aber nur an der Oberfläche. In einem FFG-geförderten Forschungsprojekt haben Werkstoffwissenschaftler und Biotechnologen der FH OÖ in Wels gemeinsam mit dem Attnanger Unternehmen Inocon Technologie GmbH die Möglichkeiten für biozide Beschichtungen durch Atmosphärisches Plasmasprayen getestet. Die Versuche verliefen vielversprechend, die Marktreife steht bevor.

In einem aus dem FFG-Basisprogramm geförderten Projekt hat Inocon gemeinsam mit den Studiengängen Werkstoffwissenschaften & Fertigungstechnik sowie Bio- und Umwelttechnik der FH OÖ Wels die grundsätzliche Umsetzbarkeit dieses Beschichtungsverfahrens erprobt.

Erfolgreiche Erstversuche

Die Versuche sind erfolgreich verlaufen. „Das Plasmaspray-Verfahren eignet sich für die Beschichtung verschiedenster Oberflächen: von der Badausstattung in Krankenanstalten über Haltestangen in öffentlichen Verkehrsmitteln bis hin zu Türklinken, Lichtschaltern und Möbeloberflächen in Arztpraxen“, sagt Studiengangsleiter FH-Prof. DI Dr. Daniel Heim. „Prinzipiell lässt sich damit jede Oberfläche beschichten, die kontaminiert werden könnte.“

Umweltfreundlicher Ersatz für Desinfektion

„Damit kann der Einsatz klassischer Desinfektionsmethoden, die die Oberfläche langfristig zerstören können, stark reduziert oder vermieden werden. Weiters wird nur dort eine biozide, hauchdünne Beschichtung aufgebracht, wo es wirklich nötig ist. Das verringert die verbrauchte Biozid-Menge, spart Kosten ein und ist umweltfreundlicher“, sagt Heim weiter.

Ziele dieses von der FFG geförderten Forschungsprojektes waren die Entwicklung der Anlagen- und Prozesstechnik zur Erzeugung dieser bioziden Oberflächen auf Basis von Metalloxiden und hydrophoben Filmen. „Wir haben für dieses Projekt feinste Partikel aus Zink mittels Argon-Plasma unter Atmosphärendruck auf Substrate abgeschieden und diese zusätzlich mit Nano-Schichten versiegelt, um eine kontrollierte Langzeitwirkung zu erzielen“, erklärt Inocon-Entwicklungsleiter Andreas Hinterer. Die nur wenige Mikrometer dünne Zinkschicht wirkt zuverlässig keimtötend, ist aber gesundheitlich unbedenklich. Die neuen Oberflächen werden anschließend physikalisch getestet und ihre biozide Wirkung biologisch-mikroskopisch analysiert.

Fächerübergreifende Forschung

„Das Schöne an diesem interessanten Forschungsprojekt ist, dass viele Fachbereiche der FH Oberösterreich zusammenarbeiten – Kunststofftechnik, Plasmatechnik, Werkstoffcharakterisierung, Biotechnologie und die Medizintechnik“, freut sich Studiengangsleiter Heim.

Auf dem Weg zur Marktreife

Aktuell laufen bei Inocon umfangreiche Verschleißprüfungen und Alterungstests. Gespräche mit Krankenhausausstatter laufen bereits sehr erfolgreich.

Externer Link: www.fh-ooe.at

Virtuelles Screening nach Wirkstoffen gegen das Coronavirus

Medienmitteilung der Universität Basel vom 09.03.2020

Die Universität Basel arbeitet mit an der weltweiten Suche nach einem Wirkstoff gegen das momentan grassierende Coronavirus: Forschende der Gruppe «Computational Pharmacy» haben bisher fast 700 Millionen verschiedene Substanzen an einem spezifischen Angriffspunkt des Virus virtuell getestet – mit dem Ziel, dessen Vermehrung zu blockieren. Wegen der momentanen Notlage werden erste Ergebnisse der Tests anderen Forschungsgruppen sofort zur Verfügung gestellt.

Die Forschungsgruppe um Prof. Dr. Markus Lill am Departement Pharmazeutische Wissenschaften hat in den letzten Wochen ihre computergestützten Methoden eingesetzt, um nach möglichen Wirkstoffen gegen das momentane Coronavirus zu suchen, ebenso gegen zukünftige ähnliche Epidemien. Dabei haben die Wissenschaftler mehr als 680 Millionen Substanzen an einem wichtigen Protein des Virus, der zentralen Protease, rein virtuell getestet.

Durch dieses «Virtuell Screening» wurden bereits einige interessante Substanzen Identifiziert, die das Potenzial haben, das kritische Enzym des Virus zu blockieren – und damit dessen weitere Vermehrung. «Auch wenn die vollständige Entwicklung eines Wirkstoffs gegen das momentane Coronavirus die Dauer der momentanen Epidemie wahrscheinlich übersteigen dürfte, ist es wichtig, Wirkstoffe für zukünftige Coronaviren zu entwickeln. So können ähnliche Gesundheitsnotstände wie der momentane im Keim erstickt werden», sagt Forschungsgruppenleiter Lill.

Testergebnisse öffentlich

Im Anbetracht der aktuellen Notlage hat sich die Gruppe zu einem eher untypischen Vorgehen entschlossen, indem sie nämlich die Testergebnisse sofort als Open Source der Öffentlichkeit in Form eines Preprints zur Verfügung stellt. Die Publikation wurde in den ersten 48 Stunden schon mehr als 3000 Mal konsultiert.

Die Basler Forschenden hoffen nun, dass weltweit eine grössere Anzahl an Forschungsgruppen ihre Vorschläge aufnimmt, sie am Virus testet und weiterführende Studien einleitet. Normalerweise würden für das Wirkstoffdesign die interessanten Moleküle zusammen mit andern Gruppen experimentell getestet, bevor die Ergebnisse patentiert und publiziert werden. Der Hauptfokus von anderen laufenden Studien zum Coronavirus liegt momentan auf der Verwertbarkeit von existierenden antiviralen Medikamenten oder der Neuausrichtung von anderen Medikamenten.

Originalpublikation:
André Fischer, Manuel Sellner, Santhosh Neranjan, Markus A. Lill, and Martin Smiesko
Inhibitors for Novel Coronavirus Protease Identified by Virtual Screening of 687 Million Compounds
ChemRxiv (2020)

Externer Link: www.unibas.ch

Solidarität statt Panik: mit Computermodellen gegen COVID19

Presseaussendung der TU Wien vom 11.03.2020

COVID-19 breitet sich weiter aus, die Lage in Italien ist kritisch. Die TU Wien und ihre Forschungspartner berechnen mit Computermodellen, welche Strategien nun nötig sind.

Große Teile Italiens stehen unter Quarantäne. Über hundert COVID19-Todesopfer wurden am Sonntag (8.3.) in Italien gezählt. Dass die Lage so dramatisch ist, liegt nicht nur an der hohen Zahl der Infizierten, sondern wohl auch daran, dass das Gesundheitssystem überfordert ist: Wenn Plätze auf der Intensivstation fehlen oder zu wenige Beatmungsgeräte zur Verfügung stehen, dann sterben auch Menschen, die eigentlich geheilt werden könnten.

An der TU Wien wird seit über zehn Jahren an Computermodellen geforscht, mit denen man nun das Gesundheitssystem bei der Planung von Maßnahmen unterstützt. Im Rahmen der als FFG COMET-Projekt gestarteten Forschungsplattform „DEXHELPP“ arbeiteten die TU Wien, das Modellierungs- und Simulations-Unternehmen dwh (ein Spin-off der TU Wien) und mehrere weitere Partnerorganisationen aus dem IT- und Gesundheitsbereich zusammen, um Simulationen über die Ausbreitung von Erkrankungen zu entwickeln. Daher steht nun auch ein verlässliches, gut validiertes, Österreich-spezifisches Computermodell zur Verfügung, mit dem man unterschiedliche Strategien auf ihre Wirksamkeit testen kann.

Grund zur Panik besteht nicht, betont das Forschungsteam. Österreichs Gesundheitssystem ist resilienter als das Gesundheitssystem in Italien. Trotzdem ist Vorsicht geboten: Die Computermodelle zeigen klar, dass die empfohlenen Schutzmaßnahmen die Anzahl der COVID19-Todesfälle deutlich reduzieren können.

Ziel: Flacher Anstieg, niedrige Spitze

„Wie viele Menschen an COVID19 erkranken werden, ist nicht vorauszusagen“, sagt Dr. Niki Popper (Institut für Information Systems Engineering, TU Wien). „Wichtig ist aber, den Verlauf der Epidemie zu verlangsamen, damit nicht zu viele Menschen gleichzeitig intensive Betreuung brauchen. Das Ziel ist ein möglichst flacher Verlauf mit einem möglichst niedrigen Spitzenwert, bevor die Zahlen dann wieder zurückgehen. Bei einer milderen Epidemie, die länger dauert, sterben meist deutlich weniger Menschen als bei einem heftigen Ausbruch, der rascher wieder vorbei ist.“

Genau deshalb ist es wichtig, auf Hygiene zu achten und auf unnötige Kontakte zu verzichten, besonders wenn man zur Risikogruppe gehört. „Schon mit sehr einfachen Rechenmodellen können wir zeigen: Wenn man die Anzahl der Kontakte nur um 25 % reduziert, sinkt die Höhe des Peaks auf 58 % ab, würde man sie um 50 % reduzieren sinkt der Peak auf unter 30 %“, berichtet Martin Bicher, der das Modell mit aufgebaut hat.

Allerdings ist Kontakt nicht gleich Kontakt: Das Computermodell kann auch für unterschiedliche Menschen unterschiedliche Kontaktnetzwerke berechnen. Wenn man etwa Hochrisikopatient_innen und Einsatzkräfte besonders gut schützt, nützt das besonders viel. Die aktuellen Simulationsergebnisse zeigen, dass sich der Peak der Krankheit dadurch sogar noch stärker reduzieren lässt.

Gerade Menschen, die Kontakt zu Hochrisikopersonen haben, etwa pflegende Angehörige, sollten so weit wie möglich aus dem System genommen werden und auf risikoreiche Kontakte verzichten. Inwieweit Veranstaltungen abgesagt werden, ist momentan noch schwer zu sagen. „Daran rechnen wir derzeit, Ergebnisse erwarten wir im Lauf der Woche. Risikopersonen sollten Großveranstaltungen eher meiden“, sagt Niki Popper.

Solidarität rettet Leben

„Was wir jetzt in erster Linie brauchen ist Solidarität, sowohl regional als auch zwischen verschiedenen Ländern“, betont Niki Popper. „Egoismus bringt niemandem etwas. Wir hören von Krankenhäusern, in denen Mundschutzmasken gestohlen werden. Genau das ist das Verhalten, das Menschenleben gefährdet.“

Die Computermodelle, mit denen nun verschiedene COVID19-Ausbreitungsszenarien berechnet werden, sind agentenbasiert – in der Simulation werden also einzelne virtuelle Personen abgebildet, die sich nach bestimmten Mustern verhalten und Kontakte haben. Dazu werden Daten der Statistik Austria verwendet. Regionale Bevölkerungsdaten aus ganz Österreich fließen in die Simulation ein. Topographische Faktoren (wie etwa die Seehöhe) spielen eine Rolle, die von Region zu Region unterschiedliche Mobilität wird im Modell ebenso berücksichtigt. Wichtig ist auch, die Gesundheitsinfrastruktur korrekt abzubilden: Wo gibt es welche Krankenhauskapazitäten? Wie viele Quarantäne-Betten können wo zur Verfügung gestellt werden?

Zusätzlich wird das Modell laufend mit neuen Erkenntnissen über COVID-19 gefüttert: Von Tag zu Tag lassen sich Parameter wie Ansteckungswahrscheinlichkeit oder Inkubationszeit besser einschätzen. „Wenn das medizinische Wissen zuverlässiger wird, werden damit auch unsere Prognosen aussagekräftiger“, sagt Niki Popper. „Es ist wie Fahren auf Sicht auf einer nebeligen Straße: Mit unseren Modellen können wir ein Stück in die Zukunft sehen und verstehen welche Maßnahmen welche Auswirkungen haben würden – aber natürlich nicht beliebig weit.“

Das soll bei schwierigen politischen Entscheidungen helfen, zum Beispiel wenn entschieden werden muss, welche Veranstaltungen abgesagt werden sollen oder welche Schulen geschlossen werden sollen. „Man muss immer eine vernünftige Balance finden zwischen dem Nutzen, den man generiert, und den Nachteilen, die das mit sich bringt“, sagt Popper. „Und genau dabei helfen unsere Simulationsmodelle.“ (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at