Blaue Gentechnik – Potenzial der Artenvielfalt

Organismen aus Gewässern aller Art, ob marin oder limnisch, sind das Betätigungsfeld der Blauen Gentechnik. Vor allem im Meer mit seinen weitgehend unerforschten Geheimnissen vermuten Wissenschaftler zahlreiche unbekannte Lebewesen und Substanzen. Neuartige chemische Verbindungen, trickreiche Stoffwechselwege und strukturelle Besonderheiten von Mikroorganismen sind für Biotechnologie und Industrie interessant. Auch medizinisch nutzbare Inhaltsstoffe oder zukünftige Energielieferanten könnten im Wasser verborgen sein.

 

Blaue Gentechnik

Gentechnik

 

1. Geschichte der Blauen Gentechnik

Als eigenständiger Wissenschaftszweig ist die Blaue Gentechnik im Vergleich zu anderen Gentechniken noch jung, und doch beschäftigen sich Menschen schon seit Jahrtausenden mit Methoden zur Fischverarbeitung oder dem Gebrauch von Algen und Meerestieren.

Fische waren eine wichtige Nahrungsquelle, lange bevor der Ackerbau erfunden wurde. Konservierungsmethoden wie das Räuchern oder Salzen von Fischen können als frühe Biotechnologie verstanden werden und sind seit der Steinzeit bekannt. Durch den Entzug von Wasser werden natürliche Zersetzungsvorgänge verlangsamt und das Lebensmittel haltbar gemacht. Die Fischzucht in Europa hat ihre Anfänge im 6. Jahrhundert, während die asiatischen Völker bereits in vorchristlichen Zeiten Algen kultivierten.

Als Beginn der modernen Blauen Biotechnologie kann die Entdeckung des Bakteriums Thermus aquaticus angesehen werden, das in heißen Quellen zu existieren vermag. 1969 gelang die Isolation des hitzestabilen Enzyms, das dem Bakterium das Überleben bei hohen Temperaturen ermöglicht. Die sogenannte Taq-Polymerase ist wesentlicher Bestandteil der Polymerasekettenreaktion (vgl. PCR), einer elementaren Methoden molekularbiologischer Arbeiten.

Gegen Ende des 20. Jahrhunderts begann sich die Industrie zunehmend für Organismen aus der Tiefe zu interessieren, und in den folgenden Jahrzehnten wurden mehrere Forschungsschwerpunkte für marine Biotechnologie initiiert.

 

2. Blaue Gentechnik: Anwendungsgebiete

Gearbeitet wird vorwiegend an und mit Fischen, Algen und Mikroorganismen sowie mit den von ihnen produzierten Substanzen. Die häufigsten Einsatzgebiete aquatischer Lebensformen sind:

  • Lebensmittelindustrie
    Zahlreiche Speisefische werden in Aquakulturen aufgezogen, auch mineralstoff- und proteinreiche Algen werden als Nahrungsmittel kultiviert. Typische Lebensmittelzusatzstoffe aus Algen sind Alginat, Agar oder Carrageen, die als Verdickungs- und Geliermittel dienen. Auch Aminosäuren und Enzyme lassen sich aus Wasserlebewesen gewinnen. Biotechnologen sollen beispielsweise Anzuchtmethoden für Aquakulturen optimieren und effektive Verwertungsmöglichkeiten erarbeiten.
  • Medizin
    Auch die Medizintechnik hat Verwendung für Alginat. Als Beschichtung von Implantaten entfaltet es eine antibakterielle Wirkung. Verschiedene Organismen wie Cyanobakterien und Schwämme produzieren tumor- und entzündungshemmende oder antivirale Inhaltsstoffe. Das Krebstier Dosima fascicularis hält sich mit zementartigem, elastischem Kleber am Untergrund fest. Forscher sehen Anwendungsmöglichkeiten für dieses Material in der Orthopädie.
  • Rohstoffproduktion
    Algen und Cyanobakterien sind vielversprechende Rohstofflieferanten. Aus ihren Produkten und ihrer Biomasse können Kraftstoffe wie Biodiesel und -ethanol gewonnen werden. Das „Algenhaus“ in Hamburg bezieht einen Teil seiner Betriebsenergie durch Algen, die in Photobioreaktoren der Fassade leben. Auf Basis elektroaktiver Bakterien, die beim Abbau organischer Materie Strom produzieren, konnten experimentelle Bio-Brennstoffzellen hergestellt werden. Eine Übersicht über die besonderen Fähigkeiten von Cyanobakterien gibt es hier: Biooekonomie-bw.de
  • Wissenschaft
    Natürliche Gefrierschutzproteine verhindern bei Fischen und Insekten das Gefrieren der Körperflüssigkeiten. Sie werden in der gentechnischen Forschung genutzt, um die Frosttoleranz von Pflanzen und Fischen zu erhöhen. Fluoreszierende Proteine aus Quallen verwenden Gentechniker als Marker, um erfolgreich transformierte Organismen zu identifizieren oder um Genaktivitäten sichtbar zu machen.

 

3. Techniken und Organismen

Die Blaue Biotechnologie arbeitet überwiegend mit natürlich vorkommenden Organismen, wendet aber auch gentechnische Methoden an. Gentechnisch veränderte (GV-) Organismen unterliegen gesetzlichen Bestimmungen und dürfen ihre geschlossenen Systeme nicht verlassen.

  • Aquakultur
    Moderne Fischzuchten sind Hightech-Anlagen, in denen die Tiere unter kontrollierten Bedingungen heranwachsen. Molekulartechnologische Verfahren reichen von medizinischen und analytischen Tests bis hin zu Erbgutmodifikationen. GV-Lachse, die durch zusätzliche Wachstumshormone schnell wachsen und kälteunempfindlich sein sollen, bescherten Nordamerika einen jahrzehntelangen Streit um Zulassung und Kennzeichnung.
  • Photobioreaktor
    Zur Anzucht von Algen (überwiegend Blau-, Grün-, Kiesel- und Goldalgen) werden Röhren oder Platten aus lichtdurchlässigem Kunststoff benutzt. Die Algen geben ihre Produkte in das flüssige Wachstumsmedium ab, können aber auch selbst in Form getrockneter Biomasse weiterverarbeitet werden. GV-Algen können Bioethanol direkt produzieren, die übrige Biomasse wird zu Brennstoff umgesetzt.
  • Extremophile Organismen
    Hitze, Kälte, Säure, Salz sind für die meisten Lebewesen tödlich. Extremophile, zumeist Bakterien, haben sich mit speziellen Stoffwechselkomponenten oder Strukturen an lebensfeindliche Standorte angepasst. Einige Beispiele: Alcanivorax borkumensis und andere Mikroben nutzen als Kohlenstoffquelle bevorzugt Erdöl und bauen natürlicherweise die bei Schiffshavarien auftretenden Ölteppiche ab. Das anaerob arbeitende Bakterium Dehalococcoides zerlegt giftige Chlorverbindungen wie Dioxin und PCB und wird für die Sanierung verseuchter Böden eingesetzt. Schneealgen wie Chlamydomonas nivalis färben den Schnee der Arktis und Hochgebirge bisweilen blutrot. Antibiotische Eigenschaften und die Fähigkeit, wiederholtes Einfrieren und Auftauen unbeschadet zu überstehen, machen sie für die Medizintechnik interessant.

 

4. Blaue Gentechnik: Ausblick

Die wissenschaftlichen und wirtschaftlichen Dimensionen der Blauen Gentechnik sind noch klein, ihr Potenzial jedoch scheint riesig. Die Vorteile der Nutzung von Mikroorganismen als Produzenten liegen auf der Hand: sie sind effektiv, benötigen wenig Platz und können in geschlossenen Systemen kultiviert werden. Dies erlaubt auch die Nutzung gentechnisch modifizierter Organismen, analog zu Weißen Biotechnologie.

Algen und Biokatalysatoren aus Mikroorganismen sollen zukünftig zur Umweltentlastung beitragen, indem sie eine platz- und ressourcenschonende Herstellung von Rohstoffen und Materialien ermöglichen. So arbeiten Forscher beispielsweise daran, das universell genutzte Palmöl, für dessen Gewinnung Regenwälder weichen müssen, langfristig durch Algenöl zu ersetzen. Limitierte fossile Energieträger könnten durch Wasserstoff abgelöst werden, produziert mit Hilfe der Blauen Gentechnik. Für weitere Nutzungsmöglichkeiten siehe Gesundheitsindustrie BW.

Insbesondere die Extremophilen versprechen noch viele Entdeckungen. Eine der Hauptaufgaben der Wissenschaftler ist es, die wählerischen Spezialisten unter Laborbedingungen am Leben zu erhalten und stabile, industriell nutzbare Stämme zu züchten. Deinococcus radiodurans wird scherzhaft auch als „Conan, das Bakterium“ bezeichnet, weil es nahezu alle Belastungen und sogar hohe Strahlungsintensitäten aushält. Seine extremen Resistenz- und Replikationsfähigkeiten machen es zum Kandidaten für die Datenspeicherung der Zukunft.