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Wissenschaft/Forschung

Elektroschock gegen Bakterien: Elektrische Felder zerstören Listerien und schonen Nährstoffe

Team der Universität für Bodenkultur Wien findet Bedingungen für produktschonende Inaktivierung von Listerien bei der Weiterverarbeitung von Molkenproteinen

Wien, 24. Oktober 2018 – Niedrige Temperaturen und ein saures Milieu begünstigen die Nutzung einer wirksamen Methode zur Inaktivierung von Listerien (und anderen Keimen) bei der Weiterverarbeitung von Molkenproteinen – ohne wertvolle Inhaltsstoffe zu zerstören. Dies hat ein Team der Universität für Bodenkultur (BOKU) in Zusammenarbeit mit einem internationalen Nahrungsmittelkonzern herausgefunden und jetzt publiziert. Die Inaktivierung der gesundheitsschädlichen Bakterien erfolgt dabei durch Elektroporation – ein Verfahren, das im Gegensatz zur konventionellen Haltbarmachung durch Erhitzung ohne drastische Temperaturerhöhung auskommt und somit zum verbesserten Erhalt von Nährstoffen beitragen kann. Die vom BOKU-Team nun identifizierten Bedingungen ermöglichen somit die schonende Konservierung von Molkenprotein-Lösungen, ohne wesentlichen Verlust an Nährstoffen.

 

Nahrungsmittel von bakteriellen Verunreinigungen zu befreien, ist eine Herausforderung. Viele Methoden stehen zur Verfügung, doch ihre „Dosierung“ ist ein Balanceakt. Was eine vollständige Keimfreiheit ermöglicht, macht auch wertvollen Nährstoffen den Garaus; schonendere Verfahren wiederum beseitigen die Problembakterien nicht immer zur Gänze. Eine zunehmend verwendete Methode beruht auf sogenannten gepulsten elektrischen Feldern, die Zellmembranen von Bakterien zerstören, wobei deutlich geringere Temperaturen verwendet werden können, als bei der sonst üblichen Haltbarmachung durch Erhitzung. Dieses Verfahren wird bisher vor allem für Fruchtsäfte und andere dünnflüssige Lebensmittel verwendet. Nun ist es einem Team der Universität für Bodenkultur Wien (BOKU) und eines weltweit tätigen Nahrungsmittelkonzerns dank modernster Geräte der Partnerorganisation EQ BOKU gelungen, Bedingungen zu finden, die eine sichere Abtötung von Listerien durch gepulste elektrische Felder in dickflüssigeren Molkenprotein-Lösungen erlauben – bei gleichzeitiger Schonung der wertvollen Nährstoffe.

 

Kühl & sauer – genau richtig
„Temperaturen von ca. 20 °C und ein saures Milieu mit einem pH-Wert von ca. 4 sind gute Bedingungen zur Anwendung der Elektroporation für Proteinlösungen, wie für das von uns getestete Molkenprotein“, fasst Prof. Henry Jäger, stellvertretender Leiter des Instituts für Lebensmitteltechnologie an der BOKU, die Ergebnisse der jetzt im Journal of Food Engineering publizierten Studie zusammen. “ ’Gut’ bedeutet, dass eine ausreichende Inaktivierung von Bakterien bei gleichzeitig bestmöglicher Erhaltung wertvoller Inhaltsstoffe gewährleistet ist.“ Möglich wurde die sehr genaue Analyse der Prozessbedingung sowie deren Umsetzung durch die umfassende Geräteausstattung der Partnerorganisation der Universität für Bodenkultur, der EQ BOKU. Deren modernste Technologien, Analysegeräte und Know-how stehen sowohl Nutzern aus akademischen Einrichtungen als auch der Industrie zur Verfügung. Tatsächlich nutzte in diesem Fall ein namhafter Großkonzern, der weltweit in der Nahrungsmittelindustrie tätig ist, dieses Angebot und kooperierte mit dem BOKU-Team für diese Studie.

 

Feinabstimmung
Konkret wurden in der Studie zwei verschiedene Konzentrationen von Molkenproteinen miteinander verglichen (2 % und 10 %). Diese Lösungen wurden mit einem für den Menschen ungefährlichen Listerien-Stamm versetzt und dessen Inaktivierung durch pulsierende elektrische Felder unterschiedlicher Intensität verglichen. Dabei wurde die Temperatur zwischen 20 und 40 °C variiert und ein pH-Wert von 4 bzw. 7 gewählt. Nach der Elektroporation wurde sowohl der verbliebene Gehalt an empfindlichen Nährstoffen, wie Vitaminen und Immunglobulinen, ermittelt als auch die noch vorhandene Listerien-Konzentration bestimmt. 

„Die Temperatur ist bei diesem Vorgang ein entscheidender Faktor. Die durch die pulsierenden elektrischen Felder wirkende Energie führt nämlich rasch zu einer Erwärmung des Mediums, wodurch viele wertvolle Proteine Schaden nehmen“, erläutert Prof. Henry Jäger. „Ein Effekt, der bei zunehmender Stärke und Dauer der elektrischen Felder ansteigt, was aber wiederum eine effizientere Abtötung der Keime ermöglicht. Es kommt also auf die Balance an.“ Diese, so konnte das Team nun zeigen, liegt eben bei einer niedrigen Anfangstemperatur von ca. 20 °C bei pH4, was eine größere Intensität der elektrischen Pulse und damit eine gute Inaktivierung der Listerien ermöglicht. 

Insgesamt leistet die Studie einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung effizienterer und schonenderer Verfahren zur Keimbefreiung empfindlicher Produkte und zur Erhöhung der Lebensmittelsicherheit. Der Erfolg der akademisch-industriellen Zusammenarbeit war dabei insbesondere auch auf den umfassenden Gerätepark und das profunde Know-how der EQ BOKU zurückzuführen.

 

Originalpublikation: Pulsed electric field preservation of liquid whey protein formulations – Influence of process parameters, pH, and protein content on the inactivation of Listeria innocua and the retention of bioactive ingredients. F. Schottroff, M. Gratz, A. Krottenthaler, N. B. Johnson, M. F. Bédard, H. Jaeger. 2019. Journal of Food Engineering, Volume 243, Pages 142-152. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2018.09.003 

 

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Pressemitteilungen Wissenschaft/Forschung

Wiener Wissenschafter entlocken Umwelt-Pilz Geheimnisse

Molekularbiologische Analyse mit modernsten Geräten der Universität für Bodenkultur Wien entdeckt Gen-Transfer von Bakterien – und viel Stress!

Wien, 29. November 2017 – Ein Pilz, der einen umweltschädlichen Kohlenwasserstoff abbaut, kann dies dank Genen, die er von Bakterien übernommen hat – und gerät dabei gehörig unter Stress. Dies sind die herausragenden Forschungsergebnisse einer Gruppe der Universität für Bodenkultur Wien (BOKU), die vor kurzem international veröffentlich wurden. Grundlage der Erkenntnisse waren modernste Geräte zur Analyse des Genoms und Transkriptoms, die an der BOKU auch Dritten zur Nutzung zur Verfügung stehen.

Cladophialophora immunda ist zwar ein Pilz, aber sicherlich kein Schwammerl! Dazu beeindruckt der zu den Hefepilzen gehörende Ascomycet viel zu sehr mit einer herausragenden Eigenschaft: Er kann locker den auch als Umweltproblem bekannten Kohlenwasserstoff Toluol abbauen. Damit ist C. immunda hervorragend für die biologische Sanierung von Böden und anderen Umgebungen geeignet, die mit Kohlenwasserstoffen belastet sind. Wie er das schafft, wurde nun erstmals mit modernsten Sequenziermethoden und einer eigens dafür erstellten Bioinformatikpipeline von Dr. Barbara Blasi und Dr. Hakim Tafer im Team von Prof. Katja Sterflinger am Department für Biotechnologie (BOKU Wien) untersucht. Die überraschendsten Ergebnisse der vor kurzem in Scientific Reports veröffentlichten Arbeit sind dabei: Erstens hat C. immunda zahlreiche Gene, die für den Toluol-Abbau notwendig sind, von Bakterien übernommen und zweitens macht der Toluol-Abbau Mega-Stress, dem der Pilz mit zahlreichen Reaktionen begegnet.

Schnell & sicher sequenzieren
Ermöglicht wurden diese überraschenden Ergebnisse auch durch die Anwendung modernster Sequenzierer, die an der BOKU von der Core Facility EQ BOKU bereitgestellt und auch an Dritte vermietet werden. Dazu zählt ein sogenannter Halbleiter-Sequenzierer (Proton Ion Sequencer), dessen Arbeitsweise das Sequenzieren grosser Mengen an Nukleinsäuren in kürzester Zeit erlaubt. Damit gelang es dem BOKU-Team unter anderem wertvolle Informationen über die Aktivierung von Genen während des Toluol-Abbaus zu erhalten. Dazu Prof. Sterflinger: „Wir schafften so die weltweit erste Transkriptom-Analyse eines Pilzes, der auf Toluol gewachsen ist. Dabei konnten wir zeigen, dass C. immunda fast alle Enzyme besitzt, die bisher – aus unterschiedlichen Organismen – mit dem Toluol-Abbau in Zusammenhang gebracht wurden.“ Tatsächlich gelang es sogar zu zeigen, dass die Gene für diese Enzyme in fünf Clustern auf der DNA gruppiert sind. Solche Gene-Cluster sind bei Pilzen an sich nichts ungewöhnliches, doch für Gene, die beim Abbau von Kohlenwasserstoffen wichtig sind, wurde das bisher noch nicht beschrieben. Vergleiche der umfangreichen Sequenz-Daten aus C. immunda mit solchen aus anderen Organismen zeigten dann auch noch eindeutig, dass acht Gene für den Toluol-Abbau in der Vergangenheit von Bakterien erworben wurden.

Abbau-Stress statt Stress-Abbau
Als sich das Team dann die Aktivität weiterer Gene anschaute, deren Expression durch den Toluol-Abbau beeinflusst war, wartete eine weitere Überraschung. Dazu Prof. Sterflinger: „Trotz seiner Fähigkeit Toluol sehr effizient abzubauen, steht C. immunda dabei unter enormen Stress. Gleich eine ganze Batterie an zellulären Stoffwechselfunktionen werden durch den Kontakt mit Toluol negativ betroffen.“ Zu diesen zählen grundlegende Zellfunktionen wie der Auf- und Abbau von Aminosäuren sowie von organischen Substanzen, die Zellatmung und spezielle Transportmechanismen. Auch konnte gezeigt werden, dass die Herstellung von Antioxidantien angeregt und Mechanismen aktiviert wurden, die der Zellentgiftung dienen. Alles untrügliche Anzeichen für Stress. „Dies deutet an, dass C. immunda kein wahrer Freund von Toluol ist – obwohl es diesen Kohlenwasserstoff bestens abbauen kann“, meint Prof. Sterflinger „Vielmehr scheint diese wirksame Beseitigung ein Schutzmechanismus des Pilzes zu sein, um sich vor den schädlichen Wirkungen von Toluol zu schützen.“

Möglich gemacht wurden die Ergebnisse auch durch eine erfolgreiche Zusammenarbeit der Arbeitsgruppe von Prof. Sterflinger am Department für Biotechnologie der BOKU mit der dortigen Core Facility EQ BOKU. Diese erwirbt und wartet zahlreiche kostspielige Großgeräte, wie modernste Sequenzierer oder Gaschromatografen, die neben Arbeitsgruppen der BOKU auch externen Interessierten zur Verfügung gestellt werden. Gleichzeitig kann dann auch die Expertise der BOKU WissenschafterInnen für komplexe Messungen und ganze Forschungsprojekte mit herangezogen werden. Die Zusammenarbeit der EQ BOKU mit zahlreichen Industrieunternehmen und internationalen Forschungsgruppen belegt den Erfolg dieses Konzepts, das auch an der BOKU zu zahlreichen international beachteten Forschungsergebnissen beiträgt.

Originalpublikation:
Genomic and transcriptomic analysis of the toluene degrading black yeast Cladophialophora immunda. B. Blasi, H. Tafer, C. Kustor, C. Poyntner, K. Lopandic & Katja Sterflinger, Scientific Reports, 7: 11436, DOI:10.1038/s41598-017-11807-8

Über das Department für Biotechnologie, BOKU
Das Department betreibt in 17 Arbeitsgruppen international hoch angesehene Forschung in den folgenden Bereichen: Biopharmazeutische Technologie, Bioprocess Engineering, Genetische Ressourcen und Biodiversität von Pflanzen, Pilzen und Prokaryonten, Molekulare und Zelluläre Biotechnologie, Quantitative Biologie und Bioinformatik.
W: http://www.biotec.boku.ac.at

Über EQ BOKU
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Pressemitteilungen

Milliarden-Deal in europäischer Biotech-Szene

Boehringer Ingelheim und österreichische f-star kooperieren

(ddp direct) Wien, 24. November 2010 Das Wiener Biotechnologie-Unternehmen f-star hat ein Kooperations- und Lizenzabkommen mit dem deutschen Pharmakonzern Boehringer Ingelheim geschlossen. Ziel ist die gemeinsame Entwicklung von Arzneimitteln auf der Basis von Antikörpern. Die Vereinbarung hat ein potenzielles Gesamtvolumen von 1,26 Milliarden Euro. Der Deal gilt als größter dieser Art in der österreichischen Biotech-Szene.

Je 180 Millionen Euro für sieben Targets
Boehringer Ingelheim will die von f-star entwickelte, modulare Technologie zur Herstellung von Antikörpern und funktionellen Antikörper-Fragmenten gegen bis zu sieben Zielstrukturen aus verschiedenen therapeutischen Bereichen einsetzen, und sie zur Entwicklung neuer Medikamente nutzen. Für jeden der sieben Entwicklungskandidaten könnten Mittel in Höhe von bis zu 180 Millionen Euro fließen. Neben einem sofort fälligen Betrag für den Zugang zur f-star-Technologie sind Meilensteinprämien sowie Umsatzbeteiligungen an den Verkaufserlösen bei kommerziellem Erfolg vorgesehen.

Attraktives Umfeld für Biotech in Österreich
Österreich hat sich im Biotechnologie-Sektor international einen ausgezeichneten Ruf erarbeitet. Einige der größten Lizenz- und Finanz-Deals der europäischen Biotechnologie-Industrie (darunter Apeiron, AFFiRiS und Intercell mit einem Gesamtvolumen von über 750 Millionen Euro) sind in den vergangenen 24 Monaten in Österreich durchgeführt worden. Das jüngste Abkommen von f-star und Boehringer Ingelheim bestätigt diese ausgesprochen positive Entwicklung. F-star wurde 2006 von der Universität für Bodenkultur Wien (BOKU) ausgegründet. Die zwei BOKU-Wissenschaftler Florian Rüker und Gordana Wozniak-Knopp, die maßgeblich die Entwicklung der Antikörper-Technologie verantworteten, arbeiten heute eng mit f-star zusammen. Unlängst führte MP Healthcare Venture gemeinsam mit Merck Serono Ventures Wagniskapital in Höhe von 8 Millionen Euro in das Wiener Biotech-Unternehmen ein. Boehringer Ingelheim ist seit 60 Jahren in Österreich aktiv und betreibt in Wien das Institut für molekulare Pathologie, ein Zentrum für Krebsforschung.
Sowohl mittelständische als auch multinational operierende Pharma- und Life Science-Unternehmen finden in Österreich kompetente Partner und attraktive Rahmenbedingungen für industrielle Forschung, so Dr. René Siegl, Geschäftsführer der österreichischen Betriebsansiedlungsagentur ABA-Invest in Austria mit Sitz in Wien.

Um Forschung & Entwicklung in Österreich weiter zu incentivieren, hat die österreichische Bundesregierung die Anhebung der Forschungsprämie von 8 auf 10 Prozent per 1. Januar 2011 beschlossen.

Weitere Details zum Abkommen zwischen f-star und Boehringer Ingelheim finden Sie hier:
http://f-star.com/press_releases/f-star-pr22112010.pdf
http://ac.at/fileadmin/_/unileitung/bdr/Oeffentlichkeitsarbeit/Diverses/f-star_presse.doc

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ABA-Invest in Austria ist eine im Eigentum des österreichischen Wirtschaftsministeriums stehende Betriebsansiedlungsgesellschaft. Sie berät interessierte Unternehmen kostenlos bei der Standortwahl, in arbeits- und steuerrechtlichen Fragen, hilft bei der Suche nach Kooperationspartnern und unterstützt im Kontakt mit Behörden. Interessierte Unternehmen werden von Mitarbeitern in der Wiener Zentrale und den Büros in New York und Tokio betreut.
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