Weisse Gentechnik – alltäglich und futuristisch
Weiße Gentechnik – Geschichte, Anwendungsgebiete, Techniken und Ausblick. Sofern in einem Haushalt gegessen, gewaschen und Kleidung getragen wird, finden sich dort auch Produkte der Weißen Gentechnik. Enzyme, Aromen, Vitamine, Konservierungsstoffe und viele weitere industriell genutzte Substanzen werden heute überwiegend von gentechnisch veränderten Organismen (GVO) hergestellt. Verbraucher bekommen davon nichts mit, denn die Zusatz- und Hilfsstoffe müssen nicht gekennzeichnet werden. Der Grund dafür ist einfach: die fertigen Waren enthalten keine Bestandteile von GV-Mikroorganismen. In der öffentlichen Wahrnehmung weitgehend akzeptiert, hat die genbasierte Biotechnologie große Pläne in Sachen Energieeinsparung, Umweltschutz und Ressourcenschonung.
1. Geschichte der Weißen Gentechnik
Biochemische Stoffwechselvorgänge von Mikroorganismen machen sich die Menschen bereits seit Jahrtausenden zunutze. Hefebrot, Sauerkraut, Käse und Bier sind nur einige der Lebensmittel, die ihre typische Konsistenz oder ihren besonderen Geschmack durch die Arbeit von Bakterien und Pilzen erhalten. Die chemische Umsetzung macht die Erzeugnisse außerdem haltbar und bekömmlicher. Erst mit der Erfindung des Mikroskops im 17. Jahrhundert bekamen Forscher eine Vorstellung von den Kleinstlebewesen, die die Menschen natürlicherweise umgeben. Verschiedene Wissenschaftler trugen weitere Puzzlestücke der heutigen Mikrobiologie zusammen. Sie stellten fest, dass bei Vorhandensein von bestimmten Mikroorganismen eine Umwandlung von organischen Stoffen stattfand. Hefepilze vergären Stärke zu Alkohol, Milchsäurebakterien verwandeln Weißkohl in Sauerkraut und zerkleinerte Mägen von Saugkälbern (Labferment) lassen Milch gerinnen. Ende des 19. Jahrhunderts hatten die Naturwissenschaftler erkannt, dass auch isolierte Fermente, später Enzyme genannt, zuverlässig die Umsetzung eines Stoffes erledigten. Dieser Vorgang wurde als Katalyse bezeichnet, und Enzyme heißen daher auch Biokatalysatoren.
Wachsende Kenntnisse über Stoffwechselvorgänge, Krankheitsentstehung, die Biologie und Genetik von Organismen bildeten die Basis der heutigen Biotechnologie. Als erste biotechnologische Anwendung in industriellem Maßstab galt Anfang des 20. Jahrhunderts die Synthese der Chemikalien Butanol und Aceton mit Hilfe des Bakteriums Clostridium. In den 1960er Jahren wurden Waschmittel erstmals mit Enzymen zur Fleckenlösung angereichert, parallel hierzu etablierten sich molekulargenetische Methoden in der Pflanzenzüchtung und der Medizin. (Quelle: Wikipedia).
2. Weiße Gentechnik: Anwendungsgebiete
Gentechnik ist ein Teilbereich der Biotechnologie. Ihre Aufgabe ist es, Mikroorganismen für industrielle Produktionsabläufe zu optimieren. Grundlegend geht es hierbei um die biochemische Umsetzung unterschiedlicher Ausgangsstoffe. Schlüsselfaktoren sind Enzyme, komplexe Proteinmoleküle, die an nahezu allen Stoffwechselvorgängen eines Organismus beteiligt sind. Gebildet werden sie im Körper selbst oder von Mikroorganismen, wie beispielsweise von den Bakterien der Darmflora. Für jede biochemische Reaktion gibt es spezifische Biokatalysatoren, erkennbar an der Wortendung -ase. Von den schätzungsweise 10 000 bekannten natürlichen Enzymen werden etwa 130 industriell genutzt, ihre Herstellung erfolgt durch GVO. Wichtige Produkte der Weißen Gentechnologie sind:
Enzyme
• Chemische Industrie
Chemikalien bilden die Grundlage für so unterschiedliche Erzeugnisse wie Arzneimittel, Reiniger, Körperpflegeartikel, Bau- und Farbstoffe oder Düngemittel. Die chemisch-synthetische Erzeugung solcher Grundstoffe ist in der Regel energieaufwändig und erzeugt große Mengen an Produktionsabfällen und Abwasser. Durch den Einsatz von Enzymen in Katalyse oder Synthese können Produktionsabläufe beschleunigt und umweltfreundlicher durchgeführt werden. Außerdem sind zumeist weniger Reaktionsschritte als bei der chemischen Herstellung erforderlich, was als ökologisch und ökonomisch sinnvoll betrachtet wird.
• Lebensmittelindustrie
Vor allem in Fertiglebensmitteln sorgen Enzyme für verbesserte Eigenschaften in punkto Haltbarkeit, Festigkeit, Stabilität. Sie dienen als Konservierungsmittel, Aromastoffe und Würzmittel. Außerdem sind sie klassischerweise bei der Fermentierung von Milchprodukten wie Käse oder Joghurt beteiligt.
• Textilindustrie
Stone-washed Jeans wurden lange Zeit mit Bimssteinen oder Chlorbleiche hergestellt; eine große Belastung für Arbeiter, Maschinen und Umwelt. Heute entfärben Cellulasen die blauen Farbstoffe ebenso zuverlässig, dafür deutlich umwelt- und gesundheitsschonender. Als Weichmacher oder bei der Glättung von Stoffen und Leder haben sich Enzyme ebenfalls bewährt.
• Wasch- und Reinigungsmittel
Ob als Waschmittel, Putzmittel oder Kontaktlinsenreiniger, die Biokatalysatoren sind auch hier allgegenwärtig. Lipasen, Amylasen und Proteasen beseitigen Reste von Fett, Stärke und Eiweiß. Die Effektivität der Biomoleküle ermöglicht das Waschen bei niedrigen Temperaturen sowie den Verzicht auf aggressive Chemikalien.
• Kosmetika
Die Kosmetikindustrie baut zunehmend auf den Einsatz von Enzymen in Cremes, Peelings und Hautreinigungsprodukten. Sie sollen körpereigene Regenerationsvorgänge unterstützen und die Haut sanft und natürlich pflegen.
Vitamine und Aminosäuren
Vielen Lebens- und Futtermitteln sind Nahrungsergänzungsstoffe wie Vitamine oder Aminosäuren zugesetzt. Sie dienen nicht nur der Anreicherung, sondern fungieren darüber hinaus als Süßstoff, Geschmacksverstärker, Aroma oder Konservierungsstoff. Aminosäuren wurden vormals in der Regel aus natürlichen Proteinquellen (Haaren, Schweineborsten) oder durch chemische Synthese gewonnen, heute ist die Herstellung in GV-Organismen verbreitet. Cystein spielt beispielsweise bei der Fertigung von Backwaren eine Rolle, Glutamat macht als Geschmacksverstärker Knabbergebäck so unwiderstehlich. Einen Überblick gibt es hier: Transgen.de
Biokunststoffe
Unterschieden wird zwischen biologisch abbaubaren Kunststoffen, die teilweise auf fossilen Rohwaren wie Erdöl basieren und Kunststoffen, die aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden, aber nicht immer biologisch abbaubar sind. Beide Lösungen werden als nicht optimal betrachtet. Biokunststoffe begegnen dem Verbraucher in Form von verrottbaren Mulchfolien, kompostierbaren Müllbeuteln oder Lebensmittelverpackungen. Forscher suchen aktuell nach Möglichkeiten, kunststoffartige Biopolymere durch Bakterien oder Pflanzen herstellen zu lassen. Ein schönes Beispiel für die Weiße Gentechnik ist die Herstellung von Kinderspielzeug aus Maisstärkechips (siehe Bild).
Biokraftstoffe
Stärke- oder ölhaltige Pflanzen und Pflanzenreste können zur Produktion von Bioenergieträgern eingesetzt werden. Die Grundlage von Bioethanol bilden überwiegend Getreide, Mais und Zuckerrüben. Enzyme zerlegen die enthaltene Stärke in ihre Zuckerbestandteile, die daraufhin von Hefepilzen zu Alkohol vergoren werden. Die Umsetzung von holzigen Pflanzenteilen ist langwieriger, mehrere Helferproteine sind beteiligt. Auch hier arbeiten Biotechnologen daran, Kraftstoffe direkt von Mikroorganismen produzieren zu lassen oder die pflanzlichen Rohwaren gentechnisch zu optimieren.
Ausführliche Informationen stellt das Bundesministerium für Bildung und Forschung bereit (Stand 2015): bmbf.de PDF.
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3. Techniken
• Eingesetzte Organismen
Mikroorganismen katalysieren biochemische Reaktionen entweder durch ihre Anwesenheit oder sie sondern die gebildeten Enzyme in das Außenmilieu ab. Seit den Anfängen der molekularbiologischen Forschung haben sich Bakterien wie Escherichia coli, Corynebacterium glutamicum oder die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae als Produktionssysteme bewährt. Nukleotidsequenz, Stoffwechselfunktionen und Anzuchtbedingungen dieser Organismen sind seit langem bekannt und erprobt. Zellstämme werden ähnlich wie in der Pflanzenzüchtung durch jahrelange Auslese erhalten, verbessert oder den Erfordernissen angepasst. Durch gezielte Optimierung entstehen Hochleistungsstämme, sogenannte „designer bugs“, die sich für eine Vielzahl unterschiedlicher Aufgaben eignen.
• Gentechnische Modifikationen
Bakterielle Plasmide sind praktische Vehikel (Vektoren) für molekulargenetische Eingriffe. Sie können auf vielfältige Weise modifiziert und zwecks Vermehrung in einen Wirtsorganismus übertragen werden (vgl. Klonierung). Eine häufig durchgeführte Veränderung ist das Einfügen zusätzlicher Gene. Für die Herstellung von Proteinen muss die genetische Information der rekombinanten DNA zuvor in eine Aminosäuresequenz übersetzt werden (Genexpression). Diesen als Proteinbiosynthese bezeichneten Vorgang führen Expressionsvektoren durch. Sie besitzen regulatorische Elemente zum An- und Abschalten oder zur Steigerung der Genexpression. Moderne Methoden des Genome Editing eröffnen auch hier neue Möglichkeiten der Modifikation. Das „metabolic engineering“ geht einen Schritt weiter und versucht, ganze Synthesewege in Organismen zu verändern.
• Produktion durch GVO
Mikroorganismen werden zumeist in Fermentern oder Bioreaktoren vermehrt. Hier wachsen sie unter kontrollierten Umweltbedingungen in Kulturflüssigkeiten, die spezifisch auf ihre Bedürfnisse abgestimmt sind und alle Nährstoffe für die Biosynthese der gewünschten Substanz enthalten. Die von ihnen gebildeten Stoffe werden in der Regel in das Nährmedium abgegeben. Durch verschiedene Isolierungs-, Filtrations- und Reinigungsprozesse werden die erzeugten Produkte von den Mikroorganismen getrennt. Da hierbei alle organismischen Komponenten entfernt werden, unterliegen derartige Erzeugnisse aus GV-Organismen nicht der Kennzeichnungspflicht gemäß Gentechnikgesetz.
4. Weiße Gentechnik: Ausblick
Die Zukunft gehört der Biotechnologie und mit ihr der Weißen Gentechnik. Fossile Rohstoffe werden knapp, die wachsende Bevölkerung möchte hochwertig ernährt werden, ohne in Produktionsabfällen zu ersticken. Flächen für Land- und Viehwirtschaft drohen Lebensräume für Mensch und Tier zu beanspruchen. Beiträge zur Lösung dieser Probleme erhofft man sich von der Biotechnologie. Langfristiges Ziel ist die Ersetzung von fossilen durch reproduzierbare Rohstoffe und die Ablösung konventioneller Produktionsmethoden durch biologische Produktionssysteme. Schon heute können durch die gentechnische Herstellung eines Enzyms 80 % Energie und 97 % an Abfällen gegenüber der herkömmlichen chemischen Synthese eingespart werden (Quelle: Gensuisse.ch Publikation).
Neuartige Biomaterialien sind stets interessant für Mediziner und Ingenieure. Gentechnisch hergestellte Spinnenseide könnte geschädigte Sehnen ersetzen, als Nervenimplantat dienen oder technische Oberflächenbeschichtungen liefern. Und auch im Lebensmittelsektor steigt die Nachfrage nach optimierten Produkten. Nahrungsmittel sollen frei von Fett, Lactose, Gluten sein und sich für vegane Ernährung eignen. Gleichzeitig sollen sie eine naturnahe Konsistenz und intensiven Geschmack aufweisen. Alternative Grundstoffe sowie Aromen und andere Zusätze erfüllen die Verbraucherwünsche.
Das größte Wachstum für Weiße Gentechnik wird im Bereich von Kraftstoffen und Kunststoffen erwartet. Abfälle belasten die Umwelt und letztlich die menschliche Gesundheit. Der Trend geht daher zu biobasierten Herstellungsverfahren, die natürliche Ressourcen schonen und biologisch abbaubare Materialien erzeugen. GV-Bakterien sollen Biokraftstoffe direkt aus nachhaltigen Rohstoffen produzieren und könnten dem ausufernden Anbau von Energiepflanzen entgegenwirken. (Quelle: bpb.de).
Technisch betrachtet werden die molekulargenetischen Modifikationen immer komplexer. In den Startlöchern steht die Synthetische Biologie, die mit maßgeschneiderten Organismen arbeitet. Nahezu futuristisch muten die Projekte dieser neuen Forschungsrichtung an: veganes Eiklar aus der Petrischale, Safran aus Hefepilzen und In-vitro-Fleisch ganz ohne Tiere.
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