Biotechnologie und ihr Nutzen
Biotechnologie ist ein multidisziplinäres Wissenschaftsgebiet von der technischen Nutzbarmachung der Eigenschaften und Fähigkeiten von Lebewesen, Zellen oder deren Bestandteilen. Frühere Bezeichnungen dieser Arbeitsrichtung waren »Zymotechnik« oder »Technische Biologie«.
Biotechnologie im klassischen Sinn umfasst jahrhundertealte Verfahren wie die Verwendung von Mikroorganismen zur Herstellung von Wein und Käse. Dem gegenüber steht die moderne Biotechnologie, bei der Erkenntnisse verschiedener Wissenschaften wie Biochemie, Mikrobiologie, Zellbiologie und Verfahrenstechnik zusammenfließen. Dementsprechend schwierig ist gegenwärtig auch die Definition dessen, was Biotechnologie umfasst. Biotechnologie ermöglicht die Herstellung von Produkten der Pharma-, Lebensmittel- und chemischen Industrie. Mikroorganismen werden auch zum nachhaltigen Schadstoffab- und -umbau bei der Bodensanierung oder der Abwasserreinigung herangezogen. In der Biotechnologie kommen heute gentechnologische und molekularbiologische Methoden zum Einsatz. Die Gentechnologie stellt demzufolge einen Teilbereich der Biotechnologie dar. Im weiteren Sinne werden gelegentlich auch die modernen diagnostischen und therapeutischen Methoden der Medizin zur Biotechnologie hinzugerechnet.
In der biotechnologischen Produktion werden zum einen Enzyme, Arzneimittel, Nahrungszusatzstoffe von Mikroorganismen oder tierischen Zellen erzeugt, zum anderen werden wichtige Verfahrensschritte mithilfe von Enzymen durchgeführt, die von solchen Organismen stammen. Im Vergleich zu chemischen Prozessen werden durch enzymatische Reaktionen sowohl Energie und Rohstoffe eingespart als auch Abfall- und Nebenprodukte verringert. Bei den in der Biotechnologie relevanten Organismen handelt es sich meist um Bakterien und Pilze, die gentechnisch verändert sein können und in Bioreaktoren oder Fermentern unter optimierten Bedingungen gezüchtet werden. Dies geschieht in speziellen Nährlösungen, wobei Sensoren wichtige Parameter wie Temperatur, Sauerstoff und pH-Wert dokumentieren. Mittlerweile werden auch Säugetiere oder Pflanzen gentechnisch so verändert (transgene Tiere und Pflanzen), dass sie als »Bioreaktoren« wirtschaftlich interessante Proteine, z. B. Arzneimittel, produzieren (Gene-Farming).
Biotechnologische Verfahren wurden bereits vor Jahrtausenden angewendet. Im 5. Jahrtausend v.Chr. nutzten die Bewohner Mesopotamiens Getreide beziehungsweise Getreideprodukte zum Brauen von Bier, eine erste Nutzung der Fermentation, der enzymatischen Umwandlung organischer Substanzen. Um 3900 v. Chr. wusste man im alten Ägypten bereits mehrere Weinsorten zu schätzen. Auch die Kultivierung von Essigsäure- und Milchsäurebakterien zur Essigherstellung und Haltbarmachung von Milch war im Altertum bekannt, ebenso die Säuerung von Brotteig. Die erste »biotechnologische Industrie« zur Essigproduktion wurde im 14. Jahrhundert bei Orléans gegründet. Erst deutlich später, um 1680, wies A. van Leeuwenhoek die Existenz von Mikroorganismen nach. Aufbauend auf Arbeiten von T. Schwann aus dem Jahre 1837 konnte schließlich L. Pasteur 1857 den Beweis erbringen, dass die Fermentation nicht rein chemischer Natur ist, sondern auf der Tätigkeit von Mikroorganismen beruht.
Ende des 19. Jahrhunderts setzte eine breite industrielle Anwendung der Gärungsverfahren ein: Ab 1880 wurde Milchsäure als erste organische Säure im technischen Maßstab produziert, 1912 das Gärungsverfahren für Aceton und Butanol entwickelt. Mit der Entdeckung des Penicillins durch A. Fleming 1928 und dessen biotechnologischer Gewinnung ab 1943 begann eine neue Ära der Biotechnologie. Die sterile Produktion im Maßstab von über 100 m³ stellte hohe Ansprüche an technische Chemie und Verfahrenstechnik. Seit den 1950er-Jahren wurden zunehmend auch Vitamine, Aminosäuren und Enzyme auf biotechnologischem Wege produziert. Mit der Strukturaufklärung der DNA durch J. D. Watson und F. H. C. Crick 1953 setzte eine rasante Entwicklung der Molekularbiologie ein, die auch für die Biotechnologie folgenreich war. Die Einführung gentechnischer Methoden ab 1973 mit der Möglichkeit der Übertragung von Genen über Artgrenzen hinweg in einen anderen Organismus ebnete den Weg für ganz neue mikrobielle Leistungen. Markanter Eckpunkt dieser Entwicklung war Anfang der 1980er-Jahre die Vermarktung von Insulin, zu dessen Produktion gentechnisch veränderte Escherichia-coli-Bakterien eingesetzt wurden. Durch die Gentechnik und neue Zellkulturtechniken hat die klassische Biotechnologie eine enorme Erweiterung ihrer Möglichkeiten erfahren. Die Entschlüsselung des menschlichen Erbguts gab weitere Impulse für neue Entwicklungen im Bereich der Medizin. Künftige Entwicklungen werden von der weiteren Vernetzung der Biotechnologie mit neuen Technologiefeldern geprägt sein, wie z. B. in der Bioelektronik, der Neuroinformatik und bei Biowerkstoffen.