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

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

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