Pilze und Bakterien k\u00f6nnen weitaus mehr, als Trauben in Wein oder Milch in Joghurt umzuwandeln. In der Pharmabranche haben sie sich als Wirkstoffproduzenten l\u00e4ngst etabliert. Jetzt halten die Mikroorganismen Einzug in die chemische Industrie.<\/b><\/p>\n
Plastiks\u00e4cke aus Maisst\u00e4rke, Antibiotika gegen Blasenentz\u00fcndung und Enzyme in Waschmitteln haben eines gemeinsam: Sie sind Produkte der sogenannten weissen Biotechnik, hergestellt mit der Hilfe von Mikroorganismen. Die Kleinstlebewesen erzeugen viele Substanzen schneller und umweltfreundlicher als herk\u00f6mmliche chemisch-technische Verfahren. W\u00e4hrend sie sich als Produzenten von Wirkstoffen in der Pharmabranche l\u00e4ngst etabliert haben, nutzt die chemische Industrie ihr Potenzial erst ansatzweise.<\/p>\n
Kompostierbare Kunststoffe<\/b><\/p>\n
Das Paradebeispiel der weissen Biotechnik in der Chemie sind kompostierbare Kunststoffe wie die Polymilchs\u00e4ure (PLA, Polylactid Acid) des amerikanischen Unternehmens NatureWorks<\/a>. Daf\u00fcr wird aus Maisst\u00e4rke Zucker gewonnen, den Bakterien dann zu Milchs\u00e4ure verg\u00e4ren. <\/p>\n Dieses einfach aufgebaute Molek\u00fcl, das nach saurer Milch schmeckt und bisher im Joghurt statt im Becher zu finden war, l\u00e4sst sich zu einem Biokunststoff polymerisieren. In einem Kilogramm PLA-Plastik stecken umgerechnet 2,5 Kilogramm Maisk\u00f6rner. Oder anders ausgedr\u00fcckt: Der Maisertrag von einer Hektare reicht f\u00fcr eine halbe Million Joghurtbecher. <\/p>\n Ebenso lassen sich Plastikgeschirr, Folien und Textilfasern aus PLA herstellen. Und auch Proteine aus Pflanzen sollen, so die Hoffnung vieler Forscher, bald genutzt werden k\u00f6nnen, um Folien und Verpackungsmaterialien herzustellen.<\/p>\n Biokunststoffe liegen deshalb so im Trend, weil sie fossile Ressourcen schonen. Heute ist Erd\u00f6l das Ausgangsmaterial Nummer eins f\u00fcr Grundchemikalien und Polymere. Zuk\u00fcnftig m\u00fcssten nachwachsende Rohstoffe die gr\u00f6sste Rolle spielen, fordert Hans-Peter Meyer vom Schweizer Chemie- und Biotechnikunternehmen Lonza<\/a>. Er prognostiziert, dass die Umstellung auf eine biobasierte Wirtschaft in 30 bis 80 Jahren erreicht sein wird.<\/p>\n So optimistisch zeigen sich nicht alle Vertreter der chemischen Industrie. Eine grunds\u00e4tzliche Umstellung auf Biotechnik werde es auf absehbare Zeit nicht geben, behauptete Stefan Buchholz vom deutschen Spezialchemieunternehmen Degussa<\/a> im Oktober auf einer Fachveranstaltung zur weissen Biotechnik in Frankfurt am Main. Vielmehr m\u00fcsse man im Einzelfall kl\u00e4ren, ob eine Umstellung \u00f6konomisch und \u00f6kologisch sinnvoll sei. <\/p>\n Auch Stephan Freyer vom Chemieunternehmen BASF<\/a> zeigte sich in Frankfurt skeptisch; nachwachsende Rohstoffe seien zu teuer verglichen mit der Erd\u00f6lfraktion Naphtha, dem Ausgangsmaterial f\u00fcr die Petrochemie. Doch weil die fossilen Rohstoffe knapper werden und die Preise steigen, k\u00f6nnten die Zweifler bald ihre Meinung \u00e4ndern.<\/p>\n Bereits jetzt schon haben grosse Chemieunternehmen einige Verfahren erfolgreich auf die Biotechnik umgestellt. Ein biotechnischer Vorzeigeprozess bei BASF ist etwa die Produktion von Vitamin B2: Daf\u00fcr wird schon seit 15 Jahren der Pilz Ashbya gossypii<\/i><\/b> genutzt, der Pflanzen\u00f6l in einem Schritt in das Vitamin umwandelt. Die chemische Synthese hingegen ben\u00f6tigt acht Stufen und verursacht 30 Prozent mehr Kohlendioxid, 95 Prozent mehr Abfall und 40 Prozent mehr Kosten. <\/p>\n Wenn die Biotechnik eine Variante zur Chemie bereithalte, sei sie immer die \u00f6kologisch und \u00f6konomisch sinnvollere, sagt Meyer und nennt als ein Beispiel die Produktion von L-Carnitin, einem Tr\u00e4germolek\u00fcl, das K\u00f6rperfette an den Ort der Verbrennung transportiert. Diese Substanz wird beispielsweise S\u00e4uglingsnahrung aus Soja und Fitness-Getr\u00e4nken zugesetzt.<\/p>\n Verglichen mit der chemischen Synthese spart der biotechnische Prozess pro Tonne L-Carnitin 180 Kubikmeter Abwasser und 4 Tonnen Abfall, der verbrannt werden m\u00fcsste. Zudem produzieren die Bakterien reines L-Carnitin. Der chemische Prozess hingegen liefert die beiden zueinander spiegelbildlichen Molek\u00fclvarianten L- und D- Carnitin in gleichen Anteilen. Sie m\u00fcssen aufw\u00e4ndig getrennt werden, denn nur L-Carnitin kurbelt die Fettverbrennung an, w\u00e4hrend die D-Form als gesundheitssch\u00e4dlich gilt.<\/p>\n Die Biokatalyse von herk\u00f6mmlichen Prozessen mit isolierten Enzymen oder ganzen Zellen ist neben der Biosynthese, der mikrobiellen Herstellung von Substanzen aus nachwachsenden Rohstoffen, das zweite Standbein der weissen Biotechnik. <\/p>\n Wie Biosynthesen laufen auch biokatalysierte Reaktionen oft unter milden Bedingungen ab: bei Raumtemperatur, Normaldruck und in w\u00e4ssrigem Milieu. Das spart nicht nur Energie und L\u00f6semittel, sondern erh\u00f6ht auch die Ausbeute, denn bei niedrigen Temperaturen entstehen generell weniger Nebenprodukte. <\/p>\n Oliver Thum von der Degussa-Tochterfirma Goldschmidt erl\u00e4uterte dies am Frankfurter Symposium anhand der Produktion von Kosmetik-Fetten aus Rizinols\u00e4ure, der Fetts\u00e4ure des Rizinus\u00f6ls. Konventionell kocht man die Fetts\u00e4ure daf\u00fcr mit bestimmten Alkoholen und chemischen Katalysatoren bei etwa 200 Grad Celsius. <\/p>\n Das entspricht der Betriebstemperatur einer Fritteuse, und dem entsprechend riecht das so hergestellte Fett. Es enth\u00e4lt zahlreiche Neben- und Verbrennungsprodukte, ist dunkel gef\u00e4rbt und muss, bevor es zu Lippenstiften und K\u00f6rperlotionen verarbeitet wird, gereinigt, gebleicht und desodoriert werden.<\/p>\n Verwendet man dagegen als Katalysator ein Enzym aus der Hefe Candida antarctica und erw\u00e4rmt die Mischung nur leicht, bildet sich ein weisses Fett, das nicht nach verbranntem \u00d6l riecht und direkt weiterverarbeitet werden kann. Da das Enzym bei diesem Prozess fest auf einen Tr\u00e4ger aufgebracht ist, entf\u00e4llt die aufwendige Trennung von Produkt und Biokatalysator.<\/p>\n Mangel an stabilen Enzymen<\/b><\/p>\n Enzyme erleichtern nicht nur die Umsetzung von nachwachsenden Rohstoffen, sondern katalysieren auch konventionelle petrochemische Reaktionen; bei rund 5 Prozent der Chemieprodukte spielt die Biokatalyse heute schon eine Rolle. Bis 2010, sch\u00e4tzen Experten der Unternehmensberatung McKinsey, werde der Anteil auf 10 bis 20 Prozent steigen. <\/p>\n Das ist ein hoch gestecktes Ziel, zumal die Vorteile \u00fcber ein gravierendes Problem nicht hinwegt\u00e4uschen k\u00f6nnen: Es mangelt der Industrie an kommerziell erh\u00e4ltlichen, stabilen Enzymen. Ausserdem funktionieren viele Enzyme in der Natur zwar ausgezeichnet, werden sie aber zweckentfremdet, sollen sie also k\u00fcnstliche Reaktionen katalysieren, sind sie oft weniger wirksam.<\/p>\n Mit Hochdruck suchen Forscher weltweit daher im Boden, in heissen Quellen und anderen Proben nach neuen Enzymen in Bakterien und Pilzen. Gentechniker ver\u00e4ndern das Erbgut der Mikroorganismen und variieren so bekannte Enzyme; Roboter-gest\u00fctzte Anlagen testen t\u00e4glich Abertausende neue Varianten. <\/p>\n Dennoch, so kritisiert Meyer von Lonza, hinke die Biokatalyse noch weit hinter den gesteckten Zielen her. Von den bisher bekannten sechs Enzymklassen sei erst eine, die der sogenannten Hydrolasen, gut erforscht. Hydrolasen katalysieren die Spaltung von Molek\u00fclen unter Einbau von Wasser sowie unter bestimmten Bedingungen umgekehrt auch die Verbindung von Molek\u00fclen unter Freisetzung von Wasser – ein Beispiel ist die oben erw\u00e4hnte Fettbildung aus Ricinols\u00e4ure und Alkohol.<\/p>\n Sollen chemische Gruppen aber anderweitig abgetrennt, umgewandelt oder in ein Molek\u00fcl eingef\u00fchrt werden, sind daf\u00fcr Enzyme aus den anderen Klassen erforderlich. Diese aber st\u00fcnden der Industrie weder zur Verf\u00fcgung noch seien sie Schwerpunkt der derzeitigen Forschung, beklagt Meyer. Er ist daher \u00fcberzeugt, dass nicht die Biokatalyse, sondern die Biosynthese aus nachwachsenden Rohstoffen zuk\u00fcnftig die wichtigere Rolle spielen werde.<\/p>\n Auf hohe Ausbeuten getrimmt<\/b><\/p>\n Was nach “Bio” klingt, unterscheidet sich von der Natur allerdings deutlich. Bakterien und Pilze produzieren viele Stoffe zwar sehr elegant, aber meist in zu geringen Mengen. Die urspr\u00fcnglichen St\u00e4mme werden deshalb den Industriew\u00fcnschen angepasst – fr\u00fcher durch Z\u00fcchtung, durch zuf\u00e4llige Mutation und Selektion, heute meist gentechnisch. So produziert der Pilz Ashbya gossypii<\/i><\/b> dank dem Eingriff in sein Erbgut ein F\u00fcnftel mehr Vitamin B2 als sein nicht genmanipulierter, aber bereits klassisch gez\u00fcchteter Vorfahre.<\/p>\n Als Massschneider von Mikroorganismen \u00fcbt sich auch der Schweizer Spezialchemikalien-Hersteller Ciba<\/a> zusammen mit dem deutschen Biotech-Unternehmen Brain. Ihr Ziel sind Bakterien, die aus Zucker Spezialchemikalien herstellen. <\/p>\n Brain hat aus der firmeneigenen Stammsammlung bereits einen Mikroorganismus ausgew\u00e4hlt, der \u00fcber die gew\u00fcnschten Enzyme und Stoffwechselwege verf\u00fcgt. Damit die Bakterienzelle grosse Mengen der gew\u00fcnschten Chemikalie, aber nur wenig Nebenprodukte produziert, greifen die Brain-Mitarbeiter zur Gentechnik. <\/p>\n Sie schleusen einerseits fremde Enzym-Gene in das Erbmaterial der Zelle ein, um die Bildung der gew\u00fcnschten Chemikalie zu f\u00f6rdern. Andererseits schalten sie Gene aus und blockieren so Stoffwechselwege, die zu l\u00e4stigen Nebenprodukten f\u00fchren. Auch regulierende Mechanismen, welche die Zelle nat\u00fcrlicherweise vor \u00dcberproduktionen sch\u00fctzen, lassen sich so ausser Kraft setzen. <\/p>\n In einem Jahr, sagt J\u00fcrgen Eck von Brain, entscheide man, ob die erzielte Ausbeute hoch genug sei. Die Namen der Spezialchemikalien und des Bakteriums bleiben einstweilen Firmengeheimnis.<\/p>\n Rekombinante St\u00e4mme, deren Erbgut neu zusammengesetzt wurde, \u00f6ffnen der Biotechnik zwar die T\u00fcr zur chemischen Industrie, stossen aber auf Ablehnung bei den Verbrauchern – auch wenn die k\u00fcnstlichen Zellen und das ver\u00e4nderte Erbgut in den gereinigten Endprodukten nicht mehr nachzuweisen sind. Lonza verf\u00fcge \u00fcber rekombinante St\u00e4mme f\u00fcr die L-Carnitin-Produktion, setze sie aus rein markttechnischen Gr\u00fcnden aber nicht ein, sagt Meyer. <\/p>\n Dieses Problem kennt auch Richard Gamma, der Vizedirektor des Verbandes SGCI Chemie Pharma Schweiz: Manche Firma, sagt er, w\u00fcrde die Biotechnik gerne im gro\u00dfen Massstab nutzen, sehe aber die H\u00fcrden der Akzeptanz auf dem europ\u00e4ischen Markt.<\/p>\n Optimistisch zeigt sich Gamma dennoch: Die Pharmabranche habe es schliesslich auch geschafft, die Vorteile der Biotechnik herauszustreichen. Gentechnisch erzeugte Wirkstoffe erzielen international bereits 7 Prozent des Gesamtumsatzes an Arzneimitteln. Und dass, wer gentechnisch hergestellte Medikamente schluckt und sich ebensolche Impfstoffe spritzen l\u00e4sst, auch die weisse Biotechnik nicht f\u00fcrchten sollte, erscheint nur logisch.<\/p>\n Wo kommt das Futter her?<\/b><\/p>\n Bleibt noch ein Problem zu kl\u00e4ren: Um Chemikalien und Enzyme herzustellen, brauchen die Mikroorganismen in den Industrie-Fermentern Futter, vor allem Zucker aus nachwachsenden Rohstoffen. <\/p>\n Ob die konventionelle Landwirtschaft die steigende Nachfrage danach decken kann, ist fraglich, zumal sie schon die Energieversorger mit Kraft- und Brennstoffen vom Acker beliefern soll – ganz zu schweigen vom Hunger der Bev\u00f6lkerung, der zuallererst gestillt werden will. <\/p>\n Reichlich vorhanden aber sind Pflanzenabf\u00e4lle: Getreidest\u00e4ngel, Holzreste, Rinde. Biotechniker und Chemiker \u00fcberlegen daher bereits gemeinsam, ob und wie Mikroorganismen Plastikfolien, Kunstfasern und sonstige Produkte der Petrochemie aus einem Haufen Stroh erzeugen k\u00f6nnten.<\/p>\n (Vgl. Meldungen vom 2005-12-23<\/a>, 2005-06-03<\/a> und 2005-03-09<\/a>.)<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":" Pilze und Bakterien können weitaus mehr, als Trauben in Wein oder Milch in Joghurt umzuwandeln. 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