Interuniversitäres Department für Agrarbiotechnologie Tulln

Institut für Biotechnologie in der Pflanzenproduktion

Das Institut für Biotechnologie in der Pflanzenproduktion ist in der Grundlagen- und angewandten Forschung an Kulturpflanzen mit Schwerpunkt Pflanzenzüchtung, Pflanzengenetik, Phytopathologie und Resistenzzüchtung tätig. Aufbauend auf die klassische feldbasierte Züchtungsforschung werden in zunehmendem Ausmaß Methoden der strukturellen und funktionellen Genomik angewandt. Die Entwicklung biotechnologischer Tools, wie molekularer Marker für die Selektion und für die genetische Analyse, Untersuchungen der Genexpression und Genomstruktur bilden den Kernbereich der Arbeit. Das Institut sieht seine Rolle auch als Vermittler zwischen der Life-Science Forschung und der Anwendung von neuen biotechnologischen Techniken in der praktischen Pflanzenzüchtung. Basis der Züchtungsforschung an Kulturpflanzen ist ein gut funktionierendes Feldversuchswesen, sowie eine zeitgemäße und zuverlässige Glashaus- und Klimakammern-Infrastruktur. Ein besonderer Schwerpunkt des Institutes ist die Resistenzforschung bei Getreide, Mais und Ölkürbis.

Institut für Naturstofftechnik

Die Schwerpunkte des Instituts für Naturstofftechnik liegen im Spritzguss und in der Extrusion von Naturstoffen. Von der Rohstoffanalyse und -aufbereitung über die Verarbeitung an Technikumsanlagen bis zur Werkstoffprüfung erfolgen alle Arbeiten am Institut. Ausgangsprodukte der Entwicklungen sind Biopolymere wie Stärke, Proteine und pflanzliche Faserstoffe sowie Nebenprodukte der Lebensmittel- und Holzindustrie. Ein Forschungsschwerpunkt liegt in der Nutzbarmachung nachwachsender Rohstoffe sowie industrieller Nebenprodukte für den Spritzguss und die Profilextrusion.

Analytikzentrum

Es gliedert sich in die drei Arbeitsbereiche Mykotoxinanalytik, Wasseranalytik und Biochemische Analytik. Neben der Entwicklung und Validierung von Analysenmethoden v. a. im Bereich der Umwelt- und Toxinanalytik sowie zur Sicherung der Qualität von Lebens- und Futtermitteln ist auch die Herstellung von Referenzmaterialien ein Themenschwerpunkt.

Institut für Umweltbiotechnologie

Das Institut für Umweltbiotechnologie befasst sich mit der Entwicklung und dem praktischen Einsatz umweltbiotechnologischer Verfahren. Einerseits werden Nachsorgeverfahren für die Sanierung schadstoffbelasteter Gewässer oder Böden entwickelt bzw. optimiert, andererseits neue Verfahren zur Vermeidung von Umweltbelastungen bzw. zur Verwertung von Abfällen oder Nebenprodukten entwickelt. Die bearbeiteten Themen beinhalten Wasser- und Bodenreinigung, Vermeidung, Behandlung und Verwertung organischer Abfälle, Ökotoxikologie, Risikobewertung und Monitoring-Projekte, Entwicklung Mycotoxin-entgiftender Futtermittelzusätze, Entwicklung von Silage-Starterkulturen, Verwertung erneuerbarer Rohmaterialien zur biotechnologischen Produktion von Milchsäure und Ethanol.

Die Forschung und Entwicklung umfasst auch hinsichtlich ihrer Orientierung sowohl Grundlagenstudien als auch Laborversuche bis hin zu Technikums- und Feldversuchen. Wesentliche Förderer sind die EU, nationale und lokale Behörden sowie die Österreichische Industrie.

Institut für Biotechnologie in der Tierproduktion

Prinzipielle Aufgabenstellung der Abteilung ist die Zucht gesunder und fruchtbarer Tiere mit sinnvollen Produktionsleistungen, wobei die Ergebnisse molekular- und zellbiologischer Grundlagenforschung direkt mittels reproduktionstechnischer Methoden in die Zuchtpraxis umgesetzt werden.

Der Einsatz von Reproduktionstechnologien in der Rinderzucht ermöglicht durch die Produktion von Embryonen die effektive Nutzung genetisch hochwertiger Tiere. Die Produktion von Embryonen gelingt vom lebenden Tier mittels hormoneller Superovulation, Besamung und Spülung der Embryonen aus der Gebärmutter (Embryotransfer). dann im Labor befruchtet werden und sich zu Embryonen entwickeln (IVP = in vitro Produktion von Embryonen). Mittels der IVP können auch von geschlachteten Tieren, deren Eierstöcke binnen kurzer Zeit im Labor eintreffen, Embryonen produziert werden. Die so erhaltenen Embryonen können direkt auf Empfängertiere übertragen werden oder zu Lagerungs-, Transport- bzw. Verkaufszwecken tiefgefroren werden.

Um transgene Mäusezuchten gegen Verlust durch technische Störfälle (Klimasteuerung, Wassereinbruch) oder Pathogene (Infektionen durch Viren oder Bakterien) zu schützen, ist es erforderlich, das genetische Material zu sichern. Dabei werden Embryonen im Morula-Stadium aus hormonell stimulierten Mäusen aus transgenen Stämmen und Linien gewonnen und durch ein Einfrierverfahren ("Vitrifikation", Nowshari und Brem, 1993, Theriogenology) kryokonserviert. Auf der männlichen Seite können als Gameten die Spermatozoen kryokonserviert werden (Nakagata et al., 1997, Biol. Reprod.). Die Lagerung erfolgt in Flüssigstickstoff für unbegrenzte Zeit. Nach einem Auftauen erfolgt eine Ausverdünnung des Gefrierschutzmittels und die Embryonen können dann im Brutschrank bis zum Blastozysten-Stadium kultiviert oder direkt in scheinträchtige Empfänger übertragen werden. Die Gameten können nach dem Auftauen für In vitro-Befruchtungen (IVF) genutzt und die daraus entstehenden IVF-Embryonen in Empfänger übertragen werden. Die Anzahl der zu konservierenden Embryonen hängt vom Genotyp der Eltern (homozygot oder heterozygot) und von deren genetischem Hintergrund (Auszucht oder Inzucht) ab. Es werden 150 bis 300 Embryonen jeder einzelnen transgenen Linie und jedes genetischen Hintergrundes kryokonserviert. Als weitere Techniken zur Konservierung genetischen Materials wird die Kryokonservierung von Keimgewebe (Ovar und Hoden) zur späteren Transplantation auf immunsupprimierte Empfänger und die Konservierung von genetisch veränderten Zelllinien zur Klonierung von Mäusen etabliert.

Die Produktionsform "Gene farming" ermöglicht die Herstellung großer Mengen von Transgenprodukten (z. B. "Nutriceuticals" oder "Pharmaceuticals"), die nicht in entsprechender Reinheit und Menge aus natürlichen Rohstoffen gewonnen oder in anderen Bioreaktoren erzeugt werden können. Die Milchdrüse landwirtschaftlicher Nutztiere eignet sich besonders gut für die Produktion rekombinanter Proteine, die einfach durch Melken der transgenen Tiere geerntet werden können. Milch ist ein Sekret, das während der Laktationsperiode kontinuierlich über mehrere Wochen produziert wird. Eine Melkmaschine für Kaninchen ermöglicht ein sanftes Melken der Zibbe. Das System imitiert den natürlichen Saugakt der Jungen. Während die Zibbe auf einem Textilnetz ruht, werden die Melkbecher mit dem pulsierenden Saugvakuum an die Zitzen angelegt. Nach 5 bis 10 Minuten ist die Milchdrüse leer und die Melkbecher werden entfernt. Obwohl Kaninchen nie auf Milchmenge selektiert wurden, kann man an einem Tag bis zu 1/4 Liter Milch von einer 5 kg schweren Zibbe erhalten.

Mittels homologer Rekombination wurden in embryonalen Stamm-(ES)Zellen Mäuse erstellt, die gezielt eine Defizienz (Knockout, KO) in einem Mitglied der Janus-(Jak)-Tyrosinkinasen aufweisen. Jak-Mäuse sind ein Instrument, um die Wirkungen verschiedener Zytokine und Wachstumsfaktoren in vivo untersuchen zu können. Es wurden Jak2- und Tyk2-Mäuse bearbeitet. Die Jak2-defizienten Mäuse wurden unter der Federführung von Prof. Pfeffer (TU München) erstellt und in Kollaboration analysiert. Die Tyk2-Mäuse entstanden unter der Federführung der an der Abteilung Biotechnologie in der Tierproduktion des IFA Tulln und am Institut für Tierzucht und Genetik der Veterinärmedizinischen Universität Wien beschäftigten Wissenschaftler.

Die Jak-Proteine (Janus Kinasen) sind eine Familie von Rezeptor-assoziierten Protein-Tyrosin-Kinasen, die beim Säuger 4 Mitglieder aufweist – Jak1, Jak2, Jak3 und Tyk2. Jaks binden an intrazelluläre Domänen von Zytokin- und Wachstumsfaktor-Rezeptoren. Nach Rezeptor-Ligand-Bindung werden sie aktiviert und regulieren die intrazelluläre Weiterleitung der Signale. Dabei spielen die Stat-(signal transducer and activator of transcription)-Proteine als positive Regulatoren eine wichtige Rolle. Stats werden vornehmlich von Jaks an den Rezeptorkomplexen aktiviert, bilden Homo- oder Heterodimere, translozieren in den Zellkern und aktivieren als Transkriptionsfaktoren spezifische Gene. Als negative Regulatoren wurde die Familie der SOCS Proteine (suppressor of cytokine signalling, auch CIS, SSI, JAB) identifiziert, die direkt die katalytische Aktivität der Jaks inhibieren oder über andere Mechanismen die Stat-Aktivierung verhindern. Dieser intrazelluläre Signalübertragungsweg wurde auf Grund der hauptsächlich beteiligten Proteinfamilien Jak-Stat-Signalweg benannt. Die zellspezifische Wirkung der Zytokine wird durch die spezifische Zusammensetzung der Rezeptorkomplexe gesteuert. Neben den Jak/Stat/SOCS Proteinen sind bei der zytokin- und wachstumsfaktor-vermittelten Antwort weitere zell- und entwicklungsspezifische Signalmoleküle und -kaskaden beteiligt.

Die Funktion der Jaks wurde intensiv in verschiedenen In-vitro-Systemen untersucht. Diese Daten konnten nun durch die In-vivo-Untersuchung von Jak-defizienten (Jak-KO) Mäusen vervollständigt werden. Die gezielte Inaktivierung von Jak2 führt zu embyronaler Letalität der homozygoten KO-Mäuse. Jak2-Embyronen sind anämisch und sterben am Tag 12,5 der Embryonalentwicklung. In Abwesenheit der über Jak2 vermittelten Signalwege ist die Bildung der roten Blutkörperchen in der fetalen Leber komplett gestört. Dies ist v. a. durch die Notwendigkeit von Jak2 in der Signalweiterleitung von Erythropoietin (EPO), Interleukin (IL) -3 und Granulozyt-Makrophagen-Colonie-Stimulierenden Faktor (GM-CSF) erklärbar.

Die Untersuchungen an Tyk2-Mäusen haben gezeigt, dass Tyk2 nicht wie die übrigen Mitglieder der Jak-Familie maßgeblich an der Architektur eines oder mehrerer Zytokinrezeptoren in vivo beteiligt ist. Die Rolle von Tyk2 im Gesamtorganismus ist vielmehr die Feinabstimmung der Zytokin-Antwort durch eine Verstärkung des vorhandenen Signals bzw. die selektive Aktivierung von bestimmten Stats an den jeweiligen Zytokin-Rezeptoren. Zumindest am IFN-alpha/beta- und am IL-12-Rezeptor ist die Anwesenheit von Tyk2 für die Aktivierung von Stat3 erforderlich. Tyk2-Defizienz führt nicht wie aus den in vitro Daten erwartet wurde, zu einer generellen starken Beeinträchtigung des Immunsystems. Die Daten weisen vielmehr auf eine Rolle von Tyk2 beim Übergang von der innaten Immunität in die spezifische Immunität hin.

Molekulargenetische Techniken ermöglichen es, krankheitsrelevante Veränderungen im Erbmaterial direkt aufzudecken. Dabei werden nicht nur die homozygoten Merkmalsträger, sondern auch die phänotypisch gesunden, heterozygoten Anlageträger erkannt. Auch bei der Selektion auf Leistungsmerkmale erlaubt es die molekulargenetische Diagnostik, den Wert der Tiere in Hinblick auf ein Merkmal direkt zu bestimmen, als Träger und Vererber wünschenswerter Merkmalsmarker können sie bevorzugt in der Zucht eingesetzt werden. Beispiele molekulargenetischer Diagnostik:

Die Kappa-Kasein-Allele sind Leistungsmarker. Das Milchprotein Kasein bildet den Grundstoff für die Käseherstellung. In den Rinderpopulationen sind verschiedene Kappa-Kasein-Allele vorhanden, wobei eine Variante des Proteins bessere Käsereieigenschaften aufweist, also für bessere Käsequalität und höheren Käseertrag steht. Zuchtstiere, die das verantwortliche Allel – es ist das Allel B – tragen, können mittels molekulargenetischer Diagnostik direkt erkannt und selektiv bevorzugt werden: Sie vererben das Leistungsmerkmal an ihre Töchter weiter.

Die bovine Leukozyten Adhäsions Defizienz ist eine autosomal rezessive Erbkrankheit bei Holstein Rindern. Eine Punktmutation ist für eine Dysfunktion der weißen Blutzellen verantwortlich, die so ihre Kontrollfunktion gegenüber Infektionserregern nicht mehr erfüllen können. Homozygote Träger des Defektes sterben wegen reduzierter Immunantwort innerhalb des ersten Lebensjahres. Bei Nachkommen von Zuchttieren, die als heterozygote Träger des Defektes evident sind, ist der BLAD-Test eine wichtige erbhygienische Maßnahme, um die Krankheit unter Kontrolle zu halten.

Die "Schnüffelkrankheit" (Rhinitis athrophicans) ist eine der wirtschaftlich bedeutsamsten Erkrankungen in der Schweineproduktion. Das Krankheitsbild wird durch das Zusammenspiel mehrerer Faktoren (schlechtes Stallklima, Viren, Mykoplasmen und andere Keime, z. B. Bordetella bronchiseptica) verursacht. Maßgeblich am Ausbruch der Krankheit sind jedoch toxinbildende Pasteurella multocida Stämme. Die Proben werden mit Hilfe spezieller Nasentupfer im Betrieb entnommen. Sie werden über Nacht in einem Spezialmedium inkubiert um vorhandene toxinbildende Pasteurella multocida Stämme zu vermehren. Über Polymerasekettenreaktion (PCR) wird einerseits das Toxingen nachgewiesen, andererseits die Methode an sich durch eine interne Kontrolle überprüft. Die Bande der internen Kontrolle (400 Basenpaare) muss in jeder Reaktion auf der Gelelektrophorese erscheinen, die Toxinbande (1600 Basenpaare) nur in positiven Untersuchungsproben. Der große Vorteil des Nachweises von Krankheitserregern mit Hilfe der PCR, im Gegensatz zu anderen Nachweismethoden (z. B.ELISA), liegt hauptsächlich in der höheren Sensitivität, da falsch positive und falsch negative Resultate vermieden werden.

Institut für Tierernährung, Tierische Lebensmittel und Ernährungsphysiologie

Das Institut für Tierernährung, Tierische Lebensmittel und Ernährungsphysiologie (TTE) repräsentiert den Beginn der Versorgungskette an Lebensmitteln tierischer Herkunft. Im Mittelpunkt steht hierbei die sachgemäße Fütterung landwirtschaftlicher Nutztiere und der maßgebliche Beitrag der Ernährung zur Qualität und Sicherheit der Primärprodukte (Milch, Fleisch, Eier). Die Sekundärwirkungen einzelner Nahrungskomponenten auf Verdauung, Stoffwechsel und Gesundheit bilden einen besonderen Schwerpunkt.

Experimentelle Studien an landwirtschaftlichen Nutztieren und Modelltieren für den Menschen (Schwein, Ratte) zum Stoffwechsel von Nährstoffen und der Wirkung von funktionellen Inhaltsstoffen der Nahrung bzw. von Zusatzstoffen. Analyse von Nährstoffen (inkl. Spurenelementen) in biologischem Material. Quantifizierung fraktioneller Stoffflüsse im intakten Organismus (Absorption, Exkretion, Turnover im Gewebe).

Thematische Schwerpunkte

Wirkung von pflanzlichen Faserkomponenten, Probiotika und ätherischen Gewürzölen auf die Funktionalität der Verdauung am Tiermodell des Schweins mittels ernährungsphysiologischer, molekularbiologischer und histologischer Methoden. Ernährungsphysiologische Aspekte (Bioverfügbarkeit, Akkumulation im Gewebe) essentieller Spurenelemente (Jod, Selen, Zink). Optimierung der Nährstoffversorgung landwirtschaftlicher Nutztiere (essentielle Aminosäuren, essentielle Spurenelemente, Fettqualität).