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Biodiversität

Industrielle Nutzung mikrobieller Ökosysteme

Abb.1
Ölverschmutzung im Meer - ein großes Umweltproblem
JNCC (2000)

Trotz der enormen Bedeutung der Mikroorganismen für den Menschen und seiner Ernährung sind die meisten mikrobiellen Arten heute noch unbekannt, denn - so vermuten Wissenschaftler - nur die wenigsten Arten lassen sich überhaupt kultivieren. Die Vielfalt dieser Kleinstlebewesen und ihrer Stoffwechselleistungen übertrifft die der Pflanzen und Tiere bei Weitem. Besonderes Augenmerk gilt dabei Bakterien aus Schadstoff-belasteten Lebensräumen. Bei der Untersuchung derartiger Mikro-Ökosysteme stoßen Wissenschaftler immer wieder auf unbekannte Bakterien mit Schadstoff-abbauenden Fähigkeiten, so z.B. das marine Bakterium Alcanivorax borkumensis, das ausschließlich Kohlenwasserstoffe (C5 bis C30; u.a. Erdöl) als Energiequelle zum Wachstum nutzen kann und damit als wichtigstes Erdöl-abbauendes Bakterium für die biologische Sanierung Kohlenwasserstoff-kontaminierter mariner Lebensräume gilt.

Andere Bakterien wiederum sind in der Lage, organische Schadstoffe wie polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe oder Mineralölkontaminationen aus stark belasteten Böden oder belastetem Grundwasser zu entfernen. Solche Gemeinschaften lassen sich dann für Sanierungszwecke gezielt einsetzen, sofern die speziellen Bedürfnisse dieser Bakterien im Hinblick auf Bodendurchlüftung, den pH-Wert des Bodens oder spezielle Nährstoffanforderungen erfüllt werden können.

Mikroorganismen als Produzenten von pharmazeutischen Wirkstoffen

Mikroorganismen synthetisieren eine ganze Reihe interessanter Metaboliten wie z.B. Antibiotika zur Abwehr von Fressfeinden oder Konkurrenten, die bereits in geringer Konzentration wachstumshemmend oder abtötend auf andere Bakterien oder Pilze wirken. Die Geschichte der Antibiotika begann 1928 mit der Entdeckung des Penicillins durch Alexander Fleming und revolutionierte die bis dahin äußerst schwierige Behandlung bakterieller Infektionskrankheiten. Heute sind unzählige Antibiotika und ihre chemischen Derivate erhältlich, die zumeist äußerst wirksam und für den Menschen gut verträglich sind. Detailliertere Informationen zu den Antibiotika und ihrer Wirkungsweise können Sie in der Lerneinheit Antibiotika nachlesen.

Abb.2
Grundstruktur der Epothilone

Epothilon A: R= H; Epothilon B: R = CH3

Von großem Interesse sind auch die Myxobakterien, eine Gruppe von vorwiegend im Boden lebenden und sehr schwer zu isolierenden Bakterien, die zahlreiche neuartige Wirkstoffe produzieren. Aus Myxobakterien wurde beispielsweise das Antibiotikum Sorangicin sowie Soraphen A, ein Hemmstoff des Pilzwachstums, isoliert. Epothilone mit einer 30igfach größeren Wirksamkeit gegen Tumore als das Paclitaxel aus der Eibe stammen aus Sorangium cellulosum. Der Pharmakonzern Bristol-Meyers-Squibb erhielt im Oktober 2007 die US-Zulassung für das erste Brustkrebsmedikament auf Epothilon-Basis.

Mikroorganismen als Mini-Fabriken

Abb.3
Zellkultur im kleinen Fermenter
Institut für Technische Chemie, Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover

Bakterien, Pilze und Hefen, aber auch tierische oder pflanzliche Zellkulturen lassen sich für die biotechnologische Produktion von rekombinanten Proteinen im Fermenter einsetzen. Dabei werden zunächst die entsprechenden Gene aus anderen Organismen in die Wirtszelle eingeschleust (kloniert), die nun das fremde Protein in großen Mengen synthetisiert. Auf diese Art und Weise werden zahlreichen Antibiotika und pharmazeutisch relevante Proteine wie Insulin oder Antikörper in großen Fermenteranlagen industriell gefertigt.

Andere Anwendungsgebiete für Mikroorganismen sind genetisch optimierte Stämme, die für die Synthese von Aroma-, Duft- und Farbstoffen oder Enzymen wie Amylasen, Lipasen oder Proteasen (chemische Industrie, Waschmittelproduktion, Lebensmittelindustrie) eingesetzt werden. Auch die schon seit vielen hundert Jahren verwendeten Hefekulturen zur Wein-, Bier- und Brotherstellung, Edelschimmelpilze oder die bakteriellen Sauermilchkulturen für Joghurt, Käse, Quark oder Kefir zählen zu den "Minifabriken".

Ganz neue industrielle Anwendungsmöglichkeiten eröffneten sich mit der Entdeckung von thermophilen Bakterien und Archaea, die an Standorten wie heißen Schwefelquellen oder in Salzseen vorkommen. Diese extremophilen Mikroorganismen besitzen eine ganze Reihe von ungewöhnlich stabilen Enzymen (auch Extremozyme genannt), die noch bei sehr hohen Temperaturen, in Lösungen mit hohen Salzkonzentrationen, bei extremen pH-Werten oder bei hohem Druck aktiv sind. Eine hitzestabile Protease aus Thermoanaerobacter keratinophilus wird beispielsweise in der Wollveredlung eingesetzt, Cellulasen in Color-Waschmitteln frischen die Farbe auf oder werden zum "Biostoning" von Jeansstoffen verwendet, und ohne das hitzestabile Enzym DNA-Polymerase aus dem Bakterium Thermus aquaticus wären moderne molekularbiologische Methoden wie die PCR nicht möglich.

Übersicht: Einige industriell hergestellte Enzyme

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