Zehntausende von Jahren verließen sich die Menschen darauf, dass die Natur sie mit allem versorgte, was sie brauchten, um es sich bequem zu machen. Sie webten Kleidung und Stoffe aus Wolle, Baumwolle oder Seide und färbten sie mit Farben, die von Pflanzen und Tieren stammten. Bäume lieferten das Material für den Bau von Häusern, Möbeln und Einrichtungsgegenständen. Jahrhunderts änderte sich dies alles, als die organische Chemie Methoden entwickelte, um viele dieser Produkte aus Erdöl herzustellen. Aus Erdöl gewonnene synthetische Polymere, die mit künstlichen Farbstoffen gefärbt wurden, ersetzten bald die Naturfasern in Kleidung und Stoffen. Kunststoffe ersetzten rasch Holz und Metalle in vielen Konsumgütern, Gebäuden und Möbeln. Die Biologie könnte sich jedoch bald an diesen synthetischen, erdölbasierten Konsumgütern rächen. Strengere Umweltvorschriften und die wachsende Menge nicht abbaubarer Kunststoffe in Deponien machen biologisch abbaubare Produkte wieder attraktiv. Die wachsende Besorgnis über die Abhängigkeit von Erdölimporten, insbesondere in den USA, und das Bewusstsein, dass die Erdölvorräte der Welt nicht unbegrenzt sind, sind weitere Faktoren, die die chemische und biotechnologische Industrie dazu veranlassen, den Reichtum der Natur zu erforschen, um nach Methoden zu suchen, die synthetische Produkte auf Erdölbasis ersetzen.

Ein ganzer Zweig der Biotechnologie, die so genannte „weiße Biotechnologie“, widmet sich diesem Thema. Sie nutzt lebende Zellen – aus Hefe, Schimmelpilzen, Bakterien und Pflanzen – sowie Enzyme, um Produkte zu synthetisieren, die leicht abbaubar sind, weniger Energie benötigen und bei ihrer Herstellung weniger Abfall erzeugen. Dies ist keine neue Entwicklung: Die Biotechnologie leistet schon seit einiger Zeit einen Beitrag zu industriellen Prozessen. Seit Jahrzehnten werden bakterielle Enzyme in der Lebensmittelherstellung und als Wirkstoffe in Waschmitteln eingesetzt, um die Menge an künstlichen Tensiden zu reduzieren. Transgene Escherichiacoli werden zur Herstellung von Humaninsulin in großen Fermentationsbecken verwendet, und das erste rational entwickelte Enzym, das in Waschmitteln zum Abbau von Fett verwendet wird, wurde bereits 1988 eingeführt. Die Vorteile der Nutzung natürlicher Prozesse und Produkte sind vielfältig: Sie sind nicht auf fossile Ressourcen angewiesen, sind energieeffizienter und ihre Substrate und Abfälle sind biologisch abbaubar, was alles dazu beiträgt, ihre Umweltauswirkungen zu verringern. Durch den Einsatz alternativer Substrate und Energiequellen bringt die weiße Biotechnologie bereits zahlreiche Innovationen in der Chemie-, Textil-, Lebensmittel-, Verpackungs- und Gesundheitsindustrie hervor. Es ist daher nicht verwunderlich, dass sich Wissenschaft, Industrie und Politik zunehmend für diese neue Technologie, ihre Wirtschaftlichkeit und ihren Beitrag zu einer gesunden Umwelt interessieren, was sie zu einer glaubwürdigen Methode für eine nachhaltige Entwicklung machen könnte.

Eines der ersten Ziele auf der Agenda der weißen Biotechnologie war die Herstellung von biologisch abbaubaren Kunststoffen. In den letzten 20 Jahren konzentrierten sich diese Bemühungen vor allem auf Polyester aus 3-Hydroxysäuren (PHA), die auf natürliche Weise von einer Vielzahl von Bakterien als Energiereserve und Kohlenstoffquelle synthetisiert werden. Diese Verbindungen haben ähnliche Eigenschaften wie synthetische Thermoplaste und Elastomere von Propylen bis Kautschuk, werden aber von Bakterien im Boden oder Wasser vollständig und schnell abgebaut. Das am häufigsten vorkommende PHA ist Poly(3-hydroxybutyrat) (PHB), das von Bakterien aus Acetyl-CoA synthetisiert wird. Das Bakterium Ralstonia eutropha, das auf Glukose wächst, kann bis zu 85 % seines Trockengewichts an PHB ansammeln, was diesen Mikroorganismus zu einer Miniatur-Biokunststofffabrik macht.

Ein großes Hindernis für die Kommerzialisierung solcher bakterieller Kunststoffe waren schon immer ihre Kosten, denn ihre Herstellung ist 5-10 mal teurer als die von Polymeren auf Erdölbasis. Daher wurden große Anstrengungen unternommen, um die Produktionskosten durch die Entwicklung besserer Bakterienstämme zu senken. Vor kurzem wurde jedoch eine potenziell wirtschaftlichere und umweltfreundlichere Alternative entdeckt, nämlich die Modifizierung von Pflanzen zur Synthese von PHA. Eine geringe Menge PHB wurde

, die erstmals in Arabidopsisthaliana hergestellt wurden, nachdem Gene von R. eutropha eingeführt worden waren, die für zwei Enzyme kodieren, die für die Umwandlung von Acetyl-CoA in PHB wesentlich sind (Poirier et al., 1992). Monsanto (St. Louis, MO, USA) hat dieses Verfahren 1999 verbessert. Obwohl diese neue Welle von Polymeren ein enormes Potenzial hat, ist der Zeitpunkt ihrer Entwicklung ungewiss. Nach anfänglichem Enthusiasmus haben Monsanto und AstraZeneca (London, UK) diese Projekte aus Kostengründen aufgegeben. „Die Herstellung von Biopolymeren aus Pflanzen ist eine vielversprechende und faszinierende wissenschaftliche Herausforderung“, sagt Yves Poirier vom Labor für Pflanzenbiotechnologie am Institut für Ökologie der Universität Lausanne in der Schweiz. Seiner Meinung nach zögern die Unternehmen, diese Projekte weiterzuverfolgen, da sie langfristige Investitionen erfordern, die nicht in den finanziellen und zeitlichen Rahmen der Unternehmen passen. „Es müssen noch weitere genetische Veränderungen in die Pflanzen eingebracht werden, um sie zu verbessern“, sagt er, „und wenn diese Pflanzen erst einmal geschaffen sind, erfordern sie im Vergleich zu normalen Pflanzen spezielle Ernte- und Behandlungsprotokolle. All dies bedeutet hohe Investitionen in neue Infrastrukturen und Verarbeitungssysteme sowie einen beträchtlichen Zeitaufwand“. Acht bis zehn Jahre, so seine grobe Schätzung, wird es dauern, bis pflanzlich hergestellte PHAs wirtschaftlich rentabel werden.

Die Pläne zur Herstellung eines T-Shirts aus Maiszucker sind in die gleiche Sackgasse geraten. Dupont (Wilmington, DE, USA), das Unternehmen, das das Nylon erfunden hat, entwickelt seit einigen Jahren ein Polymer auf der Basis von 1,3-Propandiol (PDO), das neue Maßstäbe in Bezug auf Leistung, Elastizität und Weichheit setzt. Die Polymerisationsanlage von Dupont in Decatur, Illinois (USA), hat nun erfolgreich PDO aus Maiszucker, einem nachwachsenden Rohstoff, hergestellt und damit der Produktion eine umweltverträgliche Dimension verliehen. Aber auch wenn ihr auf Mais basierendes Polymer mit dem Namen Sorona® umweltfreundlicher ist und bessere Eigenschaften aufweist, liegt es wieder an den Märkten, es zu einem Erfolg zu machen. „Das Unternehmen plant eine effektive Umstellung von der erdölbasierten Produktion auf die biobasierte“, sagte Ian Hudson, Sorona® Business Director bei Dupont, „aber das wird nur geschehen, wenn der wirtschaftliche Prozess und die Marktnachfrage den Übergang rechtfertigen.“

Cargill Dow (Minnetonka, MN, USA) ist einen Schritt weiter gegangen. Das Unternehmen hat ein innovatives Biopolymer, NatureWorks™, entwickelt, das zur Herstellung von Produkten wie Kleidung, Verpackungen und Büromöbeln verwendet werden kann. Das Polymer wird aus Milchsäure gewonnen, die bei der Fermentation von Maiszucker entsteht. Es wurde bereits erfolgreich auf den Markt gebracht und ist seit kurzem in US-Lebensmittelgeschäften als Behälter für Bio-Lebensmittel erhältlich.

Ein weiteres Produkt, das stark von der innovativen Biotechnologie profitieren könnte, ist Papier. Ein Großteil der Kosten und der beträchtlichen Umweltverschmutzung bei der Papierherstellung wird durch das „Krafting“ verursacht, ein Verfahren zur Entfernung von Lignin aus dem Holzsubstrat. Lignin ist nach der Zellulose das zweithäufigste Polymer in der Natur und verleiht den Pflanzen strukturelle Stabilität. Angesichts der erheblichen wirtschaftlichen Vorteile, die sich daraus ergeben könnten, wurden viele Forschungsanstrengungen unternommen, um die Ligninmenge zu verringern oder die Ligninstruktur in Bäumen zu verändern, ohne ihr Wachstum und ihre strukturelle Integrität zu beeinträchtigen. Genetisch veränderte Bäume mit diesen Eigenschaften gibt es bereits (Hu et al., 1999; Chabannes et al., 2001; Li et al., 2003), aber damit wird sich in nächster Zeit wahrscheinlich kein Geld verdienen lassen. Obwohl die Papierindustrie durch die Senkung der Produktionskosten einen beträchtlichen Gewinn erzielen könnte, wurden bisher keine großen Projekte in dieser Richtung durchgeführt. Alain Boudet, Professor am Zentrum für pflanzliche Biotechnologie der Universität Paul Sabatier (Castanet-Tolosan, Frankreich), sieht zwei große Hindernisse für die Vermarktung von transgenem Holz. „Erstens müssen Bäume mit verändertem Lignin vor einer breiten Anwendung noch mehr Tests über ihre tatsächliche Leistung auf dem Feld außerhalb des Labors durchgeführt werden“, erklärte er. „Zweitens wird es viel schwieriger sein, die Akzeptanz der Öffentlichkeit für neue transgene Organismen und den Vertrieb von daraus hergestellten Produkten zu gewinnen.“

Die weiße Biotechnologie konzentriert sich auch auf die Energiegewinnung aus erneuerbaren Ressourcen und Biomasse. Stärke aus Mais, Kartoffeln, Zuckerrohr und Weizen wird bereits zur Herstellung von Ethanol als Ersatz für Benzin verwendet – das erste Auto von Henry Ford fuhr mit Ethanol. Ein Teil der in Brasilien verkauften Kraftstoffe besteht heute aus reinem Ethanol aus Zuckerrohr, der Rest hat einen Ethanolanteil von 20 %. In den USA sind 10 % aller verkauften Kraftstoffe eine Mischung aus 90 % Benzin und 10 % Ethanol. Laut dem Bericht der Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD) über Biotechnologie und industrielle Nachhaltigkeit aus dem Jahr 2001 gibt es in den USA derzeit 58 Kraftstoffanlagen, die jährlich fast 6 Milliarden Liter Ethanol produzieren.

Die Umwandlung von Stärke in Ethanol ist jedoch weder die ökologisch noch die wirtschaftlich effizienteste Methode, da der Anbau von Pflanzen für die Ethanolproduktion den Einsatz von Herbiziden, Pestiziden, Düngemitteln, Bewässerung und Maschinen erfordert. Unternehmen wie Novozymes (Bagsvaerd, Dänemark), Genencor (PaloAlto, Kalifornien, USA) und Maxygen (Redwood City, Kalifornien, USA) erforschen daher Möglichkeiten, Ethanol speziell aus zellulosehaltigem Material in Holz, Gräsern und, was noch attraktiver ist, landwirtschaftlichen Abfällen zu gewinnen. Ein Großteil ihrer Bemühungen konzentriert sich auf die Entwicklung wirksamerer bakterieller Cellulasen, die landwirtschaftliche Abfälle in Einfachzucker aufspalten können, um ein reichhaltigeres und billigeres Rohsubstrat für die Ethanolproduktion zu schaffen.

Hoffnungsvolle Visionäre haben bereits begonnen, von einer „Kohlenhydrat-Wirtschaft“ zu sprechen, die die alte „Kohlenwasserstoff-Wirtschaft“ ersetzen soll. Doch „Biomasse zu einem effektiven Rohstoff zu machen, ist kein billiger Prozess“, erinnerte Kirsten Stær, Direktorin für Stakeholder-Kommunikation bei Novozymes. Um die Produktion von Biokraftstoff auf kommerzieller Basis in Gang zu bringen, sei neben der Entwicklung neuer Systeme für die Sammlung von Rohstoffen und der Schaffung spezieller Produktionsanlagen auch eine andere Preisgestaltung für Biokraftstoff erforderlich, fügte sie hinzu. „Das Preisgefüge für fossile Brennstoffe ist auf dem Markt durch rechtliche Rahmenbedingungen festgelegt. Wenn die Biokraftstoffproduktion erfolgreich sein soll, müssen politische Maßnahmen ergriffen werden, die beispielsweise Subventionen für die Bioethanolproduktion einführen oder Steuern auf die Produktion fossiler Kraftstoffe erheben“, sagte Stær.

Dies hat J. Craig Venter nicht davon abgehalten, im vergangenen Jahr das Institute for Biological Energy Alternatives (IBEA) in Rockville, Maryland (USA), zu gründen, um sich für die Produktion sauberer Energieformen einzusetzen. Das IBEA erhielt vor kurzem einen Zuschuss in Höhe von 3 Millionen US-Dollar vom US-Energieministerium, um einen künstlichen Mikroorganismus zu entwickeln, der Wasserstoff produziert. Ohne die Gene für die Zuckerbildung, die normalerweise Wasserstoffionen verwenden, könnte dieser Organismus seine gesamte Energie auf die Produktion von überschüssigem Wasserstoff verwenden und im Idealfall zu einem synthetischen Energieerzeuger werden.

Die weiße Biotechnologie könnte auch der Medizin und der Landwirtschaft zugute kommen. VitaminB2 (Riboflavin) zum Beispiel wird häufig in Tierfutter, Lebensmitteln und Kosmetika verwendet

und wird traditionell in einem sechsstufigen chemischen Prozess hergestellt. Bei der BASF (Ludwigshafen, Deutschland) werden jetzt mehr als 1.000 Tonnen Vitamin B2 pro Jahr in einer einzigen Fermentation hergestellt. Durch den Einsatz des Pilzes Ashbya gossypii als Biokatalysator konnte die BASF die Kosten und die Umweltbelastung insgesamt um 40 % senken. In ähnlicher Weise wird Cephalexin, ein gegen gramnegative Bakterien wirksames Antibiotikum, das normalerweise in einer langwierigen zehnstufigen chemischen Synthese hergestellt wird, jetzt in einem kürzeren, auf Fermentation basierenden Prozess bei DSM Life Sciences Products (Heerlen, Niederlande) produziert. Vitamin B2 ist jedoch nur eine einzige Erfolgsgeschichte – andere Vitamine und Medikamente sind mit klassischer organischer Chemie immer noch billiger herzustellen als mit innovativer weißer Biotechnologie.

Dennoch sind die potenziellen Vorteile für die Umwelt durch die Umstellung auf Bio-Rohstoffe und Bioprozesse beträchtlich, meint Wolfgang Jenseit vom Öko-Institut (Freiburg, Deutschland). „Die neuen Bioproduktionsverfahren ersetzen komplexe chemische Reaktionen. Das bedeutet natürlich eine erhebliche Energie- und Wassereinsparung“, erklärt er. Auch die Atmosphäre profitiert davon: Der Kohlenstoff, der für die Herstellung von Bioethanol aus Biomasse benötigt wird, wurde von den Pflanzen aus der Atmosphäre gebunden, so dass die Rückführung des Kohlenstoffs durch die Verbrennung von Ethanol nicht zur globalen Erwärmung beiträgt, so Jenseit. Dies ist sicherlich eine gute Nachricht für die Länder, die sich mit der Ratifizierung des Kyoto-Abkommens zur Begrenzung der Treibhausgasemissionen verpflichtet haben.

Und es wird erwartet, dass die wirtschaftlichen Vorteile folgen werden. Nach Angaben des globalen Beratungsunternehmens McKinsey & Company wird die weiße Biotechnologie im Jahr 2010 bis zu 10-20 % des gesamten Chemiemarktes ausmachen, mit jährlichen Wachstumsraten von 11-22 Milliarden Euro. Es gibt jedoch große Unterschiede in der Art und Weise, wie die weiße Biotechnologie in Europa und den USA gehandhabt wird, so Jens Riese, Principal Associate bei McKinsey & Company in Frankfurt. „Erstens beträgt die Gesamtsumme, die in den USA in die weiße Biotechnologie investiert wird, 250 Millionen Dollar, eine Summe, die die europäischen Gesamtinvestitionen bei weitem übersteigt“, sagte er. „Wahrscheinlich aufgrund eines stärkeren geopolitischen Willens, von der Einfuhr fossiler Brennstoffe unabhängig zu werden, haben die USA eine stärkere Neigung zur Entwicklung solcher Technologien gezeigt. Europa hingegen ist kulturell bedingt vorsichtiger und weniger abenteuerlustig, was die Akzeptanz innovativer Methoden angeht.“

Die weiße Biotechnologie hat jedoch in Europa Interesse geweckt. „Es gibt ein Bewusstsein für die Notwendigkeit von Innovationen in dieser Richtung“, sagt Oliver Wolf, wissenschaftlicher Referent am Institut für technologische Zukunftsforschung in Sevilla, Spanien. „Obwohl es noch keine spezifischen Rechtsvorschriften gibt, werden wichtige Schritte zur Förderung der weißen Biotechnologie in Europa unternommen.“ Die Weiße Biotechnologie bietet potenziell große Vorteile, sowohl in wirtschaftlicher als auch in ökologischer Hinsicht, für ein breites Spektrum von Anwendungen. Der Weg für ihre Entwicklung wird geebnet, aber sie bleibt eine relativ junge Technologie, die mit einer reifen chemischen Industrie auf Erdölbasis konkurrieren muss, die fast ein Jahrhundert Zeit hatte, ihre Methoden und Produktionsprozesse zu optimieren. Die wachsende Sorge um die Umwelt und die Möglichkeit, dass Öl in Zukunft billiger wird, machen die weiße Biotechnologie jedoch zu einem ernsthaften Konkurrenten.