Munich, Germany
June 6, 2018
If aphids have the choice between wheat seedlings with (right) and without CBT-ol treatment (left), they avoid the treated seedlings. (Images: W. Mischko / TUM)
Haben Blattläuse die Wahl zwischen Weizenkeimlingen mit (rechts) und ohne CBT-ol-Behandlung (links), so meiden sie die behandelten Keimlinge. (Bilder: W. Mischko / TUM)
Traditional insecticides are killers: they not only kill pests, they also endanger bees and other beneficial insects, as well as affecting biodiversity in soils, lakes, rivers and seas. A team from the Technical University of Munich (TUM) has now developed an alternative: A biodegradable agent that keeps pests at bay without poisoning them.
"It's not just about the bees, it's about the survival of humanity," says Professor Thomas Brück, who heads the Werner Siemens Chair of Synthetic Biotechnology at TU Munich. "Without the bees that pollinate a wide variety of plants, not only would our supermarket shelves be quite bare, but within a short time, it would no longer be possible to supply the world's population with food."
Synthetically produced insecticides endanger not only bees but also beetles, butterflies and grasshoppers. They affect biodiversity in soils, lakes, rivers and seas. Their use has consequently been highly controversial for many years.
Repelling instead of poisoning
Brück and his team have now found an alternative: The insect repellent they have developed is biodegradable and ecologically harmless. Sprayed on plants, it works much like mosquito repellent used by bathers in the summer, spreading a smell that keeps away unwanted insects.
"With our approach, we are opening the door to a fundamental change in crop protection," says Brück. "Instead of spraying poison, which inevitably also endangers useful species, we deliberately merely aggravate the pests."
Bacteria as chemical factories
The Munich researchers were inspired by the tobacco plant, which produces cembratrienol in its leaves, CBTol for short. The plant uses this molecule to protect itself from pests.
Using synthetic biotechnology tools, Professor Brück's team isolated the sections of the tobacco plant genome responsible for the formation of the CBTol molecules. They then built these into the genome of coli bacteria. Fed with wheat bran, a by-product from grain mills, the genetically modified bacteria now produce the desired active agent.
Efficiency in small and large scales
"The key challenge during production was to separate the active ingredients from the nutrient solution at the end of the process," explains Mirjana Minceva, Professor of Biothermodynamics at the TUM Weihenstephan Campus.
The solution was centrifugal separation chromatography: a highly efficient process that works equally well on an industrial scale, but hitherto had never been used to separate products from fermentation processes.
Equally effective against bacteria
Initial investigations indicate that the CBTol spray is non-toxic to insects, yet still protects against aphids. Since it is biodegradable, it does not accumulate.
In addition, the bioactivity tests showed that cembratrienol has an antibacterial effect on gram-positive bacteria. It can thus be used as a disinfectant spray that acts specifically against pathogens such as Staphylococcus aureus (MRSA pathogen), Streptococcus pneumoniae (pneumonia pathogen) or Listeria monocytogenes (listeriosis pathogen).
Publication:
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
http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/gc/c8gc00434j#!divAbstract
Further information:
The project was funded by the Bavarian Ministry of Economic Affairs, Energy and Technology and the Werner Siemens Foundation. The research team used the equipment pool of the TUM Center for Industrial Biotechnology in Garching to do the technical scaling and validation of the cembratrienol production. The bioactivity tests were carried out in the Department of Biochemical Engineering of the Friedrich Alexander University Erlangen-Nürnberg.
Bio-Insektenspray für die Landwirtschaft - Biologisch abbaubare Pflanzenschutzmittel ohne Risiken und Nebenwirkungen
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.
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
Weitere Informationen:
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.
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