Dürren, ein Mangel an Fläche und giftige Pestizide: Die Landwirtschaft der Zukunft steht vor großen Herausforderungen. Das Genome-Editing Verfahren CRISPR/Cas9 könnte hierauf manchen Antworten bieten, die mehr Erträge bringen und in Pflanzen mehr Nährstoffe anreichern. Wäre da nicht der Begriff “Gentechnik”. Wer dabei mit den Zähnen knirscht, könnte vom CRISPR-Verfahren, das auch in der Medizin angewendet wird, überzeugt werden.
Von Joanne Arkless
Schon mal von Goldenem Reis gehört? Der soll nicht nur schön aussehen, sondern auch dazu beitragen, einem Vitamin-A-Mangel vorzubeugen. Vor Kurzem wurden in den Philippinen die ersten 67 Tonnen des neuen Superfoods geerntet, das besonders viel Betacarotin enthält. Klingt nach einer einfachen Sache. Doch die Geschichte des Goldenen Reis ist ziemlich komplex, denn er ist durch ein gentechnisches Verfahren entstanden.
Bereits seit 1992 arbeiten die Forscher Ingo Potrykus von der ETH Zürich und Peter Beyer von der Universität Freiburg an einer Reissorte, die Menschen mit Vitamin-A versorgen kann. Denn weltweit leiden 250 Millionen Menschen an einem Vitamin-A-Mangel, der zum Sehverlust oder sogar zum Tod führen kann. Nach etlichen Versuchen fanden sie zwei Gene, die in anderen Pflanzen die Produktion von Betacarotin auslösen und ihnen außerdem eine gold-gelbe Farbe geben. Nach der Nahrungsaufnahme kann Betacarotin im menschlichen Körper zu Vitamin-A verarbeitet werden. Mit Hilfe eines Bakteriums wurden die Gene schließlich in eine Reissorte eingesetzt. Der Goldene Reis war geboren.
Nach langwierigen Zulassungsprozessen durfte der von den beiden Forschern entwickelte Reis 2022 in den Philippinen auf den Markt gebracht werden. Vorausgegangen waren jahrelange, teils heftige Debatten. Während sich Greenpeace öffentlich gegen die gentechnisch veränderte Reissorte positionierte, stellten sich hunderte Nobelpreisträger gegen die Umweltschutzorganisation – und damit auf die Seite von Potrykus und Beyer.
Und während es gerade in Deutschland viele Zweifel an Gentechnik gibt, sehen Befürworter der Technologie in der goldenen Reissorte, die für Kleinbauern ohne Patent- oder Lizenzgebühren verfügbar ist, einen Neustart von Gentechnik in der Landwirtschaft. Zu denen, die einen stärkeren Einsatz neuer gentechnischer Verfahren für vertretbar und sinnvoll halten, gehört auch Wolfgang Nellen.
Er ist Professor für Genetik a.D. und Gründer von BioWissKomm, einer Organisation, die die Öffentlichkeit über Biotechnologie informieren will. In einer Community-Session hier bei 1E9, wo er als @serigala Mitglied ist, berichtete er von den Entwicklungen der Gentechnik in den vergangenen Jahren: “Das ist wirklich ganz gewaltig, was da an Forschungsarbeit geleistet wurde. Die Genome von praktisch allen Nutzpflanzen sind inzwischen bekannt. Und wenn man so ein Genom kennt, dann weiß man auch, wo man etwas verändern will, und kann das gezielt tun.”
Wolfgang Nellen hat sich für BioWissKomm zu einem langen Interview mit Ingo Potrykus zusammengesetzt und über den Goldenen Reis gesprochen. In einem weiteren Artikel erfahrt ihr dort außerdem noch mehr über die Hintergründe des Golden-Rice-Projekts.
Auf der Suche nach den richtigen Mutanten
Fast jede Nutzpflanze, die auf dieser Erde existiert, hat sich im Laufe der Jahrtausende verändert. Durch Zufälle der Natur und gezielte Züchtung durch Menschen haben sich teils über Jahrtausende Mutationen durchgesetzt – und so sehen beispielsweise Bananen ganz anders aus als in ihrer ursprünglichen Form. Laut Wolfgang Nellen bestanden diese früher aus etwa 50 Prozent Kernen in der Größe von Kirschkernen. Auch Pfirsich, Melone und Getreide weichen heute deutlich von ihrer Urform ab.
Bereits die Sumerer im alten Mesopotamien kreuzten unterschiedliche Dattelsorten, um bestimmte Eigenschaften zu erzielen. Denn die „Interessen“ von Pflanze und Mensch seien nicht immer dieselben, erklärt Wolfgang Nellen. Für ursprüngliche Bananen und Co. stünden die Vermehrung mit möglichst niedrigem Energieaufwand, die Vergiftung von Fraßfeinden und die gleichmäßige Verteilung der Samen an oberster Stelle. Der Mensch setze eher auf guten Geschmack, lange Haltbarkeit, möglichst kleine Anbauflächen, hohe Produktivität, gute Nährwerte und den möglichst geringen Einsatz von Pestiziden. Zudem muss er auf Wasservorkommnisse, Bodenfruchtbarkeit, Versalzung, Anpassungen an den Klimawandel und Resistenzen achten. Keine leichte Aufgabe.
Um den Herausforderungen der zunehmenden Mangelernährung und der wachsenden, von der Landwirtschaft mit verursachten Umweltprobleme etwas entgegenzusetzen, entschieden sich Forscher:innen in den 1970er Jahren, die Mutationen nicht mehr nur der langwierigen Züchtung und dem Zufalle zu überlassen. Denn sonst, so die Befürchtung, könnten Fortschritte Jahrzehnte oder sogar Jahrhunderte brauchen.
Erste Gehversuche der Gentechnik: Radioaktive Gärten
Mit der Bewegung Atoms for Peace im Nachklang des Zweiten Weltkrieges entstanden in den 1950er und 1960er Jahren heute absurd anmutende Projekte, die neue Anwendungsgebiete der Kernkraft propagierten. Darunter auch die Atomic Gardens. Was aussieht wie Thor’s Landeplatz auf der Erde, ist ein Experiment, das Botanik und nukleare Strahlung miteinander verbinden sollte.
Die Idee war es, verschiedene Pflanzenarten rund um eine radioaktive Strahlungsquelle zu verteilen. Während sich die Forscher:innen dann hinter einem Wall in Sicherheit brachten, wurde das bepflanzte Gebiet mit radioaktivem Kobalt 60 verstrahlt. 90 Prozent der Pflanzen starben dadurch. Die restlichen zehn Prozent wiesen jedoch jede Menge erzwungene Mutationen auf – wobei die Forscher:innen natürlich auf nützliche Mutationen hofften.
Ein durchschlagender Erfolg waren die Atom Gardens nicht. Auch nach der radioaktiven Mutagenese war noch Züchtung erforderlich. Und obwohl die Atomic Gardens die Mutationen verschiedener Pflanzenarten beschleunigten, waren sie zugleich überaus ungenau. Schließlich wusste man nicht, welche Gene man zerstört oder verändert hatte. Dennoch finden wir bis heute Überbleibsel dieser Experimente, darunter rote Grapefruits, resistente Pfefferminze oder bestimmte Orchideen.
Von der Gartenschere zum mikroskopischen Präzisionswerkzeug
Mittlerweile ist Gentechnik viel präziser. Seit Ende der 1970er Jahre wartet man nicht mehr auf zufällige Mutationen als Grundlage für Züchtungen oder erhöht einfach die Anzahl an Mutationen wie in den Atomic Gardens, sondern versucht das exakte Gen zu identifizieren, das man verändern möchte. Während in der Medizin im Jahr 1990 die erste Gentherapie am Menschen durchgeführt wurde, kamen vier Jahre später die ersten gentechnisch veränderten Tomaten, die Flavr-Savr-Tomaten, auf den britischen Markt.
Durch die Hemmung der Reifung ihrer Zellwände wies die “Anti-Matsch-Tomate” geschmacks-konservierende Eigenschaften auf und sollte so die Haltbarkeit verlängern, um die Verluste von der Ernte bis zum Verbraucher zu verringern. Allerdings konnten die Forscher:innen nicht alle Probleme der Reifung lösen – und so verschwand die etwas teurere Tomate nach einigen Jahren wieder vom Markt.
Auf technischer Seite setzte sich zunächst ein gentechnisches Verfahren durch, welches heute als alte Gentechnik bezeichnet wird. Dabei wurden mit Hilfe von Bakterien einzelne Gene verändert oder neue Gene eingesetzt. Perfekt lief das allerdings noch nicht. Oft entstanden ungewollte Veränderungen oder unerwartete Wechselwirkungen, da die Veränderungsprozesse beiliegende Gene beschädigten. In anderen Fällen, zum Beispiel beim Golden Rice, verzeichneten die Forscher:innen mit diesen älteren Methoden dennoch Erfolge, weil jede einzelne gentechnisch veränderte Pflanze sehr sorgfältig untersucht wurde.
CRISPR: Neuanfang für die Gentechnik?
Mit dem CRISPR-Cas9-Verfahren, das als Schweizer Taschenmesser der Genetik bezeichnet wird, kam schließlich 2012 ein echter Durchbruch. Die Methode, deren Entdeckung mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde, ermöglicht es nun, gezielte Veränderungen an bestimmten Genen vorzunehmen.
Im Bereich der Landwirtschaft wird mit CRISPR zum Beispiel an Pflanzen wie Hirse oder Cassava geforscht und experimentiert, um sie mit Vitaminen und Nährstoffen anzureichern. Außerdem sollen Pflanzen resistenter gegen Bakterien oder Pilze gemacht werden, um damit beispielsweise die Kraut- und Knollenfäule zu vermeiden. Ein weiteres mögliches Anwendungsgebiet ist die Beschleunigung des Pflanzenwachstums durch Genveränderungen. So wurde in Brasilien ein genetisch manipulierte Eukalyptus zugelassen, der 20 Prozent mehr Holz produziert als konventioneller Eucalyptus und deutlich schneller wuchs.
In der 1E9-Community-Session sprach der Genetiker Wolfgang Nellen noch eine weitere Möglichkeit an, die sich durch CRISPR eröffnen kann: „Eine wahnsinnig spannende Geschichte, an der mehr oder weniger erfolgreich, aber sehr intensiv gearbeitet wird, ist auch, die Photosynthese zu optimieren“, sage er. „Es geht also darum, dass Pflanzen das Sonnenlicht besser ausnutzen, um mehr Stärke zu produzieren. Das funktioniert ansatzweise auch.“ Da bei der Photosynthese CO2 aus der Atmosphäre zusammen mit Wasser in Biomasse umgewandelt wird, könnten derart gentechnisch veränderte Pflanzen einen stärkeren Beitrag zum Klimaschutz leisten.
Durch bioanalytische Sequenzierungen wisse man in der Forschung mittlerweile ziemlich genau, wie die Genome von Gemüse, Obst und Getreide aussehen, erklärt Nellen. Daher ließen sich mit dem immer noch recht neuen Gene-Editing-Verfahren CRISPR-Cas9 zielgenau bestimmte Gene eliminieren oder neue Gene einsetzen. „Die heutige Gentechnik – und da vor allen Dingen CRISPR-Cas – bedeutet nicht mehr, dass wir wie mit einer Schrotflinte auf das ganze Genom schießen, irgendwas kaputt machen und hoffen, dass man vielleicht das richtige Gen kaputt gemacht hat“, sagt Wolfgang Nellen.
Ist CRISPR also ein Allheilmittel? Der Golden-Rice-Erfinder Potrykus, der für seine Entwicklung noch auf alte Gentechnik gesetzt hatte, warnt vor einem zu großen Hype: „CRISPR hat Vorteile in Bezug auf Loss-of-Function-Projekte, hat aber große Schwierigkeiten bei Gain-of-Function-Projekten“, sagte er im Gespräch mit BioWissKomm. Auch Frank Hartung vom Institut für Sicherheit biotechnologischer Verfahren bei Pflanzen in Quedlinburg weist auf die Komplexität von CRISPR hin, wenn es darum geht, mehrere Gene miteinander in Verbindung zu bringen, zum Beispiel um Pflanzen resistenter gegenüber Trockenheit zu machen. Potrykus verspricht sich auch deswegen nicht allzu viel, da der Zulassungsprozess für CRISPR-Pflanzen in der Politik noch Jahrzehnte dauern könnte.
Die Politik der Pflanzen: Von Regulierung zu Risiken
Nachdem die EU-Kommission eine Studie zur neuen Gentechnik in Lebensmitteln in Auftrag gegeben hatte, kam nun deren Fazit: Gentechnik könne zu einem nachhaltigeren Lebensmittelsystem führen. Dies entfachte eine neue Debatte in der Europäischen Union über die Zulassung und Einteilung von Pflanzen, die mit dem Gene-Editing-Verfahren CRISPR, aber auch mit anderen Methoden verändert wurden. Die Meinungen in der Debatte gehen weit auseinander – einen gesellschaftlichen Konsens gibt es bislang nicht.
Die Grünen werfen den Wissenschaftler:innen, die eine Zulassung fordern, unzureichende langfristige Sicherheitsforschung vor. Das deutsche Bundesministerium für Wissenschaft und Forschung veröffentlichte hingegen einen Bericht über die biologische Sicherheitsforschung zur Grünen Gentechnik, der zu einem anderen Schluss kam: „Ziel war es, den Erkenntnisstand zu sicherheitsrelevanten Zusammenhängen bei der Nutzung gentechnisch veränderter Pflanzen zu erweitern und die biologische Sicherheitsbewertung kontinuierlich an den Stand der Forschung anzupassen“, heißt es darin. Das Ergebnis, das sich aus 25 Jahren und mit 100 Millionen Euro finanzierter Forschung ergab: Gentechnisch veränderte Pflanzen weisen dem Bericht zufolge kein höheres Risiko für Umweltbeeinträchtigungen auf als konventionell gezüchtete Pflanzen.
Hinsichtlich gesundheitlicher Risiken von Gentechnik zur Lebensmittelproduktion warnt die Umweltschutzorganisation BUND vor möglichen Allergien oder Antibiotikaresistenzen. Mit Blick auf die Genschere CRISPR meint die Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina hingegen, dass dadurch keine neuartigen gesundheitlichen Risiken zu erwarten sind, da sie genetische Veränderungen simuliert, wie sie auch in der Natur zu finden sind.
Werde Mitglied von 1E9!
Hier geht’s um Technologien und Ideen, mit denen wir die Welt besser machen können. Du unterstützt konstruktiven Journalismus statt Streit und Probleme! Als 1E9-Mitglied bekommst du frühen Zugriff auf unsere Inhalte, exklusive Newsletter, Workshops und Events. Vor allem aber wirst du Teil einer Community von Zukunftsoptimisten, die viel voneinander lernen.
Jetzt Mitglied werden!
Ein weiterer Kritikpunkt der Grünen sind die mangelnde Neutralität und eine zu starke Verbindung zur Saatgut-Lobby, die sie Wissenschaftler:innen vorwerden. Die Hilfsorganisation Brot für die Welt sieht in der Gentechnik außerdem ein Milliardengeschäft, das vor allem Kleinbauern schadet und in Abhängigkeiten bringt. Zum Beispiel, weil Firmen, die genverändertes Saatgut patentieren lassen und dann vertreiben auch gleich die passenden Pestizide für die Pflanzen verkaufen könnten. Zudem könnten Monokulturen durch den flächendeckenden Einsatz gentechnisch veränderten Saatguts weiter ausgedehnt werden, was vor allem der Biodiversität schadet. Hingegen zeigen wissenschaftliche Untersuchungen, wie sich Gentechnik mit biologischem Anbau vereinbaren ließ, um die Nachhaltigkeitsziele der Vereinten Nationen zu erreichen.
Eine Zulassung in Deutschland wäre auch mit grünem Licht aus der EU nicht garantiert
Doch selbst wenn sich die EU angesichts der vielstimmigen Debatte für eine Zulassung der neuen Gentechnik für Lebensmittel entscheiden würde, hieße das nicht automatisch, dass mit CRISPR und anderen Methoden veränderte Produkte auch in Deutschland verkauft werden dürften. Involviert in diese Entscheidung wären auch die Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG und die Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina. Die DFG-Präsidentin, Prof. Katja Becker, äußerte sich in Bezug auf die EU-Zulassung einer einzelnen CRISPR-Methode, bekannt als SDN-1, allerdings wohlwollend: „Neue molekulare Züchtungstechniken erlauben eine bisher nie dagewesene Präzision und Effizienz in der Verbesserung von Nutzpflanzen.“
Beim Golden Rice ging es übrigens nicht um lukrative Patente. Das Projekt hatte das Ziel, unpatentiert und kostengünstig den Zugang zu besserem Saatgut zu ermöglichen. Das könnte Vorbildcharakter haben – ist aber eine Ausnahme. Denn wie der Golden-Rice-Erfinder Potrykus erklärt, interessiere sich die öffentliche Forschungsförderung nicht für solche Projekte, weshalb sich viele Wissenschaftler:innen an die Industrie wenden würden, die sich wiederum einen finanziellen Gewinn verspreche. Somit würden humanitäre Gentechnik-Projekte, wie die des Golden Rice, durch das Finanzierungsraster fallen.
In Deutschland und der EU ist seit CRISPR eine neue Diskussion zum Thema gentechnisch veränderte Pflanzen entfacht. Das neue Verfahren scheint die verhärteten Fronten ein bisschen aufgeweicht zu haben und regt dazu an, neue Perspektiven einzunehmen. Auf der globalen Agenda wird Gentechnik in der Landwirtschaft ohnehin bleiben.
2. Februar 2023: Digitale Community Session zu CRISPR in der Medizin
Am Donnerstag, den 2. Februar 2023 könnt ihr ab 19:15 Uhr in einer digitalen Community Session für 1E9-Mitglieder gemeinsam mit Wolfgang Nellen über die Anwendungen von CRISPR am menschlichen Körper zur Heilung von Krankheiten oder zur Optimierung des Menschens diskutieren. Hier findet ihr alle Infos.
Titelbild: Shutterstock / MW 3D Studio
Hat dir der Artikel gefallen? Dann freuen wir uns über deine Unterstützung! Werde Mitglied bei 1E9 oder folge uns bei Twitter, Facebook, Instagram oder LinkedIn und verbreite unsere Inhalte weiter. Danke!
Sprich mit Job, dem Bot!
War der Artikel hilfreich für dich? Hast du noch Fragen oder Anmerkungen? Ich freue mich, wenn du mir Feedback gibst!