Schattenblick → INFOPOOL → NATURWISSENSCHAFTEN → CHEMIE


KOMMENTAR/114: Blinde Horizonte (SB)


Neuer Meilenstein wissenschaftlicher Selbstüberschätzung: Bakterien stellen Silicium-Kohlenstoffverbindungen her


Zu allen Zeiten haben die Errungenschaften der Wissenschaft oder ihre Entdeckungen einen meist üblen Nachgeschmack. Angefangen vom ersten Faustkeil, mit dem man nicht nur Nahrung zerteilen, sondern auch Köpfe leichter einschlagen konnte, über die Chemie mit ihren Giften oder Wundermitteln wie Antibiotika, die der Welt beispielsweise noch widerstandsfähigere bis resistente Bakterien beschert haben, bis hin zu Raketen, deren Schrott sich in Umlaufbahnen um den Planeten sammelt, und Atomkraft scheint sich eine Eskalation der Unkontrollierbarkeit und des jeweils damit verbundenen Risikos ablesen zu lassen, die sich angesichts der daraus resultierenden, vom Menschen verursachten Katastrophen (Ressourcenschwund, Wasserknappheit, Umweltverschmutzung, Klimaerwärmung, radioaktive Verseuchung zahlloser Orte wie Hiroshima, Nagasaki, Tschernobyl, Fukushima, und, und, und...) kaum noch zu überbieten ist. Wäre es nicht an der Zeit, die vorhandenen Kapazitäten zu nutzen, dieser Entwicklung ein Ende zu setzen?

Tatsächlich behaupten viele Wissenschaftler inzwischen, sich der Nachhaltigkeit und den Erfordernissen zur Schaffung einer besseren Welt verschrieben zu haben, gehen dann jedoch etwa bei vermeintlich bahnbrechenden Entdeckungen, mit denen sie die chemische Industrie auf ein wenig zerstörerisches Gleis bringen wollen, mit der gleichen Blauäuigkeit und Selbstüberschätzung an hochriskante Methoden der Gentechnik oder Molekulargenetik heran, um den Teufel (Rohstoffabhängigkeit, Energiekosten, Verbreitung von Giftstoffen) mit dem Beelzebub (hohe gesundheitliche Risiken durch Einsatz und Ausbringen von widerstandsfähigen Mikroorganismen und Enzymen, Verlust von Biodiversität, Nicht-Kontrolle und Gefahr durch zahlreiche Unsicherheitsfaktoren) auszutreiben.

Jüngstes Beispiel bieten die Chemieverfahrenstechniker und Biotechnologen von der kalifornischen Eliteuniversität CALTECH, die - wie es in ihrer Pressemitteilung dargestellt wird - auf den ersten Blick den Durchbruch zu einem Verfahren feiern, mit dem in einem sehr großen Bereich der modernen Kunststoffentwicklung, aber auch in der Pharmaindustrie, Halbleiter-, Computer- und TV-Produktion sowie Farbchemie, Energieträger und umweltrelevante Schwermetallkatalysatoren eingespart und toxische Nebenprodukte verhindert werden könnten.

Doch was die Forscher wohlwollend und harmlos als gerichtete Evolution bezeichnen und was zur Gruppe der gesellschaftlich akzeptierten, vermeintlich harmlosen, weißen Gentechnik (z.B. für die verbesserte Joghurtproduktion) gezählt wird, erweist sich bei genauerer Betrachtung als eine Kombination wenig vertrauenserweckender High"Risiko"-Tech-Methoden modernster Bio- und Gentechnologie, bei der extremophile Bakterien zum Einsatz kommen, die ebenso widerstandsfähig, persistierend, d.h. nicht abbaubar und unkaputtbar in der Umwelt sind, wie die Produkte, die mit ihrer Hilfe erzeugt werden sollen.

Damit könnten, falls irgendetwas im Gesamtkonzept nicht ganz nach Plan läuft, potente Resistenzen in der Umwelt verbreitet werden, die das Waffenarsenal der Mikrowelt gegen den bisher einfachsten aller Bakterienkiller immun machen könnten: das Abkochen.

Darüber hinaus könnte die erleichterte, unaufwendigere und somit nachhaltigere Synthese dem Sektor Silikonchemie zu einem neuen Aufschwung verhelfen, mit gleichzeitig zunehmender Verbreitung seiner toxischen Ausgangs-, Neben- sowie ausgasender Begleit- oder umweltpersistierenden End- und Müllprodukte.


Preisgekrönte Errungenschaft: das Turbo-Enzym

Chemieverfahrenstechniker und Biotechnologen von der Kalifornischen Eliteuniversität CALTECH (California Institute of Technology) haben - wie es in einer Pressemitteilung hieß - Bakterien dazu gebracht, Verbindungen zwischen Silicium und Kohlenstoff herzustellen. Mit Hilfe eines speziellen Proteins fanden sie einen Weg, ein organisches Molekül zwischen die Silicium-Wasserstoffbindung eines anderen Moleküls zu schieben, wie etwa eine Münze in einen Automatenschlitz. Die dazugehörige chemische Reaktion sei bislang nicht in der Natur bzw. in einer Lebensform beobachtet worden, hieß es. Überhaupt würde Silicium vom organischen Leben dieses Planeten kaum genutzt, obwohl diese Ressource mit 27 Prozent das zweithäufigeste Element in der Erdkruste ist, während Kohlenstoff nur einen vergleichsweise geringen Masseanteil von 0,03 Prozent daran hat. Und das, obwohl viele Bakterien das Potential hätten, Silicium zu verarbeiten, wenn auch noch sehr schlecht.

Das 1891 gegründete Institut für Technologie, in dem die Postdoc-Stipendiatin Sek Bik Jennifer Kan im Labor von Prof. Dr. Frances Arnold zu diesem Thema forscht und von dem aus ihre Studie Ende November in dem Fachjournal Science [1] veröffentlicht wurde, hat bereits einige bedenkliche Meilensteine der Geschichte der Grundlagenforschung gesetzt wie die Entdeckung der Antimaterie, die Begründung der Molekularbiologie oder die Erkenntnis, daß Protonen und Neutronen aus Quarks bestehen. Mit dieser neuen Entdeckung habe man erneut eine Schwelle in ein bisher noch unbekanntes und kaum erforschtes Gebiet in der Biochemie überschritten und damit ein ganz neues Forschungsterrain eröffnet, von dem noch Großartiges zu erwarten sei. Dies sei eine ganz wunderbare Erfahrung, die sie ebenso ein wenig einschüchtere wie erwartungsfroh stimme, meinte die Forscherin in ihrer Stellungnahme im CALTECH Video. Den Beitrag, den die jungen Wissenschaftler dazu geleistet haben und der in diesem Jahr mit dem SISCA Preis (Dow Sustainability Innovation Student Challenge Award) ausgezeichnet wurde, lobte ihre Laborleiterin Prof. Frances Arnold:

Wir versuchen bei CALTECH herauszufinden, auf welche Weise mittels Evolution Neuerungen eingeführt werden. Und was Jenny und ihr Team gemacht haben, ist ein ganz tolles Beispiel dafür. Nämlich ein existierendes Protein zu nehmen und es in ein Protein zu konvertieren, das eine ganz neue biochemische Reaktion katalysiert. [...] Nur eine Handvoll an Mutationen haben ausgereicht, dieses Protein so effektiv werden zu lassen, daß es Silicium-Kohlenstoff-Verbindungen besser und effektiver herstellt, als es je zuvor auf künstlichem Wege möglich war. Bislang glaubte man, daß dies nur Chemiker tun können, doch nun machen es Bakterien. [2]

Was sie machten, könnte man durchaus mit der Zucht eines Rennpferdes vergleichen, sagt Prof. Frances Arnold, nur daß man sich eben nicht auf die Leistungen der Tiere, sondern auf Proteine konzentriere. Aus Sicht eines Pferdes, dessen für Notfälle vorbehaltener Fluchtreflex, Streß pur, als alltägliche Hochleistung abgefordert wird, könnte das durchaus ein treffender Vergleich sein: Wird doch in beiden Fällen eine Eigenschaft in der Nachkommenschaft ausgelesen, die das Objekt der Selektion normalerweise (und vielleicht aus guten Gründen) nie freiwillig nutzen würde.

Bei genauerer Hinsicht hinkt der Vergleich allerdings, weil die genetische Grundlage für "schnelles Laufen" bei einem Rennpferd möglicherweise noch nicht über eine direkte Manipulation und Mutation der Keimzellen erfolgt, bei einem Protein jedoch die Erbinformation des Lebewesens, das dieses in seinem Stoffwechsel produziert, schon. Und damit sind wir bereits bei der Gentechnologie. Die Wissenschaftler im Team um Sek Bik Jennifer Kan, die nach eigenen Angaben sämtliche Kühlschränke des Instituts durchforsteten, um Eiweiße zu finden, welche die unnatürliche Silicium-Kohlenstoffverknüpfung vornehmen könnten, landeten schließlich mit dem Enzym Cytochrom c einen Treffer. Das ist ein Protein, das in vielen verschiedenen Formen in Lebewesen vorkommt, sich aber nicht in jeder Form auch für die Verarbeitung von Silicium eignet. Normalerweise verschiebt das Protein einfach nur Elektronen zwischen den Proteinen. Doch die Biochemiker entdeckten, daß es auch wie ein Enzym oder Biokatalysator wirken kann, wenn es um das Herstellen von Kohlenstoff-Silicium-Bindungen geht. Das Cytochrom c aus den Bakterien des Stammes Rhodothermus marinus (die potentiellen Renn- oder Rasse-Mikroben), die in heißen Quellen in Island zuhause sind, erwies sich schließlich sogar als besonders treffsicher. Von zwei möglichen Reaktionsprodukten liefert es überwiegend eines der beiden. Letzteres ist besonders für die Entwicklung von Medikamenten von Bedeutung, bei denen schon die links- oder rechtsdrehende Modifikation des gleichen Moleküls über Harmlosigkeit oder tödliche Nebenwirkungen entscheiden können (siehe Contergan oder Thalidomid). Die weitere Nutzung dieser vielversprechenden Voraussetzungen ist jedoch nichts weiter als ein künstlicher und sehr zufälliger Eingriff in die Gensequenz, was die Forscher unter dem Deckmantel "gerichtete Evolution", einem Verfahren, an dessen Entwicklung vor 20 Jahren Prof. Arnold entschieden mitgewirkt hat, zu verschleiern suchen. Es beruht in erster Linie auf zufallsbasierter Mutagenese. [3] Erbinformationen, die beispielsweise im Island-Bakterium das Cytochrom c codieren, werden zufällig verändert [4], dann die Ergebnisse (sprich die Produktivität der Enzyme) betrachtet und schließlich wird das Paket herausgepickt, das den gewünschten Eigenschaften am nächsten kommt. Anschließend wird der gleiche Vorgang so lange wiederholt, bis das Enzym alle gewünschten Varianten aufweist.

Normalerweise soll der erste Schritt der sogenannten "gerichteten Evolution" wahllos verlaufen, da die molekularen Ursachen der meisten Eigenschaften von Enzymen noch nicht verstanden werden [4] und die Forscher demzufolge im Dunkeln tappen, was genau verändert werden sollte. Beim Cytochrom c, dessen Struktur bereits als aufgeklärt gilt [5], bestand allerdings der Verdacht, daß eine bestimmte raumgreifende molekulare Gruppe, das Methionin-100, der gewünschten Reaktion sterisch (d.h. durch die räumliche Struktur) im Weg sein könnte. Es folgte somit eine gerichtete Evolution, die man beinahe schon als gezieltes Proteindesign bezeichnen könnte: In den neuen Varianten wurde es durch verschiedene andere Aminosäuren ersetzt, wobei sich die Asparaginsäure als besonders glücklicher "Zufall" herausstellte: Mit dieser kleinen Veränderung erfolgte der Silicium-Einbau zwölf Mal schneller als im unveränderten Enzym. Weitere Varianten wurden aber noch durch die Veränderung von Valin-75 und Methionin-103 erreicht, die dann zufällig ein Enzym ergaben, das selbst konventionelle Schwermetallkatalysatoren dieser Reaktion um mehr als das Fünfzehnfache übertreffen soll.

Und noch eine für ein Enzym sehr ungewöhnliche Eigenschaft hatte sich herausgebildet. Wie die Forscher in Science berichten, ergab der Einsatz dieses Enzyms mit 20 verschiedenen Ausgangsprodukten die gleiche Verknüpfung zu 20 unterschiedlichen Endprodukten. Biokatalysatoren im Stoffwechsel eines Organismus zeichnen sich allgemein dadurch aus, daß sie ausgesprochen selektiv nur ein bestimmtes Endprodukt erzeugen und dafür sehr anspruchsvoll bei der Wahl ihrer Reaktionspartner sind. Das schützt den Organismus vor unliebsamen oder toxischen Begleitprodukten. Das manipulierte Cytochrom c scheint hier den Eigenschaften eines industriellen Katalysators näher zu kommen, was Vorteile für die Verfahrenschemie mit sich bringt, aber auch unkontrollierbare Eskapaden des Systems nicht mehr unterbindet.

Und schließlich ließ sich das Enzym auch direkt in einer lebenden Mikrobenzelle nutzen, so daß die gleichen Bakterien vom weit verbreiteten Typ Eschericha Coli, die man gentechnisch in die Lage gebracht hat, die gewünschten Proteine zu produzieren, gewissermaßen als lebende Mikrofabriken für die Produktion dieser Siliciumverbindungen in Bioreaktoren zum Einsatz kommen könnten. Jennifer Kan betonte, daß der auf Eisen basierende, genetisch verankerte Biokatalysator nicht nur ungiftig, preiswerter und einfacher auf die gegebenen Verhältnisse anzupassen wäre als die für diese Reaktion sonst gebräuchlichen industriellen Katalysatoren. Außerdem könne man damit bei Raumtemperaturen und in Wasser arbeiten. Die konventionelle Chemieindustrie braucht neben extrem kostspieligen Schwer- oder Edelmetallkatalysatoren der Platingruppe, einer begrenzten und zudem in Konfliktregionen beheimateten Ressource, vor allem auch extrem toxische Lösungsmittel für den Prozeß. Darüber hinaus sind in der Produktionskette mehrere Reinigungsprozesse erforderlich, um unerwünschte Nebenprodukte abzutrennen und auszuschließen. Mit einem ausgereiften, neuen biotechnischen Verfahren ließ sich das Prozedere abkürzen und kostengünstiger durchführen.

Abgesehen von zahlreichen Unbekannten und Unsicherheiten, die beispielsweise der Einsatz von gentechnisch veränderten Bakterien mit sich bringen könnte, etwa die Verschleppung extremophiler Bakterien durch die damit erzeugten Agrochemikalien (in denen ebenfalls Siloxane zur Anwendung kommen), sind aber auch die angestrebten Produkte ebenfalls nicht mehr ganz unumstritten.

Der Einsatz der seinerzeit als unbedenklich eingeschätzten Siloxanen und Silikonen hat in den letzten 30 Jahren immer mehr zugenommen, während kohlenstoff-basierte Kunststoffe mit ihren Weichmachern zunehmend in den Fokus der Kritik geraten sind. Inzwischen geht man allein in Westeuropa von einem Jahresverbrauch von mindestens 300.000 Tonnen aus, Tendenz steigend. Ihre Verbreitung ist inzwischen immens und teilweise in Erzeugnissen, in denen man es nicht vermutet: Durch Eigenschaften, die von schmierfähig, weich und biegsam, wasserabweisend und lange haltbar bei sehr hohen oder sehr niedrigen Temperaturen reichen, findet man sie als Bestandteil in vielen Körperpflegeprodukten wie Haarpflegemitteln, Deodorants, Lippenstift oder Hautcremes, in Wasch-, Pflege- und Reinigungsmitteln und auch in der chemischen Industrie als Hilfsstoffe wie Weichmacher oder Oberflächenbeschichtungsmittel. Ihre vermeintlich toxikologische Unbedenklichkeit läßt sich schon lange nicht mehr uneingeschränkt halten, schreibt das österreichische Bundesumweltamt. [6] Denn abgesehen vom unverwüstlichen Silikon-Müll hat der zunehmende Gebrauch auch zu einer Anreicherung von Luft, Wasser und Umwelt mit flüchtigen und weniger flüchtigen zyklischen und kettenförmigen Siloxanen geführt, die es vor 30 Jahren, als erste Überlegungen zu Müll- und Umweltproblematik aufkamen, noch gar nicht gab. Es gäbe nur einige Siloxane, für die es durch Tierversuche (an Ratten) Informationen zu Gesundheitseffekten gibt; es sind daher nicht genügend Daten vorhanden, um allgemein gültige Aussagen treffen zu können. [6]

Die CALTECH-Forscher wollen in ihrem neuen Produkt unbegrenzte Möglichkeiten für die Wissenschaft erkennen, die nicht nur die Silikonindustrie optimieren (und dann mit großer Wahrscheinlichkeit auch die weitere Verbreitung künstlicher Stoffe um eine unbekannte Potenz steigern werden), sondern vielleicht im nebenherein auch spannende Aufschlüsse über außerirdische Stoffwechsel- und Lebensformen oder Existenzmöglichkeiten auf fernen "siliciumbasierten" Planeten bringen (wie etwa die Horta aus der Fernsehserie Star Trek). Damit könnten sie durchaus recht behalten, nur vielleicht anders als gedacht. Könnte doch die Frage für die Umweltforschung durchaus bald anstehen, inwieweit das atem(be)raubende Potential dieser Forschung unsere Kohlenstoffwelt in eine Siliciumwelt verwandelt hat.


Anmerkungen:

[1] Directed evolution of cytochrome c for carbon-silicon bond formation: Bringing silicon to life, S. B. Jennifer Kan, Russell D. Lewis, Kai Chen, Frances H. Arnold, Science 25 Nov 2016: Vol. 354, Issue 6315, pp. 1048-1051 DOI: 10.1126/science.aah6219
siehe auch: http://science.sciencemag.org/content/354/6315/1048.full

[2] siehe auch:
http://www.caltech.edu/news/bringing-silicon-life-53049
https://www.youtube.com/watch?v=h_OTCQ_fxuc

[3] [Sie prägte hierfür das sogenannte erste Gesetz der zufälligen Mutation und Selektion: "You get what you screen for" - Man erhält (nur), wonach man sucht.] Siehe:
http://www.che.caltech.edu/groups/fha/publications/Arnold_ACR_1998.pdf

[4] http://flexikon.doccheck.com/de/Gerichtete_Evolution

[5] http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?structureId=3cp5

[6] http://www.umweltbundesamt.at/umweltsituation/schadstoff/silox/

12. Dezember 2016


Zur Tagesausgabe / Zum Seitenanfang