Mat. XIV: Optimierung von Mikroorganismen zur Herstellung von Biokraftstoffen und anderen Produkten – ein Sicherheitsproblem?

• Die Labore, in dem die Entwicklung und Erprobung genetisch optimierter Mikroorganismen erfolgen. Auf diesen Bereich wird hier im Kontext gentechnischer Veränderungen bei Mikroorganismen eingegangen, die ausschließen sollen, dass diese Organismen möglicherweise der Umwelt schaden (siehe unten).
  Auf nationale rechtliche Vorgaben, die den Umgang mit Mikroorganismen regeln, wie z.B. das Gentechnik-Gesetz oder die Verordnung über die Sicherheitsstufen und Sicherheitsmaßnahmen bei gentechnischen Arbeiten, wird hier nicht eingegangen. Zu entsprechende Informationen führen die am Ende angegebenen Links (siehe hier).
• Die Produktionsanlagen, in denen die optimierten Mikroorganismen kultiviert und dann für die Gewinnung von Produkten – möglichst im industriellen Maßstab – genutzt werden. Hier sind Maßnahmen zu ergreifen, die eine Freisetzung erst gar nicht möglich machen.

Wenn auch in geringerem Maße betreffen Fragen zur Biosicherheit auch die 1. und 2. Generation der Biokraftstoff-Herstellung.
In verschiedenen Prozessabschnitten ist dort ebenfalls der Einsatz optimierter Mikroorganismen oder der Gebrauch künstlich hergestellter bzw. veränderter Enzyme möglich (siehe Schemata Mat. III–VI).
Bei beiden Generationen ist außerdem nicht zu übersehen, dass es diesbezüglich noch einen weiteren Diskussionsstrang gibt, der hier jedoch ebenfalls nicht weiter berücksichtigt werden kann: Das in der 1. und zum Teil auch in der 2. Generation eingesetzte Ausgangsmaterial (Mais, Zuckerrohr, Zuckerrüben, Raps, Kurzumtriebspflanzen, etc.) ist in vielen Ländern ebenfalls nicht naturbelassen, sondern mithilfe gen- und biotechnologischer Methoden, verändert worden. Als Anwendungsbereich wird hier der Begriff „Grüne Gentechnik“ benutzt.

Abb. Mat. XIV-1
Symbol für Biosafety

1. Betrachte die beiden Abbildungen und begründe, warum offene Systeme größere Sicherheitsprobleme mit sich bringen, als geschlossene Systeme. Berücksichtige dabei folgende Begriffe: Wind, Wasser, Aerosole, Vögel und andere Tiere, Naturkatastrophen, Unfälle.

2. Die fast ausschließlich in freiem Meereswasser kultivierten Makroalgen werden nicht genmanipuliert. Dennoch wird davor gewarnt, ertragreiche Arten außerhalb der Orte, an denen sie natürlicherweise vorkommen, unkontrolliert zu nutzen.
   Stelle eine Hypothese dazu auf, warum das aus ökologischer Sicht kritisch gesehen wird.

zu 1.
In offenen Systemen können die MO z.B. durch Wasservögel oder durch andere Tiere in andere Biotope gelangen. Auch Naturkatastrophen oder Unfälle durch menschliches Versagen können relativ leicht zum „Entkommen“ der in den Teichen kultivierten MO führen.
Bei geschlossenen Systemen sind die Möglichkeiten des Entweichens von MO deutlich eingeschränkter.
zu 2.
In Landökosystemen ist die zunehmende Verbreitung von sogenannten invasiven Pflanzen, z.B. der Japanische Knöterich oder das Indische Springkraut, ein großes Problem. Sie verdrängen einheimische Arten. Ähnliches soll bei der Ansiedlung von Makroalgen in aquatischen Fremdbiotopen vermieden werden.
Erklärungen zum Begriff „invasiv“ z.B. hier:
https://de.wikipedia.org/wiki/Biologische_Invasion   (Zugriff: 2021-12-13)
https://de.wikipedia.org/wiki/Liste_invasiver_gebietsfremder_Arten_von_unionsweiter_Bedeutung  (Zugriff: 2021-12-13)

• sie sich außerhalb der Kultivierungs- und Verarbeitungssysteme stark vermehren, sofern die Veränderungen ihrer Gene ihnen Vorteile gegenüber anderen Algenarten verschaffen;
• (Stoffwechsel-)Produkte und Nebenprodukte freigesetzt werden, die auf andere Organismen – eventuell auch Menschen – schädlich oder gar toxisch wirken könnten;
• durch vertikalen Gentransfer* im Rahmen ihrer sexuellen Fortpflanzung veränderte Gene an andere verwandte nicht optimierte Algen-Arten weitergeben werden;
• durch horizontalen Gentransfer** einzelne Gene an andere Pflanzen oder Mikroorganismen weitergeben werden;
• letztlich unvorhersehbare Auswirkungen auf die Lebensgemeinschaft im betroffenen Ökosystem auftreten.

*vertikaler Gentransfer: Gene werden an die folgenden Generationen weitergegeben.
**horizontaler Gentransfer: Weitergabe von Genen an andere Arten.

Für Cyano- und andere Bakterien sowie Hefen treffen in erster Linie die Hinweise auf den vertikalen und horizontalen Gentransfer sowie die Freisetzung unerwünschter (Stoffwechsel-)Produkte und Nebenprodukte zu.

3. Informiere dich im Internet über die Bedeutung von vertikalem und horizontalem Gentransfer bei Mikroorganismen und begründe das zuvor Gesagte.
   Unter anderem können dabei folgende Links hilfreich sein:
   https://www.transgen.de/
   http://www.pflanzenforschung.de/biosicherheit/basisinfo/354.bakterien-pflanzengene.html
   https://www.spektrum.de/news/extremist-besteht-aus-ziemlich-viel-bakterium/1186081
   https://de.wikibrief.org/wiki/Horizontal_gene_transfer (sehr ausführlich!)

4. Erläutere den Begriff „Antibiotikaresistenz“ und begründe, warum dieses in jeder Hinsicht ein negatives Beispiel für horizontalen Gentransfer ist.

5. Bakterien können mit einer Art Not-Aus-Schalter versehen werden, dieser wird „Kill-Switch“ genannt. Erste Ansätze in dieser Richtung zielen darauf, Bakterien so umzuprogrammieren, dass ihr gesamter Stoffwechsel auf künstlich erstellte Aminosäuren angewiesen ist, die in der Natur nicht vorkommen. Entzieht man den Bakterien die Versorgung mit  diesen Aminosäuren, “verhungern sie” und gehen zugrunde.
6. Ein anderer Weg ist die kontinuierliche Produktion eines Toxins in der Bakterienzelle. Dieses wird jedoch durch die Zufuhr eines externen Stoffes unterdrückt. Fällt dieser weg, wird das Toxin freigesetzt und die Zelle stirbt.
7. Schließlich wird auch daran gearbeitet, molekulare Mechanismen in optimierte Mikroorganismen einzubauen, die die Zerstörung von verändertem genetischen Material bei der Übertragung auf andere Organismen (= Gentransfer) auslöst. Auf diese Art und Weise soll verhindert werden, dass fremde Zellen die veränderte DNA aufnehmen können.

Nicht zuletzt spielt auch der Patenterwerb hier eine nicht unbedeutende Rolle: Nicht nur neu entstandene Startups geben ihr Wissen bezüglich vorgenommener „Optimierung“ bei Mikroorganismen nicht so gerne preis.

In Deutschland sind sowohl das Bundesministerium für Umwelt (BMU), das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) und das Bundesamt für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit (BVL) Entscheidungsträger, wenn es darum geht, optimierte Mikroorganismen einzusetzen.

Grundlagen sind hauptsächlich das Gentechnikgesetz (GenTG) und die Verordnung über die gute fachliche Praxis bei der Erzeugung gentechnisch veränderter Pflanzen (GenTPflEV).
Beratend tätig für die Ministerien ist die Zentrale Kommission für Biologische Sicherheit (ZKBS). Dieses im Gentechnikgesetz verankerte Gremium berät seit 1978 die Bundesregierung und die Länder in Fragen der Sicherheit in der Gentechnik. Für bestimmte Entscheidungen werden auch wissenschaftliche Institutionen wie z.B. Max-Planck-Institute oder das Fraunhofer-Institut hinzugezogen.

Zumindest im europäischen Raum wird anscheinend davon ausgegangen, dass die vorhandenen gesetzlichen Grundlagen und Verordnungen entsprechende Risiken beherrschbar machen. Allerdings darf man nicht übersehen, dass entsprechende Forschungen und Entwicklungen weltweit rasant zunehmen. Inwieweit in anderen Ländern eine hinreichende Vorsorge getroffen wird, kann hier nicht bewertet werden.

5. Erläutere in eigenen Worten die zuvor geschilderten Möglichkeiten mittels gen- und biotechnischer Maßnahmen zu verhindern, dass durch optimierte Mikroorganismen Umweltschäden entstehen können.
   Begründe dennoch bestehenden Vorbehalte gegen den Einsatz optimierte Mikroorganismen und benenne, was auf jeden Fall noch verbessert werden muss.

6. Begründe, warum unter dem Gesichtspunkt Biosafety Kritik an dem Verfahren zur Steigerung der Ölproduktion in Chlamydomonas (siehe Text) geäußert wurde.
   Übrigens: Dieses Verfahren wurde nicht für den industriellen Weg weiterentwickelt!

Probleme durch genetische Optimierung !?

DGAT1 Enzyme sind verantwortlich für die Bildung von Triglyceriden* in Ölpflanzen, z.B. Raps. Die zugrundeliegenden Gene, genauer gesagt Genabschnitte, sind bekannt.

Raps ist eine Grundlage für die Ölgewinnung mit dem Ziel der Biodiesel-Herstellung (siehe Mat. VI). Für die Synthese der in diesem Zusammenhang verwertbaren Triglyceride* ist das Enzym Diacylglycerolacyltransferase (BnDGAT) zuständig. Es gibt vier verschiedene Formen (DGAT 1-4) dieses Enzyms.
Bei vielen Säugetieren spielen diese Enzymtypen im Rahmen des Fetthaushaltes eine bedeutsame Rolle.
Um die Triglyceridsynthese zu steigern, wurde Chlamydomonas reinhardtii mit einem dieser Enzymtypen  – DGAT-2 – aus dem Raps gentechnisch verändert. Die Folge war eine erhöhte Produktion bestimmter Triglyceride in der Algenzelle. Die Ausbeute an verwertbaren Fetten konnte somit nach der Ernte, Pressung und Weiterverarbeitung quantitativ und qualitativ gesteigert werden.
Beobachtet wurde, dass mit dem Vorkommen von DGAT-2 in Chlamydomonas unter bestimmten Bedingungen auch Mutanten entstanden, d.h. es lag ein nicht mehr funktionsfähiges Enzym vor.
Bei Mäusen führte ein nicht mehr funktionsfähiges Enzym DGAT-2 zu massiven Störungen im Fettstoffwechsel.

*Triglyceride sind Fette, die aus Glycerin und drei Fettsäuren zusammengesetzt sind.