Bakterien 3D

Von Aroma bis Zusatzstoff: Was gentechnisch veränderte Mikroorganismen alles können

Aromen, Vitamine, Süßstoffe, Geschmacksverstärker: Eine ganze Reihe von Zusatzstoffen wird heute mit Hilfe von gentechnisch veränderten Mikroorganismen gewonnen. Inzwischen sind auch erste Produkte der Synthetischen Biologie auf dem Markt. Damit können seltene oder extrem teure „Naturstoffe“ in größeren Mengen produziert werden. Wie in der Pflanzenzüchtung sind auch bei Mikroorganismen die Grenzen zwischen klassischer Gentechnik und neuen Verfahren fließend geworden.

Zahlreiche Bakterien, Hefen oder Pilze können „von Natur aus“ nützliche Stoffe wie Vitamine, Aminosäuren, Enzyme oder Zitronensäure bilden. Schon vor fast hundert Jahren hat man begonnen, solche Mikroorganismen in technischen Anlagen zu kultivieren. Anfangs wurden dafür geeignete Stämme mit klassischen Verfahren gezüchtet. Lange blieb diese frühe industrielle Biotechnologie auf wenige Anwendungen beschränkt.

Brötchen groß

Luftige Brötchen. Cystein (E 920) ist häufig in Backgrundstoffen für Brot, Brötchen und Backwaren enthalten. Früher aus Haaren gewonnen, ist die heutige Herstellung mit Gentechnik weitaus appetitlicher.

Steviablatt

Süßstoff aus der Stevia-Pflanze. Extrem süß, ohne Kalorien, rein pflanzlich - die perfekte Zucker-Alternative. Nur: „Von Natur aus“ liefern die Pflanzen zu wenig davon. Mit Hilfe der Synthetischen Biologie kann man den begehrten Stoff heute in Hefen herstellen.

Impossible Burger

Impossible Burger: Sieht aus wie Fleisch, ist aber keins. Die Schlüsselsubstanz ist der rote Blutfarbstoff. Er wird mit gentechnisch veränderter Hefe hergestellt.

Foto: Impossible Food, suljo/123RF, großes Foto oben: iStock

Erst mit der modernen Genetik und Molekularbiologie kam der Durchbruch: Gentechnische Verfahren ermöglichten es, Bakterien, Hefen oder Pilze so zu optimieren, dass sie die gewünschten Stoffe in nennenswerten Mengen ausschütteten und so die biotechnische Herstellung erst wirtschaftlich wurde.

Allerdings waren anfangs die Möglichkeiten begrenzt, um so begehrte, aber in der Natur knappe Lebensmittel-Zutaten in der benötigten Qualität herzustellen. Man konnte ein Gen mit dem genetischen Code für den jeweiligen Stoff irgendwo in einem „Spender“ isolieren und auf einen anspruchslosen, gut kultivierbaren Produktionsorganismus übertragen. Oder man regulierte ein vorhandenes Gen - etwa durch Verstärkung der Promotoren - so, dass die gewünschte Substanz permanent und in größeren Mengen gebildet wurde als natürlicherweise benötigt. Doch das klappte nur bei vergleichsweise wenigen Stoffen, vor allem bei Proteinen, Aminosäuren und Enzymen.

Inzwischen haben sich die Methoden verfeinert. Längst sind die Biotechnologen nicht mehr allein auf die klassische Gentechnik angewiesen. Die Möglichkeiten der industriellen Biotechnologie haben sich dadurch enorm erweitert.

  • Man kann etwa einen gewünschten Stoff mit genau definierten Eigenschaften - in der Regel ein Protein mit einer bestimmten Oberflächenstruktur - mit Hilfe von Computerprogrammen in den jeweiligen genetischen Code übersetzen und ein solches synthetisches Gen in einen geeigneten Produktionsorganismus übertragen.
  • Mikroorganismen werden „Evolutionsautomaten“ ausgesetzt: Darin durchlaufen sie mehrere Zyklen von künstlich ausgelösten Mutationen und einer anschließenden Selektion derjenigen Mikroorganismen, die dem jeweiligen Ziel - einen bestimmten Stoff in gewünschter Menge und Qualität zu produzieren - am nächsten kommen. Mit dieser „gelenkten Evolution“ sind erstaunliche und weitreichende Veränderungen an Mikroorganismen möglich, ohne dass sie rechtlich als „gentechnisch verändert“ gelten.
  • In den letzten Jahren sind die Konzepte der Synthetischen Biologie hinzugekommen. Damit ist es möglich geworden, ganze Stoffwechselwege etwa aus einer Pflanzen in Mikroorganismen „einzubauen“. Diese können nun ähnlich wie in anderen Fermentationsprozessen die gewünschten Stoffe herstellen - interessant vor allem für solche, die in ihrer natürlichem Herkunft nur in geringen, oft wirtschaftlich nicht nutzbaren Mengen gebildet werden, jedoch sehr begehrt sind. Erste in Lebensmitteln verwendete Produkte der Synthetischen Biologie sind inzwischen auf dem Markt.
  • Viele biotechnische Laborverfahren laufen inzwischen weitgehend automatisiert ab. Mit Hochdurchsatz-Sequenzierung sind ganze Genome schnell und kostengünstig zu entschlüsseln, die Synthese „künstlicher“ DNA-Sequenzen ist Routine. Zunehmend wird künstliche Intelligenz in Forschung und Entwicklung und in der Bioinformatik eingesetzt.
  • Wie in der Pflanzenzüchtung wird Genome Editing (Genschere CRISPR/Cas) auch bei Mikroorganismen genutzt, um gezielt Mutationen herbeizuführen oder an einer vorgegebenen Stelle im Genom neue DNA-Sequenzen zu integrieren.

Noch stärker als bei Pflanzen sind die Grenzen zwischen „gentechnisch veränderten“ und „konventionellen“ Mikroorganismen fließend geworden. Auch ohne herkömmliche Gentechnik können Bakterien oder Hefen in zweckmäßig optimierte Produktionsstämme verwandelt werden, die mit ihren „natürlichen“ Ausgangsformen nur noch wenig zu tun haben.

Für die Konsumenten spielt diese Unterscheidung kaum eine Rolle. Zwar müssen Zusatzstoffe genau so zugelassen werden wie neuartige biotechnologische Zutaten. Das entscheidende Kriterium ist deren Sicherheit, nicht das Herstellungsverfahren.

„Gentechnisch hergestellt“: Bekannte Zusatzstoffe und neuartige Lebensmittelzutaten - einige Beispiele

Aminosäuren werden häufig mit Hilfe von gentechnisch veränderten Mikroorganismen gewonnen.

  • Sie finden überwiegend als Futtermittelzusätze Verwendung, sind aber auch Bestandteil von Geschmacksverstärkern und anderen Zusatzstoffen. So ist der Geschmacksverstärker Glutamat (E 621) in Fertigsuppen und Knabbergebäck enthalten.
  • Die Aminosäure Cystein (E 920) findet etwa bei der Herstellung von Brot, Brötchen und Backwaren Verwendung. Der Zusatzstoff verbessert die Knetfähigkeit der Teige und sorgt dafür, dass die luftige Struktur der Backwaren über längere Zeit erhalten bleibt. Klassisch wird Cystein aus Menschenhaar, Federn oder Schweineborsten gewonnen. Inzwischen gewinnt die Herstellung mit Hilfe von gentechnisch veränderten Mikroorganismen an Bedeutung.
  • Der Süßstoff Aspartam (E 951) besteht aus zwei chemisch miteinander verbundenen Aminosäuren, Phenylalanin und Asparaginsäure. Beide werden mit gentechnisch veränderten Mikroorganismen gewonnen.

Auch die Vitamine B2 und B12 werden heute überwiegend von gentechnisch veränderten Mikroorganismen produziert.

  • Bei der Herstellung von Vitamin C kann ein Verfahrensschritt mit gv-Mikroorganismen durchgeführt werden.
  • Einige Vitamine finden als Zusatzstoffe in zahlreichen Lebensmitteln Verwendung: Als Konservierungsstoff Ascorbinsäure (E 330, Vitamin C), Farbstoff Riboflavin (E 101, Vitamin B2) oder Farbstoff Beta-Carotin (E 160a, Provitamin A).

Lebensmittel-Zutaten, die in nach Konzepten der Synthetischen Biologie „konstruierten“ Mikroorganismen hergestellt werden, sind etwa

  • der pflanzliche, kalorienarme Süßstoff Eversweet, Vanillearoma (Vanillin), das Nahrungsergänzungsmittel Resveratrol, das Grapefruit-Aroma Nootkaton oder Safran. Die meisten diese Produkte sind in Nordamerika auf dem Markt, einige auch in Europa. Weitere sind in der Entwicklung.
  • Vor allem biotechnisch „umgebaute“ Hefen liefern Ersatzprodukte oder vegane Schlüsselsubstanzen für tierische Lebensmittel (Fleisch, Fisch, Milch), zum Beispiel einen roten Blutfarbstoff (Leghemoglobin) für Fleischimitate (Veggiburger, Impossible Food), auch fötales Rinderserum wie es für Zellkultur-Fleisch benötigt wird oder Milchproteine.

Biotechnische Herstellung: Vorteile für die Umwelt

Biotechnische Verfahren sind gegenüber der chemisch-synthetischen Herstellung in der Regel kostengünstiger, erzielen eine höhere Ausbeute und haben Vorteile für die Umwelt. So kommen sie ohne aggressive Chemikalien aus, benötigen meist weniger Energie und nutzen nachwachsende Rohstoffe.

Die Mikroorganismen „arbeiten“ in Edelstahltanks (Fermenter), in denen die Bedingungen optimal eingestellt werden können. Die jeweiligen Substanzen werden isoliert und aufgereinigt. Im fertigen Produkt dürfen keine Überreste der Produktionsorganismen enthalten sein.

Dieser Anwendungsbereich der Gentechnologie wird auch als „Weiße Gentechnik“ bezeichnet.