Was kann Biotechnologie, wie verändert sie die Zukunft?

Was ist Biotechnologie?

Biotechnologische Verfahren gehören seit Jahrhunderten zur menschlichen Kultur. Meist handelt es sich um zufällige Entdeckungen, die weiterentwickelt werden. Brot (Hefegärung), Joghurt und Käse (Milchsäuregärung) oder Wein (Vergärung von Trauben) – viele Spezialitäten beruhen auf solchen Prozessen. Heute ist die Biotechnologie ein eigenständiger Studiengang, der mathematische, natur- und ingenieurwissenschaftliche Bereiche miteinander verbindet.

In der Biotechnologie werden Mikroorganismen, Zellen und Proteine genutzt, um Produkte oder Wirkstoffe in den Bereichen Gesundheitswesen, Landwirtschaft, Umweltschutz, Lebensmittelherstellung, Energieproduktion und anderen zu entwickeln. Zum Beispiel werden diese für die medizinische Biotechnologie künstlich hergestellt oder modifiziert, um Erkrankungen wie Krebs und Diabetes sowie Erbkrankheiten zu behandeln.

Die Biotechnologie umfasst viele Verfahren, wie Gentechnik, Fermentation, Zellkultur, Bioinformatik und Proteinengineering. Sie spielt eine wichtige Rolle in der modernen Industrie und hat das Potenzial, sich maßgeblich auf die Gesellschaft und die Umwelt auszuwirken. Sie gliedert sich in drei große und zwei kleinere Teilbereiche. Diese gliedern sich in eine nach Farben geordnete Systematik, die sich an der Herkunft der Ressourcen und Organismen orientiert.

Was Biotechnologie für Medizin und Gesundheit leistet

Der hierzulande wichtigste Zweig für die Biotechnologie ist der medizinische Sektor. Dazu gehören verschiedene Verfahren in der Human- und Tiermedizin. Ziel ist es, neue Medikamente und Therapien zu entwickeln. Beispiele für die Möglichkeiten von Biotechnologie in der Medizin, der Pharmaindustrie und im Gesundheitswesen sind:

• Die Entwicklung von mRNA-Impfstoffen gegen Infektionskrankheiten wie Covid-19 oder Grippe.
• Die Entdeckung neuer Krebsmedikamente, die auf der Identifizierung von Tumorzellen und ihrer genetischen Merkmale basieren.
• Die Erforschung von Gentherapien, die auf der Korrektur genetischer Defekte basieren.
• Die Herstellung von Blutprodukten wie Insulin oder Faktor-VIII-Präparaten für die Behandlung von Diabetes und Hämophilie.
• Die Entwicklung regenerativer Therapien, bei denen körpereigene Zellen zur Reparatur von Gewebe und Organen eingesetzt werden.
• Die Erforschung von Medikamenten aus marinen Organismen, wie zum Beispiel das Schmerzmittel Ziconotid, das aus der giftigen Schnecke Conus magus isoliert wird.

In der Medizin hat die Biotechnologie das Potenzial, die Behandlung von vielen Krankheiten zu revolutionieren und neue Heilverfahren zu ermöglichen, die auf die individuellen Bedürfnisse jedes Patienten bzw. jeder Patientin zugeschnitten sind. Sie umfasst jedoch nicht nur die Entwicklung von Biotech-Medikamenten, sondern auch die Bio-Medizintechnik. Dazu zählt beispielsweise, neue Gewebe oder künstliche Gelenke zu entwickeln oder zu züchten. Experten und Expertinnen gehen davon aus, dass es in nicht allzu ferner Zukunft möglich sein wird, menschliche Organe nachzubilden. In ersten Versuchen sollen Organe aus dem 3-D-Drucker kommen. Dafür wird ein Hydrogel aus lebenden Zellen verwendet. Ein funktionierendes Organ haben Forscherinnen und Forscher bislang nicht herstellen können. Künstliche Organe dieser Art sollen nicht nur Organspenden überflüssig machen, sondern werden in Laboren benötigt, um künftig auf Tierversuche verzichten zu können.

Biotechnologie in der Landwirtschaft: Pflanzen und ihre Gene

In der Landwirtschaft findet die Biotechnologie rund um biologische Prozesse in Pflanzen, Algen und anderen „grünen“ Organismen Anwendung. Es geht darum, innerhalb der landwirtschaftlichen Arbeit Produkte und Dienstleistungen zu entwickeln, die sich nicht nur innerhalb, sondern auch außerhalb des Agrarsektors nutzen lassen, beispielsweise in Bereichen wie Energie, Umweltschutz, Medizin und Lebensmittelindustrie.

Eine Möglichkeit, Biotechnologie in der Landwirtschaft anzuwenden, ist die Entwicklung von Pflanzen mit verbesserten Eigenschaften, wie zum Beispiel größeren Erträgen, erhöhtem Nährstoffgehalt sowie einer insgesamt besseren Qualität, vor allem bei Nahrungs- und Nutzpflanzen. Gewächse, die resistenter gegen Schädlinge, Krankheiten oder lange Dürreperioden sind, sind ebenfalls Gegenstand der Forschung. Auf diese Weise bietet die grüne Biotechnologie Chancen, weltweite Hungersnöte zu bekämpfen.

Schon seit langem ist die auch als Agrarbiotechnologie bekannte Form der Biotechnologie nicht mehr aus der Landwirtschaft wegzudenken. Neue Kreuzungen der wohlschmeckendsten und optisch ansprechendsten Obst-, Gemüse- und Getreidearten ändern die genetische Zusammensetzung der Gewächse dahingehend, dass ihre Früchte besonders süß, schmackhaft, farbkräftig oder groß sind. Dies wurde schon vor Jahrhunderten praktiziert – ohne zu wissen, dass es sich dabei um die genetische Biotechnologie handelt.

Ein weiteres Beispiel ist die Produktion von Biokraftstoffen aus Algen oder anderen Pflanzen, die einen nachhaltigen und erneuerbaren Ersatz für fossile Brennstoffe darstellen können. Die Agrarbiotechnologie ermöglicht es Forscherinnen und Forschern darüber hinaus, Pflanzenschutzmittel auf Basis natürlicher Wirkstoffe zu entwickeln, Biopolymere und Biokunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen herzustellen, sowie Enzyme und Proteine für die Lebensmittel- und Pharmaindustrie zu produzieren.

Insgesamt trägt die Biotechnologie in der Landwirtschaft dazu bei, dass Produkte auf umweltfreundlichere und nachhaltigere Weise gefertigt werden können, indem die Hersteller natürliche Ressourcen nutzen und so schädliche Auswirkungen auf die Umwelt reduzieren.

Biotechnologie für die Optimierung der Industrie

Die industrielle Biotechnologie befasst sich mit dem Einsatz von Mikroorganismen, Enzymen und
anderen biologischen Elementen in der Produktherstellung. Sie lässt sich in verschiedenen Industriezweigen anwenden. Dazu gehören beispielsweise:

• Pharmazie
• Nahrungsmittelindustrie
• Kosmetik
• Chemie
• Umwelttechnik

Im Gegensatz zur Biotechnologie in der Medizin oder Landwirtschaft liegt der Fokus in der Industrie klar darauf, Produkte, Fertigung oder Prozesse zu optimieren. So lassen sich dank industrieller Biotechnologie Enzyme herstellen, die die Leistung von Wasch- und Reinigungsmitteln verbessern. Dadurch können Waschmittel bereits bei niedrigeren Temperaturen und mit deutlich weniger Wasser eingesetzt werden. Das spart Energie und reduziert die Umweltbelastung. Von Muscheln produzierte Klebstoffe sind ebenfalls ein Beispiel, wie sich Biotechnologie industriell einsetzen lässt.

Einige Verfahren bieten beispielsweise die Möglichkeit, Biokunststoff aus nachwachsenden Rohstoffen wie Mais oder Kartoffeln herzustellen. Diese können als Ersatz für herkömmliche Plastikprodukte verwendet werden. In der pharmazeutischen Industrie nutzen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Erkenntnisse aus der industriellen Biotechnologie, um Medikamente zu erzeugen. Mikroorganismen oder Zellkulturen dienen dazu, Wirkstoffe zu produzieren. In der Lebensmittelindustrie ist der Einsatz ebenfalls breit gefächert. Dank neuartiger Vorgehensweisen können Lebensmittelzusatzstoffe wie Aromen, Farbstoffen und Konservierungsmittel einfach und umweltschonend eingesetzt werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die weiße Biotechnologie eine wichtige Rolle dabei spielt,
umweltfreundlichere, nachhaltigere und wirtschaftlichere Produkte und Prozesse zu entwickeln. Biotechnologische sind gegenüber chemischen Verfahren deutlich im Vorteil. Mikroorganismen schaffen es, Stoffe bei Zimmertemperatur und Normaldruck umzuwandeln und erreichen dabei trotzdem eine hohe Ausbeute. Das ist deutlich umweltschonender und milder als die chemische Variante, bei der meistens hohe Temperaturen und hoher Druck nötig sind.

Biotechnologie: Einsatz für die Umwelt

Egal ob Abwasserreinigung, Müllbehandlung, Bodensanierung oder Abluftreinigung – die Biotechnologie bietet viele Möglichkeiten für neuartige Verfahren in den Bereichen Umwelttechnologie, Papier- und Zellstoffindustrie und Energieerzeugung.

So gehören etwa biologische Prozesse, mithilfe derer Biokraftstoffe wie Bioethanol und Biodiesel
produziert werden, zur umwelttechnischen Biotechnologie. Dabei wird Biomasse wie Mais, Getreide oder Pflanzenöl als Ausgangsmaterial verwendet und durch enzymatische oder mikrobielle Prozesse in Biokraftstoffe umgewandelt – hier gibt es Schnittpunkte mit der Agrarbiotechnologie.

In der Umwelttechnologie bieten die Verfahren die Möglichkeit, Abwässer zu reinigen oder schädliche Stoffe im Boden zu neutralisieren. Dafür werden Mikroorganismen verwendet, die dabei helfen, entsprechende Substanzen abzubauen.

Biotechnologie und KI: Was ist in Zukunft möglich?

• Künstliche Intelligenz (KI) kann in Kombination mit Biotechnologie noch mehr möglich machen, als die Biotechnologie allein. KI kann in allen biotechnologischen Sparten unterstützen – sei es in der Medizin, Landwirtschaft, Umwelttechnologie oder in der Industrie. Zum Beispiel:
• Genomik und Genomanalyse: Die Kombination von Biotechnologie und KI ermöglicht eine schnellere und effizientere Analyse von Genomen. Durch den Einsatz von maschinellem Lernen können komplexe genomische Daten verarbeitet und interpretiert werden, um genetische Variationen, Krankheitsrisiken und individuelle Behandlungsoptionen zu finden.
• Medizinische Diagnostik: KI kann dabei helfen, medizinische Diagnosen zu verbessern, indem sie große Mengen an Patient*innendaten analysiert und Muster erkennt. Biotechnologische Verfahren wie DNA-Sequenzierung und Proteinanalyse liefern die Grundlage dafür. KI-gestützte Diagnosewerkzeuge können Ärzten bei der Identifizierung von Krankheiten helfen und die Behandlungsentscheidungen positiv beeinflussen.
• Präzisionslandwirtschaft: In der Landwirtschaft kann der kombinierte Einsatz von Biotechnologie und KI helfen, die Effizienz und Nachhaltigkeit der Nahrungsmittelproduktion zu verbessern. Künstliche Intelligenz kann Erntedaten analysieren und den Einsatz von Düngemitteln und Pestiziden optimieren.
• Umweltschutz: Biotechnologie und KI bieten zusammen weitere Möglichkeiten, Umweltprobleme zu überwachen und zu bewältigen. KI-gestützte Analysen können dabei helfen, Umweltdaten zu interpretieren und Umweltverschmutzungsmuster zu erkennen. Biotechnologische Verfahren wie biologische Abbauverfahren oder die Verwendung von Mikroorganismen tragen dazu bei, Schadstoffe abzubauen oder zu entfernen.
• Abfallmanagement: Künstliche Intelligenz kann Abfallmanagementsysteme optimieren, indem sie Muster in Abfallströmen erkennt und Vorhersagen über die effizienteste Entsorgung oder Wiederverwertung von Abfällen trifft. Über biotechnologische Verfahren werden biologisch abbaubare Materialien entwickelt oder Abfall in wertvolle Ressourcen umgewandelt, etwa durch Biogasproduktion oder die Herstellung von biobasierten Kunststoffen.
• Protein-Engineering: KI kann in Verbindung mit biotechnologischen Verfahren zur Entwicklung von Proteinen eingesetzt werden. Künstliche Intelligenz hilft dabei, die Struktur-Funktions-Beziehungen von Proteinen zu verstehen und Vorhersagen über die optimale Struktur für bestimmte Anwendungen zu treffen. Dies ermöglicht – mittels Biotechnologie – die gezielte Entwicklung von Proteinen mit verbesserten Eigenschaften, wie beispielsweise erhöhter Stabilität, Aktivität oder Spezifität.