Ausgewählte Projekte

Die Landwirtschaft steht vor einem tiefgreifenden Wandel, in dem wirtschaftliche, ökologische und gesellschaftliche Interessen unter dem Einfluss von Klimawandel und geopolitischen Krisen ausbalanciert werden müssen. Regulatorische Vorgaben, wie die EU-Ziele zur Halbierung des Einsatzes chemischer Pflanzenschutzmittel (PSM) bis 2030, stellen Landwirte vor große Herausforderungen, da alternative Strategien zur Bekämpfung von Pflanzenkrankheiten noch nicht ausgereift sind. Ein übermäßiger Einsatz von Fungiziden führt zu Biodiversitätsverlusten, während ihr Verzicht erhebliche Ertragseinbußen nach sich ziehen kann. Das mittelfristige Ziel muss es daher sein, die Menge an PSM optimal an den tatsächlichen Bedarf anzupassen und nur dann PSM auszubringen, wenn tatsächlich ein pathogener Befall vorhanden ist oder droht. Hierfür müssen neue innovative Verfahren entwickelt werden, um einen solchen Befall möglichst frühzeitig zu erkennen oder anhand intelligenter Prognosemodelle vorhersagen zu können.

Wenn Pflanzen unspezifische Krankheitssymptome aufweisen, ist die Bestimmung des Erregers arbeits- und zeitaufwändig und erfordert meist Labordiagnostik. Das Ergebnis liegt oft erst nach mehreren Tagen vor. Das ist problematisch, da die Gefahr der Übertragung gerade bei hochansteckenden Quarantäneerregern groß ist und dann der ganze Pflanzenbestand vernichtet werden muss. Im Projekt »Nanosonden-gestütztes Screeningverfahren zur Pflanzenpathogen Detektion« (NanoSPoD) steht der Quarantäneschaderreger Tomato brown rugose fruit virus (ToBRFV) im Fokus, der zu großen Ernteverlusten bei Tomaten- und Paprikapflanzen führt. Um die Verbreitung zu begrenzen, soll u.a. für Kontrollbehörden wie die Landwirtschaftskammern ein schnelles mobiles Testsystem entwickelt werden. Bei unserem Analyseverfahren werden Viren spezifisch durch Antikörper-gekoppelte magnetische Nanosonden markiert und die Virusmenge mit einem mobilen Handheld-Messgerät über das magnetische Messsignal bestimmt. Nach einer kurzen Probenvorbereitung können vor-Ort-Analysen innerhalb weniger Minuten durchgeführt werden, was einen großen zeitlichen Vorteil gegenüber der Labordiagnostik bedeutet.

In den vergangenen Jahrzehnten hat nicht nur der Verbrauch von Zucker kontinuierlich zugenommen, sondern auch die Zahl der chronischen Erkrankungen, die auf den übermäßigen Konsum von Zucker zurückzuführen sind, ist weltweit stark angestiegen. Krankheiten wie Karies, Bluthochdruck, Herz-Kreislauf-Erkrankungen (Schlaganfall und Herzinfarkt), Diabetes Typ 2, Übergewicht und Fettleibigkeit bei Kindern und Erwachsenen werden durch den langfristigen Verzehr von Zucker verursacht bzw. begünstigt. Um den steigenden gesundheitlichen Problemen durch Ernährung entgegenzuwirken, hat das Bundesministerium für Landwirtschaft und Ernährung (BMEL) das Ziel, den Zuckergehalt in Fertigprodukten und Getränken zu reduzieren, um die direkten und indirekten Kosten für die Volkswirtschaft und die Gesellschaft insgesamt zu senken. Süßschmeckende Proteine, die erstmals aus tropischen und afrikanischen Pflanzen isoliert wurden, können als Vorlage dienen, um gesündere Alternativen zu Zucker zu entwickeln und ernährungsbedingten Krankheiten entgegenzuwirken.

Immer wieder kommt es zu Situationen, in denen eine Kontamination mit Krankheitserregern nicht ausgeschlossen werden kann, z. B. nach Großschadensereignissen wie Überschwemmungen oder Erdbeben. Die Versorgung mit unserem wichtigsten Lebensmittel Trinkwasser ist weltweit von großer Bedeutung. Ziel des vom BMBF geförderten Verbundprojekts "Nanosonden basierte Schnellanalytik von Trinkwasser in Krisensituationen (NANObeST)" ist die Erforschung, Erprobung und Etablierung eines mobil einsetzbaren Schnellanalysesystems für Trinkwasser.  

Lebensmittelverunreinigungen durch Schimmelpilzgifte (Mykotoxine) sind ein ubiquitär verbreitetes Problem und können sowohl starke gesundheitliche Probleme als auch erhebliche finanzielle Einbußen für die lebensmittelverarbeitenden Betriebe bewirken. Lebensmittelproduzenten müssen aus diesem Grund sicherstellen, dass eingesetzte Rohstoffe, wie beispielsweise Getreide und Milch, frei von Kontaminationen sind. Im Rahmen des MykoNANO-Projekts soll für diese Zwecke ein Schnelltest entwickelt werden, der es auf Basis eines kompetitiven magnetischen Immunoassays ermöglicht innerhalb von etwa 30 Minuten verlässlich eine Vielzahl von Mykotoxinen unterhalb der gesetzlich vorgegebenen Grenzwerte zu detektieren. Dies wird durch die Kopplung von monoklonalen Antikörpern an magnetische Nanosonden erreicht, die spezifisch an  eventuell vorhandene Kontaminationen binden. Im Folgenden werden diese mittels portablem Auslesegerät und Smartphone‑App quantifiziert und die Ergebnisse dokumentiert.

Das Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME in Aachen ist als Verbundpartner an der Etablierung eines flexibel und kosteneffizient einsetzbaren Vor-Ort-Schnelltestsystem zur Detektion von lebensmittelrelevanten Zoonoseerregern beteiligt. Das durch die Europäische Union und das Land Nordrhein-Westfahlen geförderte Projekt FlexScreen soll dazu beitragen den Prozess der Fleischverarbeitung von der Basis der Tierhaltung bis zum Endprodukt zu optimieren, um vor allem durch einen verbesserten Informationsfluss sowohl die Tiergesundheit als auch die Lebensmittelsicherheit zu erhöhen. Neben dem vom  Fraunhofer IME und der Firma Quh-Lab Lebensmittelsicherheit entwickelten Schnelltest sollen die erhobenen Befunde unter Mitwirkung der weiteren Partner Chainpoint GmbH und der Fachhochschule Südwestfalen mit weiteren Daten in ein Monitoringmodell überführt werden.

Im Rahmen von AquaNANO soll ein neues Analysesystem zur schnellen vor-Ort Identifizierung von biologischen Trinkwasserkontaminationen entwickelt werden. Damit soll Hilfsorganisationen, die für die Trinkwasserversorgung in Krisenfällen zuständig sind, ein Werkzeug bereitgestellt werden, um innerhalb von Minuten große Probenvolumen auf Kontaminationen zu untersuchen. Das Verfahren soll aber auch in der Routineanalytik zum Einsatz kommen. Speziell funktionalisierte magnetische Nanosonden sollen innerhalb eines Trinkwasserkontingents oder -verteilungsnetzes eingesetzt werden, wo sie gezielt an gefährliche Keime und Toxine binden...

Pflanzenpathogene verursachen weltweilt erhebliche Ertragsverluste (>20%) in den wichtigsten Nutzpflanzen wie Reis und Mais. Die derzeitig existierenden Maßnahmen zur Prävention von Pflanzenkrankheiten und Gegenmaßnahmen sind aufwendig und kostspielig. Insbesondere in Gebieten mit hoher Luftfeuchtigkeit, die ideale Wetterbedingungen zur Ausbreitung von Pflanzenpathogenen bieten, ist die Anwendung von Pestiziden und Fungiziden unumgänglich und stellt einen erheblichen finanziellen Anteil an den Produktionskosten in der Landwirtschaft dar. Hingegen sind Landwirte jederzeit darin bemüht die Kosten für Pestizide zu senken, um ökologische Umweltschäden zu vermeiden. Zumal die Öffentlichkeit und Verbraucher nachhaltige Ansätze zur Krankheitsbewältigung in der Landwirtschaft verlangen. Deshalb ist eine frühzeitige Detektion von Pflanzenpathogenen erforderlich um gezielte Gegenmaßnahmen zur Bekämpfung der Pathogene zu ermöglichen.

Die Optimierung von Ernteerträgen ist eine der wichtigsten aktuellen Herausforderungen der Agrarforschung. Eine Möglichkeit, die Produktivität zu steigern ist die Verbesserung der Photosyntheseleistung, da die Kohlenstoffassimilierung im Rahmen der Photosynthese das Pflanzenwachstum entscheidend beeinflusst.

Durch unseren Ansatz, bei dem wir ein Fusionsprotein aus mehreren Untereinheiten der Glykolat-Dehydrogenase in Tabak und Kartoffeln eingebaut haben, konnten wir die Effizienz der Nährstoffnutzung, das Pflanzenwachstum, sowie den Ertrag signifikant steigern.

In diesem Projekt soll auf Basis eines neu entwickelten zellfreien Proteinexpressionssystems ein neuartiges High-Throughput-Screening (HTS) System entwickelt werden, um die Suche nach neuen Proteinkandidaten zu beschleunigen. Das Fraunhofer IME ist hierbei für die Herstellung der biologischen Komponenten sowie die Etablierung eines agarosebasierten Dünnschicht in vitro Transkriptions-Translations-Systems verantwortlich. In Kooperation mit der Firma LightFab werden fachübergreifend die neuesten Entwicklungen in der zellfreien Proteinexpression und der Lasermaterialbearbeitung zusammengeführt. Dies soll zur Entwicklung einer neuartigen Lasermikrodissektions (LMD)-Plattform für das HTS führen. Das LMD-System soll sowohl das automatisierte als auch manuelle Screening und die Dissektion von beliebig geformten und positionierten Objekten mit Raten von 100 bis zu 20.000 Events pro Sekunde ermöglichen.