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Innovationen für die grüne Transformation der Welt

Auf dem zweiten Global Bioeconomy Summit 2018 in Berlin wurde bekräftigt, dass neue Gentechnologien wie das Genome Editing für die Züchtung klimaangepasster und widerstandsfähiger Nutzpflanzen notwendig sind, um die nachhaltigen Entwicklungsziele der Vereinten Nationen zu erreichen. Ungeachtet der hemmenden Entscheidung des Europäischen Gerichtshofs vom Juli 2018 hält das Bundesforschungsministerium an seiner Initiative zur Förderung der Weiterentwicklung der Genom-Editing-Technologien für die Züchtung von Kulturpflanzen fest.

UN-Logo Sustainable Development Goals © www.un.org

Erstmals war der Global Bioeconomy Summit (GBS) 2015 einberufen worden, als die Vereinten Nationen in der Agenda 2030 ihre auf alle Länder anwendbaren nachhaltigen Entwicklungsziele („sustainable development goals“, SDGs) verabschiedeten, die G7-Staaten sich zur Dekarbonisierung der Welt und der Abschaffung von Hunger für 500 Millionen Menschen verpflichteten und als alle Nationen das Pariser Abkommen über die Begrenzung der menschengemachten Klimaerwärmung auf weniger als 2 °C unterzeichneten. Veranstalter und Teilnehmer des GBS waren sich einig, dass diese ehrgeizigen Ziele nur mit einer nachhaltigen Bioökonomie in Interaktion und Zusammenarbeit der großen Nationen zu erreichen sind. Der zweite GBS, der im April 2018 wieder in Berlin stattfand, war in erster Linie eine Bestandsaufnahme: Umweltexperten aus internationalen Organisationen und mehr als 30 Nationen berichteten über die in den letzten zwei Jahren erreichten Fortschritte oder Rückschritte und diskutierten Trends und Technologien im Zusammenhang mit einer nachhaltigen („grünen“) Transformation unserer Welt.

Anja Karliczek, Bundesministerin für Bildung und Forschung © BMBF

Der deutschen politischen Prominenz diente der Berliner Umweltgipfel als Forum, um darzulegen, wie die Maßnahmenkataloge der eigenen Ressorts hinführen zu den globalen Zielen der Agenda 2030. Deren „universelle Gültigkeit“ hatte auch die Bundeskanzlerin in ihrer Regierungserklärung vom 24. September 2015 über die deutsche Nachhaltigkeitsstrategie hervorgehoben. Für das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) steht, wie Ministerin Anja Karliczek hervorhob, das zweite Nachhaltigkeitsziel (SDG2) an vorderster Stelle: die Bekämpfung von Hunger und die Ernährungssicherheit für eine bis 2050 auf bis zu 9,5 Milliarden anwachsende Weltbevölkerung. Deutschlands Hauptbeitrag dazu seien Forschung, Entwicklung und Innovationen. Das BMBF wird im Rahmen der „Nationalen Forschungsstrategie BioÖkonomie 2030“ die Weiterentwicklung innovativer Technologien wie die Genom-Editierung mit CRISPR-Cas9 fördern. Ein Ziel sei es, Nutzpflanzen zu züchten, die nicht nur höhere Erträge liefern, sondern auch unter den Bedingungen des Klimawandels Hitzetoleranz und Pathogenresistenz entwickeln und auf trockenen oder versalzten Böden gedeihen, um so zur nachhaltigen Transformation der Landwirtschaft beizutragen.

Gentechnische Optimierung von Nutzpflanzen

Vertrockneter Mais auf einem Feld © Pixabay

Erstmals wurde jetzt, wie in der Zeitschrift „Nature Biotechnology“ berichtet, durch Genom-Editierung eine neue Kulturpflanze geschaffen. Einem Team deutscher, brasilianischer und US-amerikanischer Forscher war es – unter anderem mit einer Förderung durch das BMBF – gelungen, in der unglaublich kurzen Zeit von drei Jahren (im Gegensatz zu Jahrzehnten mit herkömmlichen Züchtungsmethoden) eine Tomate mit dem Aroma und den wertvollen Inhaltsstoffen der Wildpflanze und gleichzeitig den gewünschten Merkmalen moderner Nutzpflanzen zu erzeugen.

Erhöhte Trockenstresstoleranz ist eines der vorrangigen Ziele der Pflanzenzüchtung. Denn etwa 50 Prozent aller durch Umweltfaktoren hervorgerufenen Ernteverluste bei den wichtigsten Welternährungspflanzen sind bereits heute auf Dürre zurückzuführen, und dieser Anteil wird durch die globale Klimaerwärmung weiter steigen. Die Dürreschäden, die der deutschen Landwirtschaft 2018 bei der Mais- und Kartoffelernte entstanden sind, können als Warnung dienen.

In-vitro-Wachstum von Arabidopsis-Keimlingen © Alena Kravchenko 2016, Wikimedia Commons

An der Modellpflanze Arabidopsis thaliana haben Dr. Markus Wirtz und Prof. Dr. Rüdiger Hell vom Centre for Organismal Studies der Universität Heidelberg – in Zusammenarbeit mit Dr. Carsten Sticht vom Zentrum für Medizinische Forschung in Mannheim sowie Wissenschaftlern aus Norwegen, Frankreich und vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie – den bei Trockenstress wirksamen zellulären Mechanismus untersucht. Dieser führt unter dem Einfluss des Pflanzenhormons Abscisinsäure zum Verschluss der Spaltöffnungen der Blätter und der Verlängerung der Primärwurzeln. Verstärkt werden diese Effekte, wenn eine bestimmte, normalerweise sehr häufige Proteinmodifikation, nämlich die durch das Enzym NatA katalysierte N-terminale Acetylierung (d. h. die Anlagerung eines Essigsäurerestes an die freie Aminogruppe am Ende der Proteine), verringert wurde. Wenn in gentechnisch veränderten Pflanzen NatA herabreguliert wird, kommt es durch Vermittlung von Abscisinsäure zu einer stark erhöhten Anpassung an Dürrebedingungen. Der an Arabidopsis aufgeklärte Mechanismus kann für die Züchtung trockenstresstoleranter Nutzpflanzen mithilfe der Genom-Editierung von großer Bedeutung sein. Die entsprechende Anwendungsforschung einschließlich Freilandversuchen werden aber angesichts der kritischen bis feindlichen Haltung gegenüber der grünen Gentechnologie in Europa voraussichtlich in außereuropäischen Ländern durchgeführt werden.

Ideologische und juristische Hemmschwellen bei der Transformationsumsetzung

Auf dem GBS war man sich noch weitgehend einig über das segensreiche Potenzial der neuen Gentechnologien und besonders der Genom-Editierung, um die grüne Transformation der Welt voranzutreiben. Es traf die europäische Forschergemeinde wie ein Schock, als der Europäische Gerichtshof (EuGH) am 25. Juli 2018 verkündete, dass neue gentechnische Verfahren wie Genom-Editierung und dadurch gewonnene Organismen grundsätzlich unter die Gentechnikrichtlinie fallen und entsprechend aufwendige Zulassungsverfahren durchlaufen müssen. Für rational denkende Naturwissenschaftler ist die Argumentation des EuGH nicht nachvollziehbar, dass alte Techniken wie die Erzeugung von Mutationen nach dem Zufallsprinzip durch mutagene Chemikalien oder radioaktive Bestrahlung erlaubt sein sollen, weil sie lange bewährt und sicher seien, während Organismen, die nach dem CRISPR-Cas9-Verfahren eine gezielte Punktmutation in einem Gen erfahren – was in keiner Weise von einem „natürlichen“ Mutationsereignis an derselben Stelle zu unterscheiden wäre –, strengster Regulierung unterworfen sein sollen. Wie eine Kontrolle ausgeübt werden könnte, ist nicht erkennbar. Es steht aber zu befürchten, dass das weltanschaulich geprägte Urteil des obersten Gerichts das Misstrauen gegenüber jeder Art gentechnischer Pflanzenzüchtung in weiten Teilen der Bevölkerung verstärkt.

Denjenigen Wissenschaftlern, die nach dem EuGH-Urteil am Sinn gentechnologischer Pflanzenforschung in Europa zweifeln, hält der Mannheimer Medizinrechtler Jochen Taupitz ein listiges Argument entgegen: Er stellte bei der Präsentation des Vierten Gentechnologieberichtes der Berlin-Brandenburgischen Akademie der Wissenschaften am 29.10.2018 die rhetorische Frage, ob der EuGH womöglich bezweckt haben könnte, das gesamte in sich unschlüssige Gentechnikgesetz „an die Wand zu fahren“, denn es wird sich zeigen, dass seine Bestimmungen weder eingehalten noch ihre Einhaltung kontrolliert werden können. Der Vierte Gentechnologiebericht hält fest, dass auf dem Gebiet der Pflanzenforschung unter Laborbedingungen Deutschland eines der führenden Länder ist. Um international konkurrenzfähig zu bleiben, muss die Initiative des BMBF zur Förderung der Weiterentwicklung bestehender Genome-Editing-Technologien unterstützt werden; zugleich gilt es, „die drohende Abkopplung der deutschen Forschung von internationalen Forschungsprogrammen zur grünen Gentechnologie auf der Ebene der Anwendungsforschung“ zu verhindern.

Glossar

  • Biotechnologie ist die Lehre aller Verfahren, die lebende Zellen oder Enzyme zur Stoffumwandlung und Stoffproduktion nutzen.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Das Genom ist die gesamte Erbsubstanz eines Organismus. Jede Zelle eines Organismus verfügt in Ihrem Zellkern über die komplette Erbinformation.
  • Gentechnik ist ein Sammelbegriff für verschiedene molekularbiologische Techniken. Sie ermöglicht, DNA-Stücke unterschiedlicher Herkunft neu zu kombinieren, in geeigneten Wirtszellen zu vermehren und zu exprimieren.
  • Mit dem Begriff Mutation wird jede Veränderung des Erbguts bezeichnet (z. B. Austausch einer Base; Umstellung einzelner DNA-Abschnitte, Einfügung zusätzlicher Basen, Verlust von Basen oder ganzen DNA-Abschnitten). Mutationen kommen ständig in der Natur vor (z. B. ausgelöst durch UV-Strahlen, natürliche Radioaktivität) und sind die Grundlage der Evolution.
  • Mit Mutagenese ist die Erzeugung von Mutationen gemeint, die u. a. durch UV-Licht oder andere Strahlung sowie zahlreiche Chemikalien ausgelöst werden.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Transformation ist die natürliche Fähigkeit mancher Bakterienarten, freie DNA aus der Umgebung durch ihre Zellwand hindurch aufzunehmen. In der Gentechnik wird die Transformation häufig dazu benutzt, um rekombinante Plasmide, z. B. in E. coli, einzuschleusen. Hierbei handelt es sich um eine modifizierte Form der natürlichen Transformation.
  • Arabidopsis thaliana ist der wissenschaftliche Name für die Acker-Schmalwand; diese war im Jahr 2000 die erste Pflanze, deren Genom vollständig bekannt wurde. Aufgrund ihres kleinen Genoms mit 5 Chromosomenpaaren (mit ca. 25 000 Genen) ist sie eine der wichtigsten Modellorganismen der Pflanzengenetik.
  • Das Gentechnikgesetz schafft den rechtlichen Rahmen für die Erforschung bzw. Entwicklung der Gentechnik in Deutschland.
  • Terminal ist ein Synonym für endständig, abschließend, beendend, begrenzend. Eine terminale Aminosäure befindet sich am Ende einer Peptidkette. In der Medizin wird der Begriff terminale Erkrankung verwendet, wenn die Krankheit tödlich verläuft.
  • Eine Punktmutation ist eine Genmutation bei der nur wenige oder ein einzelnes Basenpaar betroffen sind.
  • Somatotropin (auch STH oder HGH) ist ein menschliches Wachstumshormon, das in der Hirnanhangdrüse gebildet wird.
  • Bundesministerium für Bildung und Forschung

Literatur:

Global Bioeconomy Summit 2018 Conference Report. Innovation in the Global Bioeconomy for Sustainable and Inclusive Transformation of Wellbeing: gbs2018.com/resources/gbs2018-documentation/

Zsögön A, Čermák T, Naves ER, Notini MM, Edel KH, Weinl S, Freschi L, Vovtas DF, Kudla J, Pereira Peres LE: De novo domestication of wild tomato using genome editing. Nature Biotechnology 2018. DOI: 10.1038/nbt.4272

Linster E, Stephan I, Bienvenut WV, Maple-Grødem J, Myklebust LM, Huber M, Reichelt M, Sticht C, Møller SG, Meinnel T, Arnesen T, Giglione C, Hell R, Wirtz M: Downregulation of N-terminal acetylation triggers ABA-mediated drought responses in Arabidopsis. Nature Communications 2015. DOI:10.1038/ncomms8640

Berlin-Brandenburgische Akademie der Wissenschaften. Interdisziplinäre Arbeitsgruppe Gentechnologiebericht (Herausgeber): Vierter Gentechnologiebericht. Bilanzierung einer Hochtechnologie. 2018. Nomos Verlag, Baden-Baden

Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/de/fachbeitrag/aktuell/innovationen-fuer-die-gruene-transformation-der-welt/