Institute of Bioanalytical Sciences

Institute of Bioanalytical Sciences

Forschungsschwerpunkte

Die Kernkompetenz der AG Institute of Bionanlytical Sciences (IBAS) besteht in der Erzeugung von pflanzlichen, pilzlichen und bakteriellen Extrakten mit einem definierten Wirkstoffspektrum. Unsere Mitarbeiter verfügen über langjährige Erfahrung bei der Isolation, analytischen Identifizierung und funktionellen Charakterisierung von bioaktiven sekundären Inhaltsstoffen aus Pflanzen, Pilzen und Bakterien.

Die gewonnen und z.T. in Fraktionen aufgetrennten Extrakte sind in verschiedensten Produktzweigen wie:


einsetzbar.

Die vorhandene technische Ausstattung ermöglicht es, Technologien zur Optimierung der Gewinnung o.g. Inhaltsstoffe zu entwickeln und diese Verfahren in den industriellen Maßstab zu transferieren. Dazu wird sehr eng und erfolgreich mit verschiedensten Industriepartnern zusammen gearbeitet.

Zu den molekularbiologischen Untersuchungen in unserer AG IBAS zählen unter anderem die taxonomische Charakterisierung von Wurzelendophyten und die Entwicklung Lokus-spezifischer Marker.
Hier arbeiten wir zur Zeit vor allem mittels PCR- Analysen zum Fingerprinting von Pilzstämmen und Wirtspflanzen-Genotypen und nutzen die Fragmentanalyse via PAA- und Kapillar-Gelelektrophorese. Das Verfahren der Real-Time-PCR bietet darüber hinaus die Möglichkeit endophytische Pilze in Wurzeln zu quantifizieren, die Aktivität einzelner Gene zu bestimmen und für diese Gene funktionale Marker zu entwickeln.

Darüber hinaus verfügen wir über ein 4-stufiges Screening-Programm für phytopathologische Untersuchungen. Damit wird untersucht, welche Wirkung definierte pflanzliche, pilzliche und bakterielle Extrakte auf pflanzenpathogene Mikroorganismen ausüben, um ggf. neue ökologische „Pflanzenschutzmittel“ bzw. Pflanzenstärkungsmittel zu entwickeln.

Neben den Pathogenen gibt es auch einige „nützliche“ Mirkoorganismen. Diese bieten u.a. verbessertes Pflanzenwachstum, verbesserte Resistenzbildung gegenüber Pathogenen sowie eine gewisse Ertragssteigerung. Unsere AG IBAS ist immer auf der Suche nach solchen „Nützlingen“, charakterisiert deren Anzuchtbedingungen sowie Wirkmechanismen.

Gesamtziel ist die Entwicklung von Produkten, die als biologische bzw. ökologische Alternative zu den herkömmlichen Produkten im Bereich Pflanzenstärkung und Pflanzenschutz angeboten werden können.

Haben Sie Fragen zum Bereich „Forschungsschwerpunkte“ oder Interesse an einer Kooperation? Dann kontaktieren Sie uns doch einfach!

Forschungsschwerpunkte

  • Isolierung

    Die AG Institute of Bioanalytical Sciences (IBAS) beschäftigt sich mit der Erzeugung von Pflanzenextrakten mit einem definierten Wirkstoffspektrum. Hierzu müssen die Inhaltsstoffe aus den Pflanzen extrahiert und anschließend isoliert und identifiziert werden. Des Weiteren erfolgt eine biologische Testung zur Feststellung der Struktur-Wirkungs-Beziehung.
    Das Pflanzenmaterial wird zunächst getrocknet, gemahlen und mit verschiedenen Lösungsmittelsystemen extrahiert. Dies ist im Institut sowohl im kleinen Maßstab mittels manuellem Verfahren möglich, also auch Kleintechnikumsmaßstab möglich. Die so gewonnenen Extrakte werden anschließend mittels Sprühtrocknung oder Gefriertrocknung in Pulverform gebracht.
    Da diese Extrakte noch eine Vielzahl von Substanzen enthalten, können sie durch den Einsatz verschiedener chromatischer Verfahren anschließend weiter fraktioniert, oder auch bis zur Reinsubstanz aufgetrennt werden. Dazu stehen im Institut verschiedene präparative Anlagen zur Verfügung. Die Auswahl des zu verwendenden Systems und Verfahrens orientiert sich dabei folgenden Punkten:

    • Abtrennung ungewünschter Substanzen aus einem Extrakt mit einem weiten Substanzspektrum
    • Fraktionierung zur Reduzierung des Substanzspektrums in den Extrakten für gezieltere Funktionalitätstestung
    • Gewinnung von Reinsubstanzen (benötigt mehrere Stufen)

    und kann stets auf Basis von Ergebnissen der analytischen Identifizierung und Funktionalitätstestung angepasst werden. Dabei ist auch zu beachten welche Untersuchungen nach der Isolierung folgen, da für analytische Untersuchungen zur Identifizierung wesentlich geringere Mengen benötigt werden, als in der Funktionalitätstestung, insbesondere in Hinblick auf  die Freilandversuche.

    Im Allgemeinen werden Flüssigchromatographiesysteme eingesetzt, da diese die einfache Möglichkeit bieten gewonnene Fraktionen oder Reinsubstanzen wieder vom Lösungsmittel zu befreien und so wieder einen festen Extrakt zu gewinnen. Flüssig-Flüssig-Chromatographie wie mit der FCPC, oder Fest-Flüssig-Chromatographien unter Niederdruck (Sephadex LH20) bzw. hohem Druck (HPLC) bieten dabei verschiedene Trennmechanismen und Trennleistungen.

    Zur Gewinnung von Reinsubstanzen ist es erforderlich die verschieden Verfahren miteinander zu koppeln, um somit die effektivste Trennleistung bei möglichst geringen Kosten zu erhalten, wie beispielsweise eine erste Trennung mittels FCPC und anschließend eine Fraktionierung in Reinsubstanzen mittels präparativer HPLC.

  • Identifizierung

    Entsprechend der Kernkompetenz der AG Institute of Bioanalytical Sciences Pflanzenextrakte mit einem definierten Wirkspektrum zu erstellen, ist es neben der Isolierung und Funktionalitätstestung unabdingbar die Inhaltsstoffe in den Extrakten zu identifizieren. Hier kommen die verschiedenen analytischen Verfahren zum Einsatz, wobei zwei verschiedene Ansätze zu verfolgen sind:

    •     Bestätigung einer gesuchten oder zu erwartenden Substanz
    •     Identifizierung einer unbekannten Substanz

    Wird von einer spezifischen Substanz oder Substanzgruppe ausgegangen, können Referenzmaterialien genutzt werden. Diese ergeben sowohl in der Flüssigchromatographie (HPLC, HPTLC), als auch in der Gaschromatographie eine Identifizierung über Retentionszeiten, Laufstrecken, Spektren bzw. Färbungen im Vergleich zum Referenzmaterial. Erfolgt eine Kopplung dieser Verfahren mit der Massenspektrometrie kann das Ergebnis noch über das Massenspektrum abgesichert und teilweise quantifiziert werden.

    Für die Identifizierung einer unbekannten Substanz wird die Kopplung zum Massenspektrometer genutzt. Das Massenspektrum im Zusammenhang mit allen anderen Informationen, die aus der vorangegangenen Chromatographie stammen, kann in Verbindung mit Spektren-Bibliotheken und der Literatur Aufschluss über die Substanz geben. Für eine finale Aufklärung der Struktur müsste die Substanz jedoch rein in mehreren Milligramm für beispielsweise NMR-Versuche gewonnen werden.

    Zeigen Extrakte oder deren Fraktionen eine Wirkung in der Funktionalitätstestung, so können mit den Ergebnissen der Identifizierung Struktur-Wirkungs-Beziehungen abgeleitet werden. Erfolgt die Identifizierung vor der ersten oder zweiten Fraktionierung, können gezielt Methodenparameter vom analytischen Maßstab auf den präparativen übernommen werden, um die gewünschten Einzelsubstanzen oder Substanzgemische in den Fraktionen zu gewinnen.

  • Molekularbiologie

    Alle molekularbiologischen Arbeiten werden in einem Labor für Molekularbiologie der Sicherheitsstufe 1 vorgenommen. Zu den etablierten Standardtechniken gehören die DNA und RNA Isolation aus Pflanzen und Mikroorganismen, cDNA Synthese, Klonierung in Plasmiden, Transformation in E. coli, DNA Sequenzanalyse (Sanger) und die Entwicklung molekularer Marker (SNPs und STRs) für Populationsanalysen (z.B. DNA-Fingerprinting). Zur Analyse von Pflanzen (molekulare Taxonomie) werden die matK und rbcl Marker eingesetzt. Zur Untersuchung mikrobieller Gemeinschaften (DNA-Barcoding) werden für Bakterien und Archaeen die 16S rRNA Genmarker und für Pilze und Oomyceten Marker der ITS-Region verwendet. Die Quantifizierung von Endophyten und Pathogenen in Wirtsgewebe erfolgt mittels spezifischer PCR-Primer und absoluter Quantifizierung in der qPCR. Die Analyse relativer Transkripthäufigkeiten (Genexpressionsanalyse) wird mittels quantitativer Reverse Transkriptase PCR (qRT-PCR) vorgenommen. Next-Generation Sequencing (NGS; Illumina, PacBio, MinION) kann mit Partnern durchgeführt werden. Die Rohdaten werden mit der Bioinformatikplattform GALAXY und etablierten Pipelines für Prokaryoten, Pilze und Oomyceten vorgenommen (Meta-Barcoding). Diese Technologie wird hauptsächlich zur Untersuchung mikrobieller Gemeinschaften in landwirtschaftlich genutzten Böden (aus Gesamtboden-DNA) verwendet.

    Ausstattung

    •     Zell/Gewebeaufschluss zur DNA/RNA Extraktion (FastPrep 24-5G, MP-Biomedicals)
    •     Agarose- und Polyacrylamid (PAA)-Gelelektrophorese (Biometra)
    •     Gel-Dokumentationssystem (BIO-RAD ChemiDoc MP Imaging System)
    •     Fluorometer zur DNA/RNA Konzentrationsmessung (Qubit 3.0, Thermo Fisher)
    •     Photometer (Eppendorf)
    •     SpeedVac (Eppendorf)
    •     konventionelle PCR (Labcycler, Sensoquest)
    •     q- und qRT-PCR (Quant Studio 5, Applied Biosystems)
    •     Laminar Flows (HERAsafe)
    •     Inkubatoren, Klimakammern
    •     Fluoreszenzmikroskop (Zeiss Axio Observer 7)
  • Funktionalitätstestung

    Das Institute of Bioanalytical Sciences (IBAS) der Hochschule Anhalt verfügt über etablierte analytische, biologisch-funktionelle sowie molekularbiologische Methoden, um das antifungale Potential von pflanzlichen oder sonstigen Extrakten anhand der Ableitung von Struktur-Wirkungs-Beziehungen evaluieren zu können. Dabei ist der Arbeitsablauf in verschiedene Screening-Stufen eingeteilt, beginnend mit basalen Techniken des Primärscreening. Hierzu gehören in vitro Agardiffusions- sowie in vivo Blattsegmenttests, welche eine erste Einschätzung rein inhibierender Effekte auf das pilzliche Mycelwachstum ermöglichen. Indem Extraktlösungen in geeignete Nährmedien eingearbeitet (Mycelwachstumstest) oder die Lösung direkt auf Blattmaterial appliziert werden, können so hemibiotrophe und nekrotrophe sowie biotrophe pilzliche Phytopathogene untersucht werden. Dual-Kultur-assays, die über die Messung von Hemmhöfen antagonistische Aktivitäten aufzeigen, sind neben anderen Varianten des Agardiffusionstests, wie dem Filterpapierscheiben- oder Lochtest ebenso fester Bestandteil des Monitorings. Bei Detektion vielversprechender Wirkungen der Extrakte folgt das darauf aufbauende Sekundärscreening, für welches verschiedene in vivo Methodiken zur Verfügung stehen (greenhouse assays). Dazu zählen mikroskopische Zellstudien (histologische/histochemische Untersuchungen von Pilz-Pflanze-Interaktionstypen) vorrangig im Modellsystem Gerste – Echter Gerstenmehltau, die photometrische Bestimmung der Aktivität enzymatischer und nicht enzymatischer Antioxidantien sowie im Modellsystem mit Echtem Mehltau an Arabidopsis thaliana entsprechende Mutanten-Screening-Versuche. Auch andere Modellsysteme wie Rost an Weizen, Phytophthora an der Tomate oder Sclerotinia an Raps sind nutzbar. Ergänzt durch Expressionsanalysen mittels real-time PCR wie auch auf Grundlage der Wirkstoffanalytik mittels HPLC-Massenspektrometrie können so die Struktur-Wirkungs-Beziehungen abgeleitet und zudem induzierte Abwehrmechanismen aufgezeigt werden. Auf den Versuchsfeldern der Hochschule Anhalt ist es letztlich möglich, die Wirksamkeit ausgewählter, ggf. formulierter Extrakte im Rahmen von Kleinparzellenversuchen in Sommergerste und Winterweizen auch unter Freilandbedingungen zu testen (Tertiärscreening).

    Die Forschungsaktivitäten sind dabei schwerpunktmäßig auf die Bereiche Pflanzenkrankheiten, symbiotische Mikroorganismen und biologischer Pflanzenschutz ausgerichtet und unter den folgenden Punkten zusammengefasst:

    • Fokussierung auf umwelt- und ressourcenschonende Verfahren im biologischen Pflanzenschutz an Kulturpflanzen, insbesondere in Getreide und Reben. Hierbei wird die Nutzung pflanzlicher Extrakte, vorzugsweise aus Rhabarberwurzeln angestrebt. Die Untersuchungen zu diesem Thema umfassen Labor- und Freilanduntersuchungen sowie molekularbiologische Untersuchungen zum Wirkungsmechanismus unterschiedlicher pflanzlicher Extrakte mit einem Focus auf eine Resistenzinduktion in Kulturpflanzen gegenüber Schaderregern.
    • Charakterisierung endophytischer Mikroorganismen (Bakterien, Pilze), die von Pflanzenwurzeln an Extremstandorten isoliert werden, im Hinblick auf Förderung des Pflanzenwachstums und erhöhter Krankheitsresistenz gegenüber Pflanzenkrankheiten. Bestimmte Eigenschaften dieser endophytischen Mikroorganismen wie zum Beispiel die Fähigkeit, schwerlösliche Phosphate für Pflanzen verfügbar zu machen oder erhöhte Toleranz gegenüber widrigen Umweltbedingungen (z. B. Salzstress, Schwermetalltoleranz) sind von besonderem Interesse. Ein Schwerpunkt dieses Projektes ist zudem die Evaluierung dieser endophytischen Mikroorganismen im Hinblick auf antimikrobielle Aktivitäten gegenüber phytopathogenen Pilzen und Bakterien in einem vom IBAS entwickelten Monitoring-System sowie die Herstellung von Extrakten aus Endophyten mit dem Ziel, sekundäre Metaboliten zu isolieren und ihre biologische Wirkung mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie sowie biochemischer/molekularbiologischer Methoden zu charakterisieren.
    • Evaluierung autochthoner arbuskulärer Mykorrhizapopulationen an ausgewählten Standorten (Dauerversuche auf dem Versuchsfeld der Hochschule in Bernburg, Schwermetallrasengesellschaften).

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Forschungsprojekte

  • Laufende Projekte

    KombiAktiv: Naturstoffe für die Bioökonomie – Kombinierter Einsatz von bioaktiven sekundären Pflanzeninhaltsstoffen und wurzelsymbiotischen Mikroorganismen zur biologischen Kontrolle von Krankheiten in gartenbaulichen Kulturen

    KombiAktiv: Naturstoffe für die Bioökonomie – Kombinierter Einsatz von bioaktiven sekundären Pflanzeninhaltsstoffen und wurzelsymbiotischen Mikroorganismen zur biologischen Kontrolle von Krankheiten in gartenbaulichen Kulturen Gefördert durch: BMBF 1. Phase

    Marokko OCP/UM6P

    Marokko OCP/UM6P Gefördert durch: OCP

    symbioThyme: Einsatz von wurzelsymbiotischen Mikroorganismen zur Steigerung der Trockenstresstoleranz von Arzneipflanzen am Beispiel Thymian

    symbioThyme: Einsatz von wurzelsymbiotischen Mikroorganismen zur Steigerung der Trockenstresstoleranz von Arzneipflanzen am Beispiel Thymian Gefördert durch: FNR; BML

    FORZA: Smart Farming for Biodiversity

    FORZA: Smart Farming for Biodiversity Gefördert durch: BMBF (FKZ: 03IHS047A)

    BonaRes II, DiControl: Implications of Soil Management Practice for Improved Soil Health

    BonaRes II, DiControl: Implications of Soil Management Practice for Improved Soil Health Gefördert durch: BMBF (FKZ: 031B0514B)

    AgriPoly, Internationale Graduiertenschule: Trichoderma/Bacillus Synergistic Effects in Systemic Resistance Induction in Rapeseed

    AgriPoly, Internationale Graduiertenschule: Trichoderma/Bacillus Synergistic Effects in Systemic Resistance Induction in Rapeseed Gefördert durch: EFRE, EU Sozialfonds (FKZJ01070-339)

    Isolierung sowie funktionelle und analytische Charakterisierung antifungaler und antibakterieller Inahltsstoffe aus Rumex

    Isolierung sowie funktionelle und analytische Charakterisierung antifungaler und antibakterieller Inahltsstoffe aus Rumex Gefördert durch: eigene Projektmittel

    Establishing an extraction, screening and formulation pipeline for bioactive metabolites with anti-carcinogenic and anti-fungal potential from fungi/plant communities in heavy-metal

    Establishing an extraction, screening, and formulation pipeline for bioactive metabolites with anti-carcinogenic and anti-fungal potential from fungi/plant communities in heavy-metal communities (MetaLine PP) Gefördert durch: EFRE, Land Sachsen-Anhalt

    BonaRes I, DiControl: Implications of Soil Management Practice for Improved Soil Health

    BonaRes I, DiControl: Implications of Soil Management Practice for Improved Soil Health Gefördert durch: BMBF (FKZ:031A560B)

    Feldanwendung ausgewählter Trichoderma Stämme in der Fruchtfolge Mais/Weizen

    Feldanwendung ausgewählter Trichoderma Stämme in der Fruchtfolge Mais/Weizen Gefördert durch: MULE Sachsen-Anhalt (FKZ A01/2017)

    Prüfung einer Trichoderma Stammsammlung auf ihr Potential im biologischen pflanzenschutz

    Prüfung einer Trichoderma Stammsammlung auf ihr Potential im biologischen pflanzenschutz Gefördert durch: MULE Sachsen-Anhalt (FKZ A03/2013)

    BioFector: Resource Preservation by Application of Bio-Effectors in European Crop Production

    BioFector: Resource Preservation by Application of Bio-Effectors in European Crop Production Gefördert durch: EU-FP7 (FKZ 312117)