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Marine Biotechnologie: Ungeahnte Hoffnungsträger aus der blauen Tiefe

Grün, Rot, Weiß und Blau – die Farben der Biotechnologie. Die blaue oder auch marine Biotechnologie gehört zu einem der unbekannteren Zweige. Mit biotechnologischen Methoden werden marine Lebewesen untersucht, um mit den daraus resultierenden Erkenntnissen Forschungen in der Medizin, im Energiebereich, im Bereich Nahrungsmittelergänzung oder Kosmetika voranzubringen. Der Bereich der marinen Biotechnologie ist breit gefächert. Sogar in Baden-Württemberg wird auf diesem Gebiet geforscht – trotz fehlenden Zugangs zum Meer.

Frank Schätzing vermutet dort die Yrr*, Jules Verne befindet sich 20.000 Meilen darunter, und SpongeBob's Ananas steht auf seinem Boden. Die Rede ist natürlich vom Meer. Nicht mehr als ein Prozent der Tiefsee ist bis heute erforscht. Anlass für viele Mythen, Spekulationen und Märchen. Seit einigen Jahren kommen aber neue Begriffe mit ins Spiel. Häufig wird von einer Apotheke aus dem Meer gesprochen. Die Mikroorganismen und kleinsten Meeresbewohner hatten circa drei Milliarden Jahre mehr Zeit sich zu entwickeln als Lebewesen auf dem Land. Erstere haben sich an die Extrembedingungen im Meer – von der Kälte im Eis der Antarktis bis zu den heißen, sprudelnden Tiefseevulkanen – angepasst.

Hier knüpft die Biotechnologie an. Genauer: die marine Biotechnologie. Sie befasst sich mit den biotechnologischen Anwendungen bezogen auf die Lebewesen aus dem Meer. Mikroben, Schwämme, Algen – sie bilden Stoffe, die gegen Krebs und AIDS wirken können, sind wichtige Energielieferanten für die Zukunft, können Stoffe wie beispielsweise Glas produzieren oder liefern wichtige Erkenntnisse für die Herstellung neuer, bei niedrigen Temperaturen aktiver Waschmittel.

Erste pharmazeutische Wirkstoffe, die aus den Ozeanen isoliert wurden, sind bereits auf dem Markt. Dafür sind als Produzenten die Cyanobakterien, früher Blaualgen genannt, ganz vorne mit dabei. Mit mehr als 200 bioaktiven Stoffen bilden sie eine eigene kleine  Fabrik, eingebettet in Korallenriffe. Von diesen Stoffen haben einige eine antibiotische Wirkung, andere sind tumorinhibierend, wirken entzündungshemmend oder antiviral.

*Yrr: fiktive, maritime, einzellige, aus Gallertmasse bestehende Lebensform, die als „Gegner“ der Menschheit in Erscheinung tritt, erfunden vom norwegischen Wissenschaftler Sigur Johanson, Anm. d. Red.

Biotechnologische Forschung im Bereich der marinen Lebewesen

Mit Hilfe biotechnologischer und bioverfahrenstechnischer Innovationen könnten in Zukunft auch Algen einen wichtigen Beitrag zur Energieversorgung leisten. © BIOPRO/Bächtle

Algen können auf verschiedenen Gebieten eingesetzt werden. Als Energiequelle produzieren sie Wasserstoff; oder ihre Gene werden in Sojabohnen oder Raps übertragen, um als Nahrungsergänzungsmittel den Bedarf der Verbraucher an Omega-3-Fettsäure zu decken. Ein anderer Fokus der Forschung liegt auf den marinen Schwämmen. Die kleinen, sessilen Tiere besiedeln seit circa 800 Millionen Jahren die Weltmeere und entwickelten schon früh Mechanismen, die sie vor Feinden schützen. Dieser Schutz besteht aus Substanzen, die ihre Feinde nicht direkt töten, aber abschrecken sollen. Sie enthalten toxische und pharmazeutische Wirkstoffe und werden in der Krebs-, und hier vor allem in der Leukämieforschung eingesetzt.

Nur ein Bruchteil der biotechnologischen Forschung – etwa ein Prozent – findet im Bereich der marinen Lebewesen statt. Die Kosten für Marineforschung sind sehr hoch, und die Aussicht auf Vermarktung von Entdeckungen liegt noch in weiter Ferne. Führende Bundesländer in der marinen Biotechnologie sind Bremen und Schleswig-Holstein – Bundesländer mit direktem Zugang zum Meer. Das Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel (GEOMAR) forscht an allen marinen Lebensräumen und ist auch in der marinen Mikrobiologie tätig. „Wir arbeiten viel mit den Mikroorgansimen aus dem Meer und isolieren aus ihnen Naturstoffe. Wir treiben die Forschungen so weit voran, bis sie auf den Markt können“, so Johanna Silber von GEOMAR. Unter den Produkten seien Bestandteile von Kosmetika, Antibiotika und sogar Pflanzenschutzmittel.

Sessile Lebewesen als Pharmafabrik

Der Goldschwamm Aplysina aerophoba produziert die Substanz Aeroplysinin-1. © Universität Stuttgart/Zoologie

Trotz des fehlenden Zugangs zum Meer ist in Baden-Württemberg die marine Sparte der Life Sciences vertreten – in Form von Schwamm- und Algenprojekten. Ein Schwamm wurde sogar in Baden-Württemberg entdeckt: „Tethya wilhelma“, vor zehn Jahren von Franz Brümmer und Dr. Michael Nickel in der Stuttgarter Wilhelma gefunden und erstmals beschrieben. Der kleine, weiße, kugelrunde Schwamm weist eine Besonderheit auf, die ihn von allen anderen Schwammarten unterschiedet: Er kann sich von selbst fortbewegen.

Am Karlsruher Institut für Technologie arbeiten Forscherteams an marinen Schwämmen und an Algen. Anhand des Modellorganismus Aplysina aerophoba, auch „Goldschwamm“ genannt, nehmen Christoph Syldatk und sein Team die Metabolitproduktion in Ex-Situ-Schwammkulturen unter die Lupe. Das Augenmerk liegt auf einer verbesserten Kultivierung der Schwämme unter biotechnologischen Gesichtspunkten. Schwämme zu kultivieren, um Wirkstoffe in sinnvollen Mengen zu produzieren, war bisher ein schwieriger Prozess.

Der Goldschwamm ist eine im Mittelmeerraum weit verbreitete Art der sessilen Lebewesen. Er ist interessant, da er die pharmakologisch wirksame Substanz Aeroplysinin-1 als natürliches Stoffwechselzwischenprodukt (Metabolit) herstellt. Der stark bromhaltige niedermolekulare Stoff wirkt antibakteriell und kann auch das Wachstum von Tumorzellen hemmen. Dieser Metabolit ist auf dem Markt erhältlich. Jedoch müssen zu seiner Gewinnung Schwämme aus der Natur verwendet werden, da die Substanz noch nicht synthetisch im Labor hergestellt werden kann.

Auch an den schwammassoziierten Mikroorganismen wird weiter geforscht. Diese leben meist in einer Symbiose mit den Schwämmen und stellen einen Teil der bioaktiven Naturstoffe her, die bisher häufig durch die räumliche Nähe auch dem Schwamm zugeschrieben wurden.

Zukunftsweisende Algenbioreaktoren aus Baden-Württemberg

Der Hersteller von Algen-Photobioreaktoren will expandieren. © Thomas Ernsting

Ein weiteres Einsatzgebiet der marinen Biotechnologie ist der Energiesektor. In der Energiekrise soll schnell etwas Neues her – effizient und umweltschonend muss es sein. Die CO2-Bilanz muss stimmen, und landwirtschaftlich fruchtbare Flächen sollen nicht zweckentfremdet werden. Ein Lösungsansatz könnten Algen sein. Nicht nur als Nahrungsmittelergänzung, sondern auch als Biodiesel-, Öl- und Bioethanol-Lieferant sind die kleinen Mikroorganismen mittlerweile bekannt. Außerdem können Algenbioreaktoren, hergestellt zum Beispiel von der baden-württembergischen Subitec GmbH, überall aufgebaut werden. Subitec optimiert ihre Bioreaktoren zur Kultivierung von marinen und Süßwasseralgen für die speziellen Ansprüche der Kunden.

Viele Produkte können aus den Algen gewonnen werden: Neben der Produktion von Stoffen zur Nahrungsmittelergänzung und für die Kosmetikindustrie ist laut Subitec-Geschäftsführer Dr. Peter Ripplinger die Herstellung von Rohstoffen wie Kohlenhydraten oder Lipiden für die energetische Nutzung zukunftsweisend. „Das, was die Welt in Zukunft bewegt, ist nicht der Raps, sondern die Zukunft der Energie aus Biomasse liegt in den Algen“, sagt Ripplinger.

Algen binden bei ihrem Wachstum CO2. Doch dieses wird bei der Energiegewinnung wieder freigesetzt, daher ist der Prozess insgesamt CO2-neutral. Vielleicht geht es ja auch noch besser: Professor Clemens Posten und sein Team am Karlsruher Institut für Technologie arbeiten im Bereich der Bioverfahrenstechnik daran, die Grünalge Chlamydomonas reinhardtii so zu kultivieren, dass sie den umweltverträglichen Energieträger Wasserstoff herstellt - kosten- und energiegünstiger, als es bisher möglich ist.

Verarbeitung von marinen Abfällen in Europa

Auch marine Abfälle können mit biotechnologischen Mitteln weiter verwertet werden. Chitin beispielsweise, das bei Fischereiabfällen in Schalen von Meerestieren allein in der EU mit 750.000 Tonnen jährlich anfällt, wird in Asien bereits zu Chitosan umgewandelt. Aus Chitosan kann man Filter, Folien und Wundauflagen herstellen. Was in Asien schon länger betrieben wird, steckt in Europa noch in den Kinderschuhen. In den Schalen von europäischen Tieren ist zu viel Kalk eingelagert, als dass sich die Aufarbeitung zu Chitosan wirtschaftlich rentieren würde. Doch daran arbeiten die Forscher im mit dem siebten Forschungsrahmenprogramm geförderten Projekt „ChiBio“. Das Fraunhofer Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart hat in diesem Projekt die Teilaufgabe, in einem Verfahren Enzyme zu entwickeln, die Chitin in seine Monomere abbauen.

Die marine Biotechnologie steht gerade erst am Anfang. Dr. Antje Laber von GEOMAR spricht von ihr als keiner abgetrennten Sparte der herkömmlichen Biotechnologie. „Wir arbeiten mit den gleichen Methoden, Geräten und Prinzipien wie die anderen auch. Nur liegt unsere Quelle woanders. Das Potenzial der neuen Eigenschaften und Begebenheiten, die wir aus marinen Stoffen ziehen, wird in Zukunft wohl Einzug in die klassische Biotechnologie halten“, so Laber. Das heißt konkret: Die marine Biotechnologie kann die anderen Zweige der Biotechnologie mit ihren Erkenntnissen unterstützen und voranbringen.

Ines Vondracek - Oktober 2012
© BIOPRO Baden-Württemberg GmbH

Glossar

  • AIDS ist die Abkürzung für Aquired immune deficiency syndrome (erworbenes Immunschwächesyndrom). Es ist der Name für die Endphase einer Erkrankung des Immunsystems, die durch eine HIV-Infektion ausgelöst wird.
  • Ein Antibiotikum ist ein Stoffwechselprodukt von Mikroorganismen (Bakterien, Pilze), das in geringen Konzentrationen andere Mikroorganismen in ihrem Wachstum hemmt.
  • Biotechnologie ist die Lehre aller Verfahren, die lebende Zellen oder Enzyme zur Stoffumwandlung und Stoffproduktion nutzen.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Lipide sind Fette und fettähnliche Substanzen.
  • Ein Monomer ist die kleinste Moleküleinheit (Baustein) eines Oligomers bzw. Polymers.
  • Ein Virus ist ein infektiöses Partikel (keine Zelle!), das aus einer Proteinhülle und aus einem Genom (DNA oder RNA) besteht. Um sich vermehren zu können, ist es vollständig auf die Stoffwechsel der lebenden Zellen des Wirtsorganismus angewiesen (z.B. Bakterien bei Phagen, Leberzellen beim Hepatitis-A-Virus).
  • Ein Bioreaktor ist ein geschlossenes System, in dem mikrobielle Umsetzungen organischer Substanzen unter kontrollierten Bedingungen stattfinden und gemessen werden können.
  • Cyanobakterien, auch Blaualgen genannt, sind gram-negative Bakterien (Prokaryonten), die Photosynthese und vielfach auch Stickstofffixierung betreiben können.
  • Ein Tumor ist eine Gewebsschwellung durch abnormales Zellwachstum, die gutartig oder bösartig sein kann. Gutartige (benigne) Tumore sind örtlich begrenzt, während Zellen bösartiger (maligner) Tumore abgesiedelt werden können und in andere Gewebe eindringen können, wo sie Tochtergeschwulste (Metastasen) verursachen.
  • Symbiose im biologischen Kontext ist das Zusammenleben von zwei oder mehr verschiedenen Arten, das für alle vorteilhaft ist.
  • Leukämie ist eine bösartige Erkrankung (Krebs) des blutbildenden Systems. Durch die vermehrte Bildung entarteter weißer Blutkörperchen und ihrer Vorstufen wird die Blutbildung im Knochenmark gestört. Andere Blutbestandteile werden verdrängt und es kommt dadurch zu Anämie (Blutarmut), Infektionen und Blutungen, die letztlich zum Tod führen, wenn die Leukämie nicht behandelt wird.
  • Toxizität ist ein anderes Wort für Giftigkeit.
  • Die Pharmakologie ist eine Wissenschaft, die sich mit der Wechselwirkung zwischen Arzneimitteln und Organismen befasst. Dabei gibt es zwei Verfahren zur Beurteilung: Die Pharmakokinetik beschreibt die Aufnahme, Verteilung, Verstoffwechselung und Ausscheidung des Wirkstoffs, die Pharmakodynamik beschreibt die Wirkung des Arzneimittels im Organismus.
  • Fettsäuren sind Carbonsäuren (organische Säuren) die oft aus langen, unverzweigten Kohlenstoffketten bestehen. Sie können entweder gesättigt oder ungesättigt sein und sind Bestandteil von Fetten und Ölen.
  • Biodiesel ist ein Fettsäuremethylester, der aus Pflanzenölen (z. B. aus Raps) oder tierischen Fetten hergestellt und als Kraftstoff oder Kraftstoffkomponente verwendet wird (Biokraftstoffe).
  • Bioethanol (Ethylalkohol) gehört zu den Biokraftstoffen. Es handelt sich dabei um Ethanol, das ausschließlich aus nachwachsenden Kohlenstoffträgern, nämlich auf Basis zucker- oder stärkehaltiger Feldfrüchte oder aus zellulosehaltigen Pflanzenbestandteilen (Zuckerrübe, Rohrzucker, Getreide) hergestellt wurde. Die Stärke wird enzymatisch in Glukose aufgespalten und diese anschließend mit Hefepilzen zu Ethanol vergoren.
  • Als Biomasse wird die gesamte Masse an organischem Material in einem definierten Ökosystem bezeichnet, das biochemisch – durch Wachstum und Stoffwechsel von Tieren, Pflanzen oder Mikroorganismen – synthetisiert wurde. Damit umfasst sie die Masse aller Lebewesen, der abgestorbenen Organismen und die organischen Stoffwechselprodukte.
  • Chitin ist ein Polysaccharid, das in Gliederfüßer, Pilzen, Ringelwürmern und Weichtieren vorkommt. Im Vergleich zur Cellulose trägt der Grundbaustein beta-Glucose eine N-Acetylgruppe.
  • Chitosan ist ein Chitinderivat, das durch die Deacetylierung des Chitins entsteht.
  • Bioaktive Substanzen sind Stoffe in Lebensmitteln, die meist eine gesundheitsfördernde biologische Wirkung auf den menschlichen Körper haben, aber keine Nährstoffe bzw. Energie liefern. Sie haben häufig entzündungshemmende, antioxidative, immunmodulierende oder antikanzerogene Wirkung.
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