Eine kleine Geschichte der Biotechnologie

Warum eine Geschichte der Biotechnologie? Sie hat mit technischen Entwicklungen und Innovationen die Existenz der Menschen grundlegend verändert. Ihr Ursprung liegt in der Bier- und Weinfermentation vor einigen Tausend Jahren; ihre weitere Geschichte handelt von zahlreichen, vielfältigen Faktoren, die sie vorantrieben, dem Forschertrieb, Neugier und von dringendem gesellschaftlichem und medizinischem Bedarf, dem der Umwelttechnik und der Industrie. Im 20. Jahrhundert hat die Biotechnologie eine besondere Bedeutung erlangt, aus unterschiedlichen Perspektiven, aus industriellen, solchen für das alltägliche Leben, und insbesondere für die Gesundheit, die Medizin und pharmazeutische Wirkstoffe; die Biotechnologie gilt als eine der führenden innovativen Branchen der Gegenwart. Das Buch berichtet von faszinierenden Ereignissen und Entdeckungen, von den Forschungen Pasteurs, Flemings, der Penicillin entdeckte und den Entwicklungen der Gentechnik. Es will zum Verständnis dessen beitragen, was Innovationen hervorbringt, welche Mechanismen in Forschung und Entwicklung wirksam sind.

Mythen und schriftliche Quellen weisen auf den Ursprung von Fermentationen vor Tausenden von Jahren hin und berichten von der Herstellung und dem Genuss von Bier und Wein. Frühe Kenntnisse und Gewerbe, Bierbrauen und Weingärung, Brot- und Käsefermentation zählen zu den ältesten handwerklichen Fähigkeiten des Menschen. Jedoch existierten zunächst keinerlei Kenntnisse der involvierten Vorgänge. Die Vorgänge der Fermentationen blieben rätselhaft, obwohl einige Forscher, wie Schwann in Deutschland und Cagniard-Latour in Frankreich die Tätigkeiten von Mikroorganismen als Ursachen entdeckt und beschrieben hatten. Führende Chemiker, insbesondere Liebigs Schule, bestritten diese Befunde mit Schärfe, falschen Argumenten und Hypothesen und sogar Spott. Dennoch entwickelten sich die Bier- und Weinherstellung, die Brot- und Käse-Fermentation zunächst in handwerklichen, dann industriellen Verfahren zu bedeutenden wirtschaftlichen Zweigen.

Pasteur dominierte die Epoche, die zweite Hälfte des 19. Jahrhunderts, mit seinen außergewöhnlichen wissenschaftlichen und technischen Leistungen, als Forscher und Pionier, der unzählige Experimente zur Untermauerung und Bestätigung seiner Befunde ausführte. Er schuf mit seinen praktischen Arbeiten und theoretischen Konzepten eine rationale Basis für die Fermentation und die Fermentationstechnologie. Er schuf ein neues wissenschaftliches Gebäude, er entwickelte eine Theorie der Fermentation und legte damit die Grundlagen einer neuen wissenschaftlichen Disziplin, der Mikrobiologie bzw. Bakteriologie. Die folgenden Jahrzehnte brachten bedeutende Innovationen für Fermentationen, die auf der Kenntnis spezifischer Mikroorganismen basierten. Die Bier- und Weinproduktion waren zu einer großen Industrie geworden. Andere Fermentationsprodukte, die im industriellen Maßstab produziert wurden, umfassten Brot, Käse, Essig- und Milchsäure, sowie Enzyme.

Eduard Buchner konnte das noch unbekannte Phänomen, ein verbliebenes Rätsel der Fermentationen, lösen. Es war die als „vis vitalis“, „Lebenskraft“, bezeichnete Hypothese, der auch Pasteur noch anhing. Er eliminierte den letzten geheimnisvollen Vorgang aus der Biologie und Biochemie. Es sind enzymatische Reaktionen, die alle biologischen Stoffumwandlungen katalysieren, die in Hefezellen, in Mikroorganismen, die Gärung – und in allen Organismen die Lebensvorgänge – bewirken. Buchner legte damit die Grundlage der modernen Biochemie, in der alle Reaktionen strikt chemischen und physikalischen Gesetzen folgen. Damit war eine rationale Basis für biotechnologische Verfahren geschaffen, für die Herstellung traditioneller Lebens- und Genussmittel, von Bier, Wein und Käse, auch für zahlreiche weitere Produkte, wie Zitronensäure, Aceton und Butanol, Glycerin, Enzyme für die Bäckerei, die Gerberei und für Waschmittel.

Fleming entdeckte Penicillin, das sich jedoch der Identifikation und Isolierung entzog. Erst in einem dramatischen, großangelegten Kriegsprojekt zu Anfang der 1940er Jahre in den USA, an dem Tausende Wissenschaftler beteiligt waren, gelang die Herstellung, die Hundertausenden das Leben rettete; erst 1944, den Soldaten der alliierten Truppen an der Nordfranzösischen Küste; schließlich, im August 1945, war das Medikament in US – amerikanischen Apotheken verfügbar. Penicillin ermöglicht die Behandlung einer Vielzahl bakterieller, oft tödlicher Infektionen. Es folgte die Entdeckung weiterer Medikamente, wie Steroidhormonen, und anderer Produkte für Lebensmittel und Industrie, schließlich die Entwicklung von Verfahren der Umwelttechnik. Eine Studie der Dechema in Frankfurt stellte die erste systematische Darstellung der Biotechnologie dar, mit einer Bestandsaufnahme, vor allem aber der Darstellung zukünftiger Entwicklungsmöglichkeiten.

Ein radikale Beschleunigung der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften, sowie innovative Anwendungen in Biologie, Biotechnologie, Landwirtschaft und Medizin, folgte aus der Entwicklung der Gentechnik. Neue Viren und Gene, die hoch wirksame Eiweiß-Molekülen kodieren (die z. B., Zell-Differenzierung steuern), wurden entdeckt. Dieser Prozess war oft sehr vereinfacht dargestellt worden, so als ob man einfach darauf gestoßen wäre. Wir berichten wie es wirklich war; abhängig von der sehr sorgfältigen Herstellung von Enzymen in der Biochemie; der Forschung in der Virologie, der Mikrobiologie; von Untersuchungen zur Verbreitung von Antibiotikaresistenz; wesentlich war die innovative Entwicklung neuartiger Methoden des DNA-Sequenzierens, bis hin zu neuen Computern und Algorithmen, die notwendig waren um die gigantischen anfallenden Datenmengen zu bearbeiten. Dies erforderte ein vertiefte interdisziplinäre Zusammenarbeit quer durch alle Bereiche der Lebenswissenschaften, bis hin zu Physik, Kristallographie und Mathematik, die vorher in keinem Fach so konsequent bewältigt wurde.

Die Gentechnik revolutionierte in den 1970er Jahren die Biotechnologie. Ein Wettrennen von Wissenschaftlern von Genentech, einer Neugründung, und von Universitäten spielte sich in den USA ab – um die gentechnische Produktion von Human-Insulin. Nach sehr kurzer Entwicklungszeit wurde es 1982 zugelassen. Es folgte ein „gold-rush“, in dem weitere neue Medikamente entwickelt und produziert wurden. Die Pharmaindustrie erfuhr eine Umwälzung durch neue Produkte und Verfahren. Die PCR (Polymerase Chain Reaction) revolutionierte die biochemische, molekularbiologische und medizinische Analytik, bis hin zu Anthropologie und Forensik. Heftige Kontroversen und mediale Aufmerksamkeit beeinflussten die Diskussionen über genetisch modifizierte Nutzpflanzen. Die Anwendungen betreffen vorwiegend Nahrungs- und Futtermittel sowie nachwachsende Rohstoffe in Amerika und Asien. Sie blieb andererseits äußerst umstritten in weiten Teilen der Bevölkerung in Europa, was zu einem de Fakto-Moratorium führte. Ein neues Werkzeug, CRISPR-Cas9, wurde entwickelt, das die Editierung von Genen durch direkte Korrektur oder Eliminierung von Sequenzen im Genom lebender Zellen mit erstaunlicher Genauigkeit ermöglicht. Eine ungewöhnliche Herausforderung stellte die Corona-Pandemie dar. 2020 gelang mit unglaublicher Geschwindigkeit die Entwicklung eines lebensrettenden Impfstoffs gegen die Pandemie, durch Biontech, ein neugegründetes deutsches Unternehmen, in Kooperation mit Pfizer, und durch Moderna in den USA, gefolgt von weiteren Impfstoffen. Die zugrunde liegende mRNA-Technik wird euphorisch als neue Methode angesehen, die Chancen der Entwicklung zahlreicher Medikamente weit über Impfstoffe hinaus biete.

Die Frage der den Fermentationen zugrunde liegenden Vorgänge blieb selbst im frühen 19. Jahrhundert heftig umstritten. Endgültig klärte dies Pasteur in den 1850er Jahren. Ein noch offenes Rätsel, die geheimnisvolle „vis vitalis“ die „Lebenskraft“, löste Buchner, indem er es mit enzymatischen Reaktionen deutete, und so die Grundlagen der Biochemie schuf. Große Erfolge in der Technik gelangen, nach Flemings Entdeckung, mit der Entwicklung der Penicillin-Produktion, gefolgt von Durchbrüchen mit der Gentechnik, mit Human-Insulin und zahlreichen weiteren Medikamenten, bis hin zu lebensrettenden mRNA-Impfstoffen. Der Einfluss der Biotechnologie auf das Leben, die Wirtschaft und die Gesundheit hat erhebliche Verschiebungen über die Jahrhunderte erfahren, von konsum- und genussorientierten Produkten, Bier, Wein, Brot und Käse, hin zu praktisch und wirtschaftlich relevanten Produkten, und zu bedeutenden Medikamenten, die seit etwa 75 Jahren im Vordergrund stehen. Zur Entwicklung der Biotechnologie trugen insbesondere die Fortschritte in der Mikrobiologie, der Biochemie, und schließlich der Genetik und Molekularbiologie bei. Die Biotechnologie hat sich selbst zu einer eigenständigen wissenschaftlichen Disziplin entwickelt. Dies ruft die Frage der Dynamik und der Triebkräfte vieler bahnbrechender Forschungsergebnisse auf. Was bewegt Wissenschaftler, komplexe, unerklärliche und unverstandene Phänomene, scheinbar aussichtslose Fragen zu verfolgen? Welche sind die treibenden Kräfte? Wir versuchen, hierzu Antworten zu formulieren.