Archiv des Autors: drpatricialefevre

Über drpatricialefevre

Mein Name ist Patricia Lefèvre,  ich bin deutsch-französin. Meine Eltern sind deutsche und ich bin in Frankreich geboren. Mein Vater ist Ingenieur für Fahrzeugbau, meine Mutter Apothekerin. Da beide in frühen Jahren die Liebe zu Frankreich entdecken und nicht nur um dort Urlaub zu machen, gingen sie Anfang der 70er nach Frankreich. Mein Vater arbeitete bei Citroën in der Getriebeentwicklung im Werk in Metz und meine Mutter als Apothekerin in Metz. Ende der 70er wurde in Trèmery, bei Metz, ein neues Motorenwerk von Citroën und Peugeot gebaut, welches heute das größte Dieselmotorenwerk der Welt ist. Da die kleine Gemeide Trèmery in kürzester Zeit wuchs, beschlossen meine Eltern sich mit einer Apotheke selbständig zu machen. So wurde mir von beiden der Grundstock von Wissenschaft von Kindheit an mitgegeben. Da ich immer wissen wollte wie was und warun funktioniert oder so ist, studierte ich in Paris an der Universität Pierre et Marie Curie, nach Pierre und Marie Skłodowska Curie benannt, Physik und Mathematik. Nach dem Studium blieb ich an der Uni, wechselte dort zu ISIR - Institute of Intelligent Systems and Robotics. 2005 ging ich aus privaten Gründen zu meinen Großeltern nach Reutlingen und studierte an der Uni Tübingen Nanotechnologie. 2008 wurde ich Dozentin für Angewandte Physik. 2010 wurde meine Tochter und 2013 mein Sohn in Reutlingen geboren. In dieser Zeit schrieb ich auch meine Dissertation. Im Herbst 2019 ging ich mit meiner Familie nach Frankreich und bin seit dieser Zeit an der UBFC - Université Bourgogne Franche-Comté, in der Forschung der Nanotechnologie. Da die UBFC eng mit der ESA - European Space Agency,  im Bereich Nanotechnologie zusammen arbeitet, ist dies für mich nochmals eine Herausforderung in der unglaublichen Weite dieser Technologie. Ich bin ein Naturmensch und diese erlebe ich zu Fuß, mit dem Rad oder Kanu. Wann immer es die Zeit zulässt, gehe ich mit der Familie, oder auch eine Woche alleine mit meinem Hund campen und dies nicht nur im Juli oder August. Rucksack, Zelt und ne Flasche Wein - mehr brauche ich für ein Wochenende nicht. Ich habe einen Jagdschein und besorge das Abendessen selbst. Ich weiß, dass dieses Thema sehr kontrovers diskutiert wird und gerade jene am lautesten schreien, die die wenigste Ahnung von Naturschutz haben.

„Houston, we’ve had a problem.“

„Houston, we’ve had a problem.“

Dies waren die Worte eines der wohl bekanntesten Funksprüche, die der Astronaut und Kommandant der Apollo 13 Mission, John „Jack“ Swigert, am 13. April 1970 an das Mission Control Center der NASA funkte.

Damals waren des drei Astronauten in Weltall, heute haben 7,7 Milliarden Menschen ein Problem mit einem mikroskopisch kleinen Virus.

Autorin Dr.rer.nat. Patricia Lefèvre

Um nun den „Fach-Virologen“ eine kleine Einordnung in die Arbeit der Forscher_innen zu geben, erklärte ich der YouTube- und Facebook-Fachwelt, wie sich die genomische Überwachung zusammensetzt.

Jenes Netzwerk, welches für die genomische Überwachung in Südafrika zuständig ist, arbeitet mit vielen Universitäten zusammen.

Das Network for Genomics Surveillance in South Africa, dem das Nationale Institut für übertragbare Krankheiten (NICD), das KRISP an der Universität von KwaZulu-Natal (UKZN), die Universität Kapstadt (UCT), die Universität Stellenbosch (SUN), die Universität des Freien Staates (UFS), die Universität Pretoria, die Universität Witwatersrand (WITS) und der Nationale Gesundheitslaboratoriumsdienst (NHLS) angehören, überwachen seit März 2020 Veränderungen bei SARS-CoV-2. Also jenem Virus welches COVID-19 verursacht.
(Anm.: in einem  Beitrag vom 30. Juni 2021 bin ich auf die Linien der Virus Veränderungen schon eingegangen.)

Was ist die B.1.1.529-Linie?

Am 22. November 2021 haben Forscher in Südafrika eine Gruppe verwandter SARS-CoV-2-Viren mit der Bezeichnung B.1.1.529 entdeckt. Die Virus-Variante B.1.1.529 wurde in der Provinz Gauteng, besser ist Pretoria bekannt, relativ häufig nachgewiesen, wobei >70 % der sequenzierten Genome von Proben, die zwischen dem 14. und 23. November 2021 gesammelt wurden, zu dieser Linie gehören. Diese Linie weist eine große Anzahl von Mutationen auf, die bereits in anderen SARS-CoV-2- variant of interest 
( zu deutsch: VOI =Varianten von Interesse) oder variant of concern (VOC), also: besorgniserregenden Varianten, beobachtet wurden.
Auch wurde an der Universität Pretoria eine andere- und somit neuartige Mutationen in genomische Überwachung von Sequenzen gefunden.
Eine dieser Veränderungen kann durch Standarddiagnosetests, die auf das S-Gen abzielen, nachgewiesen werden, so dass diese Linie in Südafrika ohne Sequenzierungsdaten nachgewiesen werden kann.

Die WHO und das südafrikanische Gesundheitsministerium wurden Anfang dieser Woche auf diese neue Linie ( Mutation des SARS-CoV-2 Stamm) aufmerksam gemacht. Die NGS-SA überwacht weiterhin die Häufigkeit dieser Linie, und Labortests zur Bewertung der funktionellen Auswirkungen dieser Mutationen laufen unter hochdruck.

Bis zum 27. November 2021 erfüllt die neu montierte B.1.1.529 Linie noch nicht die WHO-Kriterien für VOC oder VOI.
Also: bis jetzt ist noch nicht klar, wie sich diese notierte SARS-CoV-2 Linie auf den menschlichen Organismus auswirken.
Wie schnell sich die neue Variante ausbreitet und die genomische Veränderung eintritt, muss zum jetzigen Zeitpunkt untersucht werden. Dafür braucht es nun Daten, die bei neuinfektionen gesammelt werden.

Wie unterscheiden sich die Varianten C.1.2, Beta oder Delta von der Linie B.1.1.529?

Die B.1.1.529-Linie weist zwar einige gemeinsame Mutationen mit den C.1.2-, Beta- und Delta-Varianten auf, hat aber auch eine Reihe zusätzlicher Mutationen. Gegenwärtig unterscheidet sich die B.1.1.529-Linie relativ deutlich von den C.1.2-, Beta- und Delta-Varianten und weist einen anderen Evolutionspfad auf. Zur Zeit gibt keine Erkenntnisse über ungewöhnlichen Symptome, als nach einer Infektion mit der Variante B.1.1.529. Gesichert ist nur, dass es wie bei anderen Varianten zu sehr asymptomatischen Verläufte der Krankheit kommt. Auch sind die bisherigen Impfstoffe für die bekannten Virus-Variante bei der neusten Sars-CoV-2 Variante noch nicht geprüft.

Wie alle Viren verändert sich auch SARS-CoV-2 mit der Zeit, wobei Mutationen, die dem Virus einen Vorteil verschaffen, bei neueren Infektionen bevorzugt werden. Zwar sind einige der Mutationen in der B.1.1.529-Linie auch in anderen SARS-CoV-2-Varianten aufgetreten, die Anlass zur Sorge geben. Es ist wahrscheinlich, dass Impfstoffe immer noch ein hohes Maß an Schutz vor Krankenhausaufenthalten und Tod bieten werden. Es wird bereits geforscht, wie sich das Immun-Escape-Potenzial von B.1.1.529 im Labor verhält. Genaue Daten und Prognosen kann zur Zeit niemand geben. Solange es aber keine verlässlichen Daten gibt, sollte man weiterhin vorsichtig sein und sich an die Regeln zur Eindämmung der Pandemie halten.

Bis jetzt gehen Forscher_innen davon aus, dass überall dort, wo sich das Virus ausbreitet, weiterhin neue Varianten auftauchen werden. Die Impfung ist nach wie vor von entscheidender Bedeutung, um diejenigen in der Gemeinschaft zu schützen, die einem hohen Risiko von Krankenhausaufenthalten und Todesfällen ausgesetzt sind, um die Belastung des Gesundheitssystems zu verringern und um vor allem die Übertragung zu verlangsamen.

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Dr. rer.nat. Patricia Lefèvre
Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de
Bourgogne, Dijon, 27. November 2021

Corona und die Folgen

Cartoon-Darstellung des SARS-CoV-2 3CLpro-Homodimers. Kette-A (Protomer-A) ist in
mehrfarbig und Kette-B (Protomer-B) ist dunkelblau dargestellt. Der N-Finger, der bei der Dimerisierung eine wichtige Rolle spielt und die aktive Konformation aufrechterhält, ist in heißem Pink dargestellt, Domäne I
ist cyanfarben, Domäne II ist grün und Domäne III ist gelb gefärbt. Die N- und C-Termini sind markiert. Die Reste der katalytischen Dyade (Cys-145 und His-41) sind
gelb hervorgehoben und beschriftet.

Zurück zum Anfang

Wir sind mittlerweile im zweiten Jahr eine Pandemie, welche es in dieser Form in der Geschichte der Menschheit noch nie gegeben hat.

Autorin Dr.rer. nat. Patricia Lefèvre

Ende 2019 wurde ein neuartiger Coronavirus-Stamm gemeldet, der mit tödlichen Atemwegserkrankungen in Verbindung gebracht wurde. Das Zentrum für Krankheitskontrolle und -prävention (CDC), die chinesischen Gesundheitsbehörden und Forscher ergriffen rasche Maßnahmen. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) gab diesem Erreger vorläufig den Namen 2019 novel coronavirus (2019-nCoV).

Bereit am 10. Januar 2020 wurde die erste Ganzgenomsequenz von 2019-nCoV veröffentlicht, die es den Forschern_innen ermöglichte, das Virus bei Patienten mithilfe von Methoden der reversen Transkriptions-Polymerase-Kettenreaktion (RT-PCR) schnell zu identifizieren.

Schon am 21. Januar wurde der erste Artikel über 2019-nCoV veröffentlicht, aus welchem hervorging, dass 2019-nCoV zur Gruppe der Beta-Coronaviren gehört und mit dem Fledermaus-Coronavirus HKU9-1 verwandt ist, ähnlich wie die SARS-Coronaviren, und dass sein Spike-Protein trotz Sequenzvielfalt stark mit dem menschlichen ACE2-Rezeptor interagiert.

Am 30. Januar rief die WHO den internationalen Gesundheitsnotstand (Public Health Emergency of International Concern, PHEIC) für den Ausbruch von nCoV 2019 aus. Später wurde die Mensch-zu-Mensch-Übertragung bestätigt.

Bis zum 31. Januar waren 51 Ganzgenomsequenzen von 2019-nCoV aus verschiedenen Labors und Regionen an die GISAID-Datenbank übermittelt worden.

Am 12. Februar benannte die WHO den 2019-nCoV-Erreger endgültig als SARS-CoV-2 und die verursachende Krankheit als Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-2019).

Trotz des raschen Handelns von Forscher_innen auf der ganze Welt, konnte eine Ausbreitung nicht gestoppt werden. Die ersten Fehler von Staaten und Regierungen wurden gemacht und ab da an gab es kein Halten mehr.

Am 11. März erkannte die WHO COVID-19 formell als Pandemie an.
Bis zum 19. März 2020 stieg die Zahl der Todesopfer weltweit auf 9.913, mit 2.42.650 im Labor bestätigten Fällen.
Die Sterblichkeitsraten unter den Infizierten war von Land zu Land unterschiedlich.

Nun fast zwei Jahre nach dem Ausbruch von SARS-COV-2 sind 5.076.863 Todesfälle registriert.
Man kann nun streiten ob jene Todesfälle mit, an, durch oder wegen Sars-CoV-2 gestorben sind. Fakt ist: diese Menschen sind tot!

Im Frühjahr 2020 liefen weltweit erste Schutzmaßnahmen in fast allen Ländern der Welt an. Diese Maßnahmen veranlassten die ersten Menschen gegen jene Maßnahmen und Regierungen zu demonstrieren.
Der Höhenflug der selbst ernannten Querdenker begann im Frühsommer 2020 und plötzlich wurde Unwahrheit, Halbwahrheiten oder völliger Irrsinn via Internet verbreitet. Folglich kam die zweite Welle der Pandemie.

Phylogenetischer Baum, abgeleitet aus den engsten Homologen von SARS-CoV-2 3CLpro. Zur Erstellung dieses Baums wurde die Maximum-Likelihood-Methode verwendet.

Virologe ist heute jeder

Durch die immer mehr Falschmeldung und wüstesten Verschwörungstheorien liefen viele Menschen anderen hinterher, die eben jene Falschmeldung in der Welt verbreiteten.
Nun stelle ich all diesen „Fach-Virologen“ jenes SARS-Virus mit wissenschaftlich einfachen Worten vor.

Coronaviren sind einzelsträngige RNA-Viren mit positivem Sinn, die ein großes virales RNA-Genom besitzen – deren Erbmaterial aus RNA besteht. Der Begriff RNA-Viren ist keine taxonomische Sammelbezeichnung und enthält keine verwandtschaftlichen Bezüge. Eine genaue Klassifikation der RNA-Viren wird in den Baltimore-Gruppen 3, 4 und 5 und der Taxonomie der Viren vorgenommen.
Die nachfolgenden Repräsentative Arten sind selbstverständlich jedem Virologe bekannt. Da wären zum Beispiel: Hepatitis-C-Virus, Humanes Respiratorisches Synzytial-Virus und das Influenza-A-Virus zu nennen.

Da die Forschung in Studien gezeigt haben, dass SARS-CoV-2 eine ähnliche genomische Organisation wie andere Beta-Coronaviren aufweist, bestehend aus einer 5′-untranslatierten Region (UTR), einem Replikasekomplex (orf1ab), der für nicht-strukturelle Proteine (nsps) kodiert, ein Spike-Protein (S)-Gen, ein Hüllprotein (E)-Gen, ein Membranprotein (M)-Gen, ein Nukleokapsidprotein (N)-Gen, eine 3′-UTR und mehrere nicht identifizierte nicht-strukturelle offene Leserahmen.

Mehrfache Sequenz
Alignment der engsten Homologe von SARS-CoV-2 3CLpro mit 70 % Sequenzidentität.

Obwohl SARS-CoV-2 zu der Gruppe der Beta-Coronaviren eingeordnet wird, unterscheidet sich dieses Virus von MERS-CoV und SARS-CoV.

Die jüngste Studien haben gezeigt, dass die Gene von SARS-CoV-2 eine Nukleotididentität von <80 % und eine Nukleotidähnlichkeit von 89,10 % mit den Genen von SARS-CoV aufweisen. Normalerweise produzieren Beta-Coronaviren bei der Transkription des Genoms ein ∼800 kDa Polypeptid. Dieses Polypeptid wird proteolytisch gespalten, um dadurch verschiedene Proteine zu erzeugen. Die proteolytische Verarbeitung wird durch Papain-ähnliche Protease (PLpro) und 3-Chymotrypsin-ähnliche Protease (3CLpro) vermittelt. Da jenes 3CLpro Polyprotein an 11 verschiedenen Stellen spaltet, um verschiedene nicht-strukturelle Proteine zu erzeugen, die für deren virale Replikation wichtig sind.

Ist also das gleiche Prinzip wie ein Brot mit Marmelade und eines mit Schinken. Nur das bei dem Schinken noch die Variable Tomate oder Gurke Erwähnung finden kann.

Jenes 3CLpro spielt eine entscheidende Rolle bei der Replikation von Viruspartikeln und befindet sich im Gegensatz zu Struktur-/Accessory-Protein-kodierenden Genen am 3′-Ende, das eine übermäßige Variabilität aufweist – siehe Schinkenbrot.
Daher ist es ein potenzielles Ziel für das Screening von Hemmstoffen gegen Coronaviren.

Strukturbasierte Aktivitätsanalysen und Hochdurchsatzstudien haben potenzielle Hemmstoffe für SARS-CoV und MERS-CoV 3CLpro identifiziert. Heilpflanzen, insbesondere solche, die in der traditionellen chinesischen Medizin verwendet werden, haben große Aufmerksamkeit auf sich gezogen, da sie bioaktive Verbindungen enthalten, die zur Entwicklung formaler Medikamente gegen verschiedene Krankheiten ohne oder mit nur minimalen Nebenwirkungen verwendet werden könnten.

Soweit die Einordnung zwischen SARS-CoV und MERS-CoV.

Da wir nun alle die Einstimmung in die Thematik verstanden haben, möchte ich noch kurz auf den Verlauf von Sars-CoV-2 eingehen.

Die Grundlage über die viele Arten von Coronaviren ist mittlerweile jedem bekannt und so können wir auch gleich mit den Folgen einer Infizierung beginnen.

Das SARS-CoV-2 Virus infiziert den menschlichen Körper, indem es in gesunde Zellen eindringt. Dort erstellt der Eindringling Kopien von sich selbst und vermehrt sich im ganzen Körper.

Das Sars-CoV-2  Virus heftet sich mit seinen stacheligen Oberflächenproteinen – ähnlich eines uns allen bekannten Klettverschluss, an Rezeptoren auf gesunden Zellen, dies insbesondere sehr gerne und schnell in der Lunge fest.

Nun dringen immer mehr virale Proteine über die ACE2-Rezeptoren in die Zellen ein. Dort angekommen, entführt das Coronavirus gesunde Zellen und übernimmt das Kommando. Schließlich tötet es einige der gesunden Zellen ab.

Die ersten Symptome einer Erkrankung

Die durch das Coronavirus verursachte Krankheit, beginnt mit Tröpfchen aus dem Husten, Niesen oder Atem einer infizierten Person. Sie können sich in der Luft oder auf einer Oberfläche befinden, die Sie berühren, bevor Sie Ihre Augen, Ihre Nase oder Ihren Mund berühren. So kann das Virus in die Schleimhäute Ihres Rachens eindringen. Innerhalb von 2 bis 14 Tagen kann Ihr Immunsystem mit folgenden Symptomen reagieren:

– Fieber
– Husten
– Kurzatmigkeit oder Atembeschwerden
– Müdigkeit
– Schüttelfrost, manchmal mit Zittern
– Körperliche Schmerzen
– Kopfschmerzen
– Halsschmerzen
– Verstopfung oder eine laufende Nase
– Verlust des Geschmacks
– Verlust des Geruchsinns
– Übelkeit oder Erbrechen
– Diarrhöe

Wie bewegt sich das Coronavirus durch den Körper?

Das Virus wandert durch Ihre Atemwege: also Mund, Nase, Rachen und Lunge.
Die unteren Atemwege haben mehr ACE2-Rezeptoren als der Rest der Atemwege. Daher ist es wahrscheinlicher, dass COVID-19 tiefer geht als Viren wie wir diese von einer normalen Influenza
(Erkältung / Grippe) her kennen.
Es sei nun zu beachten, dass es zwischen Influenzer und Influencer einen erheblichen Unterschied gibt. Siehe Variable Schinkenbrot – wobei manche eben so Dumm wie jenes Brot sind. Bei der Veganer-Variante entfällt selbstverständlich der Schinken.
Die Lunge kann sich folglich durch die virale Proteine entzünden, welches zu Atmen beschwerten führt und die sich dann in einer Lungenentzündung zeigt.

Wenn nun bei einem Patienteneine Computertomographie vom Brustkorb vorgenommen wird, wird ein Schatten oder fleckige Bereiche – die so genannte „Mattigkeit“, sichtbar.

Bei den meisten Menschen, die sich mit SARS-CoV-2 infizierten, enden die Symptome mit Husten und Fieber. Mehr als 8 von 10 Fällen verlaufen mild. Bei einigen Menschen verläuft die Infektion jedoch schwerer. Etwa 5 bis 8 Tage nach Beginn der Symptome leiden sie unter Dyspnoe (umgangssprachlich auch Kurzatmigkeit. Aber dies muss ich Ein paar Tage später beginnt das akute Atemnotsyndrom (ARDS).

Das ARDS kann zu schneller Atmung, schnellem Herzschlag, Schwindel und Schweißausbrüchen führen. Es schädigt das Gewebe und die Blutgefäße in den Lungenbläschen, so dass sich in ihnen Ablagerungen ansammeln. Dadurch wird das Atmen erschwert oder sogar unmöglich.

Viele Menschen, die an ARDS erkranken, benötigen Hilfe beim Atmen durch ein Gerät, welches als Beatmungsgerät bezeichnet wird.

Wenn sich nun in Folge der Erkrankung Flüssigkeit in der Lunge ansammelt, transportiert diese weniger Sauerstoff ins Blut. Folglich werden Organe nicht mehr mit Sauerstoff (der Sauerstoffsättigung)
angereichertes Blut versorgt. Jener Sauerstoff ist für den Menschen lebensnotwendig. Weder Alter noch Geschlecht beeinflussen die Sauerstoffsättigung. Die Werte bei gesunden Menschen sollten zwischen 90 und 99 Prozent liegen.
Der Sauerstoffpartialdruck im Blut ist hingegen abhängig vom Alter und wird entweder in kPa oder mmHg gemessen. Junge Erwachsene zeigen in der Regel einen spO2-Wert von etwa 96 mmHg (entspricht 12,8 kPa). Im Laufe des Lebens nimmt der Partialdruck ab und liegt bei einem 80-Jährigen bei etwa 75 mmHg (entspricht 10 kPa).

Im Abstract heißt es schließlich, dass Nieren, Lunge und Leber versagen und nicht mehr funktionieren – können, was folglich zu langzeit Schädigung des Organismus führt.
Da mittlerweile auch bekannt ist, dass Schädigung an Herz und Gehirn zu Folge haben, sollte man Sars-CoV-2 ernst nehmen und nicht mit Influenza gleichsetzen.
Nicht jede Infektion mit Sars-CoV-2 ist tödlich! Die aktuellen Zahlen (Stand November 2021 von 5.12 Millionen Todesfälle sprechen für sich.

Viren gab es schon immer auf der Welt

Nun noch einen Anhang über Bestätigte Fälle und Todesfälle einiger uns bekannten Viren.

– Das Marburg-Virus wurde 1967 entdeckt und brachte 466 bestätigte Fälle, bei denen
373 tödlich endeten. Das Marburg-Virus wurde in 11 Länder der Welt nachgewiesen.

– Ebola wurde 1976 entdeckt und wurde in 33.577  Fällen bestätigt, wovon 13.562 tödlich verliefen. Ebola wurde in 9 Ländern der Welt nachgewiesen.

– 1997 wurde H5N1 entdeckt. Bei der sogenannten „Vogelgrippe“ gab es 861 bestätigte Fälle, wovon 455 tödlich verliefen. Der H5N1 wurde in 18 nachgewiesen.

– Das Nipah henipavirus, welches in Asien vorkommt, löst beim Menschen eine häufig tödlich verlaufende Gehirnentzündung hervor. Dieses Virus wird durch Kontakt mit Körperflüssigkeiten und -ausscheidungen infizierter Tiere und Menschen übertragen. 1998 wurden 513 Fälle in 2 Länder gemeldet, bei denen
398 Menschen ihr Leben verloren.

– H1N1 wurde 2009 publik und unter der Bezeichnung Schweinegrippe bekannt. Damals wurden in 214 Länder der Welt circa.630.000 Fälle registriert. Bei  dieser Epidemie starben 284.500 Menschen.

– Der MERS- Virus folgte 2012. Dieser Virus wurde in 28 Länder mit 2.494 Infizierter und 858 Todesfälle registriert.

– Im Jahr daruf kam H7N9 – auch dieser Virus wurde als Vogelgrippe bekannt. In 3 Länder wurden 1.568 Menschen infiziert, wovon 616 mit tödlichem Ausgang.


– Last but not least der uns allen bestens bekannte SARS-CoV-2 Virus. Am 11. November 2021 gibt es folgende Zahlen aus 192 Länder. 251.672.962 Menschen sind bis dato mit diesem Virus infiziert. Die Todesfälle betragen 5.076.863.

Dr. rer. nat. Patricia Lefèvre
Lyon, 18. November 2021

Quellen:

– J. Jacobs, S. Zhou, E. Dawson, et al., Discovery of Non-covalent Inhibitors of the SARS Main Proteinase 3CLpro, Probe Reports from the NIH Molecular Libraries
Program, National Center for Biotechnology Information (US), Bethesda (MD), 2010. PMID: 23658941

– Journal of Pharmaceutical Analysis

– K. Anand, J. Ziebuhr, P. Wadhwani, et al., Coronavirus main proteinase
(3CLpro) structure: basis for design of anti-SARS drugs, Science 300 (2003) 1763-1769

– Laboratory of Growth Regulators, Institute of Experimental Botany ASCR & Palacký University, Olomouc, Czech Republic
– Laboratoire of Pharmacy and Biomolecular Sciences, Liverpool John Moores University, Liverpool, United Kingdom

– T. Castrignano, P.D. De Meo, D. Cozzetto, et al., The PMDB protein model database, Nucleic Acids Res. 34 (2006)

– V. Kumar, K.P. Tan, Y.M. Wang, et al., Identification, synthesis and evaluation of SARS-CoV and MERS-CoV 3C-like protease inhibitors, Bioorg. Med. Chem.

– X. Xu, P. Chen, J. Wang, et al., Evolution of the novel coronavirus from the ongoing Wuhan outbreak and modeling of its spike protein for risk of human
transmission, Sci. China Life Sci. 63 (2020) 457e460

Mein Name ist Patricia

Mein Name ist Patricia Lefèvre, ich bin deutsch-französin. Meine Eltern sind Deutsche und ich bin in Frankreich geboren.
Mein Vater ist Ingenieur für Fahrzeugbau, meine Mutter Apothekerin. Da beide in frühen Jahren die Liebe zu Frankreich entdecken und nicht nur um dort Urlaub zu machen, gingen sie Anfang der 70er nach Frankreich. Mein Vater arbeitete bei Citroën in der Getriebeentwicklung im Werk in Metz und meine Mutter als Apothekerin in Metz.

Ende der 70er wurde in Trèmery, bei Metz, ein neues Motorenwerk von Citroën und Peugeot gebaut – welches heute das größte Dieselmotorenwerk der Welt ist.
Da die kleine Gemeide Trèmery in kürzester Zeit wuchs, beschlossen meine Eltern sich mit einer Apotheke selbständig zu machen.
So wurde mir von beiden der Grundstock von Wissenschaft von Kindheit an mitgegeben.
Da ich immer wissen wollte wie was und warun funktioniert oder so ist, studierte ich in Paris an der Universität Pierre et Marie Curie, nach Pierre und Marie Skłodowska Curie benannt, Physik und Mathematik.

Nach dem Studium blieb ich an der Uni, wechselte dort zu ISIR – Institute of Intelligent Systems and Robotics.

2005 ging ich aus privaten Gründen zu meinen Großeltern nach Reutlingen und studierte an der Uni Tübingen Nanotechnologie. 2008 wurde ich Dozentin für Angewandte Physik.

2010 wurde meine Tochter und 2013 mein Sohn in Reutlingen geboren. In dieser Zeit schrieb ich auch meine Dissertation.

Im Herbst 2019 ging ich mit meiner Familie nach Frankreich und bin seit dieser Zeit an der UBFC – Université Bourgogne Franche-Comté, in der Forschung der Nanotechnologie. Da die UBFC eng mit der ESA – European Space Agency, im Bereich Nanotechnologie zusammen arbeitet, ist dies für mich nochmals eine Herausforderung in der unglaublichen Weite dieser Technologie.

Ich bin ein Naturmensch und diese erlebe ich zu Fuß, mit dem Rad oder Kanu. Wann immer es die Zeit zulässt, gehe ich mit der Familie – oder auch eine Woche alleine mit meinem Hund campen, und dies nicht nur im Juli oder August. Rucksack, Zelt und ne Flasche Wein – mehr brauche ich für ein Wochenende nicht. Ich habe einen Jagdschein und besorge mir das Abendessen selbst.
Ich weiß, dass dieses Thema sehr kontrovers diskutiert wird und gerade jene am lautesten schreien, die die wenigste Ahnung von Naturschutz haben.

Wie kam ich als Autorin zu dieser Seite?
Gute Frage.

Auf der social media Plattform Facebook bin über das Profil von Nila Khalil gestolpert. Ich las einige Zeir ihre Texte und Beiträge. Je mehr ich las, um so mehr kam der Wow-Effekt. Ich schrieb sie an und dachte mir auch gleich – sie wird sowieso nicht antworten. Tat sie weniger Zeit später und wir waren sofort auf einer Linie. In oder über ihr Account las ich ständig Beiträge von Evke Freya von Ahlefeldt und Naike Juchem. Über Evke lernte ich dann auch Naike kennen und auch bei ihnen waren gleich eine Basis da.

Am Anfang gab es auf der Seite oder in den Kommentaren von mir, bzw Naike, sehr oft eine Verwechslung mit meinem Namen und Person. Naike schreibt ein Buch über die Hintergründe in der Humanitären Hilfe aus Südostasien und da kommt auch eine Patricia Lefèvre vor.
Ich fühlte mich sehr geehrte, dass dieser Name eine Hauptrolle in diesem Buch ist – aber ich kann es nicht sein, da ich zum einen 6 Jahre später als jene Patricia Lefèvre geboren wurde und ich diesen Nachnamen durch Heirat bekommen habe.

Mit den anderen Autorinnen sind wir ein super cooles Team. Auch wenn ich bei den Mädels die „Erklärtante“ bin, ist Naike „das Wikipedia von Facebook“ , Wortlaut von Amira. Dies kann ich in den vier Monaten der Zusammenarbeit voll und ganz bestätigen. Naike hat ein schier unglaubliches Wissen und dies gepaart mit ihrem Teamgeist, macht das schreiben für diese Seite um einiges angenehmer.

Da ich mit meinem „Fachgebiet“ in diesem Team etwas aus der Rolle falle – ergänzen wir uns trotzdem in so vielen Themen. Wir laufen uns mit den Beiträgen nicht über die Füße, und trotzdem ergänzen wir uns.
Ich glaube diese Konstellation von Menschenrechte, Klimaschutz, Historischen Hintergründe und Forschung, ist ziemlich einmalig.

Mittlerweile sind wir auch etwas mehr mit WordPress vertraut und geben uns Mühe, euch einen vernünftigen Auftritt für unsere Texte zu zeigen.
Wenn ihr Fragen habt, könnt ihr diese sehr gerne stellen. Wir sind auf Facebook, Twitter (nur Nila und Naike) und über WordPress, bzw. Mail zu erreichen.

Nun wünsche ich den Leser*innen einen schönen Aufenthalt auf unserer Website, bei spannenden und lehrreichen Themen und Texten.

Eure Patricia

Nanoforschung – Mit Nanopartikeln gegen Krebs

LMU-Wissenschaftler haben Nanopartikel entwickelt, die gezielt Krebszellen abtöten. Dies könnte der Tumorbekämpfung neue therapeutische Optionen eröffnen.

Chemotherapien gegen Krebs haben häufig schwere Nebenwirkungen, da die verabreichten Medikamente auch für gesunde Zellen toxisch sind. Calciumphosphat und Citrat werden bereits seit einiger Zeit als vielversprechende Alternativen diskutiert, da sie zwar zum Zelltod führen, wenn sie in hohen Konzentrationen ins Zellinnere gelangen, ansonsten aber für den Körper gut verträglich sind. Allerdings fehlten bisher Möglichkeiten, diese Stoffe an den strengen Kontrollmechanismen der Zellen vorbei ins Zellinnere zu schleusen. Jetzt haben Wissenschaftler um Dr. Constantin von Schirnding, Dr. Hanna Engelke und Prof. Thomas Bein vom Department Chemie der LMU neuartige amorphe Nanopartikel entwickelt, die aus genau jenen gewünschten Stoffen bestehen. Die Partikel können die Hindernisse nun überwinden und gezielt Krebszellen abtöten.

Calciumphosphat und Citrat sind an der Regulation vieler zellulärer Signalwege beteiligt. Um toxische Dosen im Zellinneren zu vermeiden, kontrollieren Zellen die Aufnahme dieser Stoffe streng. Die von den Wissenschaftlern entwickelten Nanoteilchen umgehen diese Kontrolle: „Wir haben amorphe, poröse Nanopartikel aus Calciumphosphat und Citrat hergestellt, die von einer Lipidschicht umgeben sind“, sagt von Schirnding. Durch die Beschichtung können die Teilchen in die Zelle eindringen, ohne dass deren Warnmechanismen anschlagen. Dort lösen sie sich sehr effizient auf und setzen große Mengen Calcium und Citrat frei.

Zellversuche zeigten, dass die Partikel in der Lage sind, Krebszellen selektiv abzutöten – gesunde Zellen dagegen überleben, obwohl sie die Partikel ebenfalls aufnehmen. „Offensichtlich können die Teilchen sehr toxisch sein, wenn sie es mit Krebszellen zu tun bekommen. Und je aggressiver der Tumor war, desto besser wirkten die Teilchen“, sagt Engelke.

Bei der Aufnahme in die Zellen werden die Nanoteilchen von einer zusätzlichen Membran überzogen. Die Wissenschaftler vermuten, dass es in den Krebszellen einen noch unbekannten Mechanismus gibt, der die zusätzliche Membran löchrig macht, sodass die Bestandteile der Partikel in das Zellinnere eindringen können. In den gesunden Zellen dagegen bleibt die Membran intakt und die Nanokügelchen werden als Ganzes wieder ausgeschieden.

„Die hochselektive Toxizität der Partikel ermöglichte es uns, zwei verschiedene aggressive pleurale Tumore bei Mäusen erfolgreich zu behandeln und ihre Größe nach nur zwei lokalen Anwendungen um etwa 40 bzw. 70 Prozent zu reduzieren“, sagt Engelke. Pleurale Tumore sind häufig Metastasen von Lungentumoren, die im sogenannten pleuralen Spalt zwischen Lunge und Brust angesiedelt sind. Übliche Chemotherapeutika haben hier keinen Zugang, weil der pleurale Raum nicht mit Blut versorgt wird. „Unsere Partikel dagegen können direkt in den pleuralen Spalt eingebracht werden“, sagt Bein. Dabei zeigten sich im Verlauf von zwei Monaten keine Anzeichen von gravierenden Nebenwirkungen. Die Forscher sind daher überzeugt, dass die neuen Nanopartikel großes Potenzial für die Entwicklung neuer Therapien gegen Krebs haben.

Anwendungen der Nanotechnologie in Pflanzenwachstum und Pflanzenschutz

Autorin Dr. rer. nat. Patricia Lefèvre

Im Zeitalter des Klimawandels stehen die globalen Agrarsysteme vor zahlreichen, noch nie dagewesenen Herausforderungen. Um Ernährungssicherheit zu erreichen, ist fortschrittliche Nanotechnologie ein praktisches Werkzeug, um die Pflanzenproduktion zu steigern und Nachhaltigkeit zu gewährleisten. Die Nanotechnologie hilft, die landwirtschaftliche Produktion zu verbessern, indem sie die Effizienz von Betriebsmitteln erhöht und relevante Verluste minimiert. Nanomaterialien bieten eine größere spezifische Oberfläche für Düngemittel und Pestizide. Darüber hinaus ermöglichen Nanomaterialien als einzigartige Träger von Agrochemikalien die gezielte kontrollierte Abgabe von Nährstoffen mit erhöhtem Pflanzenschutz. Aufgrund ihrer direkten und beabsichtigten Anwendungen in der präzisen Steuerung und Kontrolle von Inputs (Düngemittel, Pestizide, Herbizide) unterstützen Nanotools, wie z.B. Nanobiosensoren, die Entwicklung von Hightech-Agrarbetrieben. Die Integration von Biologie und Nanotechnologie in Nanosensoren hat ihr Potenzial, Umweltbedingungen oder Beeinträchtigungen zu erkennen und zu identifizieren, stark erhöht.

1. Einleitung

Um den zunehmenden Herausforderungen einer nachhaltigen Produktion und Ernährungssicherheit zu begegnen, wurden in den letzten Jahren bedeutende technologische Fortschritte und Innovationen im Bereich der Landwirtschaft gemacht. Solche kontinuierlichen landwirtschaftlichen Innovationen sind entscheidend, um den steigenden Nahrungsmittelbedarf der explodierenden Weltbevölkerung durch den Einsatz von natürlichen und synthetischen Ressourcen zu decken. Insbesondere die Nanotechnologie hat das Potenzial, effektive Lösungen für die vielfältigen Probleme in der Landwirtschaft zu bieten. Um die Lücke zwischen Massenmaterialien und atomaren oder molekularen Strukturen zu schließen, sind Nanopartikel von großem wissenschaftlichem Interesse. In den letzten zwei Jahrzehnten wurde eine beträchtliche Menge an Forschungsarbeiten zur Nanotechnologie durchgeführt, wobei die zahlreichen Anwendungen in der Landwirtschaft im Vordergrund standen. Der Einsatz von Düngemitteln spielt eine zentrale Rolle bei der Steigerung der landwirtschaftlichen Produktion; der übermäßige Einsatz von Düngemitteln verändert jedoch irreversibel die chemische Ökologie des Bodens, wodurch die verfügbare Fläche für die Pflanzenproduktion weiter reduziert wird. Nachhaltige Landwirtschaft beinhaltet einen minimalen Einsatz von Agrochemikalien, die letztendlich die Umwelt schützen und verschiedene Arten vor dem Aussterben bewahren können. Nanomaterialien steigern die Produktivität von Nutzpflanzen, indem sie die Effizienz von landwirtschaftlichen Betriebsmitteln erhöhen, um eine gezielte und kontrollierte Zufuhr von Nährstoffen zu ermöglichen und so den minimalen Einsatz von landwirtschaftlichen Betriebsmitteln zu gewährleisten. In der Tat hat die Unterstützung der Nanotechnologie bei Pflanzenschutzmitteln exponentiell zugenommen, was eine Steigerung der Ernteerträge gewährleisten kann. Darüber hinaus besteht das Hauptanliegen in der landwirtschaftlichen Produktion darin, eine beschleunigte Anpassung der Pflanzen an die fortschreitenden Faktoren des Klimawandels wie extreme Temperaturen, Wassermangel, Salzgehalt, Alkalinität und Umweltverschmutzung mit toxischen Metallen zu ermöglichen, ohne die bestehenden empfindlichen Ökosysteme zu gefährden. Darüber hinaus hat die Entwicklung und Nutzung von Nanosensoren in der Präzisionslandwirtschaft zur Messung und Überwachung des Pflanzenwachstums, der Bodenbeschaffenheit, von Krankheiten, des Einsatzes und der Durchdringung von Agrochemikalien und der Umweltverschmutzung die menschliche Kontrolle der Boden- und Pflanzengesundheit, die Qualitätskontrolle und die Sicherheitssicherung wesentlich verbessert und damit einen großen Beitrag zu einer nachhaltigen Landwirtschaft und zu Umweltsystemen geleistet. Nanomaterial-Engineering ist die modernste Schiene der Forschung, die die Entwicklung von Hightech-Agrarbereichen unterstützt, indem sie eine größere spezifische Oberfläche bietet, der für die nachhaltige Entwicklung von landwirtschaftlichen Systemen entscheidend ist. Daher kann die Nanotechnologie nicht nur die Unsicherheit reduzieren, sondern auch die Managementstrategien der landwirtschaftlichen Produktion als Alternative zu konventionellen Technologien koordinieren. In vielen Fällen bieten Agro-Nanotech-Innovationen kurzfristige Techno-Fixes für die Probleme der modernen industriellen Landwirtschaft. Die vorliegende Übersicht fasst die Anwendungen der Nanotechnologie in der Landwirtschaft zusammen, die die Nachhaltigkeit von Landwirtschaft und Umwelt sicherstellen können.

2. Nano-Farming: Eine neue Grenze in der landwirtschaftlichen Entwicklung

Die Nanopartikeltechnologie ist eine der neuesten technologischen Innovationen, die einzigartige zielgerichtete Eigenschaften mit erhöhter Festigkeit aufweisen. Der Begriff „Nanotechnologie“ wurde erstmals 1974 von Norio Taniguichi, einem Professor an der Tokyo University of Science, geprägt. Obwohl der Begriff „Nanotechnologie“ seit langem in verschiedenen Disziplinen eingeführt wurde, ist die Idee, dass Nanopartikel (NPs) für die landwirtschaftliche Entwicklung von Interesse sein könnten, eine neuere technologische Innovation und befindet sich noch in der fortschreitenden Entwicklung. Jüngste Fortschritte bei der Herstellung von Nanomaterialien unterschiedlicher Größe und Form haben zu einer Vielzahl von Anwendungen in der Medizin, Umweltwissenschaft, Landwirtschaft und Lebensmittelverarbeitung geführt. Im Laufe der Geschichte hat die Landwirtschaft immer von diesen Innovationen profitiert. Da die Landwirtschaft mit zahlreichen und noch nie dagewesenen Herausforderungen konfrontiert ist, wie z. B. reduzierte Ernteerträge aufgrund von biotischen und abiotischen Stressfaktoren, einschließlich Nährstoffmangel und Umweltverschmutzung, hat das Aufkommen der Nanotechnologie vielversprechende Anwendungen für die Präzisionslandwirtschaft geboten. Der Begriff Präzisionslandwirtschaft oder Farming ist in den letzten Jahren aufgetaucht und steht für die Entwicklung der drahtlosen Vernetzung und Miniaturisierung der Sensoren zur Überwachung, Bewertung und Steuerung landwirtschaftlicher Praktiken. Genauer gesagt bezieht er sich auf das standortspezifische Pflanzenmanagement mit einer breiten Palette von Vor- und Nachproduktionsaspekten der Landwirtschaft, die von Gartenbaukulturen bis hin zu Feldfrüchten reichen. Die jüngsten Fortschritte im Tissue Engineering und in der Entwicklung von Nanomaterialien auf der Basis von CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats)/Cas (CRISPR-associated protein) mRNA und sgRNA für die genetische Modifikation (GM) von Nutzpflanzen sind eine bemerkenswerte wissenschaftliche Leistung. Darüber hinaus bietet die Nanotechnologie hervorragende Lösungen für eine zunehmende Anzahl von Umweltproblemen. So bietet die Entwicklung von Nanosensoren weitreichende Perspektiven für die Beobachtung von Umweltstress und die Steigerung des Bekämpfungspotenzials von Pflanzen gegen Krankheiten. Daher haben solche kontinuierlichen Verbesserungen in der Nanotechnologie mit besonderem Schwerpunkt auf der Identifizierung von Problemen und der Entwicklung von kooperativen Ansätzen für ein nachhaltiges landwirtschaftliches Wachstum ein bemerkenswertes Potenzial, um breite soziale und gerechte Vorteile zu bieten.

3. Quellen und Synthese von grünen Nanopartikeln

Nanopartikel (NPs) sind organische, anorganische oder hybride Materialien mit mindestens einer ihrer Dimensionen im Bereich von 1 bis 100 nm (auf der Nanoskala). NPs, die in der Natur vorkommen, können aus den Prozessen von photochemischen Reaktionen, Vulkanausbrüchen, Waldbränden, einfacher Erosion, Pflanzen und Tieren oder auch von den Mikroorganismen produziert werden. Die Produktion von aus Pflanzen und Mikroorganismen gewonnenen NPs hat sich als eine effiziente biologische Quelle für grüne NPs herausgestellt, die in letzter Zeit aufgrund ihrer umweltfreundlichen Natur und der Einfachheit des Produktionsprozesses im Vergleich zu anderen Wegen die besondere Aufmerksamkeit der Wissenschaftler auf sich zieht. Für die Nutzung der grünen Nanotechnologie werden derzeit eine Reihe von Pflanzenarten und Mikroorganismen, darunter Bakterien, Algen und Pilze, für die NP-Synthese verwendet. Zum Beispiel werden Medicago sativa und Sesbania-Pflanzenarten zur Herstellung von Gold-Nanopartikeln verwendet. Ebenso können anorganische Nanomaterialien aus Silber, Nickel, Kobalt, Zink und Kupfer in lebenden Pflanzen, wie Brassica juncea, Medicago sativa und Heleanthus annus, synthetisiert werden. Mikroorganismen, wie Kieselalgen, Pseudomonas stuzeri, Desulfovibrio desulfuricans NCIMB 8307 Clostridium thermoaceticum und
Klebsiella aerogens werden zur Synthese von Silizium-, Gold-, Zinksulfid- bzw. Cadmiumsulfid-Nanopartikeln verwendet. Obwohl eine große Anzahl von Mikroorganismen zur Synthese von grünen NPs verwendet wird, werden Pilze, hauptsächlich Verticillium sp,
Aspergillus flavus, Aspergillus furnigatus, Phanerochaete chrysoparium und Fusarium oxysporum, als die effizientesten Systeme für die Biosynthese von metall- und metallsulfidhaltigen NPs angesehen.

Alle NPs sind dreidimensionale (3D) Objekte. Eindimensionale (1D) NPs beziehen sich auf die NPs, die 2 Dimensionen auf der Nanoskala und 1 Dimension auf der Makroskala haben (Nanodrähte, Nanoröhren), während zweidimensionale (2D) NPs 1 Dimension auf der Nanoskala und 2 Dimensionen auf der Makroskala haben (Nanoschichten, Nanofilme). 3D-NPs wiederum haben 0 Dimensionen auf der Nanoskala und 3 Dimensionen auf der Makroskala (Nanokugeln, Nano-Blumen), während null-dimensionale (0D) NPs durch alle 3 Dimensionen auf der Nanoskala charakterisiert sind. So wurde eine reiche Vielfalt an physikalischen und chemischen Methoden entwickelt, um die nulldimensionalen NPs mit gut kontrollierten Abmessungen zu synthetisieren oder herzustellen. Nulldimensionale NPs, wie z. B. Quantenpunkte, haben eine breite Akzeptanz und Anwendung in Leuchtdioden, Solarzellen, Einzelelektronentransistoren wie sie in Lasern verwendet werden. Die Synthese von zweidimensionalen NPs, wie z. B. Kreuzungen (kontinuierliche Inseln), verzweigte Strukturen, Nanoprismen, Nanoplatten, Nanoblätter, Nanowände und Nanoplatten sind zu einem wichtigen Bereich in der Nano-Engineering-Forschung geworden. Solche geometrischen Strukturen von NPs haben die Untersuchung und Entwicklung neuer Anwendungen in Sensoren, Photokatalysatoren, Nanocontainern und Nanoreaktoren gesprengt. Im Gegensatz dazu haben dreidimensionale NPs in letzter Zeit aufgrund ihrer großen Oberfläche und anderer überlegener Eigenschaften wie Absorptionsstellen für alle beteiligten Moleküle auf kleinem Raum, die zu einem besseren Transport der Moleküle führen, großes Forschungsinteresse auf sich gezogen. Daher haben die Verbesserung und Entwicklung neuartiger Technologien zur Herstellung von NPs mit ihrem Anwendungspotenzial eine besondere Bedeutung, insbesondere bei der Entwicklung nachhaltiger Agrar- und Umweltsysteme.

4. Verabreichungsoptionen mit Nanopartikeln: Ein neues Fenster für nachhaltige Landwirtschaft

Die Nanotechnologie gilt als eine der Schlüsseltechnologien des einundzwanzigsten Jahrhunderts, die verspricht, traditionelle landwirtschaftliche Praktiken voranzutreiben und eine nachhaltige Entwicklung zu ermöglichen, indem sie die Bewirtschaftungs- und Erhaltungstaktiken bei reduzierter Verschwendung von landwirtschaftlichen Betriebsmitteln verbessert. Die Verabreichungssysteme von Agrochemikalien und organischen Molekülen, einschließlich des Transports von DNA-Molekülen oder Oligonukleotiden in die Pflanzenzellen, sind wichtige Aspekte der nachhaltigen landwirtschaftlichen Produktion sowie der Präzisionslandwirtschaft. Bei herkömmlichen Methoden werden Agrochemikalien in der Regel durch Sprühen und/oder Ausbringen auf die Pflanzen aufgebracht. Infolgedessen erreicht nur eine sehr geringe Anzahl von Agrochemikalien die Zielstellen der Pflanzen, die weit unter der für ein erfolgreiches Pflanzenwachstum erforderlichen minimalen Wirkkonzentration liegt. Die Verluste sind auf die Auswaschung von Chemikalien, den Abbau durch Photolyse, Hydrolyse und auch durch mikrobiellen Abbau zurückzuführen. Bei der Ausbringung von Düngemitteln sollte beispielsweise mehr Wert auf die Bioverfügbarkeit der Nährstoffe gelegt werden, die durch die Chelatbildung im Boden, den Abbau durch Mikroorganismen, Verdunstung, Überdosierung, Hydrolyse und Abflussprobleme verursacht wird. Bei der Anwendung von Pestiziden ist die Wirksamkeitsverbesserung durch das Abdriftmanagement in den Vordergrund zu stellen. Um umweltfreundliche landwirtschaftliche Praktiken zu gewährleisten, hat der jüngste Fortschritt der Nanotechnologie-basierten Synthese von Düngemitteln, Pestiziden und Herbiziden mit langsamer oder kontrollierter Freisetzung daher eine besondere Aufmerksamkeit in der landwirtschaftlichen Produktion erhalten. Im Laufe der Zeit hat sich die Nanotechnologie allmählich von den experimentellen Versuchen im Labor zu praktischen Anwendungen entwickelt. Das Ziel der kontrollierten Verabreichungstechniken ist die dosierte Freisetzung notwendiger und ausreichender Mengen von Agrochemikalien über einen bestimmten Zeitraum und die Erzielung der vollen biologischen Wirksamkeit bei gleichzeitiger Minimierung von Verlusten und schädlichen Wirkungen. Nanopartikel bieten die Vorteile einer effektiven Abgabe von Agrochemikalien aufgrund ihrer großen Oberfläche, der einfachen Anhaftung und des schnellen Stofftransfers. Aus diesen Gründen werden mikronische oder submikronische Partikel durch verschiedene Mechanismen in die Agrochemikalien eingearbeitet, wie z. B. Kapselung, Absorption, oberflächliche Anhaftung von Ionen oder schwachen Bindungen und Einschluss in die Nanomatrix der Wirkstoffe. Beispielsweise verlängert die Kapselung von Kaliumnitrat durch Graphenoxid-Filme den Freisetzungsprozess des Düngers beträchtlich, und eine solche Formulierung scheint bei einer großtechnischen Produktion zu relativ geringen Kosten möglich zu sein. Nanomaterialien verbessern die Stabilität von Agrochemikalien und schützen sie vor Abbau und anschließender Freisetzung in die Umwelt, was letztendlich die Wirksamkeit erhöht und die Mengen an Agrochemikalien reduziert.

Abgesehen von den landwirtschaftlichen Anwendungen bietet die Konvergenz der Nanotechnologie mit der Biotechnologie auch Möglichkeiten als neue Werkzeuge der molekularen Transporter, um Gene zu modifizieren und sogar neue Organismen zu produzieren. Zum Beispiel implizieren Nanobiotechnologien Nanopartikel, Nanokapseln und Nanofasern, um fremde DNA und die Chemikalien zu transportieren, die die Modifikation der Zielgene erleichtern. Bei der Einbringung von genetischem Material stehen virale Gentransportvektoren vor zahlreichen Herausforderungen, wie z. B. begrenzte Wirtsreichweite, begrenzte Größe des eingebrachten genetischen Materials, Transport durch die Zellmembran und auch das Problem des Traffickings des Zellkerns. Im Gegensatz dazu bieten die jüngsten Durchbrüche in der Nanobiotechnologie den Forschern größere Möglichkeiten, das genetische Material einer Spezies vollständig durch eine andere zu ersetzen. In der Gentechnik wurden Siliziumdioxid-Nanopartikel entwickelt, um DNA-Fragmente/-Sequenzen ohne unerwünschte Nebenwirkungen an die Zielspezies, wie Tabak- und Maispflanzen, zu liefern. Darüber hinaus wird das NP-gestützte Transportsystem auch zur Entwicklung insektenresistenter neuartiger Pflanzensorten eingesetzt. So werden beispielsweise DNA-beschichtete NPs als Geschosse in der Gen-Gun-Technologie zum Beschuss von Zellen oder Geweben eingesetzt, um die gewünschten Gene auf die Zielpflanzen zu übertragen. Die jüngsten Fortschritte in der Entwicklung von Chitosan-NPs mit eingeschlossener SiRNA als Trägermedium haben eine neue Möglichkeit der Pflanzenverbesserung eröffnet, die eine zielgerichtete Kontrolle von Schadinsekten ermöglicht, da Chitosan ein effizientes Bindungspotenzial mit RNA sowie eine Penetrationsfähigkeit durch die Zellmembranen besitzt. Zeitgenössische Fortschritte bei der spezifischen Übertragung von CRISPR/Cas9 single guide RNA (sgRNA) auf der Basis von Nanomaterialien haben eine neue Ära in der Gentechnik eingeleitet. Das CRISPR/Cas9-System, bestehend aus CRISPR-Repeat-Spacer-Arrays und Cas-Proteinen, ist ein RNA-gesteuertes Abwehrsystem in Prokaryoten und wurde bereits erfolgreich für das Genome Editing in Pflanzen eingesetzt. Die geringe Transporteffizienz ist jedoch immer noch eine große Hürde, die seine Anwendung behindert. Interessanterweise könnten Nanomaterialien das Ausmaß der Off-Target-Veränderungen minimieren, indem sie die Effizienz und Spezifität der CRISPR/Cas-Systeme verbessern. Zum Beispiel kationische Arginin-Gold-Nanopartikel.

5. Nano-Dünger: Eine effiziente Quelle für eine ausgewogene Ernährung der Pflanzen

Generell ist die Ergänzung der essentiellen Nährstoffe (Elementdüngung) zur Verbesserung der Pflanzenproduktivität und Bodenfruchtbarkeit unumgänglich. Dennoch wird das präzise Düngemittelmanagement als eine der wichtigsten Voraussetzungen für eine nachhaltige landwirtschaftliche Entwicklung angesehen. Nahrung ist jedoch ein grundlegendes Menschenrecht. Die globale Ernährungssicherheit ist weltweit ernsthaft in Frage gestellt. Die Ernährungssicherheit ist unter anderem durch die Begrenzung der verfügbaren natürlichen Ressourcen bedroht. Es wird davon ausgegangen, dass die derzeitige Weltbevölkerung (sieben Milliarden) im Laufe der Zeit zunehmen und bis 2050 etwa neun Milliarden erreichen wird. Um die wachsende Bevölkerung zu ernähren, werden etwa 60-100 % mehr Nahrungsmittel benötigt. Um den erhöhten Nahrungsmittelbedarf zu decken, wird intensive Landwirtschaft betrieben, was letztendlich zu einem Teufelskreis aus Erschöpfung der Bodenfruchtbarkeit und Rückgang der landwirtschaftlichen Erträge führt. Man schätzt, dass ca. 40 % der weltweiten landwirtschaftlichen Flächen ernsthaft degradiert sind, was zu einem starken Verlust der Bodenfruchtbarkeit aufgrund dieser intensiven Anbaumethoden führt. Infolgedessen wird eine riesige Menge an Düngemitteln eingesetzt, um die Bodenfruchtbarkeit und die Produktivität der Pflanzen zu verbessern. Es wurde auch eindeutig festgestellt, dass ein Drittel der Pflanzenproduktivität auf Düngemittel zurückzuführen ist und der Rest von der Effizienz der Nutzung anderer landwirtschaftlicher Betriebsmittel abhängt. Dennoch übersteigt die Nährstoffnutzungseffizienz konventioneller Düngemittel kaum 30-40%. Die Nährstoffnutzungseffizienz konventioneller Düngemittel, z. B. für Stickstoff (N) 30-35 %, Phosphor (P) 18-20 % und Kalium (K) 35-40 %, blieb in den letzten Jahrzehnten konstant. Darüber hinaus hängt die Nährstoffnutzungseffizienz von konventionellen Düngemitteln, die direkt in den Boden eingebracht oder auf die Blätter gesprüht werden, weitgehend von der Endkonzentration der Düngemittel ab, die die Zielorte erreichen. Im wahrsten Sinne des Wortes erreicht eine sehr geringe Menge, die weit unter der gewünschten Mindestkonzentration liegt, den Zielstandort aufgrund von Auswaschungsverlusten von Chemikalien, Abdrift, Abfluss, Hydrolyse, Verdunstung, photolytischem oder sogar mikrobiellem Abbau. Als Folge davon beeinträchtigt die wiederholte Verwendung von zu viel Düngemitteln das inhärente Nährstoffgleichgewicht des Bodens. Außerdem werden die Gewässer durch die Auswaschung von giftigen Stoffen in Flüsse und Wasserreservoirs stark verschmutzt, was auch die Verunreinigung des Trinkwassers zur Folge hat. Es wurde berichtet, dass Anfang 1970 nur 27 kg NPK ha-1 benötigt wurden, um eine Tonne Getreide zu produzieren, während es im Jahr 2008 auf 109 kg NPK ha-1 gestiegen ist, um das gleiche Produktionsniveau zu erreichen. Nach Angaben der International Fertilizer Industry Association (IFIA) ist der weltweite Düngemittelverbrauch stark angestiegen, und es wurde prognostiziert, dass der weltweite Bedarf bis zum Jahr 2016-2017 192,8 Mio. t erreichen wird. Von diesen großen Mengen an konventionellen Düngemitteln verbleibt ein großer Teil der Chemikalien im Boden oder kann in die anderen Umweltkompartimente gelangen, was zu einer starken Umweltverschmutzung führt, die das normale Wachstum von Flora und Fauna beeinträchtigen kann.
Die Verwendung von technisch hergestellten Nanomaterialien im Rahmen einer nachhaltigen Landwirtschaft hat einen völlig neuen Weg der Nahrungsmittelproduktion aufgezeigt, der möglicherweise die Unsicherheiten im Pflanzenbau mit begrenzten verfügbaren Ressourcen überwinden könnte. Die Revolution der grünen Nanotechnologie hat die globale Landwirtschaft dramatisch verändert und Nanomaterialien als Nanodünger haben das Versprechen geweckt, die Projektion des globalen Nahrungsmittelbedarfs und auch die nachhaltige Landwirtschaft zu erfüllen. Um den Makro- und Mikronährstoffmangel durch eine verbesserte Effizienz der Nährstoffnutzung zu lindern und das chronische Problem der Eutrophierung zu überwinden, können Nanodünger eine beste Alternative sein. Nanodünger, die gezielt synthetisiert werden, um die Freisetzung von Nährstoffen in Abhängigkeit vom Bedarf der Pflanzen zu regulieren und gleichzeitig Differenzverluste zu minimieren, haben ein immenses Potenzial. Konventionelle Stickstoffdünger zum Beispiel zeichnen sich durch enorme Verluste aus dem Boden durch Auswaschung, Verdunstung oder sogar den Abbau von bis zu 50-70% aus, was letztlich die Effizienz der Düngemittel reduziert und die Produktionskosten erhöht. Auf der anderen Seite synchronisieren Nanoformulierungen von stickstoffhaltigen Düngemitteln die Freisetzung von Dünger-N mit dem Aufnahmebedarf durch die Pflanzen. Dementsprechend verhindern Nanoformulierungen unerwünschte Nährstoffverluste durch direkte Internalisierung durch die Pflanzen und vermeiden dadurch die Wechselwirkung der Nährstoffe mit Boden, Wasser, Luft und Mikroorganismen. So reduziert der Einsatz von porösen Nanomaterialien wie Zeolithen, Ton oder Chitosan die Stickstoffverluste deutlich, indem die bedarfsgerechte Freisetzung reguliert und die Pflanzenaufnahme verbessert wird. Ammoniumgeladene Zeolithe haben das Potenzial, die Löslichkeit von Phosphatmineralien zu erhöhen und damit eine verbesserte Phosphorverfügbarkeit und -aufnahme durch Nutzpflanzen aufzuweisen. Graphenoxid-Filme, ein Nanomaterial auf Kohlenstoffbasis, können den Prozess der Kaliumnitratfreisetzung verlängern, was die Funktionsdauer verlängert und Verluste durch Auswaschung minimiert. Außerdem zeigten sie, dass Nanomaterialien in der Pflanzenproduktion ein größeres Potenzial haben als herkömmliche Düngemittel. Sie zeigten, dass die Anwendung von Nanocalcit (CaCO3-40%) mit Nano-SiO2 (4%), MgO (1%) und Fe2O3 (1%) nicht nur die Aufnahme von Ca, Mg und Fe verbesserte, sondern auch die Aufnahme von P mit den Mikronährstoffen Zn und Mn deutlich erhöhte. Es gibt viele verschiedene Formen von Nanodüngern. Basierend auf ihren Wirkungen können Nanodünger als Kontroll- oder Langzeitdünger, Kontrollverlustdünger, Magnetdünger oder Nanokompositdünger als kombinierte Nanovorrichtung klassifiziert werden, um eine breite Palette von Makro- und Mikronährstoffen in wünschenswerten Eigenschaften zu liefern. Nanodünger werden hauptsächlich durch die Verkapselung von Nährstoffen mit Nanomaterialien hergestellt. Die anfänglichen Nanomaterialien werden sowohl mit physikalischen (top-down) als auch mit chemischen (bottom-up) Ansätzen hergestellt, danach werden die gewünschten Nährstoffe in nanoporösen Materialien eingekapselt oder mit einem dünnen Polymerfilm beschichtet oder als Partikel oder Emulsionen in Nanogröße geliefert, wie es für kationische Nährstoffe (NH4+, K+, Ca2+, Mg2+) oder nach Oberflächenmodifikation für anionische Nährstoffe (NO3-, PO4-, SO4-) der Fall ist.

Die landwirtschaftliche Produktion kann durch ein ausgewogenes Düngemittelmanagement, Bewässerung und die Verwendung von Qualitätssaatgut um 35-40 % gesteigert werden. Es wurde eifrig beobachtet, dass die Anwendung von nanoformulierten Düngemitteln ein erhebliches Potenzial zur Steigerung der Pflanzenproduktivität hat. Zum Beispiel kann die Verwendung von Kohlenstoff-Nanopartikeln zusammen mit Dünger die Kornerträge von Reis (10,29 %), Frühjahrsmais (10,93 %), Sojabohnen (16,74 %), Winterweizen (28,81 %) und Gemüse (12,34-19,76 %) erhöhen. Es wurde gezeigt, dass die Anwendung von Chitosan-NPK-Dünger den Ernte-Index, Ernte-Index und Mobilisierungs-Index der ermittelten Weizen-Ertragsvariablen im Vergleich zu den Kontroll-Ertragsvariablen signifikant erhöht. Nanomaterialien stimulieren eine Reihe von lebenswichtigen Facetten der Pflanzenbiologie, da die Wurzel- und Blattoberflächen der Pflanzen die Hauptnährstoffschleusen der Pflanzen sind, die im Nanomaßstab hochporös sind. Folglich kann die Anwendung von Nanodünger die Nährstoffaufnahme von Pflanzen durch diese Poren verbessern oder der Prozess kann die Komplexierung mit molekularen Transportern oder Wurzelexsudaten durch die Schaffung neuer Poren oder durch die Ausnutzung von Endozytose oder Ionenkanälen erleichtern. Darüber hinaus wurde in einer Vielzahl von Untersuchungen eindeutig festgestellt, dass die Verkleinerung von Nanomaterialien die Erhöhung des Oberflächenmassenverhältnisses der Partikel ermöglicht, was zur Folge hat, dass eine große Menge an Nährstoffionen langsam und kontinuierlich über einen längeren Zeitraum adsorbiert und desorbiert wird. Auf diese Weise gewährleisten die Nanoformulierungen von Düngemitteln eine ausgewogene Ernährung der Pflanzen während des gesamten Wachstumszyklus, was letztendlich die landwirtschaftliche Produktion verbessert. Es ist anzumerken, dass die erhöhte Effizienz eines Produktes die Landwirte dazu anregen kann, das Produkt gewinnbringender einzusetzen.

Als vielversprechendes interdisziplinäres Forschungsgebiet hat die Nanotechnologie in der Landwirtschaft ihre enorme Bedeutung erlangt. Neben den Makronährstoffen spielen auch Mikronährstoffe wie Mangan, Bor, Kupfer, Eisen, Chlor, Molybdän, Zink eine wesentliche Rolle bei der stetigen Steigerung der Pflanzenproduktivität. Zahlreiche Faktoren, wie z. B. der pH-Wert des Bodens (Alkalität oder saurer Zustand), begünstigen jedoch bei extensiver landwirtschaftlicher Praxis deren Mangel in der Pflanzenproduktion. Der Mangel an Mikronährstoffen vermindert nicht nur die Produktivität von Nutzpflanzen, sondern beeinträchtigt auch die menschliche Gesundheit durch den Verzehr von Lebensmitteln mit Mikronährstoffmangel. Eisenmangel beispielsweise verursacht Anämie, Wachstumsstörungen, Probleme mit der reproduktiven Gesundheit und sogar eine verminderte kognitive und körperliche Leistungsfähigkeit beim Menschen. Im Gegensatz dazu würde die Supplementierung von nanoformulierten oder in Nanoform eingeschlossenen Mikronährstoffen zur langsamen oder kontrollierten Freisetzung von Nährstoffen den Aufnahmeprozess durch Pflanzen stimulieren, das Wachstum und die Produktivität von Nutzpflanzen fördern und auch zur Erhaltung der Bodengesundheit beitragen. Zum Beispiel beeinflusst die Anwendung von Nano-Zinkoxid in niedrigen Dosen in zinkarmen Böden das Wachstum und die physiologischen Reaktionen, wie die Spross- und Wurzelverlängerung, das frische Trockengewicht und die Photosynthese bei vielen Pflanzenarten im Vergleich zur Kontrolle positiv. Es wurde auch gezeigt, dass die Anwendung von Zinkoxid-Nanopartikeln mit anderen Düngemitteln in zinkarmen Böden nicht nur die Nährstoffausnutzung fördert, sondern auch die Produktivität von Gerste um 91 % im Vergleich zur Kontrolle erhöht, während traditionelles ZnSO4 in großen Mengen die Produktivität um 31 % im Vergleich zur Kontrolle erhöht.

Wissenschaftliche Innovationen sind auf die Verbesserung des menschlichen Wohlergehens ausgerichtet. Ebenso zielen Pflanzenwissenschaftler darauf ab, die natürliche genomische Vielfalt verschiedener domestizierter Nutzpflanzen wiederherzustellen und Technologien zur Verringerung des Düngerverbrauchs zu verbessern, ohne die Produktivität der Pflanzen und eine nachhaltige Umwelt zu beeinträchtigen. Im Zuge dessen wird in der nachhaltigen Landwirtschaft ein neuer Begriff, „Kontrollverlustdünger“, verwendet. Diese Art von Düngemitteln wurde entwickelt, um die punktuelle Verschmutzung durch Inputs in der Landwirtschaft zu reduzieren, die durch die Bildung eines Nanonetzwerks durch Selbstorganisation bei Kontakt mit Wasser im Boden funktionieren. Die eingeschlossenen Nährstoffe des Düngers gelangen über Wasserstoffbrücken, Oberflächenspannung, molekulare Kraft oder viskose Kraft in das Bodennetzwerk. Infolgedessen vergrößert sich ihre räumliche Skala, so dass sie leicht durch die Bodenfiltration blockiert werden und im Boden um die Pflanzenwurzeln herum fixiert bleiben, was die Nährstoffaufnahme durch die Pflanzen erleichtert, um die Anforderungen während des Wachstumszyklus zu erfüllen. Ein solcher neuartiger Ansatz wurde zum Beispiel erfolgreich eingesetzt, um die Transferrate von Stickstoff in die Umwelt zu reduzieren. Es wurde auch gezeigt, dass die Anwendung von Düngemitteln mit Kontrollverlust nicht nur den Stickstoffabfluss und den Auswaschungsverlust um 21,6 % und 24,5 % verringert, sondern auch einen Anstieg des mineralischen Reststickstoffs im Boden um 9,8 % zusammen mit einer um 5,5 % gesteigerten Weizenproduktion im Vergleich zu herkömmlichen Düngemitteln bewirkt. Obwohl eine Reihe von Forschungsarbeiten zu diesem Thema veröffentlicht wurden, sind die Informationen und Forschungen über das breitere Potenzial noch unzureichend. Daher sollten weitere Forschungsarbeiten durchgeführt werden, um neue und vielversprechende Ansätze zu erforschen, die die Migration anderer Makro- und Mikronährstoffe als Schadstoffe im Mikrobereich in die Umweltmatrix kontrollieren können.

6. Nanomaterialien in der Saatgutkeimung, dem Pflanzenwachstum und der Qualitätsanreicherung

Die Nanowissenschaft ist eine neue Plattform wissenschaftlicher Innovation, die die Entwicklung von Ansätzen für eine Reihe kostengünstiger Nanotech-Anwendungen zur verbesserten Keimung von Saatgut, Pflanzenwachstum, Entwicklung und Akklimatisierung an Umgebungen beinhaltet. Die Keimung von Samen ist eine sensible Phase im Lebenszyklus von Pflanzen, die die Entwicklung, das Überleben und die Populationsdynamik von Sämlingen ermöglicht. Die Keimung von Samen wird jedoch in hohem Maße von verschiedenen Parametern wie Umweltfaktoren, genetischen Merkmalen, der Verfügbarkeit von Feuchtigkeit und der Bodenfruchtbarkeit beeinflusst. In diesem Zusammenhang hat eine Vielzahl von Studien gezeigt, dass die Anwendung von Nanomaterialien positive Auswirkungen auf die Keimung sowie das Pflanzenwachstum und die Entwicklung hat. Zum Beispiel beeinflusst die Anwendung von mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (MWCNTs) positiv die Keimung von Samen verschiedener Pflanzenarten wie Tomate, Mais, Sojabohne, Gerste, Weizen, Mais, Erdnuss und Knoblauch. In ähnlicher Weise stimuliert die Anwendung von Nano-SiO2, TiO2 und Zeolith die Samenkeimung bei Nutzpflanzen positiv. Außerdem wurde festgestellt, dass Fe/SiO2-Nanomaterialien ein signifikantes Potenzial zur Verbesserung der Keimung von Gerste und Mais haben. Trotz einer beträchtlichen Menge an Forschungsergebnissen über die positiven Auswirkungen von Nanomaterialien auf die Keimung sind die zugrundeliegenden Mechanismen, wie Nanomaterialien die Keimung stimulieren können, immer noch unklar. Einige Studien haben gezeigt, dass Nanomaterialien das Potenzial haben, die Samenschale zu durchdringen und die Fähigkeit zur Absorption und Nutzung von Wasser zu verbessern, was das enzymatische System stimuliert und letztendlich die Keimung und das Wachstum der Keimlinge verbessert. Dennoch ist der Mechanismus der durch Nanomaterialien induzierten Wasseraufnahme im Inneren des Samens noch weitgehend unbekannt.

Wirkung von Nanomaterialien auf die Physiologie von Pflanzen und den Pflanzenschutz.

Zusätzlich zur Keimung wird berichtet, dass Nanomaterialien wie ZnO, TiO2, MWCNTs, FeO, ZnFeCu-Oxid und Hydroxyfullerene das Wachstum und die Entwicklung von Nutzpflanzen mit Qualitätsverbesserung bei vielen Pflanzenarten wie Erdnuss, Sojabohne, Mungobohne, Weizen, Zwiebel, Spinat, Tomate, Kartoffel und Senf steigern. Zum Beispiel haben Kohlenstoff-Nanomaterialien Fullerole, als OH-funktionalisierte Fullerene, allgemein positive Effekte auf das Pflanzenwachstum ausgeübt. Es wurde gezeigt, dass Fullerene das Hypokotyl-Wachstum in Arabidopsis durch Stimulation der Zellteilungen verstärken. Es wurde auch festgestellt, dass die Beizung von Saatgut mit Fullerol nicht nur die Anzahl der Früchte, die Fruchtgröße und den endgültigen Ertrag um bis zu 128% erhöht, sondern auch den Gehalt an bioaktiven Verbindungen wie Cucurbitacin-B, Lycopin, Charantin und Inulin in Früchten der Bittermelone (Momordica charantia) stimuliert. Yousefzadeh und Sabaghnia zeigten, dass die Anwendung von Nano-Eisendünger nicht nur die agronomischen Eigenschaften von Dracocephalum moldavica mit der Aussaatdichte erhöhte, sondern auch den Gehalt an ätherischem Öl in den Pflanzen verbesserte. In ähnlicher Weise wurde festgestellt, dass die Blattapplikation von Nano-Zink- und Bor-Düngern den Fruchtertrag und die Fruchtqualität erhöht, einschließlich 4,4-7,6 % Erhöhung der gesamten löslichen Feststoffe (TSS), 9,5-29,1 % Verringerung der titrierbaren Säure (TA), 20,6-46,1 % Erhöhung des Reife-Index und 0,28-0,62 pH-Einheiten Erhöhung des Saft-pH bei Granatapfel (Punica granatum) ohne die physikalischen Eigenschaften der Früchte zu beeinträchtigen. Diese Ergebnisse zeigten die Perspektiven von Nanomaterialien zur Verbesserung der Ernteerträge und der Produktqualität. Obwohl der genaue Mechanismus hinter der Förderung des Pflanzenwachstums und der verbesserten Qualität nicht klar ist, kann er zumindest teilweise durch die Möglichkeiten der Nanomaterialien erklärt werden, mehr Nährstoffe und Wasser zu absorbieren, was wiederum dazu beiträgt, die Vitalität der Wurzelsysteme mit erhöhter enzymatischer Aktivität zu verbessern. Darüber hinaus haben die Untersuchungen von Nährstoffen zur langsamen/kontrollierten Freisetzung oder zum Kontrollverlust von Nanodüngern, die in Wasser und Boden durchgeführt wurden, bestätigt, dass die langfristige Verfügbarkeit aller dotierten Nährstoffe für die Pflanze über die gesamte Anbauperiode entscheidend für die Förderung von Keimung, Wachstum, Blüte und Fruchtbildung ist. Zum Beispiel setzt der mit Hydroxylapatit-Nanomaterial umhüllte Harnstoffdünger Stickstoff langsam und gleichmäßig über bis zu 60 Tage frei, während der herkömmliche Schüttdünger nur innerhalb von 30 Tagen mit ungleichmäßiger Freisetzung verloren geht, was die Nährstoffeffizienz der Pflanzen reduziert und das Pflanzenwachstum negativ beeinflusst. Umgekehrt bietet die Untersuchung in verschiedenen Studien widersprüchliche Beweise über die positiven Auswirkungen von Nanomaterialien auf die Keimung und das Wachstum von Nutzpflanzen. Diese Variabilität kann durch eine Reihe von Faktoren entstehen, die mit den Eigenschaften der Nanomaterialien zusammenhängen, wie z. B. Größe, Form, Oberflächenbeschichtung und elektronische Eigenschaften, die Dosis sowie die Art der Anwendung und die untersuchte Pflanzenart. Es wurde gezeigt, dass die Anwendung von TiO2 in einer Dosierung von 2,5 % die Photosynthese in Spinat um 3,13 % erhöhte; dies nahm jedoch jenseits von 4 % der Konzentration ab. Es wurde auch gezeigt, dass 15 mg kg-1 Nano-Fe/SiO2 die Sprosslänge von Gersten- und Maissämlingen um 8,25 % bzw. 20,8 % erhöhte; die Sprosslänge wurde jedoch negativ beeinflusst, wenn die Konzentration 25 mg kg-1 erreichte, was bedeutet, dass das Pflanzenwachstum von der Konzentration der Nanomaterialanwendung abhängt. Es wurde gezeigt, dass die Leistung des Pflanzenwachstums von der Art der Nanomaterialapplikation beeinflusst wurde. Sie fanden heraus, dass die Blattapplikation von Nano-Fe3O4 das Gesamtchlorophyll, das Gesamtkohlenhydrat, den Gehalt an ätherischem Öl, den Eisengehalt, die Pflanzenhöhe, die Zweige/Pflanze, die Blätter/Pflanze, das Frischgewicht und das Trockengewicht von Ocimum basilicum-Pflanzen im Vergleich zur Bodenapplikation signifikant erhöhen konnte.

7. Nanomaterialien beschleunigen die anpassung von Pflanzen an fortschreitende Klimafaktoren

Die Ernährungssicherheit ist heute eine Herausforderung für die steigende Bevölkerung aufgrund der begrenzten verfügbaren Ressourcen bei fortschreitendem Klimawandel auf der ganzen Welt. Der fortschreitende Klimawandel bezieht sich auf die Veränderungen der klimatischen Ausgangsbedingungen im Laufe der Zeit, wie z. B. Temperaturen, Wassermangel, Kälte, Salzgehalt, Alkalinität und Umweltverschmutzung mit toxischen Metallen. Daher besteht das Hauptanliegen darin, eine beschleunigte Anpassung der Pflanzen zu ermöglichen, ohne die bestehenden empfindlichen Ökosysteme bei der Bewältigung der Umweltbelastungen zu gefährden. Die Bewältigung dieser Aufgabe erfordert eine mehrgleisige Strategie, wie die Aktivierung des pflanzlichen Enzymsystems, die hormonelle Regulation, die Expression von Stressgenen, die Regulierung der Aufnahme von toxischen Metallen und die Vermeidung von Wasserdefizitstress oder Sturzfluten durch Verkürzung des Lebenszyklus der Pflanzen. Es wurden verschiedene Anstrengungen von Forschern unternommen, um Technologien und Praktiken für nachhaltige landwirtschaftliche Systeme zu entwickeln, indem negative Auswirkungen auf Umweltkompartimente vermieden werden. Fortschritte in der Nanomaterialtechnik legen nahe, dass Nanodünger die Pflanzenproduktion in bestehenden ungünstigen Umgebungen steigern können. Salinitätsstress schränkt die Pflanzenproduktion auf etwa 23% der Anbauflächen weltweit stark ein. Im Gegensatz dazu wurde berichtet, dass die Anwendung von Nano-SiO2 die Keimung von Samen verbessert, das Frischgewicht der Pflanzen, das Trockengewicht und den Chlorophyllgehalt mit Prolin-Akkumulation in Tomaten- und Kürbispflanzen unter NaCl-Stress erhöht. Es wurde auch gezeigt, dass das Blattspray von Nanopartikeln, Eisensulfat (FeSO4), eine positive Reaktion auf die Salzstresstoleranz bei Sonnenblumenkulturen zeigt. Sie berichteten, dass die Anwendung von Nano-FeSO4 nicht nur die Blattfläche, das Trockengewicht der Triebe, die Netto-Kohlendioxid (CO2)-Assimilationsrate, die substatale CO2-Konzentration (Ci), den Chlorophyllgehalt, die maximale photochemische Effizienz des Photosystems II (Fv/Fm) und den Eisen (Fe)-Gehalt erhöhte, sondern auch den Natrium (Na)-Gehalt in den Blättern signifikant verringerte. Kürzlich wurde auch erforscht, dass Silizium-Nanopartikel (SiNPs) den UV-B-induzierten Stress in Weizen effektiv lindern können. Nano-Zeolith kann die langfristige Verfügbarkeit von Nährstoffen verbessern und die Keimung und das Wachstum von Pflanzen fördern. Zeigten eine hervorragende Leistung, um die Anwendung von Nanomaterialien zu erforschen. Sie fanden heraus, dass der Lebenszyklus von Weizenpflanzen, die mit Nanodünger gedüngt wurden, 23,5 % kürzer war (130 Tage im Vergleich zu 170 Tagen) für die Ertragsproduktion ab dem Zeitpunkt der Aussaat im Vergleich zu Pflanzen, die mit herkömmlichem Dünger gedüngt wurden. Eine solche Beschleunigung des Pflanzenwachstums und der Produktivität durch die Anwendung von Nanodüngern zeigt deren Potenzial als wirksame Werkzeuge in der landwirtschaftlichen Praxis, insbesondere in Gebieten, die von Trockenheit oder sogar plötzlichen Sturzfluten betroffen sind, wo die frühe Reife der Pflanzen ein wichtiger Aspekt für eine nachhaltige Pflanzenproduktion ist. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass Nanomaterialien bei der Entgiftung oder Sanierung von schädlichen Schadstoffen wie Schwermetallen wirksam sind.

Die Produktivität von Nutzpflanzen wird auch weitgehend von biotischen Faktoren wie Schädlingen und Krankheiten beeinflusst. Um Ernteverluste zu minimieren, waren Landwirte bisher stark auf Pestizide angewiesen, die sich negativ auf die menschliche Gesundheit und die Umweltverträglichkeit auswirken. Jüngste Studien haben jedoch gezeigt, dass Nanomaterialien die Risiken von Schädlingen und Krankheiten erfolgreich reduzieren und damit die Schwere der Ertragsverluste und Umweltgefahren minimieren könnten. Zum Beispiel besitzen biosynthetisierte AgNPs, die aus dem Stammextrakt der Baumwollpflanze (Gossypium hirsutum) gewonnen wurden, eine starke antibakterielle Aktivität, wie die Hemmzone für Xanthomonas axonopodis pv. malvacearum und Xanthomonas campestris pv. campestris, zwei wichtige bakterielle Krankheitserreger von Nutzpflanzen der Familie Malvaceae bzw. Brassicaceae, zeigt. Metalloxid-Nanomaterialien wie CuO, ZnO und MgO könnten auch viele Pflanzen- und bodenbürtige Krankheiten, die durch Botrytis cinerea, Alternaria alternate, Monilinia fructicola, Colletotrichum gloeosporioides, Fusarium solani, Fusarium oxysporum fsp Radicis Lycopersici, Verticillium Dahliae, Phytophthora infestans und Ralstonia solanacearum verursacht werden, in vielen Pflanzenarten wirksam kontrollieren. Daher kann der vernünftige Einsatz von Nanomaterialien die Produktivität von Pflanzen erhöhen, ohne die Umwelt zu belasten. In den letzten Jahren haben sich die Forschungen zur Verwendung von Nanokompositen im Bereich des Pflanzenschutzes aufgrund ihrer hohen Wirksamkeit und Umweltfreundlichkeit stark ausgeweitet. Zum Beispiel zeigen Ag-inkorporierte Chitosan-Nanokomposite mit dem Fungizid Antracol eine erhöhte antimykotische Aktivität im Vergleich zu jeder Komponente allein. Auch die Entwicklung von Nanokompositen mit Bacillus thuringiensis (Bt), die aktives Bt enthalten, hat die Wirksamkeit und Haltbarkeit von Pestiziden weiter erhöht und die bisher erforderliche Dosierung reduziert. Die Mechanismen, die hinter solchen Wirkungen von Bt-basierten Nanokompositen stehen, müssen jedoch noch aufgeklärt werden.
Trotz zahlreicher Studien zur Nanomaterialien-induzierten Pflanzenwachstumsförderung und Stresstoleranz sind die zugrundeliegenden Mechanismen noch weitgehend unentdeckt. Die einflussreichen Effekte von Nanomaterialien auf das Pflanzenwachstum unter ungünstigen Bedingungen lassen sich zumindest teilweise durch die erhöhte Aktivität von Enzymsystemen erklären. So erhöht die Anwendung von Nanomaterialien wie Nano-SiO2 oder Nano-ZnO die Akkumulation von freiem Prolin und Aminosäuren, die Nährstoff- und Wasseraufnahme sowie die Aktivität von antioxidativen Enzymen wie Superoxid-Dismutase, Katalase, Peroxidase, Nitrat-Reduktase und Glutathion-Reduktase, was letztlich die Toleranz der Pflanzen gegenüber extremen Klimaereignissen verbessert. Darüber hinaus könnten Nanomaterialien auch die Expression von Stressgenen regulieren. Zum Beispiel zeigte eine Microarray-Analyse, dass eine Reihe von Genen durch die Anwendung von AgNPs in Arabidopsis hoch- oder herunterreguliert wurden. Unter den hochregulierten Genen ist ein Großteil mit der Reaktion auf Metalle und oxidativen Stress verbunden (Kationenaustauscher, Cytochrom P450-abhängige Oxidase, Superoxid-Dismutase und Peroxidase). Im Gegensatz dazu stehen die herunterregulierten Gene im Zusammenhang mit der Reaktion auf Pathogene und hormonelle Stimuli, einschließlich systemisch erworbener Resistenz, Ethylen-Signalisierung und Auxin-regulierten Genen, die an Wachstum und Organgröße beteiligt sind. Solche durch Nanomaterialien induzierten Reaktionen sind direkt am Pflanzenschutz gegen Stress beteiligt. Die Reaktion der Pflanzen auf Nanodünger variiert jedoch mit der Pflanzenart, ihren Wachstumsstadien und der Art der verwendeten Nanomaterialien. Daher sind weitere Arbeiten erforderlich, um die Signalkaskaden und die Gene zu identifizieren, die durch spezifische Nanomaterialien in verschiedenen Pflanzenarten reguliert werden, bevor die Technologie das Tor zum Bauernhof erreicht.

8. Nanomaterialien als Nanosensoren: Messung und Überwachung von Störeinflüssen

Die Nanomaterialtechnik ist die zukunftsweisende Forschungsschiene für eine nachhaltige landwirtschaftliche Entwicklung. Der Einsatz von Nanomaterialien in der Präzisionslandwirtschaft reduziert Kosten und Aufwand, erhöht die Effizienz und führt zu einer umweltverträglichen Entwicklung. Die Entwicklung von Nanosensoren zur Messung und Überwachung des Pflanzenwachstums und der Bodenbedingungen, des Nährstoffmangels, der Toxizität, der Krankheiten und des Eintrags von Agrochemikalien in die Umwelt würde dazu beitragen, die Boden- und Pflanzengesundheit, die Produktqualität und die allgemeine Sicherheit für eine nachhaltige Landwirtschaft und Umweltsysteme zu gewährleisten. Natürlich haben biologische Organismen den Sinn, die vorhandenen Umweltbedingungen zu erkennen. Die Kombination von Biologie mit Nanomaterialien in Sensoren hat jedoch eine breitere Perspektive geweckt, um die Spezifität, Empfindlichkeit und schnelle Reaktionen auf die Beeinträchtigungen zu erhöhen. Zum Beispiel wird ein auf Nanosensoren basierendes globales Positionierungssystem (GPS) für die Echtzeitüberwachung von bewirtschafteten Feldern während der gesamten Vegetationsperiode eingesetzt. Solche Netzwerke von drahtlosen Nanosensoren überwachen den kontrollierten Freisetzungsmechanismus über nanoskalige Träger, die drahtlose Signale verwenden, die sich überall auf den bewirtschafteten Feldern befinden. Dies kann eine umfassende Echtzeit-Überwachung des Pflanzenwachstums und effektive, qualitativ hochwertige Daten gewährleisten, die Möglichkeiten für exzellente Managementpraktiken bieten, indem sie eine Überdosierung von landwirtschaftlichen Betriebsmitteln vermeiden. Die Automatisierung des Bewässerungssystems durch den Einsatz von Sensortechnologie hat das große Potenzial, die Effizienz der Wassernutzung zu maximieren. Im Szenario der Wasserbegrenzung schätzen Nanosensoren die Bodenwasserspannung in Echtzeit, verbunden mit einer autonomen Bewässerungssteuerung. Ebenso würde eine schnelle und genaue Erkennung von Insekten oder Krankheitserregern bei der rechtzeitigen Anwendung von Pestiziden oder Düngemitteln helfen, um die Nutzpflanzen vor Befall zu schützen. Dieser Sensor unterscheidet die emittierten flüchtigen organischen Stoffe in vielen Wirtspflanzenarten in Bezug auf die Insektentypen. Es wurde gezeigt, dass ein auf Nanogold basierender Immunosensor effektiv ist, um die Karnal-Bunt-Krankheit in Weizenpflanzen zu erkennen. Darüber hinaus hat im Bereich der Nanobiotechnologie die Entwicklung bionischer Pflanzen durch das Einfügen von Nanopartikeln in die Zellen und Chloroplasten lebender Pflanzen zur Erkennung oder Abbildung von Objekten in ihrer Umgebung und zur Kommunikation als Infrarotgeräte oder sogar zur Selbstversorgung von Pflanzen als Lichtquellen ein großes Potenzial für die Präzisionslandwirtschaft. So wurde beispielsweise berichtet, dass das Einfügen von einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (SWNTs) die Elektronentransferrate von lichtangepassten Chloroplasten unter in vivo-Bedingungen um 49% erhöht, indem die Photoabsorption gesteigert wird. Sie zeigten auch, dass SWNTs zur Lichtsammelkapazität im nahen Infrarot beitragen, indem sie die Erzeugung reaktiver Sauerstoffspezies im Chloroplasten unterdrücken und den Sensing-Prozess in Pflanzen beeinflussen können; was zu einer erhöhten photosynthetischen Effizienz und Quantenausbeute von Pflanzen führt. Daher eröffnen die Fortschritte bei nanobionischen Ansätzen zur Verbesserung von Nutzpflanzen und zur Umweltüberwachung ein neues Fenster für die Erforschung funktioneller Pflanzen-Nanomaterial-Hybride.

Pflanzen reagieren auf Stress durch verschiedene physiologische Veränderungen, die durch Stresshormone, wie Jasmonsäure, Methyljasmonat und Salicylsäure, vermittelt werden. Es wurde ein modifizierter Goldelektroden-Nanosensor mit Kupfer-Nanopartikeln entwickelt, um den pathogenen Pilzbefall durch Überwachung des Salicylsäuregehalts in Ölsaaten zu erkennen. Dementsprechend sind mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (MWCNTs) auch kompetent in der Untersuchung des Pflanzenwachstums durch die Regulierung von Hormonen, wie z.B. Auxin, was den Wissenschaftlern helfen kann, zu erforschen, wie Pflanzenwurzeln an ihre Umgebung akklimatisiert werden, insbesondere an marginale Böden. Es wurde gezeigt, dass eindimensionale Kaliumniobat (KNbO3) Nanofasern aufgrund ihres großen Oberflächen-Volumen-Verhältnisses ein großes Potenzial zur Messung der Luftfeuchtigkeit haben. Die KNbO3-Nanofaser-basierten Feuchtigkeits-Nanosensoren zeigen ein logarithmisch-lineares Abhängigkeitsverhalten des Leitwertes mit der relativen Luftfeuchtigkeit innerhalb von zwei Sekunden, wobei der Leitwert von 10-10℧ auf 10-6℧ für eine relative Luftfeuchtigkeit von 15% bis 95% bei Raumtemperatur ansteigt.

Kürzlich wurde eine einfache, markierungsfreie, glutathion-regulierte dual-funktionale Plattform auf Basis von Upconversion-Nanopartikeln (UCNPs)/AuNPs für die Turn-On-Fluoreszenz-Detektion von Acetylcholinesterase (AChE)-Aktivität und toxischem Cd2+ in realen Wasserproben entwickelt. Außerdem wurden bedeutende Fortschritte bei der Überwachung und Quantifizierung kleiner Schadstoffmengen wie Pestiziden erzielt. Zum Beispiel haben Photosystem-II-haltige Biosensoren das Potenzial, mehrere Gruppen von Pestiziden zu binden und können auch die chemischen Schadstoffe überwachen. Solche Nanosensoren bieten eine einfache und kostengünstige effektive Technologie für den Nachweis spezifischer Pestizide mit einer breiten Palette von organischen Schadstoffen, bevor diese in die landwirtschaftliche Umwelt gelangen. Sicherlich ist die intelligente Anwendung von Nanosensoren in der Landwirtschaft ein aufstrebendes Werkzeug, das

9. Nanomaterialien im pestizidbasierten Pflanzenschutz

Die Unterstützung durch Nanotechnologie in Pflanzenschutzmitteln hat exponentiell zugenommen, um eine höhere Pflanzenproduktion zu erreichen. Im Allgemeinen werden beim konventionellen Pflanzenschutz Fungizide, Herbizide und Insektizide in großem Umfang und in Überdosis eingesetzt. Von den eingesetzten Pestiziden gehen mehr als 90 % entweder in der Umwelt verloren oder erreichen nicht die für eine effektive Schädlingsbekämpfung wichtigen Zielorte. Dies erhöht nicht nur die Kosten der Pflanzenproduktion, sondern führt auch zur Erschöpfung der Umweltsysteme. Es ist anzumerken, dass das Vorhandensein von Wirkstoffen in minimaler effektiver Konzentration einer Formulierung an den Zielorten wesentlich für die Gewährleistung eines besseren Schutzes der Pflanzen vor Schädlingsinvasion und nachfolgenden Ernteverlusten ist. In diesem Zusammenhang ist die Entwicklung neuer Pflanzenschutzformulierungen seit langem ein sehr erkenntnisreiches Feld der Agrarforschung. Eine solche Technologie ist die Nanoformulierung oder Verkapselung von Pflanzenschutzmitteln, die den Pflanzenschutzsektor revolutioniert hat. Die Nanoformulierung von Pestiziden enthält eine sehr kleine Anzahl von Partikeln, die als Wirkstoffe von Pestiziden fungieren, während andere konstruierte Nanostrukturen ebenfalls nützliche pestizide Eigenschaften haben. Die Nanoverkapselung von Pestiziden ist die Umhüllung von Wirkstoffen von Pestiziden mit einem anderen Material unterschiedlicher Größe im Nanobereich, wobei die eingekapselten Materialien als innere Phase des Kernmaterials (Pestizide) und die Verkapselungsmaterialien als äußere Phase, d.h. die umhüllenden Nanomaterialien, bezeichnet werden.
Nanoformulierungen oder Verkapselungen von Pestiziden ermöglichen die Persistenz oder kontrollierte Freisetzung von Wirkstoffen in Wurzelzonen oder im Inneren von Pflanzen, ohne die Wirksamkeit zu beeinträchtigen. Andererseits schränken herkömmliche Formulierungen von Pestiziden oder Herbiziden nicht nur die Wasserlöslichkeit der Pestizide ein, sondern verletzen auch andere Organismen, was zu einer erhöhten Resistenz der Zielorganismen führt. Im Gegensatz dazu helfen Nanoformulierungen, die oben genannten Einschränkungen zu überwinden. Petosa zeigte beispielsweise, dass Nanoformulierungen von Pestiziden die Ernteerträge steigern, indem sie die Wirksamkeit von Pestiziden durch die Regulierung des Transportpotenzials von Pestiziden erhöhen. Sie fanden heraus, dass Nanoformulierungen, die polymere Nanokapseln und das Pyrethroid Bifenthrin (nCAP4-BIF) kombinieren, eine erhöhte Elution mit der Zeit und ein erhöhtes Transportpotenzial zeigen, sogar nach der Zugabe von Dünger in lehmigem Sandboden, der mit künstlichem Porenwasser gesättigt ist, das Ca2+ und Mg2+ Kationen enthält. Dies bedeutet, dass nCAP4 ein vielversprechendes Transportvehikel für Pestizide wie Pyrethroide im Pflanzenschutz sein könnte. Dies könnte möglicherweise auf das erhöhte Dispersionspotenzial und die Benetzbarkeit von Nanoformulierungen zurückzuführen sein, die den Abfluss von organischen Lösungsmitteln und die unerwünschte Bewegung von Pestiziden reduzieren. Darüber hinaus zeigen Nanomaterialien in Pestizidformulierungen einige nützliche Eigenschaften wie erhöhte Steifigkeit, Permeabilität, thermische Stabilität, Löslichkeit, Kristallinität und auch biologische Abbaubarkeit, die für ein nachhaltiges Agrarumweltsystem wichtig sind. Noch wichtiger ist, dass die rechtzeitige und kontrollierte Freisetzung von Wirkstoffen die Gesamtmenge der für die Schädlings- und Krankheitsbekämpfung erforderlichen Pestizide reduziert, ein wichtiges Merkmal des integrierten Pflanzenschutzes (IPM). Darüber hinaus verlangt die nachhaltige Landwirtschaft einen minimalen Einsatz von Agrochemikalien, um die Umwelt und andere Nicht-Zielarten zu schützen. Darüber hinaus reduziert der minimale Einsatz von Pestiziden die Kosten für die Pflanzenproduktion. Schätzungen zufolge belaufen sich die jährlichen Ernteverluste in der Landwirtschaft aufgrund von Pflanzenkrankheiten, Schädlingen und Unkraut weltweit auf 2000 Milliarden US-Dollar, wobei allein in den USA die Kosten für die Bekämpfung von Krankheitserregern durch den Einsatz von Fungiziden 600 Millionen US-Dollar übersteigen. Faszinierenderweise wird unter diesen Umständen der Einsatz von NPs als effiziente Alternative zur direkten Unterdrückung der Pathogeninfektion und -aktivität berichtet, was zu erhöhtem Pflanzenwachstum und Ertrag führt. Zum Beispiel werden Halloysite, eine Art von Ton-Nanoröhren, als kostengünstige Träger von Pestiziden in der Landwirtschaft eingesetzt. Diese Nanoröhrchen weisen nicht nur eine verlängerte Freisetzungsdauer von Wirkstoffen (AI) auf, sondern bieten auch die Gewähr für einen besseren Kontakt mit minimalen Umweltauswirkungen. Nano-Siliziumdioxid ist ein solches Beispiel, das von Natur aus hydrophob ist und bei Kontakt in die Kutikula-Schicht der Insekten eindringen kann, was letztendlich zum Tod der Insekten führt. De Jorge zeigte eine hervorragende Leistung, um die Bedeutung der Nanoformulierung bei der kontrollierten Freisetzung von AI zu erforschen. Sie haben untersucht, dass die Nanofaser-Formulierung des Pheromons von Grapholita molesta (Lepidoptera:Tortricidae) (Busck) keine Auswirkungen auf die Mortalität im Laufe der Zeit hat, was auf eine kontrollierte Freisetzung von AI und einen langfristigen Lock- und Tötungseffekt von Pheromon und Insektizid hindeutet.

Darüber hinaus haben viele Untersuchungen den Nachweis erbracht, dass Nanoformulierungen von Pestiziden die Ausweitung der pflanzenbasierten systemischen erworbenen Resistenz (SAR) gegen Schädlinge erleichtern. Zum Beispiel können Siliziumdioxid-Nanosphärenformulierungen die Fähigkeit von Pestiziden erhöhen, durch die Pflanze zu dringen und den Zellsaft zu erreichen, wodurch eine systemische Wirkung zur Kontrolle von kauenden oder saugenden Insekten wie Blattläusen ausgeübt wird. Solche Arten von Hohlformulierungen schützen Pestizide auch vor Photodegradation durch direkte Sonneneinstrahlung. Es wurde auch beobachtet, dass Nanoformulierungen das nicht-systemische Verhalten von Pestiziden verändern. Das nicht-systemische Verhalten von Ferbam kann sich ändern und das Penetrationspotenzial in Teeblätter erhöhen, wenn es mit metallischen NPs (AuNPs) formuliert wird. Diese Art von Erkenntnissen bietet offensichtlich eine neue Grenze für die Entwicklung von Pestizidformulierungen, um eine pflanzenbasierte systemische Resistenz zu erreichen. Es sind jedoch weitere Studien erforderlich, um das Verhalten und den Verbleib von Pestiziden und ihre Wechselwirkungen mit Biomakromolekülen in lebenden Systemen oder der Umwelt zu entschlüsseln. In der Zwischenzeit zeigte Patil, dass aus Latex hergestellte bioaktive AuNPs das katalytische Potenzial von Trypsin, einer lebenswichtigen Insektenprotease, reduzierten und damit die biologische Kontrolle über die zerstörerischen Insekten ermöglichten. Diese katalytische Hemmung könnte auf die Wechselwirkung der metallischen NPs mit Proteinen über kovalente Wechselwirkungen, elektrostatische Wechselwirkungen oder die Bindung an die -SH-Gruppe der Aminosäure zurückzuführen sein.
Die potenzielle Anwendung von technisch hergestellten Nanomaterialien in der Landwirtschaft wird auch im Krankheits- und Unkrautmanagement festgestellt. Anorganische NPs, wie ZnO, Cu, SiO2, TiO2, CaO, MgO, MnO und AgNPs spielen eine wichtige Rolle in verschiedenen Bereichen des Pflanzenschutzes, einschließlich der mikrobiellen Aktivität und bakterieller Krankheiten. Zum Beispiel wurde kürzlich gezeigt, dass ZnO-Nanopartikel eine effektive Wachstumskontrolle von Fusarium graminearum, Penicillium expansum, Alternaria alternate, F. oxysporum, Rhizopus stolonifer, Mucor plumbeus und A. flavus sowie von pathogenen Bakterien Pseudomonas aeruginosa bieten. Die Nano-Cu-Applikation erwies sich als wirksamer gegen Phytophthora infestans im Vergleich zu derzeit verfügbaren Nicht-Nano-Cu-Formulierungen in Tomaten. Außerdem haben sich Si und TiO2 als vielversprechend erwiesen, um Pflanzenkrankheiten direkt durch antimikrobielle Aktivität zu unterdrücken. MONPs hemmen die Entwicklung von Pilzkonidien und Konidiophoren, was letztendlich zum Absterben der Pilzhyphen führt. Ebenso werden Unkräuter als ernsthafte Bedrohung für die weltweite landwirtschaftliche Produktion angesehen, da sie mit den Nutzpflanzen um deren Nährstoffe, Wasser und Licht konkurrieren. Die Anwendung von Nanomaterialien, die Herbizide enthalten, bietet jedoch eine umweltfreundliche Lösung. Zum Beispiel zeigte Sharifi-Rad, dass Keimung, Wurzel- und Sprosslängen, Frisch- und Trockengewichte sowie photosynthetische Pigmente mit Gesamtprotein bei Unkräutern, die SiO2-Nanopartikeln ausgesetzt waren, signifikant abnahmen. In ähnlicher Weise zeigte Kumar, dass Herbizid (Metsulfuron Methyl)-beladene Pektin (Polysaccharid)-Nanopartikel sowohl unter Labor- als auch unter Feldbedingungen zytotoxischer für Chenopodium album-Pflanzen sind und im Vergleich zum kommerziellen Herbizid nur eine sehr geringe Menge an AI benötigt wird. Normalerweise kontrollieren oder töten kommerzielle Herbizide die oberirdischen Teile der Unkräuter, ohne die unterirdischen Teile wie Rhizome oder Knollen zu beeinflussen. Infolgedessen kommt es zum Nachwachsen von Unkräutern; Nanoherbizide hingegen verhindern das Nachwachsen von Unkräutern. Somit haben die Nanomaterialien in Pestiziden, Fungiziden und Herbiziden einen enormen Spielraum in der nachhaltigen landwirtschaftlichen Entwicklung.

10. Schlussfolgerung

Im Bereich der Landwirtschaft wurde die Nanotechnologie eingesetzt, um die Pflanzenproduktion mit Qualitätsverbesserung zu erhöhen, indem die Anbausysteme schematisch verbessert wurden. Das Aufkommen von technisch hergestellten Nanomaterialien und ihre Wirkung im Rahmen einer nachhaltigen Landwirtschaft haben die weltweite Landwirtschaft durch ihre Neuartigkeit, ihr schnelles Wachstum und ihre enorme Bedeutung für die Deckung des weltweiten Nahrungsmittelbedarfs dramatisch verändert. In der nachhaltigen Landwirtschaft ist der Schutz der Umwelt vor Verschmutzung das entscheidende Ziel für den Handel, und Nanomaterialien bieten eine Garantie für ein besseres Management und die Erhaltung der Inputs für die Pflanzenproduktion. Das Potenzial von Nanomaterialien ermutigt zu einer neuen grünen Revolution mit reduzierten landwirtschaftlichen Risiken. Allerdings gibt es noch große Wissenslücken über die Aufnahmefähigkeit, den zulässigen Grenzwert und die Ökotoxizität verschiedener Nanomaterialien. Daher ist weitere Forschung dringend erforderlich, um das Verhalten und den Verbleib von veränderten landwirtschaftlichen Inputs und ihre Interaktion mit Biomakromolekülen, die in lebenden Organismen vorhanden sind, zu entschlüsseln.
Vereinfachter Überblick über mögliche Anwendungen von Nanomaterialien in der nachhaltigen landwirtschaftlichen Produktion. Verbesserung der Produktivität von Nutzpflanzen durch den Einsatz von Nanomaterialien in der Gentechnik von Zielpflanzen und intelligente Überwachung der Reaktion von Pflanzen auf ihre Umwelt mit Nanosensoren.

Autorin: Dr. rer. nat. Patricia Lefèvre, Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne, Dijon

Nanohybride in der Medizin

Die Heilung von Krebs ist nach wie vor eine der großen Herausforderungen der Medizin. Viel wurde schon erreicht. Dennoch müssen die derzeit verwendeten Methoden weiter verbessert werden. Nanotechnologie verspricht einen wesentlichen Beitrag dafür.

Autorin Dr. rer. nat.Patricia Lefèvre

Bösartige Tumore müssen entfernt werden, um ein weiteres Ausbreiten der Krebszellen zu verhindern. Hier greifen Doxorubicin die Tumorzellen an und zerstören sie gezielt. Die heute Medizin kennt dafür verschiedene Verfahren, die jedoch alle mit starken Nebenwirkungen durch die Chemotherapie verbunden sind. Eine gezielte Bestrahlung der Tumore mit radioaktiver Strahlung, Röntgenstrahlen oder Mikrowellen zerstört zwar die Krebszellen, alerdings lässt sich die Bestrahlung nicht so zielgenau einsetzen. So wird schließlich auch gesundes Gewebe zerstört. Das molekulare Drug-Targeting ist zwar vielversprechend, leidet aber unter den hohen Kosten, der Aktivierung des Immunsystems und der
reduzierte Verweildauer im Blut noch nicht das non plus ultra.

In Laboratorien auf der ganzen Welt wird seit über 25 Jahren auf diesem Gebiet geforscht und es kommen immer mehr neue „Bausteine“ hinzu.
Die Nanotechnologie mit ihren sogenannte Magnetflüssigkeits-Hyperthermie (Eisenoxid-Nanopartikeln, auch IONPs genannt), stehen kurz vor der weltweiten Zulassung in der Krebstherapie.
Die IONPs werden durch Injektionen in den Körper gespritzt und durch die spezielle biochemische Oberfläche dieser Partikel betrachten die gefräßigen Krebszellen sie als Nährstoff. Hat sich die gesamte Krebsgeschwulst schließlich mit Nanopartikeln „vollgefressen“, schalten die Mediziner ein neu entwickeltes Magnetfeldtherapie-System ein.
Das für den Menschen ungefährliche Magnetwechselfeld erwärmt die Nanopartikel, nicht aber das gesunde Gewebe. Die Krebszellen bekommen dadurch hohes Fieber und sterben ab. Für ihre Beseitigung sorgt dann der menschliche Körper selbst. Die Nanopartikel werden ausgeschieden und über den normalen Stoffwechsel abgebaut.

Krebs wird auch durch Chemotherapie bekämpft. Dabei werden Stoffe verwendet, die ihre Wirkung möglichst gezielt auf Krebszellen ausüben und diese abtöten oder in ihrem Wachstum hemmen. Aber auch normale Körperzellen können – wenn auch weniger stark – von der Chemotherapie geschädigt werden.

Die Nanotechnologie könnte langfristig dafür sorgen, dass Medikamente direkt und ausschließlich an erkrankte Zellen abgegeben werden. Solche Medikamentenfähren unterscheiden chemisch die Oberflächen erkrankter Zellen von denen gesunder. Sie docken dann am kranken Gewebe an und geben den Wirkstoff direkt an die einzelne Zelle ab.

Nanotechnologie verspricht aber nicht nur für die Krebstherapie große Fortschritte. Auch bei der Implantation von Zähnen oder erkrankten Gelenken, beispielsweise von Hüftgelenken, helfen die winzig kleinen Partikel.

Das Einsetzen künstlicher Zähne in den Kiefer ist ein großer Fortschritt gegenüber den in der Vergangenheit unvermeidlichen Zahnprothesen. Allerdings kommt es noch immer häufig zu Abstoßungsreaktionen, die das Einwachsen des Implantats verhindern. Es kann zu Entzündungen und Komplikationen kommen. Zähne sind beim Kauen besonderen Belastungen ausgesetzt und müssen daher sehr fest einwachsen.

Auch hier kommt die Nanotechnologie ins Spiel. Studien deuten darauf hin, dass bioaktive Moleküle einer nanotechnologisch hergestellten Oberfläche des Implantats eine sanfte Einbettung. Die extrem dünne knochenähnliche Beschichtung enthält Substanzen, die Knochenzellen an sich binden und dadurch verbinden sich die Implantate schneller mit dem Kieferknochen und wachsen so fester und dauerhafter ein.

Dies sind nur wenige Beispiele für die ungeahnten Möglichkeiten, die die Nanotechnologie für die Gesundheit eröffnen wird. Große Erwartungen bestehen beispielsweise auch für neue diagnostische Verfahren durch Nanopartikel, die sich gezielt an bestimmten Organe oder Zellen anlagern.

Dr rer. nat. Patricia Lefèvre, Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne, Dijon, 16. Juni 2021

Impfungen sind wichtig

Impfungen sind eine effiziente Maßnahme zur Prävention von Infektionskrankheiten und deren möglichen Folgekrankheiten, sie gelten damit als eine der größten Errungenschaften der modernen Medizin.

Autorin Dr. rer. nat.Patricia Lefèvre

„Zu Risiken und Nebenwirkungen fragen Sie ihren Arzt oder Apotheker“

Mal ganz ehrlich, wer fragt bei R-C9H11N2O4S oder C₉H₈O₄ schon seinen Arzt oder Apotheker?

R-C9H11N2O4S, wobei „R“ für eine variable Seitenkette steht, ist eines der ältesten Antibiotika überhaup und ist nichts anderes als Penicillin. Auch C₉H₈O₄ hat so gut wie jeder Mensch schon zu sich genommen und kaum einer kann mit Acetylsalicylsäure etwas anfangen. Der gängige Begriff Aspirin kennt aber jeder.

Der Bundestrainer von einst, ist heute der Virologe

Menschen die meinen alles besser zu wissen – und zu können, gab es schon immer. Was bei jedem Fußball Länderspiel der Bundestrainer ist, ist seit eineinhalb Jahren der Virologe und Corona-Fachmann schlechthin. In letzter Zeit kreisen unglaublich viele Fachbezeichnungen über Impfstoffe durchs Internet und so mancher Hobbyvirologe fühlt sich genötigt, sein Halbwissen unter das Volk zu bringen. Nun möchte ich jenen „Fachleuten“ zwei Begriffe erklären, um deren Halbwissen etwas zu erhellen.

Zum Einstieg fange ich mit einem simplen Beispiel an: einem Kuchenrezept

Wer am Wochenende eine Torte backen möchte, nimmt verschiede Zutaten. Eier, Zucker und Mehl sind die Bestandteile von fast allen Torten – so auch von Impfstoffe.

Die Varianten mit Vanillezucker, Backpulver oder Natron benutz man um einen Kuchen zu backen, der von dem Standart Rezept abweicht – so auch die Impfstoffe.

Es gibt Milliarden Viren und Bakterien auf der Welt, die entweder nützlich oder schädlich für den Menschen sind. Aus diesem Grund gibt es auch verschiedene Medikamente und Impfstoffe. Scheint eigentlich ganz logisch zu sein. Leider kommt diese einfachste Logik der Medizin nicht bei allen an.

Gefahr durch multiresistente Bakterien

Abstract

Bakterien zählen zu den Lebewesen, Viren nicht. Bakterien als auch Viren können uns krank machen. Das ist eine der wenigen Gemeinsamkeiten dieser Krankheitserreger.

– Bakterien (z. B. Milchsäurebakterien) sind mikroskopisch kleine Lebewesen, die man mit dem bloßen Auge nicht sehen kann. Sie bestehen aus einer Zelle mit eigenem Stoffwechsel. Sie benötigen Nahrung und vermehren sich durch Zellteilung. Viele Bakterien werden durch eine Zellwand stabilisiert. Das Aussehen der Bakterien ist dabei recht verschieden, es gibt u. a. stäbchenförmige, runde, spiralförmige oder fadenförmige Bakterienarten.

– Viren (z. B. Corona-Viren) sind im Gegensatz zu Bakterien keine Lebewesen. Viren können nicht eigenständig leben, weil sie keinen eigenen Stoffwechsel zur Energiegewinnung haben. Sie benötigen eine andere Zelle, eine sogenannte Wirtszelle, um zu leben und sich vermehren zu können. Nur mit Hilfe dieser Wirtszelle können sich Viren vervielfältigen und verbreiten.

Seit der Entdeckung der antibiotischen Wirksamkeit von Penicillin durch Alexander Fleming (1929) hat man viele durch Bakterien ausgelöste Infektionskrankheiten, wie z.B. Cholera oder Syphilis, durch Antibiotika unter Kontrolle bekommen. Leider haben aber viele Bakterien im Laufe der Jahre Resistenzen gegen ein oder mehrere Antibiotika entwickelt. Dies liegt unter anderem am häufig verantwortungslosen Umgang mit Antibiotika, z.B. beim präventiven Einsatz in der Tierhaltung, als Medikament gegen Viren oder bei vorzeitigem Abbruch der Einnahme. Um multiresistente Bakterien bekämpfen zu können, braucht man vollkommen neue Antibiotika, die jedoch immer seltener auf den Markt kommen. Gleiches erleben wir nun mit den Mutationen des Coronavirus.

Die Medizin setzt auf Natur. Gift ist nicht gleich Gift

Aussage wie zum Beispiel: ich lass mir kein Gift spritzen; zeigt eine doch hohe fehlende Intelligenz so mancher Zeitgenosse.

Zur Erklärung von Gift: Als Gift, in der Fachsprache auch Toxikum genannt, bezeichnet man Stoffe, der Lebewesen über ihre Stoffwechselvorgänge, durch Eindringen in den Organismus ab einer geringen oder hohen Dosis einen Schaden zufügen kann. Die Medizin wurde dahingehend entwickelt um den Menschlichen Körper zu schützen, und nicht umzubringen! Die Basis von heutigen Medikamenten geht bis in die Antike zurück. Bekannt ist auch das Sprichwort: gegen jede Krankheit ist ein Kraut gewachsen. Daher verwenden die Menschen seit jeher Naturstoffe zur Herstellung von Medikamenten.

Hildegard von Bingen hat dies bereits im 11. Jahrhundert erkannt und in „Liber subtilitatum diversarum naturarum creaturarum“ niedergeschrieben.

Zur Entdeckung neuer Antibiotika, macht man sich Gifte – keine für den Menschen tödliche oder schädliche, zu Nutze, die von Bakterien und Pilzen zur Abwehr gegen andere Bakterienstämme produziert werden. Um diese Wirkstoffe nicht umständlich aus Pflanzen oder Bakterien gewinnen zu müssen, wurden molekulare Struktur der Wirkstoffe entschlüsseln. Die Strukturaufklärung von kleinen Molekülen ist ein aufwendiger und kostenintensiver Prozess, der mittels bioinformatischer Methoden heutzutage beschleunigt wird.

LEGO Bausteine der Forschung

Für Sars-CoV-2 werden zwei Linien genutzt, um einen Impfstoff herzustellen. Es ist einmal der mRNA und der Vektor-Impfstoff.

Die Forscher_innnen erfinden das Rad nicht neu, sie bauen auf bekannt Stoffe (Bausteine) auf. Es gibt Datenbanke, in denen Milliarden von „Bausteine“ gespeichert sind und darauf zugegriffen werden kann.

LEGO Bausteine kennt jeder und nach diesem Prinzip sind alle molekularen Stoffe für Schmerzmittel und auch Impfstoffe aufgebaut. Wenn ein Pharma Unternehmen die Grundplatte für zum Beispiel Vektor-Viren schon in seinem Programm hat, baut es natürlich auf diese Grundplatte auf. Nun kommen nur noch ein paar rote, gelbe oder blaue Bausteine hinzu. Diese können von einem „zweier-Stein“ bis hin zu einem „achter-Stein“ (Menge des Inhaltsstoff) reichen.

Was ist eine mRNA?

Um zu verstehen, was eine mRNA ist, muss man in das Innere einer menschlichen Zelle eintauchen. Denn mRNAs spielen bei der Produktion von Eiweissen, also Proteinen, im Körper eine wichtige Rolle. Die Baupläne der körpereigenen Proteine sind im Erbgut – in der DNA im Zellkern – gespeichert. Sie werden dort in mRNA umgeschrieben. Ist die mRNA mit dem Bauplan für ein Protein gebildet, verlässt sie den Zellkern. Ausserhalb des Zellkerns lesen dann sogenannte Ribosomen diesen Bauplan ab und stellen das entsprechende Protein her.

Die Präparate von Biontech/Pfizer und Moderna sind sogenannte mRNA-Impfstoffe. „m“ steht für messenger (Bote), „RNA“ für Ribonukleinsäure. Hier ist die mRNA die Bauanleitung für einen Bestandteil des Covid-19-Erregers (das Spikeprotein). Die Boten-RNA gelangt mit Hilfe winziger Fettteilchen in die Körperzellen. Diese stellen dann ebenfalls das Viruseiweiß her, gegen das der Körper seine Immunantwort entwickelt.

Vektor-Impfstoff

Die Impfstoffe von AstraZeneca und Johnson & Johnson sind sogenannte Vektorimpfstoffe. Sie brauchen als Grundlage ein Virus, um Informationen in den Körper zu schleusen. Als „Träger-Virus“ (Vektor-Virus) wird ein unschädlich gemachtes Erkältungsvirus (Adenovirus) verwendet. Bei Johnson&Johnson ist es ein verändertes menschliches Erkältungsvirus (Adenovirus 26), bei AstraZeneca ein Adenovirus, welches bei Schimpansen Atemwegsinfekte hervorrufen kann, für den Menschen aber ungefährlich ist (Adenovirus ChAdOx1). Die genetisch veränderten Vektor-Viren können sich nicht im menschlichen Körper vermehren. Sie enthalten das Gen, also Erbgut, für die Herstellung der Spike-Proteine. Die Vektor-Viren werden vom menschlichen Immunsystem nach kurzer Zeit abgebaut. Vektor-Impfstoffe kommen auch bei anderen Impfungen (zum Beispiel bei Ebola) bereits zum Einsatz.

mRNA-Impfstoffe verändert nicht das Erdgut

Bei mRNA-Vakzinen handelt es sich um ein neuartiges Prinzip, bei dem nicht ein virales Antigen verimpft wird, sondern quasi die Bauanleitung dafür. Professor Dr. Klaus Cichutek vom Paul-Ehrlich-Institut widerspricht der These, die gerne von Impf-Skeptikern anführt werden, dass jener Impfstoff das Erbgut schädigt oder verändert. Diese Aussagen entsprechen nicht dem wissenschaftlichen Erkenntnisstand.Die oft angeführte Aussage, dass es nochkeinerlei humanmedizinische Erfahrungswerte mit demCorona-Impfstoff gäbe ist faktisch falsch. Es gibt schon seit Jahren Erfahrungen mit mRNA-Impfstoffen beim Menschen, im Rahmen von therapeutischen Tumorimpfstoffe.

Dr.rer. nat. Patricia Lefevre, Dijon, 31. Juli 2021

Quellen

– Epidemiologisches Bulletin, RKI, 2015

– Infanrix Fachinformation

– Professor Dr. Klaus Cichutek, Paul-Ehrlich-Institut

– PubChem

– SCNAT, Forum Genforschung, Bern

– Searching molecular structure database

– Td- Mérieux Fachinformation

Der Tanz auf dem Vulkan

Man soll die Dinge so einfach wie möglich machen, aber nicht einfacher.

(Albert Einstein)

Autorin Dr. rer. nat. Patricia Lefèvre

Zum heutigen Einstieg ins Thema möchte ich einige Schlagwörter anführen.

– Replikationswert

– Variants of Concern

– N501Y

– Mutation D614G

Sind Ihnen diese vier Schlagwörter ein Begriff? Wenn nicht, sollten Sie den Artikel lesen.

Einleitung

Seit Ende 2019 hält ein Virus die Welt in Atem und je länger und mehr es Informationen über Covid-19 gibt, um so mehr Unsinn wird via Internet und dubiosen Medien verbreitet. Vielen Menschen ist die Gefahr der Mutationen von Sars-CoV-2 offensichtlich nicht bewusst.

Je mehr Mutationen es gibt, um so schwieriger wird es, eine Ausbreitung zu stoppen. Maßnahmen, die bisher die Verbreitung erfolgreich eingedämmt haben, könnten dann nicht mehr ausreichen.

Gelingt es beispielsweise den Replikationswert R für die Wildform des Virus auf 0,8 zu senken und damit die Zahl der Infizierten nach und nach zu reduzieren, würde ein um rund 35 Prozent ansteckenderes Virus sich bei gleichen Maßnahmen weiter ausbreiten und Infektionsketten in Gang setzen.

Mutationen sind normal

Das Aufkommen neuer Virusvarianten ist nichts Ungewöhnliches: Viren – so auch der Sars-CoV-2-Erreger – verändern bei der Replikation immer wieder zufällig ihr Erbgut. Die meisten solcher Mutationen sind bedeutungslos. Manche aber sind vorteilhaft für das Virus und setzen sich durch.

Auf diese Weise sind Viren in der Lage, sich schnell an die Umwelt und ihren Wirt anzupassen. Dies ist Teil ihrer evolutionären Strategie. Inzwischen sind bei Sars-CoV-2 aber sogenannte „Variants of Concern“ (VoC) aufgetaucht – also Varianten, die Experten Sorge bereiten. Ihnen gemein ist, dass sie ansteckender als die ursprüngliche Form von Sars-CoV-2 sind.

Dabei handelt es sich um folgende vier Varianten:

• Alpha: Die auch B.1.1.7 genannte Linie verbreitet sich ausgehend von Großbritannien.

• Beta: Die auch B.1.351 genannte Linie verbreitet sich ausgehend von Südafrika.

• Gamma: Die auch P.1 genannte Linie verbreitet sich ausgehend von Brasilien.

• Delta: Die auch B.1.617 genannte Linie verbreitet sich ausgehend von Indien.

Virusvariationen werden in sogenannte Kladen oder Linien gruppiert – Forscher erstellen also eine Art „Stammbaum des Coronavirus“. Jede Variante wird gemäß ihrer Erbgut-Eigenschaften charakterisiert und mit einer Buchstaben-Zahlen-Kombination versehen. Ob nun ein bestimmter Virusstamm gefährlicher ist oder nicht, lässt sich anhand dieser Bezeichnung allerdings nicht ablesen – sie dient lediglich der systematischen Erfassung und Dokumentation.

Übrigens: Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) regte jüngst an, neue Bezeichnungen für die wichtigsten Sars-CoV-2-Varianten einzuführen. Laut WHO sollen einzelne Virusvarianten nun aufsteigend nach dem griechischen Alphabet benannt werden. Diese neue, einfachere und vor allem neutrale Beschreibung soll verhindern, dass neue Virusvarianten mit dem Ort ihres erstmaligen Nachweises gleichgesetzt werden. Dies soll ungerechtfertigten und wissenschaftlich unbegründeten Stigmata, Diskriminierung und Vorurteilen gegenüber einzelnen Ländern in der öffentlichen Debatte vorbeugen.

Die Veränderungen des Coronavirus

Dem Coronavirus stehen prinzipiell zwei Wege offen, um sich „erfolgreich“ weiter zu entwickeln: Es verändert sich so, dass es besser in die menschliche Zelle gelangen kann, um dadurch ansteckender zu werden, oder es versucht durch Anpassung unserem Immunsystem zu „entkommen“:

– Verbesserter Zelleintritt: Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn sich innerhalb der sogenannten Rezeptor-Bindungsdomäne (RBD) des Spike-Proteins (für das Virus) vorteilhafte Veränderungen entwickeln: Das Spike-Protein ist der „Türöffner“ für menschliche Zellen. Je stärker dabei die Wechselwirkung mit dem ACE2-Rezeptor der menschlichen Zelle ist, desto leichter gelangt ein Viruspartikel ins Zellinnere – und desto ansteckender und gefährlicher ist die jeweilige Virusvariante.

– Fluchtmutation: Hier handelt es sich um Veränderungen, die es dem Coronavirus ermöglichen dem Immunsystem „zu entkommen“. Das Virus verändert dann seine äußere Gestalt in der Form, dass die (bereits gebildeten) Antikörper einer Erstinfektion oder Impfung es nun schlechter „erkennen“ und neutralisieren können. Man spricht auch von „Escape-Mutationen“ oder „Immune-Escape“. Zweitinfektionen könnten dadurch wahrscheinlicher werden.

Es kommen weitere Virusvarianten hinzu

Je länger die Pandemie andauert, desto mehr Infektionen, desto mehr Variationen und Mutationen des Coronavirus. Seit gut eineinhalb Jahren dauert die Corona-Pandemie nun an: Zum Stichtag des 09.06.2021 meldet das Johns Hopkins Coronavirus Resource Center (CRC) inzwischen rund 174 Millionen Infektionsfälle weltweit.

Gelegenheit genug für das Coronavirus vielfältige Veränderungen (Variationen) des Erbguts anzuhäufen. Da nicht jedes Land der Erde eine flächendeckende medizinische Versorgung bieten kann oder auch dieselben Test- und Dokumentationskapazitäten besitzt, kann man von einer hohen weltweiten Dunkelziffer ausgehen. Diese enormen Fallzahlen – und die damit einhergehenden Erbgutveränderungen von Sars-CoV-2 – spiegeln sich in der inzwischen ausgedehnten Verbreitung einer Vielzahl neuer Virusvarianten wider.

Alpha: Die B.1.1.7-Linie

Die Coronavirus-Variante Alpha (B.1.1.7) wurde erstmals in Großbritannien nachgewiesen. B.1.1.7 breitete sich seit Herbst 2020 ausgehend vom Südosten Englands zunehmend auf dem europäischen Kontinent aus. Die B 1.1.7-Linie trägt mit 17 Mutationen auffällig viele Genveränderungen. Mehrere dieser Mutationen betreffen das Spike-Protein. Sehr bedeutsam ist dabei die N501Y-Mutation. Experten gehen davon aus, dass B.1.1.7 um rund 35 Prozent ansteckender ist als der Wildtyp von Sars-CoV-2. Gemäß einer Studie der Universitäten Exeter und Bristol, beträgt die beobachtete Sterblichkeitsrate bei einer Infektion mit der britischen Virusvariante 4,1 Personen auf 1000 Fälle. Eine Infektion mit B.1.1.7 ohne vorherige Impfung birgt also ein rund 64 Prozent höheres Risiko für tödliche Verläufe – verglichen mit der ursprünglichen Virusvariante. Allerdings lässt sich noch nicht beurteilen, ob Personen mit bestimmten Vorerkrankungen (Diabetes, Bluthochdruck, etc.) besonders gefährdet sind. Diese Untersuchung wurde vor dem flächendeckenden Einsatz von Coronavirus-Impfstoffen in Großbritannien durchgeführt. Vorläufige Daten deuten an, dass die Impfstoffe Comirnaty und VaxZevria eine hohe Wirksamkeit gegen die B.1.1.7-Linie aufweisen.

Beta: Die B.1.351-Linie

Die B.1.351-Linie (501Y.V2) – nach der neuen WHO-Nomenklatur auch Beta genannt – breitete sich zuerst in Südafrika aus. Neben N501Y liegen hier weitere Mutationen (E484K, K417N) des Spike-Proteins vor. Entwickelt hat sich die Mutante sehr wahrscheinlich als Folge einer hohen Durchseuchung der südafrikanischen Bevölkerung mit dem Virus. Südafrika verzeichnete schon in den Sommermonaten 2020 großflächige Corona-Ausbrüche. Insbesondere in den Townships fand das Virus wohl ideale Bedingungen, um sich sprunghaft zu verbreiten. Das bedeutet: Sehr viele Menschen waren schon immun gegenüber der ursprünglichen Form von Sars-CoV-2 – das Virus musste sich verändern. Forscher bezeichnen eine solche Situation als Evolutionsdruck. Daher hat sich eine neue Virusvariante durchgesetzt, die der ursprünglichen Form überlegen war, weil sie unter anderem ansteckender ist. Die zusätzliche Mutation E484K gilt unter Experten als mögliche Fluchtmutation: Also eine „Flucht-Anpassung“ des Coronavirus an das menschliche Immunsystem. Das könnte bedeuten, dass Antikörper, die das Immunsystem gegen die ursprüngliche Form von Sars-CoV-2 entwickelt hat, B.1.351 nicht mehr vollständig erkennen könnten. Betroffene könnten sich also ein zweites Mal anstecken. Vorläufige Daten deuten an, dass der Impfstoff Comirnaty auch gegen die B.1351-Linie eine hohe Wirksamkeit aufweist. VaxZevria hingegen könnte gemäß einer vorläufigen Stellungnahme der Autoren Madhi et al. eine herabgesetzte Wirksamkeit besitzen.

Gamma: Die P.1-Linie

Eine neue zirkulierende Variante namens P.1 – zuvor bekannt als B.1. 1.28.1*, nun Gamma genannt – wurde erstmals im Dezember 2020 im Norden Brasiliens entdeckt. In Übereinstimmung zur Alpha-Variante (B.1.1.7) und der Beta-Variante (B.1.351), weist auch P.1 die wichtige N501Y Mutation auf. Auch dieser P.1-Virus-Stamm ist hoch ansteckend. Sie entwickelte und verbreitete sich ursprünglich in der Amazonas-Region. Die Ausbreitung der Variante geht zeitlich mit dem sprunghaften Anstieg Covid-19-bedingter Krankenhauseinweisungen in dieser Region Mitte Dezember 2020 einher. Auch in Brasilien konnte sich das Virus lange Zeit ideal vermehren. Dadurch war ein hoher Durchseuchungsgrad der Bevölkerung gegeben. Wie in Südafrika könnte das der Grund für einen entsprechend hohen Anpassungsdruck auf das Virus gewesen sein. Auch hier musste das Virus über einen längeren Zeitraum gegen das menschliche Immunsystem „antreten“. So hat sich eine einzigartige, für das Virus günstige Kombination spezifischer Mutationen durchgesetzt. Fachkreise sind zudem beunruhigt, weil P.1 – neben anderen – auch die Mutation E484K aufweist. Auch das brasilianische Virus könnte demnach Menschen, die bereits mit Sars-CoV-2 infiziert waren, erneut anstecken. So mehren sich Berichte aus der schwer betroffenen Amazonas-Region, dass P.1 nachweislich bereits genesene Covid-19 Patienten erneut infiziert.

Delta: Die B.1.617.2-Linie

Die Delta-Variante von Sars-CoV-2 breitet sich auch in Deutschland aus. Zwar ist der Anteil mit derzeit 6,2 Prozent (Stand 17.06.2021) der Infizierten noch gering, doch hatte er sich innerhalb einer Woche nahezu verdoppelt. Experten gehend davon aus, dass sich die Variante auch in Deutschland durchsetzen wird. Die Situation in Großbritannien, wo sich schon mehr als 90 Prozent der Infizierten mit Delta angesteckt haben, zeigt, dass dieses Virus das Potenzial hat, sich auch unter und durch Menschen weiterzuverbreiten, die nur eine Impfung erhalten haben. Die gute Nachricht lautet dabei: Mit der zweiten Immunisierung kann auch dieses Virus wirksam eingeschränkt werden.

Höhere Ansteckungsgefahr durch Delta

Ein Mensch, der mit Delta infiziert ist, steckt die Mitglieder seines Haushalts mit um 60 Prozent höherer Wahrscheinlichkeit an als mit der Alpha-Variante Infizierte. Und schon diese war bereits deutlich ansteckender als eine Infektion mit der ursprünglichen Variante von Sars-CoV-2.

Delta ist gefährlicher als das ursprüngliche Virus

Es ist davon auszugehen, dass die Delta Variante höchst wahrscheinlich ansteckender ist, als die erste Variante.Eine im renommierten Fachmagazin „The Lancet“ veröffentlichte Studie aus Schottland zeigt, dass das Risiko, aufgrund einer Infektion mit Delta im Krankenhaus behandelt werden zu müssen, doppelt so hoch ist wie bei der ursprünglichen Variante.

Impfungen schützen

Allerdings ist zumindest der Schutz nach nur einer AstraZeneca-Impfung, die sonst sogar besser wirkte als eine Spritze von BioNTech, deutlich schwächer als gegen die ursprüngliche Virusform und andere, bereits bekannte Varianten. Auch nach der zweiten Spritze scheint der Schutz reduziert.

BioNTech/Pfizer schützt nach der zweiten Impfdosis zu 79 Prozent vor einer Erkrankung gegen Delta im Vergleich zu 92 Prozent gegen die zunächst in Großbritannien nachgewiesene Alpha-Variante. Nach einer Impfung mit AstraZeneca liege der Schutz nach der zweiten Impfdosis bei 60 Prozent im Vergleich zu 73 Prozent. Diese Zahlen beziehen sich aber auch auf leichte und mittelschwere symptomatische Verläufe. Wie gut die Impfungen vor schweren Verläufen und dem Tod schützen, ist nicht berücksichtigt. Doch gerade hier könnte die Schutzbewertung deutlich besser ausfallen.

Delta-Virus – immunologische Fakten

Die Delta-Variante des Coronavirus (B.1.617) wurde zuerst in Indien gefunden. Sie zeigt drei Untervarianten und vereinigt mehrere charakteristische Veränderungen. Eine solche Bündelung wurde zum ersten Mal in einer Virusvariante nachgewiesen. Dabei handelt es sich einerseits um Veränderungen im Spike-Protein, das als „Schlüssel” für die menschliche Zelle gilt. Andererseits weist B.1.617 auch Veränderungen auf, die als (mögliche) Flucht-Mutation diskutiert werden. Konkret vereint B.1.617 folgende Mutationen:

• Die Mutation D614G: Sie kann das Coronavirus ansteckender machen. Erste Modellierungen deuten an, dass B.1.617 dadurch mindestens so leicht übertragen wird wie die sehr ansteckende Alpha-Variante (B.1.1.7).

• Die Mutation E484K: Wurde auch in der Beta-Variante (B.1.351) und der Gamma-Variante (P.1) gefunden. Sie steht im Verdacht, das Virus unempfindlicher gegen bereits gebildete neutralisierende Antikörper zu machen.

• Die Mutation L452R: Sie wird ebenfalls als mögliche Fluchtmutation diskutiert. Coronavirus-Stämme mit der L452R-Mutation waren in Laborexperimenten teilweise resistent gegen bestimmte Antikörper.

Weitere bekannte Virusvarianten

Daneben entwickelten sich zusätzliche Sars-CoV-2-Virusvarianten, die sich vom Wildtyp unterscheiden – Experten zählen sie derzeit jedoch noch nicht zu den VOC. Diese Virusstämme bezeichnet man entsprechend als „Variants of Interest“ (VOI) – also Varianten von besonderem Interesse. Es ist es noch nicht klar, welchen Einfluss diese aufstrebenden VOI auf das Pandemiegeschehen haben könnten. Sollten sie sich gegen bereits zirkulierende Virenstämme behaupten und durchsetzen, könnten auch sie zu entsprechenden VOC heraufgestuft werden.

Varianten von besonderem Interesse

Zu diesen VOI zählen gemäß Angaben des Europäischen Zentrums für die Prävention und die Kontrolle von Krankheiten (ECDC) momentan:

• Epsilon: Zuerst entdeckt in Kalifornien (B.1.427 sowie B.1.429)

• Zeta: Zuerst in Brasilien entdeckt (P.2)

• Eta: In vielen Ländern nachgewiesen (B.1.525)

• Theta: Zuerst auf den Philippinen entdeckt (P.3)

• Iota: Zuerst in den USA im Großraum New York entdeckt (B.1.526)

• Kappa: Zuerst in Indien entdeckt (B.1.617.1)

Daneben gibt es weitere VOI, die noch nicht nach den neuen WHO-Nomenklatur beschrieben werden:

• B.1.616 zuerst in Frankreich entdeckt.

• B.1.620 unbekannten Ursprungs.

• B.1.621 zuerst in Kolumbien entdeckt.

Varianten unter Beobachtung

Im erweiterten Fokus befinden sich zudem die sogenannten „Variants under monitoring“ (VUM) – allerdings fehlen zu diesen noch belastbare, systematische Daten. Meist liegt ausschließlich der Beweis ihrer bloßen Existenz vor. Sie umfassen sporadisch vorkommende Varianten oder auch „modifizierte“ – besser gesagt weiterentwickelte – Abkömmlinge bereits bekannter Mutationen.

Zu diesen seltenen VUM zählen gemäß Angaben des ECDC momentan:

• Varianten unbekannten Ursprungs: B.1.214.2, A.27, A.28, C.16 und B.1.1.318

• Weitere Varianten, die erstmals in Südafrika nachgewiesen wurden: B.1.351+E516Q und B.1.351+P384L

• Weitere Varianten, die erstmals in Großbritannien nachgewiesen wurden: B.1.1.7+L452R und B.1.1.7+S494P, A.23.1+E484K

• Weitere Varianten, die erstmals in den USA nachgewiesen wurden: B.1.526.1, B.1.526.2

• Variante, die erstmals in Russland nachgewiesen wurde: AT.1

• Variante, die erstmals in Ägypten nachgewiesen wurde: C.36+L452R

• Variante, die erstmals in Peru nachgewiesen wurde: C.37

Schützen Impfstoffe

Dies lässt sich nicht pauschal beantworten. In Fachkreisen wird eine mögliche verminderte Schutzwirkung der neu entwickelten Impfstoffe rege diskutiert. Bislang geben die Impfstoffhersteller und vorläufige Untersuchungen diesbezüglich aber Entwarnung. Comirnaty zeigt beispielsweise in ersten Untersuchungen eine vergleichbare Wirksamkeit gegen die Alpha-Variante (B.1.1.7) und Beta-Variante (B.1.351). VaxZevria scheint ebenfalls bei der B.1.1.7 guten Schutz zu vermitteln, allerdings könnte die Wirksamkeit gegen die B.1.351-Linie vermindert sein. Inwiefern die anderen Impfstoffe von Moderna und Johnson & Johnson sich gegen die veränderten Virusvarianten behaupten, ist noch nicht abschließend geklärt. Wenn sich das Virus zunehmend weiterentwickelt, könnte eine Anpassung der Impfstoffe nötig sein. Aufgrund des Fortschritts in der Impfstoffentwicklung ist dies jedoch in kurzer Zeit möglich. Noch vermitteln jedoch alle in der europäischen Union zugelassenen Impfstoffe einen wirksamen und ausreichenden Schutz – insbesondere vor schweren und tödlichen Covid-19-Verläufen.

Die Schnelligkeit der Mutationen

Auch in Zukunft wird sich Sars-CoV-2 durch Mutationen weiter an das menschliche Immunsystem und an eine (teilweise) geimpfte Bevölkerung anpassen. Wie schnell das geschieht, hängt maßgeblich von der Größe der aktiv infizierten Population ab. Je mehr Infektionsfälle – regional, national wie international – auftreten, desto stärker vermehrt sich das Coronavirus – und desto häufiger treten auch Mutationen auf. Im Vergleich zu anderen Viren mutiert das Coronavirus jedoch verhältnismäßig langsam. Experten gehen bei einer Gesamtlänge des Sars-CoV-2-Erbguts von etwa 30 000 Basenpaaren von ein bis zwei Mutationen pro Monat aus. Zum Vergleich: Grippe-Viren (Influenza) mutieren im selben Zeitraum zwei- bis viermal so häufig.

Fazit

Vor einzelnen Coronavirus-Mutationen selbst, können Sie sich nicht gezielt schützen – einzige Möglichkeit besteht darin sich nicht zu infizieren. Im Allgemeinen gilt: Halten Sie die Hygieneregeln ein, wahren Sie Abstand und tragen Sie Ihre FFP2-Maske in der Öffentlichkeit. Sollten Sie sich impfen lassen, so genießen Sie zudem eine gute Grundimmunität gegen schwere Verläufe.Wird das Sars-CoV-2 ansteckender, wird es auch schwieriger, seine Ausbreitung zu stoppen. Maßnahmen, die bisher die Verbreitung erfolgreich eingedämmt haben, könnten dann nicht mehr ausreichen.

Bleiben Sie Gesund.

Dr. rer. nat. Patricia Lefèvre, Dijon, 30. Juli 2021

Quelle: Dr. Maximilian Reindl, (Bio-)Chemiker, LMU München

Nahrungsmittel der Zukunft

Nach neusten Studien der Wissenschaft steuern wir durch eine immer größere Zahl der Weltbevölkerung und gleichzeitig sinkenden Anbauflächen auf eine Lebensmittelknappheit hin.

Autorin Dr. rer. nat. Patricia Lefèvre

In Zukunft werden wir weniger Fleisch und Milchprodukte auf dem Speiseplan stehen haben.
Nun werden Vegetarier und Veganer
jubeln, denn deren Mantra ist jedem mittlerweile bekannt. Doch birgt eine solche Ernährung einen Mangel an Vitamin B12, Protein, Vitamin D, Eisen und Jod.

Geschmackträger Zucker

Zucker ist nicht nur süß, sondern er wirkt auch als Geschmacksträger. Zudem ist Zucker ein billiger Füllstoff, denn er bindet Wasser – das führt zu mehr Gewicht. Ein „Fruchtjoghurt“ hat mitunter weniger als 10 % Frucht. Der Geschmack kommt mit Naturidentischen Aromastoffen. Somit werden teure Zutaten wie eben Früchte reduziert.

Dietrich Mateschitz setzte 1982 mit einem Getränk, dass einen seltsamen medizinischen Geschmack hat, eine neue Messlatte in der Ernährung: RedBull
Dieses Getränk steht seitdem als das Synonym für Energydrinks schlechthin.
Ob 80 mg Koffein tatsächlich Flügel verleihen, konnte bis jetzt noch nicht erforscht werden. Mancher arabischer Kaffee hat mehr Koffein.

Die Lebensmittel, die wir essen, entwickeln sich weiter und es werden ständig neue Geschmacksrichtungen kreiert. Sei es in Alkopops, Speiseeis oder Müsliriegel.

Nahrungsmittel wird auf das Genom zugeschnitten sein

Heute wissen wir, dass eine gesunde Ernährung wichtig ist, um unseren Körper fit zu halten.
Der schottische Marinearzt Dr. Joseph Lind, erkannte bereits Mitte des 18. Jahrhunderts, dass der Zusammenhang zwischen Ernährung und Gesundheit wichtig ist. Ihn werden die ersten klinisch kontrollierten Studien über Ernährung zugeschrieben. Seine Studie zeigte, dass Zitrusfrüchte Seeleute vor Skorbut schützen können. Diese bahnbrechende Erkenntnis war der Grundstein dafür, dass Zitronen und Limetten zur Standardverpflegung von Seeleuten gehörte.

Nicht jeder Energydrink verleiht Flügel

Heutzutage hat die Wissenschaft zwar fast jedes Element der Ernährung erforscht, und trotzdem kann eine gesunde Ernährung bei einigen Menschen ins negative führen. Lebensmittel, die bei dem einen Energie geben, lassen bei anderen ein Gefühl der Müdigkeit aufkommen.

Im Jahr 2015 verfolgte ein israelisches Wissenschaftlerteam den Blutzuckerspiegel von 800 Menschen über mehrere Tage hinweg und machte die überraschende Entdeckung, dass die biologische Reaktion der Menschen auf identische Lebensmittel sehr unterschiedlich ausfiel. Bei einigen Menschen kam es nach dem Verzehr von zuckerhaltigem Eis zu einem Blutzuckeranstieg, während bei anderen der Blutzuckerspiegel nur bei stärkehaltigem Reis anstieg – ein Ergebnis, das der gängigen Meinung widerspricht.

Der eigenwillige Umgang unseres Körpers mit Nährstoffen scheint auf unsere Genetik, die Mikroben in unserem Darm und die Unterschiede in der eigenen psyche zu liegen. Klinische Studien wie die von Lind haben die allgemeinen
Ernährungsrichtlinien gegeben, aber die Ernährungsforschung neigt dazu, davon auszugehen, dass alle Menschen gleich sind, und kann daher die Nuancen und spezifischen Bedürfnisse des Einzelnen übersehen.

Die Nutrigenetik

In den nächsten Jahren wird der neu entstehende Bereich der „personalisierten Ernährung“ mit Hilfe von Gentests diese Lücken schließen und eine auf den Einzelnen zugeschnittene Anleitung für eine gesunde Ernährung bieten. In der Nutrigenetik wird bereits menschliche
DNA getestet und bieten damit personalisierten Ernährungsempfehlungen an. Hier wird analysiert, inwiefern ernährungsbedingte Allergien und Krankheiten sich durch die genetische Varianz auf den Organismus beeinflusst lassen.

Dr. Jeffrey Blumberg, Professor für Ernährungswissenschaft und -politik an der Tufts University in Massachusetts, ist einer der eifrigsten Verfechter dieser neuen Wissenschaft. Er ist der Überzeugung, dass personalisierte DNA-Tests in einigen Jahren eine Punktgenau
Ernährung möglich machen werden. „Ich werde in der Lage sein, Ihnen zu sagen, welche Obstsorten, welche Gemüsesorten und welche Arten von Vollkornprodukten Sie wählen sollten, oder wie oft“, sagte Blumberg auf einer Fachtagung für Generik und Biomolekularwissenschaft 2017.

Nach den Worten von Blumberg wird es wohl in Zukunft am Sonntag kein gemeinsames Familienessen von Sauerbraten mit Klößen geben.

„Natürliche“ Lebensmittel aus dem Labor

In den nächsten Jahren werden Lebensmittel so hergestellt sein, dass diese noch nährstoffreicher sind als es jetzt schon der Fall ist.

„Natürlichkeit“ ist das Schlagwort, das von Lebensmittelvermarktern gerne verwendet wird, und uns via Werbung erklärt wird, wie gesund und natürlich jenes Produkt für uns ist, obwohl viele Lebensmittel, welches wir heute essen, niemals in der Natur existiert hat.
Die Obst- und Gemüsesorten, die wir heute kenne, wurden über hunderte von Jahren selektiv gezüchtet und oft bis zur Unkenntlichkeit von der ursprünglichen Wildpflanze abgewandelt. So waren Karotten ursprünglich nicht dick und orange, sondern dürr und weiß.
Pfirsiche ähnelten einst den Kirschen und schmeckten salzig. Auch Wassermelonen waren klein, rund, hart und bitter. Ferner sahen Auberginen früher aus wie weiße Eier.

Die Biomolekularwissenschaft

Die selektive Züchtung auf voluminöse und schmackhafte Merkmale in Verbindung mit intensiven Anbaumethoden hat viele Nachteile in Bezug auf den Nährwert. So ist der Gehalt an Eiweiß, Kalzium, Phosphor, Eisen, Riboflavin (Vitamin B2) und Vitamin C in Obst und Gemüse in den letzten Jahrzehnten sehr stark zurück gegangen. Das heutige Obst und Gemüse hat nur noch etwa zwei Drittel der Mineralien und Vitamine als es diese früher, und im Ursprung hatte.

Die Biomolekular und
Genetikwissenschaft ist mit der Forschung soweit, um in Zukunft das Gleichgewicht wiederherstellen, um die DNA eines Organismus in einen anderen einfügen zu können, sodass keine selektiver Züchtung mehr nötig sind, um die erwünschte Eigenschaften an Vitaminen zu erhalten.

Erst im vergangenen Jahr haben australische Forscher eine Banane mit einem hohen Gehalt an Provitamin A vorgestellt, einem wichtigen Nährstoff, der normalerweise nicht in der Frucht enthalten ist. Um diese Frucht zu züchten, schnitten die Forscher Gene aus einer bestimmten Bananensorte aus Papua-Neuguinea heraus, die von Natur aus einen hohen Provitamin-A-Gehalt aufweist, und pflanzten sie dann in eine gewöhnliche Bananensorte ein.

Noch sehr umstritten ist, dass DNA aus völlig anderen Organismen verpflanzt werden kann, um Sorten zu schaffen, die durch selektive Züchtung niemals entstehen würden.

Mais wurde erfolgreich mit Methionin angereichert – einem wichtigen Nährstoff, der diesem Getreide von Natur aus fehlt – indem man DNA aus einem Bakterium einfügte. Sogar der genetische Code selbst kann verändert werden, um „Superkräfte“ zu entwickeln.

Bereits 2008 schufen Forscher
Genveränderte Karotten, die die Kalziumaufnahme des Körpers erhöhen.

Es gibt Hunderte von Beispielen für diese unglaublichen pflanzlichen Kreationen.

  • Kartoffeln, Mais und Reis mit mehr Proteinen.
  • Leinsamen mit mehr Omega-3- und Omega-6-Fettsäuren.
  • Tomaten mit Antioxidantien, die ursprünglich in Löwenmäulchen vorkamen.
  • Salat, der Eisen in einer Form enthält, die für den Körper leicht verdaulich ist.

Die DNA-Editierungstechnologie

In den nächsten zehn Jahren wird die Zahl der ernährungsphysiologisch verbesserten Nutzpflanzen wahrscheinlich explodieren. Die präzise DNA-Editierungstechnologie – auch CRISPR-Cas9 genannt, ermöglicht jetzt schon eine Veränderung des pflanzlichen genetischen Codes mit bisher unerreichter Genauigkeit.
So werden zum Beispiel Erdnüsse kommen, die keine Allergien auslösen, und für Linsen mit einem Proteingehalt, der dem von Fleisch entspricht.

Das Silicon Valley der Biogenetik

Bald werden Lebensmittel kommen, die anders schmecken als je zuvor. Es wird seit Jahren an Geschmacksrichtungen geforscht, die man sich jetzt noch gar nicht vorstellen kann.
Das Silicon Valley – bekannt dafür, die klügsten Köpfe anzuziehen – entwickelt sich zum globalen Zentrum für Lebensmittelinnovationen. Ein Start-up-Unternehmen, Impossible Foods, sorgt derzeit für Furore. Es hat einen fleischlosen Burger entwickelt, der in der Pfanne brutzelt, nach Fleisch schmeckt und „blutet“. Die Patties, die nachhaltig und umweltfreundlich sein sollen, werden aus Weizenprotein, Kokosnussöl, Kartoffeleiweiß und Aromastoffen hergestellt. Die geheime Zutat ist Häm – das sauerstofftransportierende Molekül, das sowohl Fleisch als auch Blut rot färbt und dem Fleisch einen Großteil seines Geschmacks verleiht. Das von Impossible Foods verwendete Häm wird aus Pflanzen extrahiert und durch Fermentation hergestellt. Es handelt sich um eine Wachstumsbranche, in der Konkurrenten wie Beyond Meat und Moving Mountains ähnliche Burger zubereiten. Auch gibt es Pläne für Steaks und Hühnchen auf Pflanzenbasis. Doch damit nicht genug: Andere Start-ups leisten Pionierarbeit mit tierfreier Milch und Eiweiß.

Gewöhnen Sie sich an den neuen Geschmack von fleischfreiem Fleisch und milchfreien Milchprodukten.

Nicht nur das Auge isst mit

Mehr als zehn Jahre ist es her, als Küchenchef Heston Blumenthal sein berühmtes Gericht „Meeresrauschen“ servierte, bei dem die Gäste einer Aufnahme von brechenden Wellen lauschten, um den salzigen Geschmack von Meeresfrüchten zu verstärken.
Es ist allgemein bekannt, dass alle Sinne den Geschmack von Lebensmitteln beeinflussen. So schmecken Desserts cremiger, wenn sie in einer runden Schale statt auf einem eckigen Teller serviert werden. Bei einem rauschen oder brummen im Hintergrund schmecken Lebensmittel weniger süß. Chips fühlen sich weicher an, wenn wir sie nicht im Mund knuspern hören können. Das neu entstehende Gebiet der „Neurogastronomie“ vereint neueste Erkenntnisse aus der Neurologie und der Lebensmittelwissenschaft und wird in Zukunft eine wichtige Rolle bei unseren Mahlzeiten spielen.

Die Nanotechnologie in Nahrungsmittel

Neuartig verarbeitete Lebensmittel werden in den kommenden Jahren für Furore sorgen. So wird es essbare Sprühfarbe, Algenprotein-Snackriegel, Bier aus Abwasser und sogar Lutscher, die gegen Schluckauf helfen sollen geben.
Aufgrund der Geheimniskrämerei der multinationalen Lebensmittelkonzerne weiß man nicht genau, was in den Supermarktregalen von morgen zu finden sein wird. Aber wir wissen, dass Eis und Schokolade, die bei warmem Wetter nicht schmelzen, definitiv in der Entwicklung sind. Die Nanotechnologie hat hier schon eine wichtige Rolle. Forscher entwickeln derzeit Nanopartikel, die im Mund einen verzögerten Geschmacksschub erzeugen. Bereits vor zwei Jahren hat ein Team von
Lebensmittel-Chemikern Nanopartikel entwickelt, die sich an geschmacksfremde Verbindungen im Rotwein binden und diese entfernen, während das volle Aroma erhalten bleibt.

Die Kochbücher der Zukunft werden einige seltsame Rezepte enthalten. Durch die Analyse von Lebensmitteln auf ihre Aromastoffe – aromatragende Substanzen, die den Geschmack vermitteln – können Zutaten zu neuen Geschmackserlebnissen kombiniert werden.
Im Jahr 2016 präsentierten Forscher der Internationalen Gesellschaft für Neurogastronomie ein Menü mit bisher unerprobten Zutatenmischungen, welches speziell für Menschen, die durch eine Chemotherapie ihren Geschmacks- und Geruchssinn verloren haben, schmackhaft sein sollte. Der Höhepunkt war ein Clementinen-Kuchen mit Basilikum-Pistazien-Pesto, gekrönt von einer Kugel Olivenöl-Gelato.

Der vielleicht ausgefallenste Vorschlag zur Verbesserung des Essens besteht darin, das Gehirn zu „hacken“. Die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) entwickelt implantierbare „neuronale Schnittstellen“, die die menschlichen Sinne verbessern sollen, indem sie hochauflösende audiovisuelle Informationen und möglicherweise auch Gerüche und Geschmäcker direkt an das Gehirn weiterleiten.

Altbekannte Krankheiten wird es in Zukunft wohl nicht mehr geben

Die Menschen in den führenden Industrienationen und Schwellenländer
werden immer dicker. Heute sind etwa 40 Prozent aller Erwachsenen übergewichtig oder fettleibig.
Durch Fettleibigkeit bedingte Krankheiten wie Diabetes Typ-2 nehmen in einem Maße zu, das viele Gesundheitssysteme heute schon an die Belastungsgrenze bringt – Tendenz steigend.
Besonders beunruhigend ist, dass es in den letzten 3 Jahrzehnten keine Erfolgsgeschichten gab – kein einziges Land konnte das Wachstum der Fettleibigkeit aufhalten. Verarbeitete, kalorienreiche Lebensmittel werden weltweit immer häufiger angeboten, und wenn es nicht zu einer internationalen Katastrophe wie einer globalen Hungersnot oder einem Massenausbruch von Krieg kommt, wird es Zeit innovative Wege zu finden, um ein Kollaps der Gesundheitssysteme, wie auch die Gesundheit der Menschen zu schützen.

Eine kurzfristige Lösung besteht darin, kalorienreiche „Junk Food“-Lebensmittel so umzugestalten, dass sie weniger Fett, Zucker, Salz und weniger Kalorien enthalten, aber immer noch den gleichen Genuss bieten. Es gibt zwar künstliche Süßstoffe, aber sie können unangenehme Nebenwirkungen haben und lassen sich nicht so gut kochen wie Zucker. Kalorienarme Zuckerersatzstoffe, wie z. B. Zuckeralkohole wie Sorbit, schmecken wie der echte Zucker, verursachen aber bei übermäßigem Verzehr Blähungen und Durchfall.
Den Lebensmitteltechnologen ist es jedoch gelungen, inerte Mineralpartikel mit Zucker zu ummanteln und so die Kontaktfläche mit der Zunge zu vergrößern, sodass weniger Zucker für die gleiche Süße benötigt wird.

Längerfristig könnte die Feinabstimmung unserer Biologie es ermöglichen, dass man ohne Schuldgefühle essen kann.
Nur wenige Menschen wissen, dass unser Appetit genau geregelt ist. Wer am Montag zu viel isst, isst am Dienstag und Mittwoch weniger. Unser Hunger ist in der Regel auf ein Niveau eingestellt, das fast identisch ist mit der Anzahl der Kalorien, die wir benötigen. Unser Hunger-„Thermostat“ ist aber etwas zu hoch eingestellt, und zwar im Durchschnitt um etwa 0,4 Prozent (oder 11 Kalorien pro Tag).
Bei nur eine zusätzliche Kalorienmenge in Form einer Erdnuss liegen wir schon über dem natürlichen Hunger-Index. Dies hört sich nicht viel an, aber es summiert sich zu einer Gewichtszunahme von fast einem halben Kilogramm pro Jahr.
Wie kann man den Appetit-Sollwert um 11 Kalorien oder mehr senken?

Die Hormone sind schuld

Welche Frau kennt nicht die immer wiederkehrende Problematik mit den Hormone. Unterleibsbeschwerden oder Migräne sind fast allen Frauen bekannt.
Unser Körper hat aber ein paar mehr Hormone die alle ähnlich funktionieren und da sind auch die Männer betroffen.

  • Das CCK Hormon wird vom Darm ausgeschüttet, wenn Nahrung in ihn eindringt, und sorgt dafür, dass der Körper sich satt fühlt.
  • Das Hormon, Leptin, wird vom Körperfett freigesetzt und teilt dem Körper mit, wann der Fettspeicher ausreichend gefüllt ist.

Diese Biogenetik ist unglaublich komplex und Versuche bei einzelnen Probanden den Hormonspiegel zu manipulieren, waren bisher erfolglos. Die Neurologie ist noch am Anfang der Forschung, um das Netz aus Gehirn-Hormon-Botschaften zuentwirren. Wenn es gelingt Nahrungsergänzungsmittel, Lebensmittel oder Medikamente zu entwickeln, die eine winzige Änderung an der Skala bewirken könnten, wäre man einen Schritt weiter.

Essen aus dem 3D-Drucker

3D-gedruckte Lebensmittel bieten unendliche Möglichkeiten für die Herstellung komplizierter Gerichte, die von Menschenhand allein nicht zu schaffen sind.
Alles, von Spielzeug bis zu Flugzeugteilen, von Prothesen bis zu Kleidung – sogar ganze Häuser – werden bereits mit 3D-Druckern hergestellt. Die Grenze für Lebensmitteln ist schon lange überschritten.
Mit zuckerhaltiger „Tinte“ können individuelle Süßigkeiten entworfen und hergestellt werden, von ineinandergreifenden Bonbonwürfeln über kaubare Tierformen bis hin zu Lutschern mit dem Konterfei von Popstars, ist alles möglich.

Bis vor vor drei Jahren basierten 3D-Druck ausschließlich auf Zucker, mittlerweile gibt Technologien, die herzhafte und frische Zutaten drucken.
Die Firma Natural Machines hat ein solches Küchengerät entwickelt, das mit mehreren Zutatenkapseln bestückt werden kann, um alle möglichen verrückten und wunderbaren Lebensmittel herzustellen und zu kochen. Dazu gehören Cracker in Form einer Koralle, sechseckige Chips oder herzförmige Pizzen.
Alles ist möglich und die Technologie wird sich rasend schnell weiterentwickelt.

Dr. rer. nat. Patricia Lefèvre, Dijon, 29. Juli 2021

Quellen

  • Prof. Dr. Jeffrey Blumberg
  • Dr. Stuart Farrimond
  • Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA)
  • George S. Wise-Fakultät für Biologie, an der Universität Tel Aviv
  • Impossible Foods, USA
  • Tufts University in Massachusetts

Die Bedrohung aus dem All

Vor bereits 315 Millionen Jahre hatte ein Meteoriteneinschlag ein Massensterben von Lebewesen jener Zeit ausgelöst.
Der Asteroideneinschlag vor ungefähr 66 Millionen Jahren mit einem Durchmesser von 14 Kilometer im heutigen Mexiko, ist nach den neusten wissenschaftlichen Erkenntnisse somit nicht der erste Asteroid der einen Klimawandel und Massensterben von 75% allen Lebens auf der Erde zur Folge hatte.

Autorin Dr. rer.nat. Patricia Lefèvre

Unser Planet steht unter ständigen Beschuss aus dem Weltall. Geschätzte eine Million Gesteinsbrocken trudeln durchs All und kollidieren mit anderen Gesteinsbrocken.
In den vergangenen Jahrzehnten wurden Tausende von Asteroiden und Kometen in der Nähe der Erde entdeckt. Mehr als 25.000 NEAs (Near Earth Asteroids) sind bislang verzeichnet und jeden Monat kommen weitere hinzu. Mit einer Geschwindigkeit von fünf bis dreißig Kilometern pro Sekunde rasen die kosmischen Geschosse durchs All. Eine gefährliche Kollision mit der Erde ist aus Expertensicht etwa alle paar hundert Jahre wahrscheinlich.

Asteroiden, Kometen oder Meteoriten

Der Unterschied zwischen Asteroid und Komet ist nicht ganz klar definiert. Während Asteroiden – wenn überhaupt – als kleine, schwache Lichtpunkte zu sehen sind, treten Kometen in Sonnennähe meist mit einem langen Schweif in Erscheinung. Hierzu zählt seit langem und wohl bekanntesten der Halleysche Komet oder offiziell 1P/Halley genannt, der sehr lichtstark und im Mittel alle 75,3 Jahre an der Erde vorbeischrabbt. Zuletzt kam er 1986 in Erdnähe.
Als Meteoroiden werden Objekte bezeichnet, die größer als interplanetare Staubkörner und kleiner als Asteroiden sind. Treten solche Meteoroiden in die Erdatmosphäre ein, erzeugen sie durch die Wechselwirkung mit den Luftteilchen eine Leuchterscheinung, die wiederum Meteor oder volkstümlich Sternschnuppe genannt werden.

Vor 14,4 Millionen Jahren schlugen ein etwa ein Kilometer großer Asteroid begleitet von einem 150 m großen Trabanten mit einer Geschwindigkeit von über 70.000 km/h, auf der Erde ein – das Nördlinger Ries und Steinheimer Becken entstanden. So entstanden auf der Albhochfläche zwei Krater mit Durchmessern von 25 und vier Kilometern
Am Einschlagspunkt lag eine Temperatur von über 20.000° Celsius und eine Druckwelle von mehreren Millionen bar rast mit Überschall Geschwindigkeit durch das tiefer liegende Gestein und eine Glutwolke schießt über dem Krater bis in die Atmosphäre – dies alles in wenigen Minuten.

Asteroiden Einschläge der Neuzeit

Am 30. Juni 1908 wurden in Sibirien rund 60 Millionen Bäume auf 2.200 Quadratkilometer durch die Explosion eines
Asteroiden entwurzelt. Es war kein Komet, sondern ein 50 bis 80 Meter großer eisenreicher Gesteins-Asteroid, der in fünf bis 15 Kilometer Höhe, also in unserer Atmosphäre, explodierte. Bis heute gibt diese Explosion Rätsel auf, denn es gibt keinen Einschlagskrater und auch sonst keine Trümmer eines in der Luft (Atmosphäre) zerplatzten Meteoriten fehlen.

Neuste Einschläge von Meteoriten hatten allerdings keine so drastischen Folgen. Bisher gibt es keine gesicherten Berichte, dass ein Mensch je durch den Einschlag eines Himmelskörpers getötet worden wäre.
Berichte, wonach im Jahr 2007 in Indien drei Menschen bei einer mysteriösen Explosion auf einem offenen Feld einem Meteoriten zum Opfer gefallen seien, konnten die Behörden nicht bestätigen. Einziges nachgewiesenes Todesopfer bleibt somit ein Hund, der 1911 in Ägypten von einem Marsmeteoriten erschlagen wurde.

Am 15. Februar 2013 zerbarste im russischen Uralgebirge ein Gesteinsbrocken beim Eintritt in die Erdatmosphäre. Seine Bruchstücke schlugen als Meteoritenregen auf der Erde ein. Etwa 1.500 verletzte Menschen und rund 3.700 beschädigte Gebäude waren die Folge. Dabei hatte dieser Brocken einen Durchmesser von etwa 20 Metern und ein Gewicht von rund 13.000 Tonnen – aus astronomischen Sicht ein sehr kleiner Körper.

Am gleichen Abend näherte sich ein deutlich größerer Himmelskörper der Erde: Weniger als 30.000 Kilometer trennten am 15. Februar den Asteroiden 2012 DA14 von der Erdoberfläche. Das war näher, als uns viele geostationäre Satelliten sind und zehnmal dichter als der Mond.

Am 13.04.2029 soll der 300 Meter große Asteroid Namens Apophis, nach dem altägyptischen Gott der Finsternis und des Chaos benannt, die Erde um nur rund 30.000 Kilometer verfehlen.

Die Beobachtung von Asteroiden

Bereits 1543 entdeckte Nikolaus Kopernikus ein heliozentrisches Weltbild. Nach der Kopernikanische Wende ist bekannt, dass die Erde ein Planet ist und diese sich um ihre eigene Achse dreht und sich zudem wie die anderen Planeten um die Sonne bewege. Dieser konnte seine Ideologie aber niemals belegen.

1615 gab Galileo Galilei sein wichtigstes Forschungsergebniss bekannt und stützte sich vor allem auf die Annahme von Kopernikus Theorie, dem sogenannten heliozentrisches Weltmodell.

Die drei Keplerschen Gesetze Anfang des 17. Jahrhunderts sind die fundamentalen Gesetzmäßigkeiten des Umlaufs der Planeten um die Sonne.

Was diese Männer entdecken war für jene Zeit revolutionär und sind die Basis der modernen Astronomie. Sie wussten damals noch nichts von der Bedrohung durch Asteroiden in unserer Milchstraße.

Seit 1958 existiert das Committee for the Peaceful Uses of Outer Space (COPUOS)
und kümmert sich um die technische und rechtliche Koordination der internationalen Weltraumaktivitäten.
NASA, ESA, CNES, ASI, DLR und viele andere Institutionen beobachten die Flugbahnen von Asteroiden um eine Kollision mit unserem Planeten abzumildern.

Der Gefahr entgegen fliegen

Der binäre erdnahe Asteroid (65803) Didymos ist das Ziel für die DART-Mission.

Die ESA will gemeinsam mit der NASA erforschen, ob und wie sich ein gefährlicher Asteroid im Ernstfall ablenken ließe. So soll am 24. November 2021 die DART (Double Asteroid Redirection Test) Raummission beginnen.
DART wird an Bord einer SpaceX Falcon 9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base in Kalifornien starten. Nach der Trennung von der Trägerrakete und einer mehr als einjährigen Reisezeit soll Ende September 2022 der Didymos Asteroid erreicht sein, um genaue Informationen über diesen Asteroiden zu bekommen.
Die nachfolgende Raumsonde HERA soll im Oktober 2024 starten und
nachschauen, welche Spuren der Einschlag der Sonde DART auf Didymos
hinterlassen hat.

Didymos hat einen Durchmesser von 780 Meter, sein Trabant, der 160 Meter große Dimorphos, könnte der Erde gefährlich nah kommen oder gar einschlagen.

Abwehr von Asteroiden

Um Kometen und Asteroiden abwehren zu können, müssen Wissenschaftler zuerst deren physikalische Eigenschaften kennen sowie ihre Zusammensetzung, Struktur und Oberflächenbeschaffenheit. Abhängig von der Größe eines Asteroiden sowie von der Zeit, die zwischen seiner Entdeckung und einem möglichen Eintritt in die Erdatmosphäre liegt, könnten dann verschiedene Methoden zum Einsatz kommen: eine Sanfte Ablenkung durch Raumsonden die man gezielt auf Asteroiden lenkt, könnten sich deren Gravitation auf ihn auswirken und einen Asteroiden dadurch ablenken. Allerdings würde es mehrere Jahre dauern, bis man eine ausreichende Veränderung seiner Umlaufbahn erreicht hat.

Die zweite Möglichkeit einer harten Ablenkung beinhaltet auch den Einsatz von Raumsonde. Diese würden dann gezielt auf den Asteroiden gesteuert werden um durch ihr Einschlag buchstäblich den Asteroiden aus seiner Bahn zu werfen.

Die dritte Möglichkeit wäre eine nukleare Explosion. Diese Möglichkeit der Abwehr bringt aber zugleich neue Probleme mit sich. Zwar würde ein gefährlich großer Asteroid mit Kurs auf Erde zwar in viel kleinere Bruchstücke gesprengt werden, diese wiederum aber völlig unkontrolliert durchs All fliegen.

Was wäre wenn doch

All diese Beobachtungen und Abwehrmaßnahmen können von Experten der DLR, ESA, NASA u.ä. beurteilt und empfohlen werden, veranlassen müsste dies aber die Politik, wenn es tatsächlich durch den Einsatz einer Nuklearrakete nötig wäre. Wer würde dies veranlassen und die Verantwortung für die ganze Welt übernehmen?

Dr. rer.nat. Patricia Lefèvre, Dijon, 24. Juli 2021

Quellen
– COPUOS (Committee for the Peaceful Uses of Outer Space
– ESA
– IAWN (International Asteroid Warning Network)
– Johns Hopkins Applied Physics Laboratory 
– NASA Ames Research Center
– SGAC (Space Generation Adivsory Council)
– SMPAG (Space Mission Planning Advisory Group)

E=mc^2 und die Frage nach der Schwerelosigkei

E=mc^2 und die Frage nach der Schwerelosigkeit

Autorin Dr. rer.nat. Patricia Lefèvre

Wenn ich die Formel  E=mc^2 an die Tafel schreibe, weiß jeder von wem diese wohl berühmteste Formel der Physik stammt – Albert Einstein.
Was sagt uns eigentlich diese Formel?
E – steht für die Energie
m – steht für Masse
und
c – für Lichtgeschwindigkeit. Also für 300. 000 km/s

Das Raumschiff der „Spaceballs“ verfügte darüber hinaus noch über verschiedene
andere Geschwindigkeiten. Es gab zum einen die „Warp“, die oberhalb der Lichtgeschwindigkeit lag. Die von Lord Helmchen angezweifelte lächerliche Geschwindigkeit und dann die „ludicrous speed“ – also wahnsinnige 
Geschwindigkeit. Da für die ludicrous speed keine wissenschaftlichen Daten über km/s vorliegen, bleiben wir bei der offiziellen und anerkannten c- Geschwindigkeit.

Um nun noch auf die Formel E=mc^2 einzugehen, erkläre ich diese kurz.
Die Formel beschreibt die Energie-Masse-Äquivalenz. Also dass Masse und Energie ineinander umgewandelt werden können. Durch den hohen Wert der Lichtgeschwindigkeit c werden schon bei der Umwandlung geringer Massen enorme Energiemengen frei, gleiches wie zum Beispiel bei einer atomaren Bombe.

Newtons Philosophia Naturalis Principia Mathematica

Newton hatte zwar erkannt, dass es sich beim Apfel und dem Mond um das gleiche Prinzip handelt, welches den Apfel zu Boden fallen lies und den Trabanten in seiner Umlaufbahn hält. Nämlich dass sich alle Körper anziehen. Dies fällt aber erst bei einer kosmische Größe der Masse auf. Je größer die Masse eines Körpers, desto größer seine Anziehungskraft. Also die bekannte Schwerkraft oder Gravitation.
Unsere Erde hat eine sechs Mal höhere Schwerkraft als der Mond. Dass der Mond aber nur ein kleiner Planet ist, und somit nicht auf die Erde fällt, liegt einzig an der Geschwindigkeit mit der er den Planeten Erde umrundet. Die physikalischen
Fliehkräfte stehen im gleichen Maß zu der Schwerkraft.

Schwerelosigkeit gibt es doch

Dieses Paradoxon erkläre ich nun, an einem simplen Beispiel. Wenn man zwei Magnete voneinander entfernt, hat man irgendwann einen Punkt erreicht, wo man die Kraft E zu der Masse m überwindet, und diesen gleichen Punkt haben wir zwischen der Erde und Mond auch.
Mit der folgenden Formel kann man diesen Punkt errechnen, wo man schwerelos wäre, wenn man die Gravitation der Sonne, Erde, Mond und den anderen Planeten vernachlässigen würde.

mE=5,98⋅10,24kg

mM=7,36⋅10,22 kg und rEM = 60⋅rE
EM=60⋅rE.

Schwerelos auf der ISS

Warum schweben die Astronauten auf der ISS, wenn es keine Schwerelosigkeit gibt?

Die ISS umrundet die Erde in „nur“ 400 Kilometer höhe. Dort ist die Erdanziehungskraft immer noch bei 90% und trotzdem schweben die Astronaut_innen an der Decke.
Ich habe beim betreten der Zimmer meiner Kinder öfters gleiches Gefühl.

Die ISS „fliegt“ mit einer Geschwindigkeit von 28.800 Kilometer pro Stunde um unseren Planeten und braucht für eine Umrundung gerade mal 90 Minuten.

Durch diese Geschwindigkeit die nach vorne geht und die permanente Anziehungskraft der Erde, ist die ISS quasi ständig am fallen und so kommt diese künstliche Schwerelosigkeit zustande.

Anmerkung: Da es unter den Bewohner des Planeten Erde auch sogenannte „Flacherdler“ gibt, möchte ich jenen Zeitzeugen fehlender Intelligenz eines mit auf den Weg geben: es ist physikalisch NICHT möglich eine Gravitation von etwas zubekommen, dass keinen (Erd-) Mittelpunkt hat.

Was ist Nanotechnologie

Zwei Dinge sind unendlich, das Universum und die menschliche Dummheit, aber bei dem Universum bin ich mir noch nicht ganz sicher.“ Zitat von Albert Einstein

Autorin Dr. rer.nat. Patricia Lefèvre

Nun, der gute Albert möge zu seiner Zeit damit völlig recht gehabt haben – er kannte die Nanotechnologie noch nicht.

Was ist überhaupt Nanotechnologie?

Die Nanotechnologie ist die Manipulation und Herstellung von Materialien und Geräten auf der Skala von Atomen oder kleinen Gruppen von Atomen. Die „Nanoskala“ wird typischerweise in Nanometern oder Milliardstel Metern gemessen (nanos, das griechische Wort für „Zwerg“, ist der Ursprung der Vorsilbe), und Materialien, die in diesem Maßstab hergestellt werden, weisen aufgrund quantenmechanischer Effekte oft besondere physikalische und chemische Eigenschaften auf.

Es gibt auf der Welt keinen breiteren Forschungs- und Einsatzbereich als die Nanotechnologie. Dieser geht von Optik/Mikroelektronik, Informationstechnologie, Lebensmittel, Pflanzenschutz und Wachstum über die Pharmazie und Kosmetika, weiter in die Biotechnologie, Automobilindustrie bis hin zur Luft-und Raumfahrt.

Milliarden mikroskopisch kleiner „Nanowhisker“, die jeweils etwa 10 Nanometer lang sind, werden molekular an natürliche und synthetische Fasern angehängt, um zum Beispiel Kleidung und andere Stoffe: wie Folien, Farben oder auch Pfannen schmutzabweisend zu machen – der sogenannte Lotuseffekt.

In Kosmetika Produkten werden Zinkoxid-Nanokristalle verwendet um unsichtbare Sonnenschutzmittel herzustellen, um ultraviolettes Licht zu blockieren.

Auch findet sich in jedem handelsüblichen Pflaster Silber-Nanokristalle. Diese töten Bakterien ab und verhindern Infektionen.

In Lebensmitteln müssen Nanopartikel ab 2014 gekennzeichnet sein. Dazu später mehr.

Ein Milliarden Geschäft

Der weltweite Umsatz mit Nanotechnologie beträgt heute schon mehr als 200 Mrd. Euro und wird in den nächsten Jahren deutlich über 1000 Mrd. Euro ansteigen. Dieser astronomische Wert wird den Schwerpunkt in der Elektro- Fahrzeugbau und Pharmaindustrie haben.

In Asien, Europa und USA gibt es beachtliche Förderprogrammen und Mittel, um die Nanotechnologie noch weiter voran zu bringen. Europa ist jetzt schon Vorreiter im Bereich Chemie und Materialien, wie zum Beispiel Leichtlauföle für Motoren, Turbinen oder Getriebe enthalten Nano-Additive. Diese Additive stabilisieren den Ölfilm und verbessern die Schmiereigenschaften.

Die ESA (European Space Agency) mit ihren Trägerraketen, Umweltsatelliten und Mars-Sonden sowie das Columbus-Forschungslabor auf der Internationalen Raumstation (ISS) nutzen die besonderen Möglichkeiten der Nanotechnologie.

Die Risiken der Nanotechnologie

Bei all diesen Höhenflüge muss und sollte man auch auf dem Boden bleiben.

Zwar ermöglicht die Nanotechnologie unglaublich Chancen neuer Materialien, Werkstoffe und Märkte, wie bei allen neuartigen Technologien, muss man sich auch den Risiken dieser Technologie bewusst sein. Noch sind die sogenannten visionären Risiken in weiter Zukunft. Aber gerade im Bereich der KI (Künstliche Intelligenz) liegt ein Potential welches auch ganz schnell aus dem Ruder laufen kann. Durch die Verwendung von Nanopartikel in Kleidung und Waschmittel, sollte man auch deren Risiken für Menschen und Umwelt beachten. Hierzu gibt es auch schon viele Studien die mittlerweile Nanopartikel in zum Beispiel Fischen nachgewiesen haben. Auch sollte man die nanopartikulären Stäube für ernst nehmen. Diese sind gleich mit Dieselruß bzw. Asbest zu setzen.

Nanopartikel in Lebensmittel

Unter dem Begriff „Nano-Lebensmittel“ sind Lebensmittel aufgeführt, die durch Anbau, Herstellung, Verarbeitung oder Verpackung Nanomaterialien enthalten. Diese können und sind in verschiedenen Bereichen der Landwirtschaft, der Lebensmittelverarbeitung und Verpackung.

In Titandioxid, welches als Weißpigment oder Siliziumdioxid, dass als Rieselhilfe verwendet wird, sind Nanopartikel enthalten. Gleiches gilt für Carotinoide. Carotinoide sagt schon das Wort und steht für Farbstoffe.

IIn Kapselform von Medikamente bis hin zu Sinnlosen „gesunde“ Multi-Vitamin Dragees oder Nahrungsergänzungsmittel, wie zum Beispiel: Nanosilber, Koenzym Q10  sind Nanopartikel zu finden.

Zucker galt lange als Grundstoff für Geschmachsträger in Limonade, Marmelade oder Schokolade. Durch den Einsatz von Nanopartikel hat man stärkeren Geschmacks- und Farbstoff erreicht, der zum einen die Lebensmittelzusätzen und Verarbeitungshilfen beschleunigt und zum anderen die Kosten für Inhaltsstoffe und Verarbeitung senkt.

Des weiteren sind in Küchenartikel, denen Inhalt länger frisch bleiben sollen Nano – materialien zugesetzt, um etwa eine antibakterielle Wirkung oder Verpackun- gen mit Barrierewirkung gegen Gase und Feuchtigkeit zu schützen.

Die Nanotechnologie ist älter als der Mensch.

Die Nanotechnologie ist älter als der Mensch

Autorin Dr. rer.nat. Patricia Lefèvre

Die frühe Forschung der Nanotechnologie begann simple mit einer Klette. Wir alle kennen dem Begriff „Nano“ aus Textilien, Farbe (Lotuseffekt) und Klettverschluss. Im 21. Jahrhundert ist diese Technologie nicht mehr weg zu denken. Tablets, Smartphones, Computern, Flugzeug- und Autobau. Fast die komplette Wissenschaft und Forschung rund um Raumfahrt ist ohne Nanomaterialien gar nicht möglich.

Nun aber von der ISS zurück auf die Fluren und Wiesen unserer bekannten Umgebung.

Die Klette nutzt eine raffinierte Art der Verbreitung: Ihre Früchte verfügen über winzige, elastische Häkchen, die sich im Fell von umher streifenden Tieren verankern. So gelangen die Früchte an weit entfernte Orte. Dies fiel dem belgischen Ingenieur George de Mestral, der oft lange Spaziergänge mit seinem Hund unternahm, auf. De Mestral betrachtete die kleinen Kügelchen unter dem Mikroskop und entdeckte das Prinzip der reversiblen Verbindung zweier Materialien – 1951 meldete er seinen künstlichen Klettverschluss zum Patent an. Der Klettverschluss ist also eine Erfindung der Natur.

Der textile Klettverschluss bestand zunächst aus schlaufenförmigen Ösen und Widerhaken auf beiden Verbindungsteilen. Heute befinden sich die Haken auf der einen Seite und die Ösen auf der anderen Seite des Verschlusses. Allerdings haben diese Klettverschlüsse den Nachteil, dass sie mit der Zeit verschleißen.

Nano-Klettverschluss bei Libellen Libellen bedienen sich ebenfalls einer Art Klettverschluss, um ihren verhältnismäßig großen Kopf aufrecht zu halten. Die Verbindung zwischen Kopf und Brustsegment verfügt über feine Härchen. Aus Richtung Kopf und Brust schieben sich diese Aretierungshärchen ineinander und fixieren so den schweren Kopf der Libelle. Die Verbindung hält extrem fest, da die Enden der Härchen verdickt sind und so besonders gut aneinander haften. Natürlich ist die Libelle in der Lage, diese Verbindung immer wieder zu lösen, sonst könnte sie ihren Kopf nicht bewegen.

Der Haftmechanismus bei Insekten und Geckos Fliegen und andere Tiere, die an Wänden und Decken haften und auf ihnen entlang laufen können, besitzen – entgegen früherer Annahmen – keineswegs Saugnäpfe an den Füßen. Unter dem Rasterelektronenmikroskop erkennt man viele kleine Haare. Die Anzahl der Härchen nimmt mit der Größe, also mit dem Körpergewicht, des Tieres potentiell zu. Gleichzeitig nehmen die Durchmesser der Härchen ab. So besitzt beispielsweise ein etwa 40 Zentimeter großer Gecko Billionen von Hafthärchen mit Durchmessern im Bereich von wenigen Nanometern. Zum Vergleich: Ein Nanometer entspricht in etwa einem Fünfzig Tausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares.

Der Haftmechanismus beruht auf den Van-der-Waals-Wechselwirkungskräften. Bei ihnen handelt es sich – im Vergleich zu den Atom- und Ionenbindungskräften – um recht schwache zwischenmolekulare Kräfte. Die Bindungskräfte resultieren aus kurzzeitigen Dipolen. Das sind unsymmetrische Ladungsverteilungen an einzelnen Teilchen. Treffen diese Dipole aufeinander, so zieht die positive Hälfte eine negative Hälfte eines anderen Dipols an und umgekehrt. Einzeln betrachtet sind diese Kräfte gering, doch in einer großen Vielzahl erzeugen sie eine enorme Haftkraft. Diese ist so groß, dass die Tiere ein Vielfaches ihres eigenen Körpergewichtes halten können.

Ein kleiner Trick erlaubt es den an Wänden und Decken haftenden Tiere, die Haftverbindung zum Untergrund sehr schnell zu lösen: Der Gecko hebt seinen Fuß so geschickt ab, dass sich die einzelnen Härchen nacheinander von der Oberfläche lösen – ähnlich der Technik, die man anwendet, um einen Klebestreifen wieder abzulösen.

Viele Insekten, wie zum Beispiel Holzbienen, paaren sich im Flug. Um optimalen Halt beim Partner zu finden, setzten sie ebenfalls auf Hafthärchen: Das Bienen-Männchen verankert sich mit feinen Haarschlaufen auf seinen Hinterbeinen in den Borsten auf dem Rücken seiner Partnerin. An dem mittleren Beinpaar besitzen männliche Bienen ebenfalls Hafthärchen, die dem Haftmechanismus des Geckos entsprechen.

Damit beispielsweise ein Menschen mit einem Körpergewicht von etwa 75 Kilogramm eine Wand mit der Nano-Klettverschluss-Technik erklimmen kann, müssen die einzelnen Hafthärchen an Händen und Füßen 10 bis 20 Nanometer im Durchmesser betragen. Technisch erreicht man bislang jedoch „nur“ rund 200 Nanometer. Mögliche Anwendungsgebiete für Nano-Klettverschlüssen stellen sowohl Kletterroboter als auch Befestigungs- und Verbindungstechniken dar.