Cannabis aus dem Bio-Reaktor

Die synthetische Biologie ist ein aufstrebendes Forschungsgebiet. Sie nutzt Bakterien als Bio-Fabriken. Ein Zukunftsszenario.

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Stellen wir uns einmal vor, die Biotechnologie entwickelt sich vom Nischenprodukt zu einer Produktion mit industriellen Mengen. Hauptdarsteller sind Bakterien, Hefe und Algen. Ihr Stoffwechsel ist das Ergebnis des Designs von Ingenieuren. Ein Zukunftsszenario

Für Betriebsleiter Chris Janneck beginnt der Tag mit einem unangenehmen Gespräch. Die Sicherheitskontrolle seines Unternehmens hat einen Vorfall gemeldet, um den er sich kümmern muss. Zwei seiner Mitarbeiter aus der Fermentation waren mit Spuren von Hasch im Blut erwischt worden. Jeder Angestellte der Bacteria-Power AG muss zu Schichtbeginn einen Tropfen Blut abgeben. Formell geht es um Prophylaxe: Die Mitarbeiter des Biotechnologie-Unternehmens werden zum eigenen Schutz auf fremde Bakterien getestet. Doch natürlich bemerken die Analytiker während der Untersuchung auch einen erhöhten Gehalt an Cannabinoiden im Blut.

Janneck denkt sofort an Diebstahl: Wollten die beiden Mitarbeiter mit den Bakterienkulturen der BP AG auf eigene Rechnung handeln? Das wäre keine Überraschung. Schließlich hat die Firma die größte Produktion des Rauschmittels in ganz Europa. Ein Teil davon geht als Arzneimittel an Krankenhäuser, die größere Menge verkauft das Unternehmen inzwischen aber an Privatkunden.

Janneck blickt von seinem Büro direkt auf die zehn metallenen Fermenter in der Produktionshalle. Im großen Edelstahlkessel ganz rechts an der Wand produzieren Milliarden Bakterien die begehrten Cannabinoide, mehr als genug um den Bedarf in Deutschland zu decken. Die kleinen Biester arbeiten ziemlich effektiv. Am ersten Tag im neuen Unternehmen hatte er damit gerechnet, es läge ständig der typische Duft einer Kifferkneipe in der Produktionshalle, aber aus den Fermentern dringt nichts nach außen. Wenn überhaupt etwas in der Nase kitzelte, dann der typische Geruch von Hefe, der dann zu vernehmen war, wenn die Mitarbeiter einen der Kessel öffneten. „Guten  Morgen, Chef, wir melken heute." Der Schichtführer steht in der Tür, Janneck hat ihn nicht kommen hören. „Melken", nennt es das Team, wenn die Kessel der Milchproduktion geöffnet werden.

Bacteria-Power ist nicht nur Marktführer bei Cannabinoiden, die Firma stellt auch lactosefreie Milch, Proteine aus Hühnereiern und Himbeeraroma her. Natürlich, ohne dafür Tiere zu belasten. Was die Zellen im Huhn oder im Euter einer Kuh können, ist nicht an den Organismus gebunden. Die Enzyme funktionieren genauso gut in Hefe, die Biotechnologen hatten deren DNA entsprechend umgebaut. Jannecks Milch benötigt keine Antibiotika und kommt mit viel weniger Fläche aus. Er zeichnet das Produktionsprotokoll ab, das der Schichtleiter ihm vorlegt. Wenn gemolken wird, dürfen nur Mitarbeiter mit einer speziellen Sicherheitsausbildung die Halle betreten. Aber dieser Vorgang ist längst Routine bei BP.

Es klopft an der Tür. Lina Olssen und Nick Herwig schauen herein. „Sie hatten um ein Gespräch gebeten, da sind wir", sagt Lina, als sie das Büro betritt. „Setzen Sie sich", antwortet Janneck. Auf dem Bildschirm seines Computers erscheint die Personalakte seiner Besucher mit den Ergebnissen der Blutanalyse. Olssen und Herwig sind Studenten, die nur in den Semesterferien und am Wochenende im Betrieb arbeiten. Seit drei Jahren gehören sie zum Personal, die Bewertungen sind alle ausgezeichnet. Warum sind die beiden zu Dealern geworden? Janneck überlegt, wie er das Gespräch beginnen soll. Die beiden wirken überhaupt nicht angespannt, eher euphorisch. Also geht er direkt ins Thema: „Kiffen Sie manchmal?". „Nein" sagt Herwig und auch Lina Olssen schüttelt sofort den Kopf. „Bitte lügen Sie mich nicht an", antwortet Jannick, „Wir haben Cannabinoide in ihrem Blut gefunden. Und zwar nicht wenig. Sie wissen, dass wir Sie nicht weiter beschäftigen können, wenn Sie sich nicht an die Sicherheitsvorschriften halten und BP bestehlen." Er macht eine Pause. „Sie haben bisher einen guten Ruf bei uns. Also erklären Sie mir bitte, was passiert ist", ergänzt er mit ernster Stimme.

Nick Herwig wird nervös. „Ich habe doch gesagt, dass BP es herausfindet", sagt er in Richtung Lina Olssen. Doch die lächelt nur. „Sie wissen, dass wir LifeScience studieren, genauer gesagt den Schwerpunkt synthetische Biologie", erklärt Lina. Was sie dann erzählt, kann Chris Janneck kaum fassen. Die beiden Studenten haben die Cannabis-Bakterien als Studienobjekt mitgenommen und aus Neugierde an der Uni die DNA analysiert. Das war einfach, denn Gen-Analysen bilden an der Uni einen festen Bestandteil der Ausbildung. Dann haben sie das Genom mit anderen Varianten in den Datenbanken verglichen und nächtelang über die Unterschiede diskutiert. „Lina ist aufgefallen, dass zwei Gene in der Hefe nicht so stark aktiviert sind, wie es sinnvoll wäre", sagt Nick Herwig, „Es gibt Forschungsarbeiten aus Kanada, die ein ähnliches Problem behandeln und dort wurde das Design der DNA etwas verändert, sie haben sie verlängert." Nick holt seinen Laptop aus dem Rucksack und zeigt ein paar Skizzen, deren Inhalt Chris Janneck sofort versteht. Es ist nur eine einfache Änderung, aber die Auswirkungen sind vermutlich gravierend. Sie schafft mehr Platz für die großen Moleküle, die während der Produktion der Cannabinoide entstehen.

Janneck macht ein Foto der Skizze und tippt auf seinem Mobiltelefon auf das Profil des Geschäftsführers. „Hallo Peter, hier ist Chris", sagt er. „Hast Du die beiden Stellen in der Entwicklungsabteilung schon besetzt?", fragt er, „Sonst hätte ich dafür zwei sehr gute Kandidaten.. Ich schicke Dir mal ein Foto." Lina Olssen und Nick Herwig können Peters Antwort nicht verstehen. Chris Janneck wartet ein bisschen, dann sagt er nur: „Ja, die beiden können schon morgen anfangen. Den Rest regele ich mit ihnen."

Wissenschaftlicher Hintergrund

Die Idee zu diesem Szenario entstand aus einem Artikel im Wissenschaftsmagazin „Nature", in dem Forscher der University of California in Berkeley einen neuen Weg zur Herstellung von Cannabinoiden beschreiben. Die Wissenschaftler nutzen eine gentechnisch veränderte Variante der Bierhefe, um die Wirkstoffe herzustellen, die üblicherweise aus der Hanfpflanze gewonnen werden. Hinter den Biotechnologen aus Kalifornien verbergen sich keine heimlichen Drogenköche. „Unsere Arbeit stellt eine Plattform für die Produktion von natürlichen und unnatürlichen Cannabinoiden dar, die eine genauere Untersuchung dieser Verbindungen ermöglicht", erklärt Jay D. Keasling, der führende Autor der Studie. Cannabinoide sind für die Entwicklung von Behandlungen einer Vielzahl von Gesundheitsproblemen und Krankheiten interessant. Keasling arbeitet nicht nur in den USA, sondern auch am Institut für synthetische Biologie im chinesischen Shenzhen. „Nature“ berichtet, dass mindestens zehn Unternehmen daran arbeiten, Cannabinoide in Hefe, Bakterien oder Algen herzustellen. Die Zeitschrift zitiert den Finanzfachmann David Kideckel mit einer kühnen Prognose. Es werde noch 18 bis 24 Monate dauern, bis synthetische Cannabinoide kostengünstig genug seien, um entweder an Pharmaunternehmen oder die breite Öffentlichkeit verkauft zu werden. Es ist nicht unwahrscheinlich, dass Kiffer demnächst den Stoff für ihren Rausch als synthetisches Produkt von einer Bio-Fabrik kaufen werden.

Cannabinoide sind sicher nicht die wichtigsten Substanzen, für die eine kostengünstige industrielle Produktion wünschenswert wäre. Doch der Joint aus der Bierhefe würde die Methoden der synthetischen Biologie weltweit ins Rampenlicht der Medien rücken und das junge Forschungsgebiet noch stärker beflügeln. Die Biotechnologen verdrängen gerade die Chemiker aus einem ihrer klassischen Arbeitsgebiete - aus der Synthese von Naturstoffen. Generationen von Chemikern haben nach Wegen gesucht, interessante Substanzen nach dem Vorbild der Natur im Labor nachzubauen. Nun zeichnet sich ab, dass Hefen, Bakterien und Algen möglicherweise die besseren Produktionsmittel sind als Rundkolben, Tropftrichter und Destillationskolonnen.

Doch es ist zu einfach, die synthetische Biologie auf den Einsatz von Gentechnik zu beschränken. Die "Ständige Senatskommission für Grundsatzfragen der Genforschung" der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) hat im September 2018 eine Standortbestimmung dieser interdisziplinären Wissenschaft veröffentlicht. Darin wird die synthetische Biologie als übergreifendes Konzept zum Erreichen bestimmter Ziele verstanden und nicht auf die Anwendungen bestimmter Methoden und Techniken reduziert.

Die Synthetische Biologie ist ein noch immer recht junger Forschungszweig an der Schnittstelle von Biologie und Ingenieurwissenschaften. Mit einem synthetisch-biologischen Ansatz werden das Design und die Herstellung von biologischen Systemen mit neuen Funktionalitäten oder einer neuen Kombination von Funktionalitäten angestrebt, zu denen bisher noch kein Pendant aus der Natur bekannt ist.

Die DFG verweist darauf, dass Risiken zur biologischen Sicherheit und ethische Fragen, die zur synthetischen Biologie gehören, bereits aus anderen Forschungsgebieten bekannt seien und schon heute gesetzlichen Vorschriften unterliegen. Dennoch bestehe eine Gefahr der Grenzüberschreitung, vor allem dann, wenn der Mensch die Steuerungsmacht über die von ihm entwickelten Technologien verliert. Dass dieses Risiko bei den derzeit entwickelten Organismen als vertretbar gilt, hat vor allem zwei Gründe. Die zur Produktion verwendeten Hefen, Bakterien und Algen sterben meist sofort ab, wenn sie aus den bevorzugten Nährmedien entfernt werden. Zudem können sie sich nicht eigenständig fortpflanzen und haben schon deshalb überschaubare Überlebensraten.

Schwieriger wird die Bewertung, wenn die synthetische Biologie einst echtes künstliches Leben produzieren sollte, also einen Organismus, den es bisher auf der Erde nicht gibt und der sich selbst reproduzieren kann. Dieses „artificial life“ sei derzeit aber "noch weit von einer Realisierung entfernt", urteilt die Senatskommission der DFG. Zwar gibt es Versuche eine überlebensfähige künstliche DNA aus dem 3D-Drucker zu erstellen, aber die Erfolge fallen sehr spärlich aus. Die meisten Forscher sind an der Herstellung neuer Lebensformen ohnehin nicht interessiert. Sie sehen in den veränderten Organismen kleine Biofabriken, die Naturstoffe zu einem wirtschaftlich sinnvollen Preis produzieren sollen. Eines der ersten Beispiele für den Erfolg der Synthese im Fermenter ist die Produktion von Insulin für Diabetes-Patienten. Früher wurde die wertvolle Substanz aus Schweinen gewonnen, bis Mitte der 1990er Jahre der Stoffwechsel eines E.coli-Bakterienstamms mit Hilfe der Gentechnik umgeschult wurde. Die Bakterien produzieren eine Vorstufe des Hormons, der Prozess lässt sich über die zugegebenen Agenzien, die Temperatur und den pH-Wert steuern. Das Prinzip hat sich stillschweigend durchgesetzt. In Deutschland sind derzeit mehr als 20 Arzneimittel mit mehr als 160 Wirkstoffen zugelassen, die gentechnisch hergestellt werden. 

Längst sind die Prozesse, die in den Bio-Reaktoren ablaufen, komplexer geworden. Die produzierenden Einheiten werden am Computer entwickelt, der Bauplan der Hefen, Bakterien und Algen weitgehend verändert oder neu aufgesetzt, bis der Stoffwechsel die gewünschten Produkte erstellt. Zwei spektakuläre Forschungsergebnisse haben in den vergangenen Jahren für Aufsehen gesorgt. Eine Forschergruppe in San Diego hat Escherichia-coli-Bakterien dazu gebracht, dass sie 1,4-Butandiol produzieren. Diese im Millionen-Tonnen-Maßstab verwendete Chemikalie ist in der Öffentlichkeit weitgehend unbekannt, aber sie eignet sich als Ausgangsmaterial für verschiedene Kunststoffe und wird bisher ausschließlich aus Erdöl gewonnen. Das andere prominente Beispiel betrifft das Anti-Malaria-Mittel Artemisinin. Hier wird eine Vorläufersubstanz, die sich leicht in den Wirkstoff umwandeln lässt, in einem künstlichen Syntheseweg in Bäckerhefe hergestellt. Zehn Jahre haben die Forscher dafür gebraucht - angesichts der Bedeutung des Medikaments eine vertretbare Entwicklungszeit. Allerdings gibt es auch viele Forschungsansätze, die an ihren großen Versprechungen gescheitert sind. Der Bau einer Biofabrik stellt die Ingenieure teils vor kaum lösbare Aufgaben.

Es gehört zur synthetischen Biologie, dass der Forschungszweig auch ungewöhnliche Wege geht. Seit dem Jahr 2003 veranstaltet das Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Boston einen Wettbewerb, bei dem Studentengruppen aufgefordert werden, eigene Ideen für neuartige Organismen zu entwickeln. Der Wettstreit der Gruppen unter dem Titel IGEM (International Genetically Engineered Machine) hat keinen kommerziellen Hintergrund. In der Regel beteiligen sich mehr als 300 Teams aus über 30 Ländern, obwohl es keine Siegprämie, sondern nur Anerkennung für die Gewinner gibt.

Die in dem Szenario gewählten Beispiele stammen überwiegend aus dem Lebensmittelbereich. Der synthetische Ersatz von teuren Aromastoffen war einer der Triebfedern für die Forschung. Vanille, die Vitamine B2 und B12 werden heute schon zu einem großen Teil durch synthetische Biologie hergestellt. Viele der oben aufgeführten Fragestellungen werden durchaus erforscht. Eiweiß ohne Huhn oder Milch ohne Kuh sind keine Utopie mehr. Im Fall der lactosefreien Milch gibt es schon heute eine große Nachfrage. Einige Produkte der beschriebenen Fabrik sollen in den kommenden Jahren bereits wirtschaftlich erfolgreich produziert werden. Allerdings haben die Firmen den Markteintritt für ihre Produkte schon mehrfach verschieben müssen oder scheitern an den Auflagen der Zulassungsbehörden. Die synthetische Biologie kennt Träume und Versprechungen, aber sie kennt auch Verlierer, die viel Geld und Forschungsarbeit in den Sand gesetzt haben.

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