Die nächste Biotech-Ernte

Auf den ersten Blick scheint ein alternder Industriebezirk von Cambridge, Massachusetts, ein seltsamer Ort zu sein, um nach der Zukunft der Landwirtschaft zu suchen. Die einzigen Pflanzen sind Unkraut entlang der Bahngleise und gepflegte Sträucher und Bäume an den Eingängen zu den Hightech-Geschäften, die die Gegend verjüngen. Das landwirtschaftliche Kernland der Vereinigten Staaten ist tausend Meilen entfernt.

Und Sie werden bei Cereon Genomics keine Gewächshäuser oder Töpfe mit Versuchspflanzen finden. Es sieht aus wie jedes andere molekulargenetische Labor. Techniker bereiten mit Strichcode versehene Proben vor; In der Nähe bilden Reihen hochentwickelter Instrumente, die ursprünglich für die Sequenzierung menschlicher Gene entwickelt wurden, eine Hochgeschwindigkeits-Fertigungslinie. Der Unterschied besteht darin, dass die Rohstoffe für diese Genfabrik oft Ausschnitte von Pflanzen sind und das Produkt Informationen über die DNA der Pflanze sind – ihre genetischen Baupläne.

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Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom September 1998



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Von seinem Eckbüro aus hebt Roger Wiegand die Augenbrauen zu den automatisierten Geräten hinter ihm. Wiegand ist Cereons Direktor für Genomiktechnologie – die Wissenschaft der Identifizierung von Genen und ihrer Funktionen. Es mag kein Grün geben, aber für einen langjährigen Molekularbiologen, sagt Wiegand, ist es wie ein Kind in einer Süßwarenfabrik, Cereons Labor zu führen.

Die Aufregung basiert auf der Überzeugung, dass die Geninformationen, die bei Cereon und in anderen Labors für Pflanzengenomik auf der ganzen Welt geerntet werden, dazu beitragen werden, eine biotechnologische Transformation der Landwirtschaft zu bewirken. Monsanto, der in St. Louis ansässige Agrar- und Pharmariese, hat Ende letzten Jahres zugesagt, über 200 Millionen US-Dollar auszugeben, um Cereon zu gründen, eine hundertprozentige Tochtergesellschaft, die es in einer Allianz mit dem Genjäger Millennium Pharmaceuticals gegründet hat. Der Deal ist einer der kühnsten Schritte bei der Umgestaltung von Monsanto zu einem Life-Science-Unternehmen. (Im Juni kündigte Monsanto Pläne zur Fusion mit American Home Products an.) Und es spiegelt die tiefgründige Überzeugung des ehemaligen Chemieunternehmens wider, dass es das wachsende Wissen über Gene in große Unternehmen einbringen kann – und dadurch die Denkweise von Landwirten und Verbrauchern verändern kann Pflanzen.

Andere Unternehmen teilen diese Vision. Mehrere andere Chemie- und Arzneimittelgiganten, insbesondere DuPont und Novartis (das Schweizer Unternehmen, das 1996 aus der Fusion von Ciba und Sandoz hervorgegangen ist), haben Milliarden in den Traum gesteckt. Wenn diese Unternehmen Recht haben, werden Bauern innerhalb von fünf Jahren Baumwolle anbauen, die natürlich gefärbt ist, um den Bedarf an Färben zu reduzieren, sowie Pflanzen, die Plastik enthalten. Die Züchter werden mit ertragreicheren, gegen Insekten resistenten Pflanzen gewappnet sein. Verbraucher werden gesündere und nahrhaftere Lebensmittel aus den Supermarktregalen holen, die aus gentechnisch veränderten Pflanzen stammen. In Zukunft werden Kinder über Bananen oder andere Lebensmittel geimpft werden, um den Schrecken von Nadeln zu vermeiden (siehe Nadeln unnötig machen ,).

Fabriken in den Feldern

Die ersten transgenen Pflanzen wurden vor zwei Jahren in den USA in großem Stil angebaut und haben sich schnell in der Wirtschaft durchgesetzt. In diesem Jahr werden gentechnisch veränderte Pflanzen etwa 15 Prozent der US-Maisernte, etwa 30 Prozent der Sojabohnenernte und mehr als die Hälfte der Baumwollproduktion ausmachen. Diese erste Generation wurde durch den relativ einfachen Trick gezeugt, ein Gen aus einem Bakterium in eine Pflanze einzufügen, um ein einzelnes Merkmal zu erzeugen; zu den ergebnissen dieser arbeit gehören mais und baumwolle, die gegen bestimmte schädlinge resistent sind, sowie kulturen, die verschiedene herbizide vertragen.

Während diese bescheidene genetische Bastelei kaum eine biotechnologische Revolution zu sein scheint, haben biotechnologisch hergestellte Pflanzen die Landwirte im Sturm erobert. Die Leute sind überrascht, wie wichtig die ersten paar Gene waren, sagt Anthony Cavalieri, Vizepräsident von Pioneer Hi-Bred International mit Sitz in Des Moines, einem führenden Verkäufer von Saatgut und Geschäftspartner von DuPont. Und das ist nur die Vorderkante. Sie könnte für die Funktionsweise des gesamten Agrarsektors von grundlegender Bedeutung sein.

Tatsächlich wird erwartet, dass sich die wahre Auszahlung in den nächsten Jahren auszahlt, da Pflanzenbiologen nicht nur damit beginnen, mehr Gene in Pflanzen einzubauen, sondern auch die genetischen Baupläne – und die Stoffwechselwege – vieler gängiger Nutzpflanzen neu zu zeichnen. Die Vision besteht darin, Pflanzen in billige Produktionseinheiten umzuverdrahten, in denen alles von modifizierten Lebensmitteln über Humanimpfstoffe bis hin zu Grundchemikalien angebaut werden kann. Der Lohn für die Entwicklung dieser Leistungsmerkmale in Pflanzen? Laut John Pierce, dem Leiter der Forschungsforschung in der Landwirtschaft bei DuPont, könnte dies bedeuten, ein Stück Industrie- und Lebensmittelmärkte im Wert von 500 Milliarden US-Dollar pro Jahr zu bekommen.

Selbst für Riesenkonzerne sind das keine kleinen Kartoffeln. Monsanto arbeitet zum Beispiel an einer High-Solid-Kartoffel sowie an Raps und Sojabohnen mit modifiziertem Ölgehalt. Eine Rapssorte zum Beispiel ist reich an Beta-Carotin, um den Vitamin-A-Mangel zu bekämpfen, der in vielen Entwicklungsländern noch immer ein Problem darstellt.

DuPont erwartet, in den nächsten Jahren mit der Vermarktung von Saatgut für Sojabohnen mit modifiziertem Öl sowie Sojabohnen mit hohem Saccharosegehalt zu beginnen. In Zusammenarbeit mit seinem Partner Pioneer verfügt DuPont über ein halbes Dutzend biotechnologischer Pflanzen, die kurz vor der Kommerzialisierung stehen, und erwartet, Pflanzen mit mehreren gestapelten Merkmalen einzuführen. Das Unternehmen arbeitet auch an protein- und ölreichen Pflanzen für Tierfutter (etwa 80 Prozent des US-Mais wird an Tiere verfüttert).

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Nahrung für Mensch und Nutztier ist ein großes Geschäft. Aber eine noch lukrativere Prämie könnte schließlich aus dem Anbau von Biotech-Pflanzen kommen, aus denen hochpreisige Materialien und Industrieprodukte direkt in der Pflanze hergestellt werden. Warum sollten synthetische Farbstoffe für Baumwolle mit hochgiftigen Chemikalien hergestellt werden, wenn die Pflanzen selbst gentechnisch verändert werden könnten, um farbige Fasern zu produzieren? Warum nicht Pflanzen in Chemiefabriken verwandeln?

Pflanzenbiologen von Monsanto und einem Start-up namens Metabolix in Cambridge, Massachusetts, arbeiten getrennt an einem in Pflanzen angebauten Kunststoff, der bereits 2002 für Landwirte bereit sein könnte. Prodigene, eine zwei Jahre alte College Station, Tex., Spin-off von Pioneer, vertreibt bereits industrielle Enzyme aus transgenem Mais und entwickelt weitere proteinbasierte Industrieprodukte. Andere Labore versuchen, Anlagen zu schaffen, die Spezialöle produzieren, die als neuartige industrielle Inhaltsstoffe für Beschichtungen und Schmierstoffe dienen könnten. Ebenfalls auf dem Reißbrett sind essbare Impfstoffe auf pflanzlicher Basis gegen Krankheiten wie Hepatitis und Durchfall.

Indem man an der Kontrolle und Aktivität von Genen herumbastelt, kann man fast alles in Pflanzen herstellen, sagt David Wheat, ein langjähriger Pflanzenbiotech-Berater und Präsident der in Boston ansässigen Bowditch Group. Wenn Sie verstehen, wie ein Organismus auf molekularer Ebene funktioniert, können Sie neue Arten von Produkten entwickeln – vielleicht sogar Produkte herstellen, die Sie noch nie zuvor gesehen haben.

Einfache Arithmetik

Die Aussichten in der Agrarbiotechnologie sind verlockend genug, um eine massive Umstrukturierung der Agrar- und Chemieindustrie voranzutreiben, die in einigen Fällen die Grenzen zwischen beiden verwischt (siehe Seeding a New Industry, Seitenleiste). Insbesondere Monsanto und DuPont haben sich intensiv mit den neuen Möglichkeiten auseinandergesetzt und Saatgutlieferanten und Pflanzenbiotech-Start-ups verschlungen. Angetrieben vor allem durch das Potenzial der Biotechnologie hat Monsanto im vergangenen Jahr kurzerhand sein Chemiegeschäft eingestellt und die Biologie als die Welle der Zukunft angenommen. Im Gegenzug hat sich DuPont in diesem Frühjahr reorganisiert, einen Life-Sciences-Konzern gegründet (der seine Aktivitäten in den Bereichen Landwirtschaft, Arzneimittel und Biotechnologie umfasst) und erklärte, dass sein zukünftiges Wachstum in der Integration von Chemie und Biotechnologie liegt.

Selbst der biedere Dow Chemical, der riesige Chemiehersteller, hat seinen Wunsch bekundet, ein führender Biotech-Player zu sein, und zielt auf die Entwicklung von Kunststoffen und Industriechemikalien ab. Es ist eine Technologie, deren Zeit gekommen ist, sagt Fernand Kaufmann, Vice President of New Business and Strategic Development bei Dow. Kaufmann warnt jedoch davor, dass es einige Zeit dauern wird, bis sich Pflanzenchemikalien in den riesigen Rohstoffmärkten, die von Produkten aus Erdöl dominiert werden, durchsetzen.

DNA-Datenbanken

in den nächsten Jahren wird die großserienproduktion von kunststoff in der fabrik bleiben, nicht auf dem feld. Irland räumt ein, dass Wissenschaftler selbst in den fortschrittlichsten Forschungsprojekten von DuPont für pflanzliche Materialien immer noch die enzymatischen Wege enträtseln und gleichzeitig die gesamte Polymerchemie entwickeln. Niemand versteht wirklich, wie man die Expression von Pflanzengenen kontrolliert und reguliert.

Aber wenn sich die Pflanzengenomik mit ihrer derzeitigen Geschwindigkeit weiter beschleunigt, könnte es viel einfacher werden, dieses Ziel zu erreichen. Die meisten Kulturpflanzen haben eine große Menge an DNA und etwa 50.000 Gene – ungefähr die Hälfte der Zahl beim Menschen. Aber mit schnellen, automatisierten Maschinen, die darauf ausgelegt sind, das menschliche Genom zu enträtseln, identifizieren Pflanzengenetiker Gene schneller, als Botaniker sie kultivieren können.

Scott Tingey, Direktor des Genomikprogramms von DuPont, sagt, dass die Technologie einen tiefgreifenden Einfluss auf das Feld hatte. Vor einigen Jahren dauerte es zwei Mannjahre, um ein Pflanzengen zu klonen, sagt Tingey. Ungefähr die Hälfte der Zeit warst du erfolgreich, die andere Hälfte bist du aufs Gesicht gefallen. Heute ist das Leben ganz anders. In den letzten zwei Jahren hat DuPont eine Datenbank mit DNA-Sequenzen für Mais, Sojabohnen, Weizen und Reis erstellt. Es macht den mühsamen Gen-Entdeckungsprozess überflüssig. Das ist nicht mehr der geschwindigkeitsbegrenzende Schritt in einem Projekt, erklärt Tingey.

Biologen gehen davon aus, dass die Sequenzierung von Arabidopsis (ein Unkraut, das das wichtigste genetische Modell für die Pflanzengenetik ist) bis zum Jahr 2000 abgeschlossen sein wird, als Ergebnis einer internationalen Zusammenarbeit, die 1989 begann. Das könnte entscheidend sein, da alle Blütenpflanzen im Wesentlichen die gleichen Gene haben . In den nächsten fünf Jahren werden wir die Funktion aller Pflanzengene auf einer bestimmten Ebene kennen, sagt Stanfords Somerville voraus. Es ist eine große Veränderung. Wir werden viel besser in der Lage sein, Anlagen sinnvoll zu verbessern.

Zurück bei der neu gegründeten Cereon besteht ein Ziel darin, die Sequenzierung von interessantem genetischem Material in eine routinemäßige Hochdurchsatz-Produktionslinie zu verwandeln. Insbesondere möchte das Unternehmen den Prozess der Suche nach einer DNA-Sequenz beschleunigen, die für einen bestimmten Phänotyp oder eine physikalische Eigenschaft verantwortlich ist. Wir bauen Systeme auf, die es Molekulargenetikern ermöglichen, in kürzester Zeit von einem interessierenden Phänotyp zu einem geklonten Gen zu gelangen und die Sequenz für dieses Merkmal zu kennen, sagt Cereon-Präsident William Timberlake. Es dauert jetzt Jahre, um an einige dieser Gene zu kommen, erklärt Timberlake. Das möchten wir auf Wochen oder Monate reduzieren.

Aber das Sammeln all dieser Geninformationen ist nur der erste Schritt. Oliver Peoples, Mitbegründer von Metabolix, erklärt: Was macht man mit all den Geninformationen aus der Genomik? Sie beginnen, Wege zu konstruieren, um den Kohlenstofffluss zu optimieren. Es ist die Endanwendung der Genomik – es ist das ultimative Puzzle. Mit anderen Worten, der Traum ist es, den gesamten Stoffwechsel einer Pflanze zu kontrollieren.

Unternehmen, die aus Nutzpflanzen Fabriken machen wollen, arbeiten an ersten Schritten. DuPont beabsichtigt, seine biologischen Fähigkeiten zu schärfen, indem es aus Zucker unter Verwendung gentechnisch veränderter Mikroben in einem Fermentationsprozess ein Kunststoff-Zwischenprodukt herstellt. Das Zwischenprodukt ist der Schlüsselbestandteil eines neuartigen Polymers, das mit Nylon konkurrieren könnte, und das Unternehmen plant, bis Ende 2000 eine kleine Produktionsanlage in Betrieb zu nehmen. Es wird DuPonts erster Versuch eines biologisch basierten Produktionsprozesses sein. sagt Dorsch, es wird die Pläne des Unternehmens leiten, die Biologie zur Herstellung von Materialien einzusetzen.

An einer Wand in Dorschs Büro hängt ein Diagramm, das die Stoffwechselwege in einem Bakterium darstellt. Es ähnelt einem Flussdiagramm der chemischen Verfahrenstechnik – wie man es überall bei DuPont sieht – nur ist es viel komplexer. Die Idee, sagt Dorsch, besteht darin, den natürlichen Kohlenstofffluss im Organismus zu nutzen und subtile Veränderungen vorzunehmen, die es einem ermöglichen, ein gewünschtes Produkt abzusaugen. Organismen sind bereits darauf eingestellt, sehr gut zu arbeiten. Wenn Sie versuchen, einen erheblichen Teil des Kohlenstoffs über einen anderen Weg zu transportieren, müssen Sie das Biest vollständig neu entwickeln. Ich glaube nicht, dass wir so dreist sind, zu glauben, dass dies in absehbarer Zeit passieren wird. Er fügt schnell hinzu: Aber wir könnten es schaffen.

Die Forschungslabors von DuPont am Stadtrand von Wilmington, Del., sind heilige Stätten für Polymerwissenschaftler und Chemiker. Sie sind Ground Zero für die moderne amerikanische Industriechemie, den Ort, an dem Nylon erfunden wurde. Und die Chemie auf Erdölbasis hat hier lange geherrscht. Jetzt, sagt Irland, belebt die Biologie die Forschung. Die Polymerchemiker sind davon begeistert, weil sie die Möglichkeiten der Wissenschaft sehen. Die Biologen sind begeistert, weil sie die Chance sehen, mit ihren Talenten viel Geld für das Unternehmen zu verdienen.

Hoch aufragende Destillationskolonnen sind in Wilmington immer noch üblicher als Maisfelder. Doch wenn DuPont und seine Konkurrenten erfolgreich sind, könnte sich die Lücke zwischen den Agrarmärkten und der chemischen Industrie bald schließen. Tatsächlich ist die Kluft zwischen industrieller Chemie und Biologie bereits vorhanden.

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