image: A team from the Technical University of Munich (TUM) has developed a biodegradable agent that keeps pests at bay without poisoning them: like mosquito repellent used by bathers in the summer, biotechnologically produced cembratrienol deters voracious insects. If aphids have the choice between wheat seedlings with (right) and without CBT-ol treatment (left), they avoid the treated seedlings. view more
Credit: Wolfgang Mischko / TUM
Traditionelle Pflanzenschutzmittel sind Killer: Sie vernichten nicht nur Schädlinge, sondern gefährden auch Bienen und andere nützliche Insekten, außerdem beeinträchtigen sie die biologische Vielfalt in Böden, Seen, Flüssen und Meeren. Ein Team der Technischen Universität München (TUM) hat jetzt eine Alternative entwickelt: Ein biologisch abbaubarer Wirkstoff hält Schädlinge fern ohne zu vergiften.
Es geht nicht nur um die Bienen, es geht ums Überleben der Menschheit, sagt Professor Thomas Brück, Inhaber des Werner Siemens-Lehrstuhls für Synthetische Biotechnologie der TU München. Ohne die Bienen, die eine Vielzahl von Pflanzen bestäuben, wären nicht nur unsere Supermarktregale ziemlich leer, sondern innerhalb kurzer Zeit wäre auch die Versorgung der Weltbevölkerung mit Nahrung nicht mehr gewährleistet.
Synthetisch hergestellte Insektizide gefährden nicht nur Bienen, sondern auch Käfer, Schmetterlinge und Grashüpfer sie beeinträchtigen die biologische Vielfalt in Böden, Seen, Flüssen und Meeren. Ihr Einsatz ist daher seit vielen Jahren schon höchst umstritten.
Fernhalten statt vergiften
Brück und sein Team haben jetzt eine Alternative gefunden: Das von ihnen entwickelte Insekten-Abwehrmittel ist biologisch abbaubar und ökologisch unbedenklich. Auf Pflanzen gesprüht wirkt es ähnlich wie Mückenspray, das Badegäste im Sommer auftragen: Es verbreitet einen Geruch, der unerwünschte Insekten fern hält.
Mit unserem Ansatz ermöglichen wir einen fundamentalen Wechsel im Pflanzenschutz, sagt Brück. Statt Gift zu versprühen, das immer auch nützliche Arten gefährdet, vergrämen wir gezielt nur die Schädlinge.
Bakterien als Chemie-Fabriken
Vorbild der Münchner Forscher war die Tabakpflanze. Diese erzeugt in ihren Blättern Cembratrienol, kurz CBT-ol. Mit diesem Molekül schützt sich die Pflanze vor Schädlingen.
Mit Werkzeugen der Synthetischen Biotechnologie isolierte das Team um Professor Brück diejenigen Abschnitte aus dem Genom der Tabakpflanze, die für die Bildung der CBT-ol-Moleküle verantwortlich sind.
Anschließend bauten sie diese in das Erbgut von Coli-Bakterien ein. Gefüttert mit Weizenkleie, einem Nebenprodukt aus Getreidemühlen, produzieren die genetisch veränderten Bakterien nun den gewünschten Wirkstoff.
Effizienz im Kleinen wie im Großen
Die größte Herausforderung bei der Produktion lag darin, die Wirkstoffe am Ende des Prozesses von der Nährlösung abzutrennen, erklärt Mirjana Minceva, Professorin für Biothermodynamik am TUM Campus Weihenstephan.
Die Lösung brachte die zentrifugale Trennungschomatographie. Das Verfahren ist höchst effizient und funktioniert auch im industriellen Maßstab, wurde aber zuvor noch nie für die Auftrennung von Produkten aus Fermentationsprozessen eingesetzt.
Wirksam auch gegen Bakterien
Erste Untersuchungen belegen, dass das CBT-Spray Pflanzen für Insekten ungiftig ist und trotzdem wirksam vor Blattläusen schützt. Da es biologisch abbaubar ist, reichert es sich auch nicht an.
Darüber hinaus zeigte sich in den Bioaktivitätstests, dass Cembratrienol eine antibakterielle Wirkung auf gram-positive Bakterien hat. Es könnte daher als Desinfektionsspray genutzt werden, das spezifisch gegen Krankheitserreger wie Staphylococcus aureus (MRSA Erreger), Streptococcus pneumoniae (Erreger Lungenentzündung) oder Listeria monocytogenes (Erreger der Listeriose) wirkt.
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Das Projekt wurde gefördert vom Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft, Energie und Technologie sowie von der Werner Siemens-Stiftung. Für die technische Skalierung und Validierung der Cembratrienol-Produktion nutzte das Forschungsteam den Gerätepark des TUM Zentrums für Weiße Biotechnologie in Garching. Die Bioaktivitätstests wurden am Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik der Friderich Alexander Universität Erlangen-Nürnberg durchgeführt.
Publikation:
Wolfgang Mischko, Max Hirte, Simon Roehrer, Hannes Engelhardt, Norbert Mehlmer, Mirjana Minceva and Thomas Brück
Modular Biomanufacturing for a Sustainable Production of Terpenoid-based Insect Deterrents
Green Chemistry, May 14, 2018 DOI: 10.1039/C8GC00434J
Journal
Green Chemistry