Mikrobielle Biotechnologie im Alltag – Beispiele, wann und wo uns Biotechnologie begegnet

An was denkst du, wenn du den Begriff „Biotechnologie im Alltag“ hörst? Vielleicht an ein Forschungslabor, Wissenschaftler*innen, die Experimente durchführen, an DNA, Proteine, vielleicht sogar an Gentechnik? Damit liegst du freilich nicht falsch, aber hinter dem technisch und komplex anmutenden Begriff steckt noch vieles mehr.

Wenn du Isabells Übersichtsartikel zur Biotechnologie schon gelesen hast, hast du bei der Frage gerade vielleicht aber auch an dein Frühstück gedacht. Oder an die Wäsche, die im Korb schlummert und darauf wartet, in die Waschmaschine zu wandern. Vielleicht hast du auch darüber nachgedacht, wohin das Abwasser der Waschmaschine fließt und welche biotechnologischen Prozesse hinter all diesen Beispielen stecken?

In diesem Gastbeitrag möchte ich einige Beispiele etwas genauer beleuchten und dir zeigen, wie sehr die Biotechnologie im Alltag unser Leben bestimmt. Und das schon seit Menschengedenken, lange bevor es den Begriff „Biotechnologie“ überhaupt gab.

Biotechnologie im Frühstück: Uralte Techniken und moderner Hokuspokus

Der Begriff Biotechnologie beschreibt die technische Nutzung von Lebewesen (oder Teilen von ihnen, z.B. Proteinen) für bestimmte Zwecke. Häufig sind es Mikroorganismen und/oder ihre Enzyme, die wir uns zunutze machen und die bestimmte Arbeiten für uns erledigen. Und das nicht erst seit gestern: Die ersten Hinweise auf die – zugegebenermaßen unbewusste – Nutzung von Mikroorganismen beim Herstellen von Lebensmitteln datieren auf einige Tausend Jahre v. Chr.!

So wusste man in China schon vor 9000 Jahren aus Trauben, Honig und Reis ein alkoholisches Getränk herzustellen. Einige Tausend Jahre später waren die alten Ägypter besonders experimentierfreudig. Brot, Joghurt, Käse, Bier und Wein: Auf ihrem Speiseplan standen lauter Lebensmittel, die es ohne Bakterien oder andere Mikroorganismen gar nicht gäbe.

Das Paradebeispiel für Biotechnologie im Alltag: Fermentation macht Lebensmittel haltbarer

Eines der wichtigsten Verfahren bei der Herstellung von Lebensmitteln ist die Fermentation. Wieder ein recht komplizierter Begriff für einen alltäglichen Vorgang: Fermentation ist nichts anderes als die Umsetzung eines biologischen Stoffs durch Bakterien oder Pilze. Dafür gibt es viele Beispiele. Hefepilze etwa, die Zucker in Alkohol und Kohlenstoffdioxid umwandeln, sodass der Hefeteig aufgeht und das Bier zu seinen Prozenten kommt.

Ursprünglich wurden Lebensmittel fermentiert, um sie zu konservieren. Denn bei der Fermentation produzieren die Mikroorganismen Stoffwechselprodukte. Diese Metabolite, etwa Alkohol oder verschiedene Säuren, hemmen das Wachstum pathogener Erreger. So trägt die Biotechnologie im Alltag schon seit vielen Jahrtausenden zu unserer Gesundheit bei. Ganz schön clever, nicht wahr?

Andere Lebensmittel wären ohne Fermentation ungenießbar, Oliven etwa, bei deren Fermentation das bitter schmeckende Oleuropein von Milchsäurebakterien verstoffwechselt wird.

Verschiedene Pilze und Bakterien, wie Hefen, Milch- und Essigsäurebakterien, und deren Enzyme sind bei der fermentativen Verarbeitung und Produktion von Lebensmitteln von besonderer Bedeutung. Sie ernähren sich von Zucker oder Alkohol im Ausgangssubstrat und verstoffwechseln diese (in An- oder Abwesenheit von Sauerstoff) in andere Produkte, wie wiederum Alkohol, Milchsäure oder Essigsäure.

Währenddessen ist die Liste der Lebensmittel, die durch Fermentation entstehen oder „veredelt“ werden, sehr lang und Beispiele finden sich in allen Kulturen und Mahlzeiten: Sauerkraut, Kimchi, Kaffee und Tee, Kefir, Brot, Käse und so weiter und so fort.

Biotechnologisch hergestellte Enzyme sind aus der Lebensmittelindustrie nicht mehr wegzudenken

Doch auch moderne, biotechnologische Verfahren haben bereits ihren Weg auf deinen Teller gefunden und werden in Zukunft wohl noch wichtiger werden. Dabei haben Mikroorganismen zum Beispiel als Lieferanten von Enzymen einige Vorteile gegenüber Pflanzen oder Tieren.

Viele Mikroorganismen lassen sich leicht kultivieren und vermehren, in Bioreaktoren wachsen sie unter kontrollierten Bedingungen. Die Isolierung von Enzymen aus Bakterienkulturen ist vergleichsweise einfach und Prozessoptimierungen, zum Beispiel durch Gentechnik, sind ebenfalls in der Regel besser zu etablieren als bei Pflanzen oder Tieren.

So wird bei der Herstellung von Käse beispielsweise schon lange kaum noch tierisches Lab genutzt, das früher aus Kälbermägen isoliert werden musste. Das Enzymgemisch mit dem Hauptwirkstoff Chymosin spaltet das Kasein in der Milch und bewirkt so deren Gerinnung. Heutzutage werden die benötigten Enzyme in Bioreaktoren von Mikroorganismen produziert.

Dabei kann auch Gentechnik zum Einsatz kommen, wenn Mikroorganismen, die natürlicherweise kein Chymosin synthetisieren, durch das „Einschleusen“ der entsprechenden DNA-Sequenzen dazu befähigt werden, rekombinantes Chymosin herzustellen.

Weitere, mikrobiell hergestellte Enzyme in der Lebensmittelindustrie sind beispielsweise Amylasen, die Stärke zersetzen und beim Backen das Mehl „vorverdauen“ und so besser zugänglich machen für die Hefe. Proteasen spalten Proteine und werden vielfältig eingesetzt: Sie machen Teige von Backwaren geschmeidiger, beschleunigen die Reifung von Käse und können Allergene oder Gluten abbauen oder reduzieren.

Fett verdauende Lipasen beeinflussen den Geschmack und die Textur von Käse, Pektinasen bauen Zellwände von Obst und Gemüse ab und erleichtern so die Produktion von Fruchtsäften. Diese Aufzählung lässt sich quasi endlos fortführen…

Weitere Biotech-Lebensmittel stehen schon in Startlöchern: Hefepilze, die Milchproteine produzieren und so „echten“ Milchersatz erzeugen, Fleischersatz aus Pilzen oder im Labor kultiviertes Muskelfleisch, das zu Burger-Patties oder Nuggets wird. Was denkst du: echte Alternativen, die zum Klimaschutz beitragen oder irgendwie zu abgefahren?

Blitzeblank dank Mikroorganismen: Mit Enzymen versetzte Waschmittel helfen, Ressourcen zu sparen

Ein Schluck Traubensaft (der dank Pektinasen, die Schwebstoffe abbauen, übrigens auch schön klar ist) ist auf deinem hellen Shirt gelandet? Dann ab in die Wäsche mit dem guten Stück, die Biotechnologie im Alltag wird’s schon richten.

Ganz recht, auch im Haushalt haben biotechnologische Verfahren in den letzten Jahrzehnten so einiges verändert. Wo Oma früher noch viel Hitze, Wasser und Waschmittel brauchte, um Wäsche wirklich sauber zu waschen, reichen uns heute niedrigere Waschtemperaturen, kleinere Mengen an Waschmittel und vergleichsweise wenig Wasser. Diese Entwicklung ist auf die Nutzung von Enzymen zurückzuführen, die seit einigen Jahrzehnten in fast jedem Waschmittel enthalten sind.

Auch hier wirken beispielsweise Proteasen, Lipasen und Amylasen als biologische Katalysatoren und bauen die im Schmutz enthaltenen Proteine, Fette (Lipide) und Stärke (lat. Amylum) ab. Die Namen der Enzyme sind Sammelbezeichnungen: Proteasen etwa sind unzählige, verschiedene Enzyme, die alle Proteine abbauen. Viele Enzyme wirken unglaublich spezifisch auf oft nur ein einziges Substrat.

Enzyme, die in Waschmitteln eingesetzt werden, müssen bestimmte Voraussetzungen erfüllen. Sie dürfen nicht zu spezifisch wirken, müssen sehr stabil sein und etwa in sehr alkalischen pH-Bereichen und sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Temperaturen zuverlässig arbeiten. Doch wie ist das zu erreichen?

Auch das ist Biotechnologie im Alltag: Die Eigenschaften von Enzymen werden durch Gentechnik optimiert

Dazu möchte ich dir eine Gruppe wichtiger, industriell eingesetzter Enzyme vorstellen. Subtilisine bauen Proteine ab und gehören zu den sogenannten Serinproteasen, das sind Proteasen, die in ihrem aktiven Zentrum (der Bereich des Enzyms, der für seine katalytische Wirkung zuständig ist) die Aminosäure Serin enthalten. Das Serin nutzen sie, um die Bindungen zwischen zwei Aminosäuren aufzuspalten.

Subtilisine sind bakterielle, extrazelluläre Enzyme, sie wirken also außerhalb der Zelle und spalten dort Proteine. Sie wurden hauptsächlich aus Bakterien der Gattung Bacillus isoliert und werden schon seit vielen Jahrzehnten biotechnologisch in Reinigungs- und Waschmitteln genutzt. Fast genauso lange werden sie nun auch schon optimiert und gentechnisch verändert, um ihr Temperaturoptimum, die pH-Stabilität, die Effizienz oder die Produktionsmenge anzupassen.

So wurden etwa bestimmte DNA-Sequenzen von Subtilisinen aus mesophilen (bei „normalen“ Temperaturen lebenden) Bakterien in Enzyme psychrophiler (kälteliebender) Bacillus-Stämme eingebaut. Das entstandene Enzym arbeitet besonders gut bei Raumtemperatur und entspricht so dem Wunsch der Verbraucher:innen, bei immer niedrigeren Temperaturen zu waschen.

Meist werden für die Produktion im großen Stil andere Bakterien genutzt, als die, aus denen die Enzyme ursprünglich stammen

Und so funktioniert die Produktion von Enzymen für Biotechnologie im Alltag: Bakterienstämme oder Hefen, die besonders leicht zu kultivieren sind und besonders viel Enzym produzieren, werden gentechnisch verändert und erhalten den Bauplan für das gewünschte Enzym. Sie wachsen in Bioreaktoren und werden noch im geschlossenen System abgetötet, bevor die Enzyme isoliert werden.

Anschließend werden ausschließlich die Enzyme aus den Zellen extrahiert, gereinigt und konzentriert. Solche Konzentrate können in Flüssigwaschmitteln eingesetzt oder getrocknet und zu einem Granulat verarbeitet werden, welches dann dem Waschmittel beigefügt wird.

Zusammengefasst ermöglichen optimierte Enzyme im Waschmittel also saubere Wäsche bei niedrigen Waschtemperaturen und unter geringerem Einsatz von Waschmittel und Wasser. Dadurch verbrauchen wir beim Waschen heute weniger Energie und sparen im Vergleich zu einem Waschgang ohne Enzyme bis zu 50 Prozent Wasser!

Weitere Inhaltsstoffe von Waschmitteln, wie Tenside und Duftstoffe sind potentiell umweltschädlich und können durch den gesenkten Waschmittelverbrauch eingespart werden. So avanciert die Biotechnologie im Alltag ganz schnell zur smarten Umweltretterin und das, obwohl nur wenige überhaupt davon wissen.

Biotechnologie im Alltag: Wie aus Abwasser dank Mikroorganismen wieder sauberes Wasser wird

Das Abwasser unserer Waschmaschinen fließt zusammen mit vielen anderen Abwässern schließlich in eine Kläranlage. Und auch hier spielen Bakterien und ihre biotechnologische Nutzung eine entscheidende Rolle, wenn es darum geht, das Wasser wieder nutzbar zu machen. An diesem Beispiel möchte ich dir noch einmal verdeutlichen, wie unschätzbar wichtig Biotechnologie im Alltag ist. Los geht’s also in den Endspurt!

In der biologischen Reinigung der Kläranlage ernähren sich Mikroorganismen von den Stoffen, die wir loswerden müssen

Wie du weißt, gibt es neben Waschmittelresten eine Vielzahl an weiteren Komponenten, die Abwasser so unappetitlich und ungesund machen: Fäkalien und Toilettenpapier, aber auch Abfälle, Schmutz, Sand und Chemikalien.

Wie entfernt eine Kläranlage nun diese ganzen Stoffe aus dem Wasser? Zunächst wird das Abwasser mechanisch gereinigt, zum Beispiel durch einen Rechen. Das kannst du dir vorstellen, als würde das Wasser „gesiebt“: Größere Schmutzbestandteile bleiben hängen und werden so entfernt. Im sogenannten Sandfang fließt das Abwasser sehr langsam und Sand und andere kleine Partikel sinken zu Boden, von wo sie abgepumpt werden.

Der nächste Schritt ist der wichtigste: In der biologischen Reinigung verrichten Bakterien den Löwenanteil der ganzen Arbeit, indem sie im Wasser gelöste Schmutzstoffe, etwa Nährstoffe, Harnstoff und Rückstände von Waschmitteln, abbauen. Die Funktion des sogenannten Belebungsbeckens (oder Belebtschlammbeckens) beruht auf den speziellen Stoffwechselvorgängen der Mikroorganismen. Sie ernähren sich von den Schmutzstoffen im Abwasser, gewinnen daraus Energie und wandeln die Stoffe in Biomasse (sprich: sie wachsen und vermehren sich), Kohlendioxid, Wasser und Mineralstoffe um.

Für die meisten dieser Stoffwechselwege benötigen sie (wie wir auch) Sauerstoff, deshalb wird das Becken immer intensiv belüftet, etwa durch ein Gebläse. Andere Stoffwechselvorgänge wiederum passieren nur in Abwesenheit von Sauerstoff (anaerob) und deshalb gibt es auch Zonen in der biologischen Reinigung, in die kein Sauerstoff gelangt. Der Aufbau und die Abolge der einzelnen Zonen ist eine ziemlich komplizierte Angelegenheit und hat uns gerade zum Glück nicht weiter zu interessieren.

Den größten Anteil an im Wasser gelösten Stoffen bilden Kohlenstoffverbindungen, die in ihrer Vielzahl unter aeroben Bedingungen (also in Anwesenheit von Sauerstoff) von vielen unterschiedlichen Bakterienarten verstoffwechselt werden. Als Nächstes trifft es die Stickstoffverbindungen, etwa Harnstoff. Ammonium ist ein Abbauprodukt von Harnstoff und wird ebenfalls unter aeroben Bedingungen zu Nitrat (NO₃^–) umgewandelt, diesen Vorgang nennt man Nitrifikation.

Das Wasser wird nun in einen anoxischen Bereich geleitet, in dem nur der in Form von Nitrat gebundene Sauerstoff (also das O in NO₃^–) vorhanden ist. Bestimmte Bakterien, sogenannte Denitrifizierer, spalten den Sauerstoff vom Stickstoff ab in einem Vorgang, der auch Denitrifikation genannt wird.

Auch Phosphat ist im Abwasser im Überschuss vorhanden. Die Mikroorganismen entfernen auch das, lagern es ein und nutzen es, um Energie zu gewinnen.

Im Nachklärbecken setzt sich der Belebtschlamm, in dem die Mikroorganismen leben, ab und das Wasser kann entweder abfließen oder wird noch nachbehandelt. Der Schlamm wird zurück in das Belebungsbecken gepumpt, um die wertvolle Mikroorganismengemeinschaft weiterhin nutzen zu können. Überschüssiger Schlamm wird vergoren und trägt so sogar zur Unterhaltung der Kläranlage bei, wenn das entstehende Gas zur Energiegewinnung genutzt wird.

Wenn Abwasserklärung an ihre Grenzen kommt

So machen Bakterien schmutziges Wasser wieder sauber und tragen so dazu bei, dass die Ressource Wasser weiter nutzbar ist. Sie schützen unsere Gewässer und das Grundwasser vor Verunreinigungen und leisten einmal mehr einen wichtigen Beitrag zur menschlichen Gesundheit. Ein Glück, dass Bakterien so nützlich sind – ohne sie wären wir wohl ganz schön aufgeschmissen…

Doch mit der Zeit hat sich unser Abwasser verändert und Mechanismen, die früher noch ausreichend waren, kommen heute an ihre Grenzen. Immer mehr Rückstände von Medikamenten, Hormonen und Färbemitteln werden nur unzureichend aus dem Abwasser entfernt und gefährden nicht nur aquatische Ökosysteme. So sind weitere Behandlungen von Abwasser nötig, etwa das Filtrieren mit Aktivkohle.

Und auch dabei könnten in Zukunft Mikroorganismen helfen: Zig Stoffwechselwege, die noch viele andere Stoffe als Substrat nutzen, sind bekannt und werden noch nicht industriell eingesetzt. Viele kluge Köpfe forschen daran, wie wir sie ebenfalls in Kläranlagen nutzen könnten. Und vielleicht gibt es irgendwo da draußen auch schon Bakterien, die Stoffe abbauen, von denen wir denken, dass sie gar nicht abbaubar sind. Sie zu finden, ist ebenfalls Aufgabe der biotechnologischen Forschung.

Übersicht und Zusammenfassung der Beispiele für Biotechnologie im Alltag

Wie du siehst, ist die Biotechnologie ein nicht wegzudenkender, unglaublich wichtiger Teil des modernen Lebens. Wir begegnen ihr ständig und überall und häufig ist uns das auch gar nicht bewusst. Nun kennst du einige Beispiele für Biotechnologie im Alltag. Die wichtigsten Punkte hier nochmal im Überblick:

• Bei der Fermentation nutzen wir Mikroorganismen, um Stoffe umzusetzen. Dadurch können Lebensmittel haltbarer gemacht oder verarbeitet werden. Das Verfahren nutzt die Menschheit schon seit tausenden von Jahren.
• In der industriellen Herstellung von Lebensmitteln spielen Enzyme eine wichtige Rolle. Sie werden von Mikroorganismen produziert und wir nutzen sie für viele verschiedene Prozesse (etwa als mikrobielles Lab beim Herstellen von Käse).
• Enzyme in Waschmitteln ermöglichen ressourcenschonendes Waschen bei niedrigen Temperaturen. Sie müssen verschiedene Bedingungen erfüllen und werden deshalb gentechnisch verändert (zum Beispiel die Gruppe der Subtilisine).
• Mikroorganismen machen unser Abwasser wieder sauber. Wir nutzen sie in Kläranlagen, wo sie verschiedenste Schmutzstoffe abbauen. Auch Stoffe, die bisher noch nicht gut entfernt werden können, könnten eines Tages durch Mikroorganismen aus dem Abwasser beseitigt werden.

Bei deiner nächsten Mahlzeit, beim Wäschewaschen und beim Duschen wirst du jetzt vielleicht an Bakterien denken, und wie wir sie in der mikrobiellen Biotechnologie für unsere Zwecke nutzen. Und wenn du die Augen offen hältst, fallen dir bestimmt noch einige weitere Beispiele für Biotechnologie im Alltag auf!

Gastautorin Wiebke Walleck

Quellen

• Gomes et al. (2018) Acetic Acid Bacteria in the Food Industry: Systematics, Characteristics and Applications.
• Ciafardini et al. (1994) Hydrolysis of Oleuropein by Lactobacillus plantarum Strains Associated with Olive Fermentation
• Raveendran et al. (2018) Applications of Microbial Enzymes in Food Industry
• Singhal and Perez-Garcia (2016) Degrading Organic Micropollutants: The Next Challenge in the Evolution of Biological Wastewater Treatment Processes
• Dimidi et al. (2019) Fermented Foods: Definitions and Characteristics, Impact on the Gut Microbiota and Effects on Gastrointestinal Health and Disease