Biotechnologie mit Pilzen

Pilze haben immer eine schlechte Presse. In den Augen der Allgemeinheit sind Pilze im wesentlichen Mikrorganismen, die Nahrungsmittel verderben, kostenintensive Schäden an Bauholz hervorrufen oder für unangenehme Infektionen verantwortlich sind. Sogar die Einführung von Penicillin und seine nachhaltigen Erfolge in der Medizin konnten das allgemeine Bild von Pilzen als für das menschliche Leben abträgliche Organismen nicht aus dem Weg räumen. Pilze wirken sich auf die Wirtschaft tatsächlich häufig schädigend aus, jedoch überwiegen bei weitem ihre positiven Aktivitäten. Trotz der Bedeutung der Pilze hat die Mykologie, also die Pilzkunde, immer ein Schattendasein geführt. Zum Teil hängt dies damit zusammen, daß nie klar war, welcher Gruppe von Organismen Pilze überhaupt zugeordnet werden sollen: die einen Wissenschaftler betrachten Pilze als Pflanzen, die anderen als Mikroorganismen; den Pilzen wird sogar ein eigenes Reich, das sogenannte Dritte Königreich, zugeordnet (Whitaker, 1969).

Zur industriellen Produktion von Biochemikalien mit Hilfe von Pilzen gehört immer das Wachstum eines speziellen Hochleistungsstammes. Dies erfolgt üblicherweise in einem flüssigen Nährsubstrat in Tankbehältern oder Kesseln. Immer häufiger wird der Pilz aber auf einem festen Nährsubstrat, beispielsweise Holzspänen oder Stroh, kultiviert. Hier spricht man dann von einer Feststoff-Kultivierung (Ward, 1989; Weyman, 1990).

Pilze produzieren die unterschiedlichsten Biochemikalien. Die meisten, nämlich die Primärmetabolite, benötigt der Pilz für sein Wachstum und seinen Stoffwechsel. Darüber hinaus bilden die einzelnen Pilze auch Verbindungen, die für ihr Wachstum offenbar nicht essentiell sind, nämlich die Sekundärmetabolite (Sebek, 1983; Turner 1971, 1975). Die Sekundärmetabolite werden in der Ruhephase bzw. der Stationärphase des Pilzes gebildet. Zu den Sekundärmet aboliten zählen auch eine Reihe von medizinisch sehr bedeutsamen Verbindungen, u.a. die Antibiotika. Alternativ lassen sich die Pilzmetabolite auch in allgemeine und spezialisierte Metabolite einteilen, wobei die allgemeinen Metabolite von einer breiten Mehrheit der Organismen gebildet werden und die spezialisierten Metabolite nur von einer engbegrenzten Zahl an Spezies. Aus dieser Blickweise wären beispielsweise Citronensäure und Ethanol allgemeine Metabolite, Pullulan dagegen ein spezialisierter Metabolit.

Bereits seit alters her werden nachweislich in allen Kulturkreisen bakteriell infizierte Wunden mit Schimmelpilzen behandelt (Wainwright, 1989). Diese ‚Pilztherapie‘wurde in der Vergangenheit als wissenschaftlich nicht untermauertes Brauchtum abgetan. Allerdings deutet alles darauf hin, daß unsere Vorfahren Kulturen von therapeutisch wirksamen Schimmelpilzen aufbewahrten bzw. wußten, unter welcher Voraussetzung sie zu züchten waren. Mit diesen Kulturen wurden bakteriell infizierte Wunden behandelt, ja sogar bestehende, oberflächliche Infektionen konnten damit geheilt werden. Nach den zur Verfügung stehenden Hinweisen war es wohl Lord Lister, der sich gegen Ende des 19. Jahrhunderts als erster auf wissenschaftlicher Basis mit der Anwendung eines Penicillium-Präparates zur Behandlung von Infektionen beschäftigte. Noch bis zu den Anfängen des Antibiotika-Zeitalters wandten lokale Praktiker die Schimmelpilz-Therapie erfolgreich an (Wainwright, 1989). Man wird jedoch nie wissen, ob diese Pilzpräparate Penicillin oder irgend ein anderes, heute in Gebrauch befindliches Antibiotikum, enthielten. Wahrscheinlicher ist wohl, daß ihre Wirksamkeit auf dem Vorhandensein von antibakteriell wirksamen Pilzmetaboliten beruhte, deren Toxizität eine medizinische Verwendung verbietet (beispielsweise Patulin). Zu Beginn der 40er Jahre war es allgemein üblich, infizierte Wunden mit ungereinigten Präparaten penicillinproduzierender P. notatum-Stämme zu behandeln.

Pilze werden nicht mehr nur in der Gärungsindustrie, der traditionellen Hochburg der Biotechnologie mit Pilzen eingesetzt, sondern zunehmend auch von anderen Industriezweigen entdeckt. Zweifellos liegt der Schwerpunkt der Biotechnologie mit Pilzen sowohl im Anwendungsumfang als auch im ökonomischen Sinne auch heute noch in der Gärungsindustrie. In neuerer Zeit suchen die Mykologen jedoch nach neuen industriellen Anwendungen, und zwar sowohl nach neuen Anwendungsmöglichkeiten für Pilzinhaltsstoffe als auch für Stoffwechselprodukte aus Pilzen. Beim Verfassen dieses Buches befanden sich viele dieser Entwicklungen erst im Stadium der Laboranwendung oder von Pilotanlagen. Einige Ideen werden wohl ökonomisch niemals besondere Bedeutung erlangen, aber sie geben ein Bild von den neuen und erstaunlichen industriellen Anwendungsmöglichkeiten von Pilzen.

Umweltfragen gewinnen heute immer mehr an Bedeutung, und mittlerweile wird an Technologien geforscht, die im Vergleich zu den heute gängigen Technologien die Umweltbelastung senken sollen. In diesem Zusammenhang rücken wiederum die Mikroorganismen in den Mittelpunkt des Interesses, und zwar sollen mit ihrer Hilfe umweltbelastende Stoffe entgiftet werden (‚biologische Sanierung‘). Die meisten der bislang veröffentlichten Arbeiten beschäftigen sich mit Bakterien und deren Fähigkeiten, bestimmte Stoffe abbauen zu können. Weiterhin steht die Anwendung dieser Abbaureaktionen bei entsprechenden Umweltproblemen im Vordergrund. Mittlerweile wird bei diesen Problemkreisen die Verwendung von Hyphenpilzen und Hefen immer interessanter.

Pilze spielen bei der Zersetzung und beim Verderb vieler ökonomisch wertvoller Produkte eine tragende Rolle (Eggins und Allsopp, 1975). In diesem Kapitel soll sowohl die Zerstörungsarbeit von Pilzen bei Non-food Produkten als auch der Verderb von Lebensmitteln und gelagerten Produkten durch Pilze diskutiert werden.

Bei der biotechnologischen Herstellung von Lebensmitteln sind Hefen dominierend. Hefen sind beispielsweise beim Brauen und bei der Brotherstellung beteiligt sowie wichtige Quellen für Einzellerprotein (Bui und Galzy, 1990; Onishi, 1990; Romantschuk et al., 1978). Aber auch Hyphenpilze haben hier ihren Platz, beispielsweise bei der Geschmacksgebung für spezielle Schimmelkäse (Tabelle 8.1) oder als wichtige Proteinquellen zur Anreicherung oder zum Strecken von Lebensmitteln (Abb. 8.1, Harlander und Labuza, 1986). Mit Hilfe entsprechender Pilze werden auch viele fernöstliche Lebensmittel hergestellt. Weiterhin wird Tierfutter zur Erhöhung des Proteingehalts mit Pilzen versetzt.

Noch werden Pilze in der Agrobiotechnologie selten eingesetzt. Nur das SCP-Verfahren zur Produktion von Tierfutter arbeitet mit Pilzen. In sehr seltenen Fällen wird der Boden mit Fermentationsrückständen verbessert oder gedüngt.

Pilze sind hauptsächlich saprophytische Organismen und weil sie ein breites Spektrum an Enzymen produzieren, können sie in der Natur die verschiedensten Materialien abbauen. Die biotechnologische Verwendung von Pilzen bei Fermentationen oder zum Abbau umweltrelevanter Schadstoffe macht sich sehr häufig gerade diese Eigenschaft zunutze. In früheren Kapiteln wurde aber auch darauf hingewiesen, daß Pilze im Hinblick auf menschliche Belange nicht immer in einem solch positiven Licht erscheinen, sie können nämlich auch an für uns wichtigen Materialien und Produkten beträchtliche Schäden anrichten. Die in diesem Kapitel vorgestellten, pathogenen Wirkungen von Pilzen auf den Menschen sowie auf Tiere und Pflanzen liefern weitere Beispiele für die schädliche Wirkung von Pilzen.

Mit diesem Buch wollte ich eine Einführung über die heutigen zahlreichen und unterschiedlichen Verwendungen von Pilzen in vielen Bereichen unseres täglichen Lebens geben. In einigen Bereichen spielen Pilze eine traditionelle Rolle (z.B. Brauen und Keltern) und die entsprechenden Verfahrensweisen (oder sollte man besser sagen die Kunstfertigkeit ?) existieren schon seit alters her. Aber die moderne Biotechnologie mit Pilzen beeinflußt auch die überlieferten Verfahrensweisen wesentlich.