Biotechnologie: Die Biologischen Grundlagen

„Supertiere für die dritte industrielle Revolution“, das ist die Art von Schlagzeilen in den Medien, die in den letzten Jahren vorherrschend war und jedem Biotechnologen garantiert einen kalten Schauder über den Rücken laufen läßt. Das Problem ist eine Sache der Perspektive. Das Bild, das die Allgemeinheit von der Biotechnologie hat, ist oft verzerrt sowohl in der Einschätzung dessen, was sie ist, als auch dessen, was sie vollbringen kann. Dieses kurze Einführungskapitel dient dazu, dem Leser einen Überblick über die Biotechnologie zu verschaffen, und auch darüber, wer (oder was) Biotechnologen sind, und welche Bedeutung die Biotechnologie hat.

Es wird häufig behauptet, daß die Biochemie das gemeinsame Thema aller biologischen Wissenschaften ist. Unterstützung bekommt diese Behauptung vor allem durch vergleichenden Studien über den Zellstoffwechsel und die Mechanismen der Energiespeicherung. Von den fundamentalen strukturellen und organisatorischen Unterschieden zwischen Prokaryoten und Eukaryoten abgesehen (z.B. dem Fehlen der Kernmembran und von Organellen wie Mitochondrien und Chloroplasten in den Prokaryoten und den Unterschieden in der Organisation, Replikation und Expression des Erbgutes) zeigen alle Organismen beachtliche Ähnlichkeiten auf zellulärer Ebene. In der Tat sind sogar einige strukturelle Grundzüge und Aspekte der Organisation, Replikation und Expression des Erbgutes in Bakterien, höheren Pflanzen und Tieren sehr ähnlich. Die Ähnlichkeiten zwischen diesen Gruppen sind aber besonders auffallend, wenn grundlegende metabolische Prozesse verglichen werden.

Die Definition eines C₁-Substrates mag überflüssig erscheinen. Bei der Beschreibung von Stoffwechselvorgängen beinhaltet der Begriff jedoch nicht nur Verbindungen mit einem Kohlenstoffatom wie Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Formiate, Methanol, Methan und Methylamin, sondern auch Verbindungen mit mehr als einem Kohlenstoffatom, die jedoch keine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung aufweisen wie:

Es existiert eine viel größere Vielfalt an C₂-Substraten als an C₁-Verbindungen und folglich auch ein größeres Spektrum an Organismen, die solche Substrate verwenden können. Dazu sind auch eine größere Menge sowohl an oxidativen, energieliefernden Dissimilationswegen als auch an biosynthetischen Assimilationsreaktionen notwendig. Dennoch sind bei der Betrachtung der Substrate selbst sowie ihrer Stoffwec’hselwege einige weitgehende Generalisierungen erlaubt. Diese basieren auf der Oxidationsstufe der Substrate und führen zu einer Einteilung in drei Kategorien: Substrate mit einem Verhältnis H:O von 2:1 oder höher (z.B. Ethanol (C₂H₅OH) und Essigsäure (CH₃COOH)); solche mit einem Verhältnis H.O von weniger als 2:1, aber mehr als 0,6:1 (z.B. Glykolsäure (CH₂OHCOOH) und Glyoxylsäure (CHOCOOH)); und sehr hoch oxidierte Substrate, bei denen das Verhältins H:0 unter 0,6:1 liegt (z.B. Oxalsäure (COOH)₂). Im allgemeinen hat das Wachstum auf C₂-Substraten in der Biotechnologie weniger Interesse hervorgerufen als das auf C₁-Substraten. Dies bedeutet nicht, daß dies auch in Zukunft so bleibt, denn viele C₂-Substrate entstehen in natürlichen Ökosystemen und als Nebenprodukte in der Industrie. Sie könnten vielleicht nützliche Substrate für die Biomassenproduktion werden.

Wie in Kap. 2, Abschn.2.1 bis 2.3 erklärt, werden alle Verbindungen mit drei und mehr Kohlenstoffatomen über Stoffweehselwege metabolisiert, die in fast allen lebenden Organismen gefunden werden. Es ist nicht beabsichtigt, diese Mechanismen hier näher zu betrachten. Letztendlich werden alle diese Substrate, gewöhnlich auf ziemlich direktem Wege, zu Zwischenprodukten der Glykolyse umgewandelt, bevor sie über den Citratcyclus oxidiert werden. Das anaplerotische System besteht in der Carboxylierung von C₃-Zwischenprodukten. Zwei Arten von Verbindungen, die als mikrobielle Wachstumssubstrate benutzt werden, sind jedoch von besonderem biotechnologischem Interesse. Dies sind Kohlenwasserstoffe — außer Methan — und aromatische Verbindungen. Einige spezielle Gesichtspunkte ihrer Nutzung als Wachstumssubstrat werden in diesem Kapitel beschrieben.

Das große biochemische Potential der Mikroorganismen zeigt sich in ihrer Fähigkeit, auf vielen verschiedenen Substraten zu wachsen und ein großes Spektrum an Produkten zu liefern. Dies führte zu ihrem gewerbsmäßigen Einsatz in der Fermentationsindustrie. Die Mikrobiologen neigen dazu, als „Fermentation“ jeden Vorgang zu bezeichnen, in dem ein Produkt durch Massenkultur von Mikroorganismen hergestellt wid. Biochemiker dagegen benutzen den Ausdruck in einem engeren Sinn. Die wahre biochemische Bedeutung dieses Wortes ist „ein energieliefernder Prozeß, in dem organische Verbindungen sowohl als Elektronendonatoren als auch als terminale Elektronenakzeptoren agieren“ (s. Abschn. 1.1). In diesem Abschnitt soll „Fermentation“ dennoch in seinem breiteren, mikrobiologischen Sinn benutzt werden. In den letzten Jahren haben die Fortschritte in der Molekularbiologie und der Gentechnik der wohletablierten Fermentationsindustrie die Gelegenheit gegeben, neuartige Arbeitsgänge einzurichten und bestehende zu verbessern. Diese Entwicklung wurde als die Geburt einer neuen Ära begrüßt. Man darf jedoch nicht vergessen, daß die Ausnutzung dieser großen Fortschritte Kulturtechniken im Großmaßstab voraussetzt, die von der Industrie in vielen Jahren erarbeitet worden sind. Die Ziele dieses Abschnittes sind folgende: zuerst soll der Leser in die Vielfalt der kommerziell verwertbaren Fermentationsprodukte eingeführt werden, und zweitens sollen die biologischen Prinzipien kurz zusammengefaßt werden, die diesen Prozessen zugrundeliegen.

Ein Mikroorganismus wird dann in einem Kulturmedium wachsen, wenn das Medium alle notwendigen Nährstoffe in verfügbarer Form enthält und alle anderen Umweltfaktoren seinen Bedürfnissen entsprechen. Die einfachste Methode ist die Batch-Kultur, bei der man den Mikroorganismus in einer begrenzten Menge an Medium wachsen läßt, bis entweder ein essentieller Nahrungsbestandteil verbraucht ist oder toxische Nebenprodukte wachtumsbehindernde Konzentrationen erreicht habfcn. In einem solchen System durchlebt die Kultur eine Anzahl von Stadien, wie in Abb. 7.1 dargestellt.

Die äußeren Bedingungen, deren Einhaltung für das Wachstum eines Mikroorganismus in einem industriellen Prozeß erforderlich ist, müssen während der Fermentation kontrolliert werden, um eine maximale (und zuverlässige) Produktivität zu erreichen. Folgende dieser Faktoren sind wichtig:

Der ideale Mikroorganismus für die industrielle Anwendung bildet den gewünschten, kommerziell vertriebenen Metaboliten in großen Mengen relativ zu seinen anderen biosynthetischen und katabolen Produkten. Es ist offensichtlich, daß eine solche Art in natürlicher Umgebung hoffnungslos verloren wäre. Ein aus der Natur isolierter Organismus bildet also den erwünschten Metaboliten normalerweise in nur sehr kleinen Mengen. Es ist deshalb nötig, seine Produktivität in Bezug auf dieses Produkt zu verbessern. Obwohl die Produktausbeute verbessert werden kann, indem man die Kulturbedingungen optimiert, wird die Produktivität doch letztendlich durch die Erbanlagen kontrolliert. Um die potentielle Produktivität zu erhöhen, muß man also die Gene des Organismus verändern. Dies kann auf zweierlei Weise geschehen: (a) durch Mutation oder (b) durch Rekombination.

Zur Gentechnik gehört das „Verändern“ von Genen. Diese Veränderung kann bedeuten, daß ein Gen von seinem normalen Platz in eine Zelle übertragen wird, in der es normalerweise nicht vorhanden ist. Ein Gen kann auch in seiner Sequenz in irgendeiner Weise verändert werden, was bedeutet, daß es sich um ein anderes Gen handelt. Solch ein verändertes Gen kann natürlich auch in einen neuen Zelltyp transferiert werden. Um eine Verwechslung mit den konventionellen Zuchttechniken oder mit natürlich vorkommenden Vorgängen des Gentransfers durch Plasmide zu vermeiden, wird festgelegt, daß zur Gentechnik oder Genmanipulation alle diejenigen Prozesse gehören, die in vitro durchgeführt werden.

Das Klonieren von Genen wurde zunächst durch technische Entwicklungen wie der Isolierung von Enzymen möglich gemacht, die die DNA an ganz bestimmten Stellen zerschneiden (Restriktionsendonucleasen) oder die DNA-Fragmente kovalent verbinden (Ligasen). Weitere Fortschritte hängen immer noch häufig von der Entwicklung neuer Enzyme oder anderer Biochemikalien ab. Wir erleben im Moment eine Explosion bei den Veröffentlichungen neuer Techniken, die mit der Klonierung in Beziehung stehen. Diese Ausuferung an technischer Information verbunden mit einem Übermaß an Fachjargon kann den Neuling leicht blind gegenüber den grundlegenden Prinzipien der Klonierung machen. Sind diese erst einmal verstanden, so ist es viel leichter, zu erkennen, wo eine neue Technik in den Vorgang der Klonierung einzuordnen ist. Das Ziel dieses Abschnitts ist es, die Strategien, die für das Klonieren eingesetzt werden, zu skizzieren und in diejenigen Techniken einzuführen, die zumeist Anwendung finden.

Was sind die Errungenschaften der Gentechnik auf dem Gebiet der Biotechnologie? Bis jetzt sind nur sehr wenige gentechnologisch hergestellte Produkte in die industrielle Produktion gegangen, obwohl viele das Stadium der Pilotanlagen erreicht haben oder sich in der klinischen Prüfung befinden. Gentechnologisch veränderte Bakterien werden schon seit einigen Jahren dazu benutzt, Einzellerprotein herzustellen. „Human“-Insulin aus Bakterien steht zur Verfügung, sieht sich aber der Konkurrenz des chemisch modifizierten Schweineinsulins gegenüber. Die einzigen Impfstoffe, die käuflich zu erwerben sind, werden für den Viehbestand verwendet, wo eine große Nachfrage besteht. Solche Impfstoffe können nicht den verlängerten Schutz gewähren, der durch abgeschwächte, lebende Bakterien erreicht wird, sind aber sicherer in der Anwendung. Diese wenigen Produkte, die jedoch Erfolg haben, können möglicherweise nicht genug Profit erzielen, um die hohen Kosten, die schon in die Entwicklung der Gentechnik investiert wurden, abzudecken. Gewiß werden die Investoren noch einige weitere Jahre warten müssen, bevor sie einen nennenswerten Profit erwirtschaften. Schon befinden sich einige Firmen in finanziellen Schwierigkeiten, da sie die Zeit, die zur Lösung der beträchtlichen Probleme bei der Entwicklung, Produktion und Austestung eines neuen Produktes benötigt wird, unterschätzt haben. Die USA und Japan sind die größten Verpflichtungen bezüglich der Genmanipulation eingegangen.

Die praktische Anwendung der enzymatischen Katalyse ist ein großes Geschäft. Der gesamte Weltmarkt für Enzyme wurde 1981 auf 65 000 Tonnen mit einem Wert von 400 x 10⁶ Dollar geschätzt; für 1985 wurde ein Wachstum auf 75 000 Tonnen (600 x 10⁶ Dollar) erwartet. Enzyme werden auf vier verschiedenen Gebieten eingesetzt: als therapeutische Wirkstoffe; als Werkzeuge zur Manipulation z.B. bei der Genmanipulation; als analytische Reagentien und als Katalysatoren in der Industrie. Der größte dieser Märkte ist ihre Anwendung als Katalysatoren in der Industrie, und er wird es in absehbarer Zukunft auch bleiben. Obwohl sich etwa 25 Firmen in der westlichen Welt mit der Enzymproduktion beschäftigen, produziert nur eine Handvoll die Hauptmasse. Novo Industries in Dänemark stellt 50% der Enzyme her, die auf dem „westlichen“ Markt verkauft werden. Gist- Brocades aus Holland weitere 20%, während der gesamte Ausstoß aus den USA nur etwa 12% der gesamten Menge ausmacht. Damit soll jedoch nicht gesagt werden, daß die Verteilung der volumenmäßigen Produktion zwangsläufig den Wert wiederspiegelt, den die Produkte auf dem Markt haben. Die Massenhersteller neigen nämlich dazu, Enzyme von geringem Wert zu produzieren, für die eine große Nachfrage besteht, meist für die Anwendung als Katalysatoren in der Industrie. Die kleineren Firmen dagegen spezialisieren sich auf die Herstellung geringer Mengen hochwertiger Enzyme, die zur Zeit meist in der Analytik oder zur Manipulation benutzt werden. Beispielsweise kostet eines der billigsten, käuflich zu erwerbenden Enzyme, eine bakterielle α-Amylase, gerade 1,7 Dollar pro kg und hat ein Marktvolumen von 3000 Tonnen pro Jahr.

Da wir nun die Isolierung und Reinigung des Enzyms unserer Wahl im Griff haben, können wir zur Betrachtung der praktischen Anwendung von Enzymen und der Probleme (hoffentlich einschließlich der dazugehörigen Lösungen) weitergehen, die bei diesen Anwendungen auftreten.

Die Enzymtechnologie ist ein sich schnell entwickelndes Gebiet. Wie alle solche Zweige der Wissenschaft, bietet sie viele Möglichkeiten für die Zukunft. Wenn ihr Potenial vollständig ausgeschöpft werden soll, verlangen diese die Lösung einer Vielzahl von Problemen. Somit wollen wir unsere Aufmerksamkeit auf einige dieser möglichen Entwicklungen richten und in unserer Diskussion die Versuche, die gerade unternommen werden, kurz anreißen. Die Zukunft vorherzusagen ist eine unsichere Kunst, wenn die Bedingungen optimal sind, und in der Zeit, bis diese Worte gedruckt erscheinen, können die Ereignisse einige dieser Voraussagen eingeholt haben.