Was ist Biotechnologie?
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- Biotechnologischer Verfahren werden vor allem in der Medizin, aber auch in der Landwirtschaft und der Industrie genutzt. Quelle: HZI
Die Biotechnologie ist in aller Munde – kann aber sehr viele unterschiedliche Dinge meinen. Biotechnologie steckt in Medikamenten, im Waschmittel, aber auch in Pflanzen. Sie ist eine klassische Querschnittstechnologie, die sich nicht nur auf Disziplinen wie Biologie und Biochemie stützt, sondern auch Physik, Chemie, Verfahrenstechnik, Materialwissenschaften und Informatik umfasst. Kern der Biotechnologie ist die Anwendung von Wissenschaft und Technik auf lebende Organismen.
Weiße Biotechnologie: Industrie
Ob im Waschmittel oder in der Hautcreme – in einer Vielzahl von industriellen Produkten steckt Biotechnologie. In diesem Zusammenhang sprechen Experten von weißer oder industrieller Biotechnologie. Der Griff in die Werkzeugkiste der Natur hilft der Industrie, ressourcenschonender und umweltfreundlicher zu arbeiten. Dies gilt für viele Lebensmittel, die schon seit Jahrhunderten auf die Kraft von lebenden Mikroorganismen setzen, wie Brot, Käse, Bier und Wein. Aber auch bei der Herstellung hochwertiger Chemikalien, Arzneimittel, Vitamine, Wasch- und Reinigungsmittel, bei der Veredelung von Textilien, Leder und Papier und bei der Herstellung vieler anderer oft benutzter Gegenstände sind Methoden der weißen Biotechnologie zu einem festen Bestandteil der Produktionsverfahren geworden.
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Der Einsatz natürlicher Helfer hat schon eine lange Tradition. In zahlreichen Kulturen waren Methoden der Vergärung zuckerhaltiger Nahrungsmittel zu Alkohol mithilfe von Hefen, Milchsäuregärung unter Verwendung von Lactobacillus-Stämmen oder die Essigherstellung mithilfe spezieller Acetobacter-Spezies lange vor der Entdeckung von Mikroorganismen oder dem Verständnis der zugrunde liegenden Prozesse bekannt. Erste Anwendungen lassen sich bereits 6.000 v. Chr. finden, als die Sumerer in Mesopotamien aus gekeimter Gerste ein alkoholhaltiges bierähnliches Getränk gebraut haben. Aber auch bei der Herstellung von Wein, Sauerteigbrot oder Käse kamen von Anfang an lebende Mikroorganismen zum Einsatz – nur hat das damals keiner gewusst.
Mikroorganismen als Basis der weißen Biotechnologie
Die Entdeckung der Mikroorganismen und der biochemischen Grundlagen fermentativer Prozesse erfolgte erst im Verlauf der vergangenen drei Jahrhunderte. So entdeckte beispielsweise Louis Pasteur (1822-1895) im Jahr 1856 in verunreinigten Weinfässern Mikroorganismen, die er nach ihrer Form mit dem griechischen Wort für Stäbchen Bacterion benannte. Darüber hinaus fand er heraus, wie die Gärung abläuft: Während Milchsäurebakterien (Lactobazillen) aus Zucker Milchsäure produzieren, vergären Hefepilze in den Weinfässern den Zucker zu Alkohol. Pasteur legte mit seinen Experimenten die Grundlage für das Verständnis der Fermentation und begründete die moderne Mikrobiologie. Mit seiner Erkenntnis, dass „die Rolle des unendlich Kleinen in der Natur unendlich groß“ ist, war der Weg für die moderne Biotechnologie bereitet.
Weitere Impulse für die Entwicklung dieses Forschungszweiges kamen aus der Medizin. So erkannte Robert Koch (1843-1910) als einer der ersten Wissenschaftler die Bedeutung der Mikroorganismen als Krankheitserreger. Im Jahr 1876 gelang Koch die Entdeckung des Milzbrand-Bakteriums und 1882 die Identifizierung des Tuberkulose-Erregers. Zuvor galten nicht Mikroorganismen, sondern so genannte Miasmen – die Luft verunreinigende Gifte – als Krankheitsursachen.
Weiße Biotechnologie in Deutschland: Dieser Film ist Teil der DVD "Industrielle Biotechnologie", die bei biotechnologie.de angefordert werden kann.Quelle: Fraunhofer IAIS/BMBF
Einen weiteren Puzzlestein im Gesamtverständnis der Mikrobiologie lieferten schließlich zeitgleich die Chemiker. So beobachteten Forscher im 18. Jahrhundert, dass der Abbau eines Stoffes manchmal durch die Zugabe einer weiteren Substanz beschleunigt werden konnte, der dabei offenbar aber nicht verbraucht wurde. Bald konnten Stoffe aus Pflanzen und tierischen Geweben extrahiert werden, die mit den beobachteten Reaktionen in Verbindung gebracht und „Fermente“ genannt wurden. Im 19. Jahrhundert wurde schließlich klar, dass es sich dabei um natürliche Biokatalysatoren handelte. Zu diesem Zeitpunkt wurde auch der Name „Enzyme“ (aus dem Griechischen „in der Hefe“) für die Biokatalysatoren geprägt. Er wurde von nun an auf alle Fermente angewandt.
Biologisierung der Industrie
Biotechnologische Anwendungen in der industriellen Produktion wurden schon früh in der Ledergerbung genutzt: Das heute in dieser Form nicht mehr existierende deutsche Unternehmen Röhm&Haas aus Darmstadt produzierte bereits 1909 das erste industriell verwendete Enzymprodukt OROPON®. Es bestand aus Enzymen, die Proteine abbauen, den so genannten Proteasen, und verbessert entscheidend die Ledergerbung: Bis dahin waren zur Behandlung der Felle und Häute Beizen aus Hundekot und Taubenmist verwendet worden, die jetzt durch das wesentlich umweltfreundlichere und sauberere Produkt ersetzt werden konnten.
Die Genomforschung trieb die dynamische Entwicklung der modernen weißen Biotechnologie schließlich immer weiter voran. Dieses Wissen legte die Fundamente dafür, dass sich die evolutionär geschaffene biosynthetische Vielfalt der belebten Natur inzwischen viel gezielter für industrielle Prozesse nutzen lässt. Mit der Forderung einer nachhaltigen Wirtschaftsweise sind seit den 80er und 90er Jahren die in der Natur vorhandenen Ressourcen auch zunehmend in den gesellschaftlichen Blickpunkt gerückt. Damit verband sich für Politik und Wirtschaft die Erkenntnis, dass die Sicherung der natürlichen Ressourcen für künftige Generationen mit bestehenden industriellen Verfahren langfristig nicht zu gewährleisten ist: Vor allem die Endlichkeit fossiler Energieträger trug zu einem Umdenken bei und setzte die Suche nach Alternativen verstärkt in Gang.
Ökologische Vorteile von biotechnologischen Verfahren
So bieten biotechnologische gegenüber chemischen Verfahren den Vorteil, dass Prozesse oftmals unter milden, umweltschonenderen Bedingungen stattfinden können: Mikroorganismen bewerkstelligen komplexe Stoffumwandlungen mit hoher Ausbeute bei Zimmertemperatur und Normaldruck, wofür chemische Verfahren hohe Temperaturen und hohen Druck brauchen. An die industrielle Biotechnologie sind deshalb immer auch ökologische Erwartungen geknüpft. In vielen Bereichen – etwa der Waschmittel- oder der Textilherstellung – haben sich diese bereits erfüllt. So tragen Biokatalysatoren in Waschmitteln zu einer Reduzierung der Waschtemperatur bei.
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In der Textilindustrie haben Biotechnologen wiederum enzymbasiertes Verfahren entwickelt, um bei Jeans den beliebten Stonewashed-Effekt herbeizuführen. Dieser wurde zuvor aufwendig durch den Einsatz von Bimsstein erzielt. Schon lange etabliert sind auch Lebensmittelzusatzstoffe wie Zitronensäure sowie Medikamente wie Antibiotika, die mithilfe gentechnisch veränderter Mikroorganismen hergestellt werden. Sie zählen daher zu den wirtschaftlich bedeutendsten Produkten der weißen Biotechnologie. Kaum ein Chemiekonzern verzichtet heute auf derartige Verfahren. Zugleich hat sich eine zwar kleine, aber dennoch dynamische Szene an Biotechnologie-Unternehmen etabliert, die ihre Dienste für die Industrie anbieten.
Mit der Biotechnologie in ihren unterschiedlichen Facetten werden bereits heute viele Lebensmittel, aber auch hochwertige Chemikalien, Enzyme, Arzneimittel, Vitamine, Wasch-und Reinigungsmittel sowie Agrochemikalien hergestellt, die aus dem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken sind und nach Angaben des deutschen Bioökonomierates (2010) eine hohe Marktbedeutung mit derzeit ca. 80 Mrd. € haben. Dazu kommen noch Produkte der roten Biotechnologie, deren Marktvolumen innerhalb der Pharmaindustrie bereits 100 Mrd. € übersteigt. Verschiedene Studien und Analysen zum Potenzial der weißen Biotechnologie erwarten, dass der Anteil biotechnologischer Verfahren bei der Herstellung chemischer Produkte in den kommenden Jahren erheblich zunehmen wird. Im „Cologne-Paper“ schätzen Experten, dass im Jahre 2030 Biomaterialien und Bioenergie mit einem Volumen von weltweit rund 300 Milliarden Euro ein Drittel der gesamten industriellen Produktion ausmachen werden.
In vielen anderen Anwendungsgebieten haben die Entwicklungen allerdings erst begonnen, vor allem bei der Herstellung von Biokunststoffen oder der Gewinnung von Energie aus nachwachsenden Rohstoffen (mehr...). Hier müssen künftige Forschungsarbeiten erst den Grundstein für eine tatsächlich effiziente Produktionsweise legen – und die Biotechnologie kann einen entscheidenden Beitrag dazu leisten.
