Gesundheit: Die Natur hilft dem Chemiewerk

Ein leuchtender Weihnachtsbaum, ganz ohne Kerzen, diese Vision könnte eines Tages Wirklichkeit werden. "Wenn wir in der Industrie zunehmend Biosysteme einsetzen, so kann das zu Dingen führen, von denen wir heute nur zu träumen wagen", meint Bernard Witholt, Chef des Instituts für Biotechnologie der ETH Zürich. "Zum Beispiel zu Pflanzen, die Elektrizität aus Zucker oder - noch besser - unmittelbar durch Photosynthese gewinnen." Allerdings sind Bäume, die Strom erzeugen, nicht das vordringlichste Ziel der Chemiefirmen. Vielmehr bemüht man sich, immer mehr Biokatalysatoren einzusetzen, um übliche chemische Verbindungen herzustellen. Bisher waren für viele Produkte komplizierte Verfahrensschritte notwendig, in denen man eine Vielzahl von technischen Katalysatoren einsetzte.

Oft handelt es sich dabei um Edel- oder Schwermetalle, die extrem fein auf Trägermaterialien verteilt sind. Die Prozesse laufen häufig bei hohen Temperaturen und unter starkem Druck ab, sie sind aufwändig und teuer. Weit effizienter arbeitet - wie so oft - auch hier die Natur. Die besten Katalysatoren stecken beispielsweise in der lebenden Zelle.

Dort bewirken sie als Enzyme die Herstellung komplizierter Eiweißverbindungen, und zwar unter alltäglichen Bedingungen: bei niedriger Temperatur, unter Normaldruck und mit wenigen Ausgangsprodukten. "Wer sich einmal mit der Komplexität natürlicher Stoffwechselprozesse in Organismen beschäftigt hat, kann diesem koordinierten Ab-, Auf- und Umbau wichtiger Substanzen seine Bewunderung nicht versagen", meint Bernhard Hauer, Wissenschaftlicher Direktor bei der BASF. Logisch, dass man diese Fähigkeit möglichst weitgehend nachahmen und industriell nutzen will.

Aus Sojaöl wird ein Vitamin

Ein Paradebeispiel, bei dem dies gut gelang, ist die Herstellung von Vitamin B2, das als Nahrungsergänzung bei Mensch und Tier dient. Die Weltjahresproduktion liegt heute bei rund 4000 Tonnen. Das chemische Verfahren, das man ursprünglich benutzte, geht von Glucose aus und führt über eine vielstufige Synthese mit teuren Rohstoffen. "In den frühen achtziger Jahren wurde uns klar, dass wir mit diesem Prozess auf lange Sicht nicht mehr wettbewerbsfähig sein würden", erklärt BASF-Forscher Hauer. 1990 wurde daher in Ludwigshafen die erste Biotech-Anlage in Betrieb genommen. Sie arbeitet mit einem Mikroorganismus, mit einem Pilz namens Ashbya gossypii. Er stellt in einem einzigen Schritt aus Sojaöl das Vitamin B2 her.

Die Schwierigkeit lag allerdings im Detail: Der Wildtyp des Pilzes produziert nur wenige Milligramm des Vitamins in einem Liter Fermentationsbrühe. Man musste ihn also so weiter entwickeln, dass er seine Leistung steigerte. Als die BASF 1990 das biokatalytisch hergestellte Vitamin B2 auf den Markt brachte, lag dessen Marktanteil bei ungefähr fünf Prozent. Heute sind es fast 75 Prozent.

Große Wachstumschancen

Zurzeit fokussieren sich die Anwendungen der Biokatalyse bei den großen Herstellern im Wesentlichen auf Feinchemikalien wie beispielsweise Vitamine oder Aminosäuren sowie auf Vorprodukte für die Pharma- und Pflanzenschutzbranche. Doch Bernhard Hauer glaubt, "dass praktisch jede chemische Reaktion durch einen entsprechenden Biokatalysator ausgeführt werden kann". Man muss ihn nur finden. Von den schätzungsweise rund 4,5 Millionen Arten von Mikroorganismen - die sich vor allem im Boden befinden - sind heute erst rund 100 000 beschrieben.

Gerade diese Mikroorganismen aber bergen ein nahezu unerschöpfliches Reservoir an Enzymen in sich. Die Herausforderung besteht darin, diese Biokatalysatoren zu entdecken und auf die Anforderungen einer chemischen Produktionsanlage hin anzupassen. Eine konkrete Vorstellung, wie sehr das Vorbild Natur die chemische Industrie revolutionieren kann, hat Bernard Witholt: "Eine realistische Aussicht ist, dass in zehn bis 15 Jahren die Biokatalyse fünf bis zehn Prozent des jährlich in der chemischen und pharmazeutischen Industrie produzierten Gesamtwertes ausmachen wird."

Den Schweizer Professor fasziniert aber vor allem die Forschung: "Aus der Natur übernommene Werkzeuge werden es uns erlauben, neue Molekülsysteme zu schaffen: elektronische Schaltkreise auf Protein- oder Biopolymer-Basis; Molekülmaschinen, mit denen die Massenproduktion anderer Nanogeräte ermöglicht wird, oder kleine implantierbare Biokatalysereaktoren, mit denen sich ungenießbare Stoffe wie Gras, Holz oder Mineralöl zu essbaren Zuckern und Fetten umwandeln lassen."

Schon lange lassen sich mit biologischer Hilfe Böden sanieren und verschmutztes Abwasser reinigen. Und der Fantasie sind keine Grenzen gesetzt: Denkbar wären biokatalytische Mini-Kraftwerke, die normale Nahrungsbestandteile in elektrische Energie umwandeln. Sie könnten die vielen elektronischen Kleingeräte betreiben, von denen wir im 21. Jahrhundert zunehmend abhängig werden. Witholt ist jedenfalls überzeugt: "Die Grenzen dieser Entwicklungen werden nur teilweise durch Wissenschaft und Technologie festgelegt - die Grenzen liegen vielmehr in unserer eigenen Vorstellungskraft."

Brigitte Röthlein