5 unglaubliche Erfindungen aus der synthetischen Biologie, die die Welt verändern könnten

Seit Herbert Boyer im Jahr 1978 erfolgreich bewiesen hat, dass menschliches Insulin auch mit Bakterien hergestellt werden kann, die mit neu kombinierter DNA ausgestattet wurden, hat sich im Bereich Biotech sehr viel getan. Die bahnbrechende Technologie rückte ein wenig bekanntes Unternehmen namens Genentech ins Rampenlicht und veränderte die Welt für immer. Genentech wurde 2009 für 46,8 Milliarden US-Dollar an Roche verkauft. Der Bereich ‘Biotech-Pflanzen, Biochemikalien und Medikamente’ generierte in Amerika im Jahr 2012 geschätzte 324 Milliarden US-Dollar. Millionen von Menschen sind täglich auf Insulin und andere biologische Medikamente angewiesen.

Man könnte argumentieren, dass die rekombinante DNA der erste Heilige Gral des Biotech-Bereichs war. Inzwischen gibt es mehrere andere. Tatsächlich kam vor Kurzem eine Technologien mit dem Namen CRISPR heraus, die das Biotech-Ökosystem gründlich auf den Kopf gestellt hat. Wenn wir einmal die rechtlichen Aspekte beiseite lassen, dann verspricht CRISPR synthetische Biologie, die mehrere Dinge hervorbringen könnte, die wirklich die Welt verändern könnten. Einige davon sind realistischer als du vielleicht glaubst.

1. Sauberes Fleisch

Der Mensch züchtet jedes Jahr Milliarden von Tieren. Die sind müssen untergebracht, gefüttert und geschlachtet werden. Das geschieht meistens, um Nahrungsmittel aus ihnen herzustellen. Tatsächlich zählen neun US-amerikanische Staaten mehr Rinder als Menschen. Weltweit gesehen ist die Viehwirtschaft einer der größten (wenn nicht der größte) Produzenten von Treibhausgasen, einer der größten Antibiotika-Konsumenten, Landnutzern und Umweltverschmutzern der Erde. Doch die Tiere liefern Lebensmittel, ohne die der Mensch nicht leben möchte.. Daher haben wir meistens mit den Achseln gezuckt und den Status Quo der industriellen Landwirtschaft einfach so beibehalten.

Biotech will das ändern, indem dasselbe (oder besseres) Essen ohne Tiere produziert wird. Es gibt verschiedene Arten von tierversuchsfreien Technologien, die gerade entwickelt werden und die großes Potenzial haben, sauberes Fleisch herzustellen. Dabei werden tierische Zellen in Bioreaktoren gezüchtet, um Fleisch verschiedener Tiere herzustellen. Dabei werden 90 % des Energiebedarfs, der Antibiotika, der Treibhausgase und der Landnutzung eingespart.

Wenn die saubere Fleischproduktion erst optimiert ist, könnten wir möglicherweise Lebensmittel herstellen, die mit denen von Tieren identisch sind. Der einzige Unterschied besteht darin, dass wir anstatt über den Umweg Kuh die gleichen Zellen in kontrollierter Umgebung in Masse produzieren können. Das klingt vielleicht unmöglich oder unwahrscheinlich, die Technologie macht aber schnell Fortschritte. Selbst 1 % eines milliardenschweren Marktes wäre immer noch eine Menge Geld.

Es wurde eine Reihe von Start-ups gegründet, um die erforderliche Technologie zu entwickeln. Große Namen unterstützen sie jetzt schon. Tyson Foods (WKN:870625), der größte Viehzüchter der USA mit Marktanteilen von 21 % für Geflügel, 24 % für Rindfleisch und 18 % für Schweinefleisch, hat einen Risikokapitalfonds gebildet, um die Innovation in diesem Bereich zu beschleunigen. Das würde auch dem Unternehmen helfen, indem es sich an die neuen Gegebenheiten anpasst, anstatt an der alten Technologie festzuhalten, die sich bald überholt sein könnte.

2. Stickstoffanlagen

Der 80 Milliarden schwere globale Markt für synthetische Stickstoffdünger, auf den 3 % der globalen Treibhausgasemissionen entfallen, existiert nur, weil die meisten landwirtschaftlich genutzten Pflanzen nicht in der Lage sind, genug natürliche Stickstoffformen zu erlangen. Vielmehr sind die meisten Pflanzen vollständig auf stickstoffbindende Bodenmikroben angewiesen, die auf und in der Nähe ihrer Wurzelsysteme leben, um essentielle Nährstoffe zu erhalten.

Dass Pflanzen faul sind, wenn es darum geht, Stickstoff aufzunehmen, ist für landwirtschaftliche Unternehmen nichts Neues. Vor Jahren haben Monsanto und Novozymes 600 Millionen US-Dollar ausgegeben und die BioAg-Allianz gegründet. Die ersten Produkte dieser Allianz sind Pflanzensamen, die mit supereffizienten stickstofffixierenden Bodenmikroben umhüllt sind, die den Stickstoffdüngerbedarf reduzieren und gleichzeitig einen Wachstumsschub geben. Betrachte es als probiotisch, aber für Pflanzen.

Frühe Feldversuche erzielten zweistellige Ertragssteigerungen, obwohl die ersten Produkte, die den Landwirten heute zur Verfügung stehen, mittlere bis hohe einstellige Ertragsvorteile gegenüber herkömmlichen Kulturen bieten. Bayer und das führende Start-up Ginkgo Bioworks haben kürzlich dafür ein Joint Venture gegründet. Wenn diese Bemühungen erfolgreich sein sollten, könnte das schnell zum Alltag in der Landwirtschaft werden – das werden die Hersteller von Düngemitteln nicht gerne sehen.

3. Gasvergärung

Die industrielle Fermentation nutzt eine Mikrobe (Bakterien, Hefen oder Algen) als Katalysator, um eine Kohlenstoffquelle (den Ausgangsstoff) in eine wertvollere Chemikalie oder ein wertvolleres Material umzuwandeln. Der Rohstoff ist normalerweise ein Zucker, der aus Mais oder Zuckerrohr gewonnen wird.

Daher ist es nur natürlich, dass man die Gärung als eine Art Ausgangsstoff betrachtet. Aber Zucker ist nicht die einzige Kohlenstoffquelle. Einige der ersten Lebensformen auf der Erde haben sich sogar ganz anders ernährt – mit Gasen.

Wenn der Mensch die Gasvergärung durch wirtschaftlich sinnvolle Technologien nutzbar machen könnte, dann wäre das ein echter Fortschritt. Warum? Die Gasvergärung – bzw. die Verwendung von Mikroben, um Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Methan effizient aufzufressen und Chemikalien zu produzieren, die als zusätzliche Einnahmequelle verkauft werden könnten – könnte eine der günstigsten Möglichkeiten sein, um die Emissionen industrieller Prozesse zu reduzieren.

Mehrere Unternehmen stellen sich dieser Herausforderung. LanzaTech hat sich mit mehreren Stahlwerken in Asien zusammengeschlossen, um Emissionen aus der Stahlerzeugung einzufangen, die Gase in Gärtanks als Nahrung für technische Mikroben zu nutzen und kostengünstiges Ethanol und andere Chemikalien herzustellen. Wenn die Technologie tragfähig wird, könnte sie für  die Investoren ein sehr wichtiges Kriterium werden, insbesondere wenn weltweit die CO2-Emissionen reguliert werden.

Calysta und Cargill arbeiten unterdessen daran, Methan aus Erdgas anstelle industrieller Emissionen für den Eiweißanbau in Fischfuttermitteln zu nutzen. Intrexon (WKN:A1W3NE) macht dasselbe, um Chemikalien und Kraftstoffmischungen herzustellen, obwohl diese auch auf traditionelle und günstige Art hergestellt werden können.

Bei der Kommerzialisierung der Gasvergärung gibt es große Hindernisse, die darauf hinweisen, dass die Nutzung (freier) Abgase aus Emissionen der einzig gangbare Weg sein könnte. Wenn die Industrie aber einen Weg findet, dann könnte unsere Welt ganz anders aussehen.

4. Genetische Impfungen

Die Entwicklung des ersten Impfstoffs (1796) führte zu unglaublichen Fortschritten im Gesundheitswesen, von denen wir heute noch profitieren. Dank Impfstoffen haben wir mehr als ein Dutzend Krankheiten, die vorher jedes Jahr Millionen Menschen das Leben gekostet haben, praktisch ausgerottet. Ende des 21. Jahrhunderts werden wir damit wahrscheinlich die nächste Ebene erreichen.

Obwohl sie sich heute noch in den frühesten Entwicklungsstadien befinden, sollten Gen-Editing-Technologien wie CRISPR es uns erlauben, Genmutationen, die eine Vielzahl von Erbkrankheiten verursachen, buchstäblich auszurotten. Die ersten vorgeschlagenen Behandlungen, von denen einige kurz davor sind, klinisch getestet zu werden, zielen auf seltene Krankheiten mit “einfachen” genetischen Variationen ab, die durch eine einzige Mutation verursacht werden wie z. B. Friedreichs Ataxie oder die Sichelzellenanämie

Diese Therapien sollen den Weg für die genetische Impfung gegen komplexe Krankheiten ebnen. Auf dem Papier wird es möglich sein, genetische Mutationen in menschlichen Embryonen zu korrigieren, die verschiedene Krebsarten, Typ-2-Diabetes, Herzerkrankungen und andere Krankheiten verursachen. Diese genetischen Impfstoffe mögen heute umstritten klingen, doch ethische Diskussionen entwickeln sich mit der Zeit und der Technologie. Bis zum Ende dieses Jahrhunderts erwarte ich, dass genetische Impfungen so selbstverständlich sein werden wie heute herkömmliche Impfungen.

5. Selbstreplizierende zellfreie Systeme

Synthetische Biologen bezeichnen Zellen oft als Mikrofabriken. Stoffwechselvorgänge sind Fließbänder und Enzyme die Roboterhände, die die Produktion am Laufen halten. Wir führen Zucker in die Mikrofabrik ein und es kommt ein chemisches Spezialprodukt heraus. Es ist zwar eine passende Metapher, aber Mikrofabriken haben auch ihre Grenzen.

Beispielsweise wird viel Energie in Prozesse investiert, die nicht direkt mit der Herstellung der gewünschten Chemikalie zusammenhängen. Die Zellen müssen sich teilen, sich verteidigen und andere lebensnotwendige Prozesse durchführen. Wir akzeptieren diese Einschränkungen, weil die Zellen einen unglaublichen Vorteil gegenüber herkömmlichen chemischen Prozessen bieten: sie reproduzieren sich selbst. Wenn man eine Mikrofabrik hat, dann kann man sie aber dazu überreden, Milliarden und Abermilliarden von Kopien von sich selbst zu machen.

Einige Wissenschaftler wollen aber noch weiter gehen. Was wäre, wenn wir nur das Fließband und die Roboterhände, die direkt mit der jeweiligen Aufgabe zu tun haben, isolieren könnten, um die Effizienz und Ausbeute bei geringerem Platzbedarf zu steigern? Diese Technologie wird als zellfrei bezeichnet. Obwohl diese Systeme heutzutage als Forschungs- und Entwicklungswerkzeug Wellen schlagen, sind sie schwierig zu erstellen, zu warten und reproduzieren sich nicht von selbst. Daher sind sie für die Produktion noch nicht bereit, obwohl mehrere Labors versuchen, diese Nachteile zu beheben.

Wenn sie Erfolg haben, dann wird unsere Welt anders aussehen. Auf dem Papier würde uns ein selbstreplizierendes, zellfreies System, das für die Herstellung konzipiert wurde, die Herstellung von nachwachsenden Chemikalien zu unvorstellbar geringen Kosten und in riesigen Mengen ermöglichen. Es könnte die einzige Möglichkeit sein, erneuerbare Kraftstoffe zu wettbewerbsfähigen Kosten herzustellen. Das erklärt auch das Interesse des amerikanischen Energieministeriums. Es könnte auch für die Herstellung von Nahrungsmitteln und Materialien auf dem Mars sehr nützlich sein.

Die Technologie selbst liegt noch zehn Jahre in der Zukunft, könnte aber ein wichtiges Werkzeug für industrielle Biotech-Firmen werden, die sich heute auf mikrobielle Zellen verlassen müssen. Mehrere Unternehmen spielen gerade mit dieser Technologie, doch es benötigt noch viele Fortschritte, bevor diese Technologie Realität werden kann.

Was bedeutet das für die Investoren?

Biologie als Technologie hat die menschliche Zivilisation mit allem versorgt, was wir brauchen – von Lebensmitteln über Bier und T-Shirts bis hin zu modernen Pharmazeutika. Das Tempo des Fortschrittes beschleunigt sich aber weiter. CRISPR hat sich in den letzten zehn Jahren zu einem System entwickelt, das heute bereits in mehreren Produkten auf dem Markt eingesetzt wird, während das Ökosystem der Technologie immer stärker wird. Das wird als positive Feedbackschleife dienen, die es Start-ups ermöglicht, schneller mehr Fortschritte zu erzielen.

Es deutet auch vieles darauf hin, dass wir in Zukunft mehrere dieser interessanten Technologien erleben könnten. Das könnte große Auswirkungen auf mehrere milliardenschwere Märkte haben. Dazu gehören Fleischproduktion, synthetische Düngemittel und Chemikalien. Die Unternehmen, die diese bahnbrechenden Entwicklungen einleiten, könnten den Investoren, die risikobereit sind, mit hohen Renditen belohnen. Einige werden noch nicht öffentlich gehandelt, doch wenn sie an die Börse gehen, wäre es vielleicht gut, darauf vorbereitet zu sein.