Weiße Gentechnik Einzeller als Chemiefabriken

Mikroorganismen eignen sich besonders gut für die industrielle Produktion bestimmter Stoffe. Denn sie sind nicht nur vielseitig und flexibel, sondern besitzen auch ein weites Spektrum an Fähigkeiten zur Stoffumwandlung. Die winzigen Lebewesen vermehren sich rasch und sind meist einfach zu handhaben. Bei der Herstellung vieler Wirkstoffe und Spezialchemikalien haben biotechnische Verfahren die chemische Synthese abgelöst. Inzwischen werden dabei auch gentechnisch veränderte Stämme eingesetzt.

Dieser Anwendungsbereich der Gentechnik wird auch als "Weiße" oder "Graue Gentechnik" bezeichnet. Anders als die  "Grüne Gentechnik" - die Anwendung bei Pflanzen - entwickelt sich die "Weiße" derzeit rasch. Mit Hilfe gentechnisch veränderter Mikroorganismen werden nicht nur zahlreiche Arzneimittel, Impfstoffe und Feinchemikalien hergestellt, sondern zunehmend auch Futtermittelzusätze sowie Vitamine, Zusatz- und Hilfsstoffe für die Lebensmittelindustrie.

Dass solche Stoffe mit Hilfe von Mikroorganismen hergestellt werden können, ist nicht neu. Doch erst mit der Gentechnik sind viele biotechnische Verfahren wirtschaftlich interessant geworden. Gezielte Eingriffe in die Gene haben die Ergiebigkeit der jeweiligen Produktionsorganismen deutlich gesteigert. Gegenüber der bisherigen chemisch-synthetischen Herstellung haben biotechnische Verfahren in vielen Fällen Umweltvorteile: Sie kommen ohne aggressive Chemikalien aus, benötigen weniger Energie und nutzen nachwachsende Rohstoffe. Rückstände aus der Produktion sind schnell abbaubar und belasten die Abwässer kaum.

Zitronensäure wurde früher aus Zitrus-früchten gewonnen. Heute setzt man für die industrielle Produktion den Pilz  Aspergillus niger ein (unten im Licht-mikroskop bei 400facher Ver-größerung, Quelle: pixelquelle.de, enius.de) Ein Mitarbeiter von DSM überwacht die Fermentation von Vitamin B2. Quelle: DSM

Von Aminosäure bis Zitronensäure: Was Mikroorganismen produzieren Bereits um 1900 wurde das erste Enzym, eine alpha-Amylase, aus Schimmelpilz-kulturen gewonnen. Das Stärke abbauende Eiweiß spielt inzwischen in der Lebensmittelindustrie eine wichtige Rolle und wird etwa bei der Herstellung von Süß- und Backwaren, Fruchtsäften und Spirituosen eingesetzt. Der erste Zusatzstoff, welcher in großem Stil biotechnologisch hergestellt wurde, war Zitronensäure. Während sie früher aus Zitrusfrüchten gewonnen wurde, stammt mittlerweile fast die gesamte Weltproduktion aus dem Gärungsprozess des Pilzes Aspergillus niger. Zitronensäure findet in vielen Getränken und Süßwaren Verwendung. Anfangs wurde Zitronensäure in offenen Becken produziert. Heute stecken Bakterien, Hefen oder Schimmelpilze in geschlossenen Anlagen: Dort werden sie vermehrt und setzen chemische Substanzen wie Enzyme und Vitamine in großen Mengen frei. Inzwischen gibt es eine wachsende Zahl von biotechnischen Verfahren, bei denen die eingesetzten Mikroorganismen gentechnisch verändert sind. Die Zahl der mit Hilfe von gv-Mikroorganismen gebildeten Substanzen wächst stetig. Darunter befinden sich zahlreiche Stoffe, die in der Lebensmittelherstellung Verwendung finden, etwa Aminosäuren.

Diese Bausteine der Eiweiße finden als Futtermittelzusatz und Geschmacksverstärker in Lebensmitteln Verwendung. Häufig sind Aminosäuren auch in kommerziellen Aromapräparaten zur Abrundung oder Verstärkung des jeweiligen Geschmacks enthalten. Ein Bestandteil des kalorienarmen Süßstoffs Aspartam, die Aminosäure Phenylalanin, kann ebenfalls biotechnologisch hergestellt werden.

Konservierungsstoffe wie Nisin und Natamycin, die Geschmacksverstärker Glutaminsäure und Inosinsäure, der Aromastoff Vanillin sowie die Vitamine B12, B2 und C sind weitere Beispiele für eine mögliche Anwendung von gv-Mikroorganismen. Bei der Herstellung von Enzymen, die auch in der Lebens- und Futtermittelwirtschaft eine breite Verwendung finden, ist der Einsatz von gv-Mikroorganismen schon nahezu Routine.

Fermentation im Bioreaktor

Die Gewinnung von Stoffen mit Hilfe von Produktionsorganismen erfolgt in einem Fermenter, auch Bioreaktor genannt. In diesem Edelstahltank können die Bedingungen optimal eingestellt werden, sodass sich die winzigen Helfer rasch vermehren und große Mengen der erwünschten Substanz bilden. Nach Ende der Wachstumsphase wird der Stoff isoliert und gereinigt.

Manche Organismen geben den Stoff jedoch nicht in das Kulturmedium ab, sondern bilden ihn innerhalb der Zelle. Dann ist die Gewinnung etwas aufwändiger: Die Kulturen werden "geerntet", das gewünschte Produkt freigesetzt und entsprechend aufgearbeitet. Störende Nebenprodukte aus der Fermentation trennen die Hersteller vom gewünschten Erzeugnis. Dann wird der Stoff mit Hilfe von modernen Methoden auf Reinheit überprüft und schließlich konzentriert. Nach Abschluss dieser Prozedur sind die Mikroorganismen und ihre Überreste im Endprodukt nicht mehr vorhanden. Ihre Erbsubstanz DNA ist nicht mehr nachweisbar.

Gentechnik bei Mikroorganismen: Höhere Ausbeute, einfache Produktion

Die Gentechnik bietet verschiedene Ansätze, die zur Produktion von Vitaminen, Enzymen, Aminosäuren oder anderen Wirkstoffen eingesetzten Mikroorganismen zu "optimieren".

• Zum einen kann man die Ergiebigkeit der Mikroorganismen, die einen bestimmten Stoff natürlicherweise herstellen, erhöhen. Dazu greift man in den Regulationsapparat ein, indem man vor das Gen für den gewünschten Wirkstoff einen "stärkeren" Promotor schaltet. Dadurch wird etwa ein Enzym in größerer Menge hergestellt. Den gleichen Effekt kann man erzielen, wenn der Promotor in mehrfacher Ausfertigung einbaut wird oder die natürliche Regulation überlistet: Unter natürlichen Bedingungen produzieren Mikroorganismen von einer Substanz nicht mehr als sie benötigen und schalten die jeweiligen Stoffwechselaktivitäten ab.
• Außerdem kann das Gen für ein Eiweiß aus nicht kultivierbaren Bakterien isoliert werden. Man überträgt es auf bekannte Mikroorganismen, die einfacher zu handhaben oder anspruchsloser gegenüber dem Nährmedium sind.

In der Praxis kann auch das Nährmedium, welches Bakterien und Hefen im jeweiligen Stoffwechselprozess verwerten, aus gentechnisch veränderten Quellen stammen. Verschiedene Substrate (Proteine, Stärke, Glukose) werden unter Umständen aus gentechnisch veränderten Pflanzen wie Soja oder Mais gewonnen.

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