Lasst uns die Reihe „Biotechnologie“ vervollständigen – heute: die rote Biotechnologie! Dank Bakterien war es in den 1980er Jahren möglich, dass wir Insulin im Labor herstellen und so auch die Bauchspeicheldrüsen von Schweinen verzichten konnten. Heute kommen noch ein paar Beispiele für die rote Biotechnologie, also Anwendungen, die mit unserer Gesundheit zu tun haben.
In den letzten Wochen haben wir uns mit den ganz unterschiedlichen Bereichen der Biotechnologie beschäftigt. Wir haben uns angeschaut, was Biotechnologie eigentlich ist. Meine Gastautorin Wiebke Walleck hat uns spannende Beispiel der Biotechnologie im Alltag gezeigt.
Während meiner eigenen Recherchen bin ich auf Bio-Cellulose und Selbstbräuner gestoßen. Aber auch bei der Nachhaltigkeit können Bakterien einen wichtigen Beitrag leisten. Im letzten Beitrag von Sabrina Hofmann ging es um Bio-Plastik, produziert von Bakterien.
Somit haben wir die grüne Biotechnologie (alles mit Pflanzen) und weiße Biotechnologie (industrielle Anwendungen) ausgiebig beleuchtet. Nur ein Bereich fehlt noch: die rote Biotechnologie!
Dieser Beitrag ist Teil der Biotechnologie-Reihe:
- Was ist? Biotechnologie – Magischer Begleiter deines Alltags
- Mikrobielle Biotechnologie im Alltag – Beispiele, wann und wo uns Biotechnologie begegnet (Gastbeitrag von Wiebke Walleck)
- Bio-Cellulose – Essigsäurebakterien in Kosmetik?
- Selbstbräuner und Bakterien? – Wie Bakterien deine perfekte Bräune garantieren
- Mikrobielle Biotechnologie für Nachhaltigkeit – Wie Bakterien unser Leben nachhaltiger machen (Gastbeitrag von Wiebke Walleck)
- Polyhydroxyalkanoate – Wie aus Bakterien Bioplastik wird (Gastbeitrag von Sabrina Hofmann)
Rote Biotechnologie: Der Gesundheit zu Diensten
Die rote Biotechnologie (an die Farbe unseres Blutes angelehnt), die auch gern medizinische Biotechnologie genannt wird, ist der Bereich schlechthin: Laut biotechnologie.de sind 52 % der Biotechnologie-Unternehmen im Bereich der roten Biotechnologie unterwegs.
Ihre Aufgaben sind die Entwicklung von Medikamenten, Impfstoffen oder neuen Diagnostika. Dazu zählen dann auch Firmen wie etwa Biontech, die mit ihrem mRNA-Impfstoff während der Corona-Pandemie große Bekanntheit erlangten.
Seit Jahren gibt es auch immer mehr Ausgründungen direkt aus den Universitäten heraus. Ein Beispiel gibt es direkt von der Uni, an der ich studiert habe (TU Braunschweig): YUMAB produziert monoklonale Antikörper, um Krankheiten zu bekämpfen. Mit ihrer Technologie brauchen wir keine Versuchstiere, die die Antikörper während einer Immunreaktion produzieren. Es geht viel einfacher: Mithilfe von Zellen im Labor.
Biologische Systeme und technologische Anwendungen werden in der roten Biotechnologie kombiniert
Die rote Biotechnologie (wie auch die anderen Bereiche der Biotechnologie) sind unglaublich vielfältig und machen uns das Leben leichter. Im Prinzip können wir aber sagen, dass wir technologische Grundlagen auf biologische Systeme anwenden.
Die biologischen Systeme sind dabei ganz unterschiedlich: Wir können die Hülle der Viren als Fähren nutzen, um Informationen oder Medikamente in Zellen einzuschleusen. Wir können Pilze nutzen, die Antibiotika für uns im großen Maßstab produzieren. Oder eben Zellen in Zellkulturen, die spezifische Antikörper bilden. Auch Bakterien können wir dafür wunderbar nutzen.
Auch wenn die Forschung in den letzten Jahren weniger auf Bakterien für die Produktion setzt, sondern immer mehr auf Zelllinien geht, die die Proteine viel besser wie menschliche Proteine falten können, so gibt es dennoch bemerkenswerte Beispiele für die rote Biotechnologie, die Bakterien nutzt.
Warum Bakterien in der roten Biotechnologie genutzt werden
In vorherigen Beiträgen konnten wir bereits einige Anwendungen von Bakterien in der Biotechnologie entdecken: So produzieren sie etwa Antibiotika, Vitamine oder Insulin. Bakterien können auch genutzt werden, um Impfstoffe zu produzieren. Ein Beispiel für Impfstoffe mithilfe von Bakterien lernen wir heute kennen.
Doch zunächst sollten wir uns die Frage stellen, warum Bakterien eigentlich für die Produktion genutzt werden. Was macht sie so reizvoll und praktischer im Vergleich zu chemischen Anwendungen?
Bakterien sind einfach (klasse): einfache Ansprüche, einfache Vermehrung, einfache Temperaturen, einfach verfügbar
Bakterien bringen einige Vorteile mit sich, für die wir sie bei Erkrankungen nicht immer lieben: sie vermehren sich wie die Watz! Und die meisten von ihnen sogar mit geringen Nährstoffansprüchen. Bakterien, der anspruchslose Gast.
Dass wir so einfach mit ihnen arbeiten können, macht sie so reizvoll. Wir können riesige Bioreaktoren (die großen Edelstahlbehälter) mit Nährlösung und Bakterien befüllen und sie wachsen bei optimaler Temperatur (und Sauerstoff) munter vor sich hin.
Wir können das Wachstum und letztlich die Produktion der Stoffe zielgerichtet steuern. Bekommen wir das gut hin, ist die Ausbeute unseres Produktes am Ende gut. Zudem müssen wir nicht darauf warten, dass sie verfügbar sind. Bei Pflanzen müssten wir darauf warten, dass sie (langsam) vor sich hin wachsen, um genügend Produkt zu bekommen. Bei Bakterien hingegen reicht eine kleine Anfangsmenge und es werden viele aus ihnen.
Ein weiterer großer Vorteil: Wir brauchen keine gefährlichen Ausgangschemikalien, um dann ungefährlich Produkte herzustellen. Im Gegenteil: Wir bringen die Information ins Bakterium und sie übernehmen die Arbeit.
Was notwendig ist: moderate Temperaturen, normaler Druck, Sauerstoff und ungiftige Substanzen.
Wie produzieren Bakterien unsere Produkte?
Im Prinzip ist es ziemlich einfach: Wir geben unseren Laborbakterien den Bauplan für unser Produkt. Damit sie damit etwas anfangen können, muss diese Information in ihrer DNA eingebaut sein. Hier kommt die Gentechnik ins Spiel, denn mit ihr ist genau dies möglich.
Im Falle von Insulin wurde der Bauplan von Insulin in die DNA von Bakterien eingebracht (die natürlich im Labor leben und bleiben). Diese Information ist mit einer Art „Startsignal“ gekoppelt. Aktivieren wir dieses Signal, bilden diese Bakterien unser Produkt.
Im einfachsten Fall befindet sich unser Produkt in der Kultivierungslösung, also der „Suppe“, in der die harmlosen Bakterien schwimmen. In der Aufreinigung danach kann die Kultivierungslösung mit Produkt dann von den Bakterien und allem Unnötigen getrennt werden. Anschließend wird die Kultivierungslösung so lang gereinigt, bis das Produkt ultrasauber vorhanden ist.
Dieses Produkt wird dann entweder weiterverarbeitet (also beispielsweise in Kapseln „eingepackt“) oder so wie es ist verwendet. Das kommt darauf an, wofür das Produkt eingesetzt wird.
3 Beispiele für die rote Biotechnologie mit Bakterien
Nutraceuticals
Nutraceuticals, das sind Substanzen, die nach Aufnahme durch den Menschen die Gesundheit und das Wohlbefinden steigern sollen. Die Substanzen können dabei kultiviert, chemisch hergestellt oder aus Pflanzen extrahiert worden sein. Die Menge der aktiven Substanz ist gering.
Wir müssen Nutraceuticals aber von Nahrungsmitteln unterscheiden, die mit Vitaminen, Proteinen oder Kohlenhydraten angereichert sind. Dazu würden pflanzliche Drinks zählen, denen Vitamine zugesetzt werden. Das sind aber keine Nutraceuticals.
Der Begriff der Nutraceuticals ist nicht geschützt und geht auf Stephen DeFelice 1989 zurück. Allgemein könnte wir sagen, dass wir darunter Nahrungsergänzungsmittel verstehen, die unser Wohlbefinden steigern sollen. Darunter fallen aber auch natürliche Substanzen, die nachweislich positive Einflüsse auf unsere Gesundheit haben (zum Beispiel Polyphenole in Kaffee oder schwarzem Tee).
Die für mich wichtigste Anwendung ist die Behandlung von Mangelernährungen.
Was aber macht Nutraceuticals so attraktiv? Sie können Fettsäuren, Aminosäuren, Ballaststoffe oder Kohlenhydrate enthalten, die entzündungshemmend oder antibakteriell wirken. Einige zeigen eine antioxidative Wirkung, fangen also freie Radikale ab.
Und was hat das alles jetzt mit Bakterien zu tun?
Eine Quelle, um diese Inhaltsstoffe zu gewinnen, sind Bakterien. Mit ihrer Hilfe werden beispielsweise Aminosäuren produziert. Die Bakterien, die für die Produktion eingesetzt werden, wurden optimiert. Damit mit wenigen Bakterien viel Produkt hergestellt werden kann.
Dafür werden oft natürliche Stoffwechselwege genutzt, die in Bakterien schon vorhanden sind. Im Labor können diese Bakterien dann optimiert und der Stoffwechselweg verbessert werden. Dafür sind ein paar Veränderungen in der DNA notwendig und ist mithilfe der Gentechnik realisierbar.
Literatur:
Impfstoffe gegen Cholera
Cholera ist eine ernst zu nehmende Durchfallerkrankung. Der Übeltäter ist das Bakterium Vibrio cholerae. Besonders in Entwicklungsländern ist Cholera eine weit verbreitete und schwere Erkrankung, besonders bei Kindern, die jünger als 5 Jahre sind.
Warum braucht es neue Cholera-Impfstoffe?
Bisherigen Impfungen gegen Cholera enthalten abgetötete Bakterien. Die Impfungen wirken, haben aber dennoch Nachteile:
- Die Wirkung bei Kindern ist gering, da sie durch den Impfstoff eine nur geringe Schutzwirkung ausbilden.
- Die Hitze, die dazu genutzt wird, um die Bakterien zu inaktivieren, kann die Erkennungssequenz verändern. Das Problem kann sein, dass unser Körper die inaktivierten Bakterien dann nicht mehr so gut erkennen kann, weil sie eben leicht verändert sind. Eine Schutzwirkung kann schwerer ausgebildet werden.
- In den bisherigen Cholera-Impfungen fehlen wichtige Proteine, die aber bei einer Infektion im Menschen vorhanden sind. Im Impfstoff sind sie nicht vorhanden. Unser Körper kann dadurch keine Antikörper gegen sie bilden – die Schutzwirkung ist geringer.
- Allgemein ist die Schutzwirkung erst nach 2 Impfdosen vorhanden und auch erst nach mindestens einer Woche Inkubationszeit. Während einer akuten Infektion mit Cholera können die Impfstoffe also kaum eingesetzt werden.
Wie kann die rote Biotechnologie helfen?
Um aber die Wirksamkeit gerade bei Kindern zu erhöhen, werden neue Wege mit der roten Biotechnologie gegangen. Wie kann das aussehen?
Für Cholera werden sogenannte konjugierte Impfstoffe gegen Cholera entwickelt. Konjugierte Impfstoffe werden auch Vektorimpfstoffe genannt. Das heißt, dass die Substanz, die vom Körper erkannt werden soll (das Antigen) in einer Fähre, dem Vektor, verpackt wird.
Bei der Cholera-Impfung sieht das so aus: Von Vibrio cholerae wird ein Bestandteil der Lipopolysaccharidschicht (LPS) genutzt, das unser Körper als Fremd erkennt. Daraufhin produziert unser Körper Antikörper.
Um dieses LPS (das Antigen) als Impfstoff in den Körper zu bekommen, wird es an einen Vektor (die Fähre) angehängt. Mit diesen konjugierten Impfstoffen soll auch bei Kindern eine starke Immunantwort möglich sein.
Für diesen Impfstoff werden also Bakterien nicht als Fabrik genutzt, sondern ein Bestandteil des Übeltäters, um den Körper zu sensibilisieren. Damit das möglich ist, werden die beiden biologischen Komponenten mit einer zugrundeliegenden Technik verknüpft und der Impfstoff hergestellt.
Literatur:
Sit et al. (2022), Annual Reviews – Emerging concepts in cholera vaccine design
Kenworthy et al. (2021), MDPI – Cholera Toxin as a probe for membrane biology
Blutgerinnungsfaktor VIII
Wenn wir uns verletzen und die Wunde blutet, leistet unser Körper grandioses: Funktioniert alles, ist innerhalb weniger Minuten die Wunde mit einem ersten „Kleber“ verschlossen.
Dahinter steckt eine gut funktionierende Kette aus verschiedenen Substanzen (Gerinnungskaskade), die Hand in Hand zusammenarbeiten. Ein bisschen kannst du dir das wie eine „Eimerkette“ vorstellen: mit mehreren Menschen in Reihe klappt der Transport von Gegenständen um einiges schneller und leichter.
Was aber, wenn ein Glied ausfällt? Bei unserer Blutgerinnung kommt es zu Blutungsstörungen. Betroffene bluten dann leichter oder viel länger, was gerade bei großen Wunden problematisch bis lebensgefährlich ist.
Früher konnte den Patienten mit Blutungsstörungen, bei denen beispielsweise der Faktor VIII der Gerinnungskaskade fehlt, mit Blutplasma von Spendern geholfen werden. Ein großer Nachteil dessen ist aber, dass viel Plasma notwendig ist. Auch müssen die Spender regelmäßig zum Spenden erscheinen. Ziemlich unbefriedigend.
Alternative Herstellung mit Bakterien
Um den fehlenden Gerinnungsfaktor VIII für Patienten herzustellen, wurden früher Bakterien genutzt. So konnte der Faktor VIII im Labor hergestellt und anschließend gereinigt werden (so, wie wir es weiter oben schon betrachtet haben). Der Vorteil: Mehr vom Produkt kann in kürzerer Zeit zuverlässiger hergestellt werden.
Was früher die Bakterien waren, sind heute die Säugetierzellen. Faktor VIII wird auf diese Weise viel genauer so produziert, wie es auch unser Körper machen kann. Da Bakterien Prokaryoten sind, fehlen ihnen Kniffe, um Proteine zu bearbeiten, nachdem sie in der Zelle hergestellt wurden. Diese Unterschiede können zu Nebenwirkungen im Menschen führen.
Rote Biotechnologie und das Mikrobiom
Können wir die rote Biotechnologie auch nutzen, um unserem Mikrobiom etwas Gutes zu tun? Ja! Die Antwort sind hier die lebenden, biotherapeutischen Produkte.
Im Prinzip sind sie uns schon begegnet: die Next-generation Probiotika. Wir verstehen darunter biologische Produkte, die genutzt werden, um einer Krankheit vorzubeugen oder sie zu behandeln. Sie sind aber keine Impfungen. Sie können also als Therapie oder als „Add-on“ zu bestehenden Behandlungen genutzt werden.
Nun kommen dir vielleicht Probiotika in den Sinn, also gute, unveränderte Bakterien, die unsere Darmflora schützen und natürlicherweise in der Nahrung vorkommen.
Sagen wir es so: Lebende, biotherapeutische Produkte sind ihnen ähnlich, haben aber Unterschiede:
- lebende therapeutische Produkte stehen nicht mit Nahrung in Verbindung – sie werden nicht aus ihr gewonnen oder mit der Nahrung verabreicht
- der Weg in den Markt benötigt eine klinische Studie
Dass wir von den lebenden therapeutischen Produkte wissen, verdanken wir der Mikrobiom-Forschung. Denn diese hat die Superstars der guten Darmbakterien ausfindig gemacht. Es sind die Bakterien, die, wenn sie in unserer Darmflora vorhanden sind, mit Gesundheit verbunden sind.
Diese Superstars können – unverändert oder verändert – als Medikament zur gezielten Behandlung eingesetzt werden. Der (positive) Effekt dieser Behandlung ist nachweisbar und durch Studien belegt. Eine weitere Idee ist, diese Bakterien als Vehikel zu nutzen, um eine Substanz zur Behandlung in den Körper zu transportieren.
Hier wären die Bakterien dann nicht die Erkennungsstruktur, sondern der Überbringer der guten Nachricht.
Allerdings: Diese Ansätze stecken noch in den Kinderschuhen. Bis heute ist noch kein Medikament mit den Superstars der Darmbakterien vorhanden, um Erkrankungen zu behandeln, die mit einem veränderten Mikrobiom verknüpft sind.
Probleme sind bisher, dass diese Superstars gänzlich ohne Sauerstoff leben. Sauerstoff, egal in welcher Form und in welchem Produktionsschritt, würde diese guten Bakterien absterben lassen. Dieser Umstand erschwert derzeit die Produktion und auch die Reinigung des Produktes danach immens.
Mit der roten Biotechnologie dem Menschen helfen
Ich liebe es, was in diesem Bereich möglich ist! Wie wir Bakterien, Pflanzen und Zellen nutzen können, um Krankheiten zu behandeln oder gar zu heilen. Und wir damit auch noch Tierversuche unnötig machen können.
Alles fing quasi damit an, dass wir Bakterien nutzten, damit diese für uns Stoffe herstellen. Wir geben den Bakterien die Information dazu und sie produzieren dann für uns den gewünschten Stoff. Auf diese Weise wird Insulin produziert und macht damit die Bauchspeicheldrüsen so vieler Schweine unnötig.
Die rote Biotechnologie aber „nur“ darauf zu beschränken, würde ihr nicht gerecht werden. Mittlerweile gibt es so viele unterschiedliche Anwendungen, Produkte und Verfahren. Wenn wir hier mal einen Blick über die Welt der Bakterien hinaus wagen, dann sind viele Produkte dieser Branche Antikörper, um Krankheiten wie beispielsweise Brustkrebs zu behandeln.
Dem Menschen auf diese Weise helfen, war damals mein Beweggrund in die rote Biotechnologie zu gehen. Die Anwendungen und wie wir Menschen in Zukunft mit dieser Forschung und Entwicklung gezielt helfen können, ist einfach eine unglaublich zufriedenstellende Arbeit.
Auch wenn Bakterien in den letzten Jahren immer mehr von den Säugetierzellen im Labor verdrängt werden, so waren Bakterien oft Wegbereiter für heutige Technologien der roten Biotechnologie. Vergessen sind sie aber nicht, denn sie werden definitiv sehr erfolgreich in anderen Bereichen der Biotechnologie eingesetzt, um Geschmacks- und Geruchsstoffe zu produzieren, Abwasser zu reinigen oder Enzyme für Waschmittel zu bilden.
Ein Hoch auf unsere Bakterien!
Mit diesem Beitrag geht die „Biotechnologie-Reihe“ zu Ende. Natürlich ist meine große Hoffnung, dass unsere lieben kleinen Bakterien eine andere Facette erhalten. Nicht nur Problem-Verursacher, sondern auch Problem-Löser.
Zum Abschluss möchte ich dir daher gern diese Frage stellen:
Was nimmst du für dich ganz persönlich aus der Biotechnologie-Reihe mit? Wo hättest du gern noch mehr erfahren oder möchtest es in Zukunft?
Schreibs mir in die Kommentare 🙂 Dein Feedback und Ideen sind Gold wert.
Alles Liebe
Isabell
