Grüne Biotechnologie

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Moosbioreaktor mit Physcomitrella patens

Die Grüne Biotechnologie ist der Zweig der Biotechnologie, der sich mit den Pflanzen befasst (Pflanzenbiotechnologie). Die Grüne Biotechnologie bedient sich moderner Methoden der Biochemie, Systembiologie, Mikrobiologie, Molekularbiologie und Verfahrenstechnik, um Nutzpflanzen zu verbessern, pflanzliche Inhaltsstoffe (Phytochemikalien, Sekundärmetabolite) oder Fasern zu gewinnen oder um pflanzliche Enzyme bzw. Wirkprinzipien (Bionik) für neue Anwendungsbereiche zu erschließen. Die Übergänge zu den anderen Zweigen der Biotechnologie sind mittlerweile fließend. So können pflanzliche Zellen oder Enzyme zur Produktion industrieller Stoffe (weiße Biotechnologie) oder von Medikamenten (rote Biotechnologie oder Pharmazeutische Biotechnologie) genutzt werden. Auch zur Entgiftung von Böden (Phytoremediation) oder als Umweltsensoren sind Pflanzen geeignet, was einen Berührungspunkt zur grauen oder braunen Biotechnologie darstellt.

Marktgröße und Trends

Der globale Markt für Pflanzenbiotechnologie wird für das Jahr 2025 auf 50 Mrd. USD geschätzt^[1]. Mehr Ertrag und Futtermittel mit optimierter Zusammensetzung (Vitamine, Ballaststoffe, Enzyme) sind neben Pflanzen, die beim Anbau weniger Pflanzenschutzmittel benötigen, die Hauptmärkte der mittelfristigen Zukunft^[2]. Dagegen gibt es auch eine Reihe von Industriechemikalien (wie auch Bio-Ethanol) die mittels Pflanzen herstellbar sein werden.

Derzeit sind insbesondere Pflanzen, die beim Anbau weniger Unkrautbekämpfungsmittel Herbizide bzw. Schädlingsbekämpfungsmittel Insektizid benötigen, auf dem Markt^[3].

Auf Grund der steigenden globalen Bevölkerung von ca. 6,7 Mrd. Menschen in 2008 auf ca. 8,3 Mrd. Menschen in 2030^[4] auf der einen Seite und der global begrenzten landwirtschaftlichen Nutzfläche andererseits wird es in unmittelbarer Zukunft zu steigender Nachfrage nach Lebensmitteln kommen; gleiches gilt für die Nachfrage nach Roh-Öl basierenden Industriechemikalien, da Öl nicht in unendlichem Maße zu geringen Kosten zur Verfügung stehen wird. Für beides gibt es in der Grünen Biotechnologie Ansätze zur effizienteren Nutzung der natürlichen Ressourcen.

Technologien und Methoden

In der modernen Grünen Biotechnologie ist der Agrobakterium-vermittelte Gentransfer eine wichtige Technologie. Bei dieser gentechnischen Methode werden einzelne Erbfaktoren (Gene) von Zellen eines Organismus in Zellen eines anderen Lebewesens übertragen. Sie wurde unter anderem von Prof. Jozef Schell am Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung entwickelt.

Die somatische Hybridisierung (auch Protoplastenfusion oder Zellfusion genannt), eine weitere wichtige Methode, erlaubt es, gewünschte Merkmale verschiedener Elternpflanzen zu kombinieren. Im Vergleich zum Agrobakterium -vermittelten Gentransfer müssen hierbei keine spezifischen Gene identifiziert und isoliert werden. Außerdem wird damit die Einschränkung der Transformation (Gentransfer) überwunden, nur wenige Gene in ein vorgegebenes Erbgut einführen zu können. Auch kann bei der Zellfusion die Chromosomenzahl der Zellen multipliziert werden, also die Anzahl der Chromosomensätze (Ploidiegrad) erhöht werden. Dies kann die Ertragsfähigkeit von Pflanzen steigern (Heterosiseffekt). Molekulare Marker oder biochemische Analysen werden genutzt, um klassischen Pflanzenzüchtern die Arbeit zu erleichtern, und so gezielter und schneller zu neuen Pflanzensorten zu kommen. Diese Präzisionszucht nennt man auch „smart breeding“. Sie wird von vielen Saatzucht-Unternehmen und gartenbaulichen Pflanzenzuchtbetrieben angewendet. Solche zumeist mittelständischen Unternehmen sind im Bundesverband Deutscher Pflanzenzüchter organisiert.

Neben diesen Techniken, die zur Optimierung der Pflanzenzüchtung genutzt werden, werden zunehmend weitere Methoden der Biotechnologie angewandt. So kann der Einsatz pflanzlicher Enzyme in chemischen Produktionsprozessen den Rohstoff- und Energieverbrauch verringern. Beim sogenannten „Molecular Pharming“ werden Biopharmazeutika wie Monoklonale Antikörper, sogenannte „Plantibodies“, und andere Wertstoffe in so genannten Pharmapflanzen produziert. Diese können in der Diagnostik aber auch für die Therapie, so z. B. in der Krebsbekämpfung eingesetzt werden. Das Ziel dieser Arbeiten ist es, eine sichere Alternative zu den herkömmlichen Produktionssystemen, wie z. B. CHO-Zellen zu entwickeln. Dabei werden GMP-Bedingungen am besten eingehalten, wenn die Pflanzen in abgeschlossenen Behältnissen, wie z. B. Bioreaktoren kultiviert werden. Ein Beispiel dieser Technologie ist der von Ralf Reski entwickelte Moosbioreaktor, ein Photobioreaktor mit genetisch verändertem Physcomitrella patens^[5].

Bei diesen Anwendungen hilft das zunehmende Verständnis des pflanzlichen Erbguts und der Proteinnetzwerke (Genomics- bzw. Proteomicstechnologien) genauso wie die Entwicklungen zur Isolierung, Charakterisierung und Produktion der Enzyme. Diese Techniken reichen von Datenbankenauswertungen über molekulare Verfahren wie die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) und chromatographische Analyseverfahren bis zur Erzeugung fremder Eiweiße (heterologe Expression) in Mikroorganismen, Hefen, tierischen oder pflanzlichen Zellen.

Literatur und Quellen

↑ Monsanto/ BASF: PDF
↑ Monsanto/ BASF: PDF
↑ ISAAA: [1]
↑ United Nations: [2]
↑ Eva L. Decker und Ralf Reski (2008): Current achievements in the production of complex biopharmaceuticals with moss bioreactor. Bioprocess and Biosystems Engineering 31, 3-9.

Ma, J. K-C., Barros, E., Bock, R., Christou, P., Dale, P.J., Dix J., Fischer, R., Irwin, J., Mahoney, R., Pezzotti, M., Schillberg, S., Sparrow, P., Stoger, E. & Twyman, R. M. (2005): Molecular farming for new drugs and vaccines. Current perspectives on the production of pharmaceuticals in transgenic plants – The European Union Framework 6 Pharma–Planta Consortium EMBO reports VOL 6, NO 7, S. 593-599
Montagu, M. Van (2003), Jeff Schell (1935–2003): Steering Agrobacterium-mediated plant gene engineering. Trends in Plant Science Vol 8, Issue 8, S. 353-354
Müller, A. & Welters, P. (2008): Das Grün in der industriellen Biotechnologie – Pflanzen als Schlüssel nachhaltiger Chemie. GIT Labor-Fachzeitschrift 03/2008, S. 246–249

Weblinks

[1] Monsanto/ BASF: PDF

[2] Monsanto/ BASF: PDF

[3] ISAAA: [1]

[4] United Nations: [2]

[Eva_L._Decker-5] Eva L. Decker und Ralf Reski (2008): Current achievements in the production of complex biopharmaceuticals with moss bioreactor. Bioprocess and Biosystems Engineering 31, 3-9.

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