Acht Wege, wie die Biotechnologie (noch) die Lebensmittel der Zukunft prägt

In the past several decades, Biotechnologie has brought us staggering breakthroughs that have changed our lives for the better.  From low cost insulin, to personalized genetic testing, to bioluminescent transgenic fish, the advances made in biotechnology have brought an enormous amount of possibilities for the future.  It’s no surprise that these technological developments have found their way into our food and will continue to shape the future of food.  While legislation and regulations over GMOs and bioengineered additives are still being worked out throughout the world, these products and companies are important examples of how these technologies can make an impact on how we eat.

Flavr Savr Tomate

Die Flavr-Savr-Tomate war das erste Produkt mit gentechnisch veränderten Organismen (GVO), das von der FDA für den Handel zugelassen wurde. 1994 gelang es Wissenschaftlern der Firma Calgene, den Reifungsprozess zu hemmen, indem sie den natürlichen Erweichungsprozess der Tomate beeinflussten. Mit Hilfe eines Antisense-Gens, das die Produktion eines Enzyms blockiert, das am Abbau der Zellwand beteiligt ist, konnten sie Tomaten züchten, die wesentlich länger haltbar sind als die herkömmlichen Sorten auf dem Markt. Während die Flavr Savr-Tomaten anfangs wie Pilze aus dem Boden schossen, führte eine Reihe von Herausforderungen, darunter die öffentliche Ablehnung der Gentechnik in Lebensmitteln, zu einem schlechten Markterfolg. Das Unternehmen Calgene wurde schließlich von Monsanto aufgekauft, und die Flavr Savr-Tomaten wurden vom Markt genommen.

Das Golden Rice Projekt

In den frühen 1990er Jahren wurde auch die Entwicklung von Goldener Reisein gentechnisch verbesserter Reis, mit dem das wachsende Problem des Vitamin-A-Mangels in der Ernährung von 140 Millionen Kindern, die von Unterernährung betroffen sind, angegangen werden soll. Normale Reissorten haben die Fähigkeit, Beta-Carotin, eine Vorstufe von Vitamin A, in ihren Blättern zu synthetisieren, aber diese Gene werden im Reiskorn selbst nicht natürlich exprimiert. Durch die Einführung von drei Biosynthesegenen in die Reispflanze, die es ihr ermöglichen, Beta-Carotin im essbaren Endosperm zu synthetisieren, wurde ein biofortifizierter Reis mit einem goldenen Farbton geschaffen. Im Jahr 2005 brachte ein Forscherteam von Syngenta eine ertragreiche goldene Reissorte auf den Markt, die 23 Mal mehr Beta-Carotin enthielt als die erste goldene Reisvariante. Die gleiche Methode wurde auch bei anderen Grundnahrungsmitteln wie Bananen und Sorghum angewandt. Obwohl der Goldene Reis aufgrund der begrenzten Nachweise für die biologische Wirksamkeit bei unterernährten Kindern noch in keinem Land vollständig eingesetzt werden konnte, hat das International Rice Research Institute Anfang 2017 eine Genehmigung für die biologische Sicherheit beantragt, um weitere Studien zum Goldenen Reis für den Einsatz auf den Philippinen durchzuführen.

Evolva

Vanillin, die Hauptchemikalie, die für das Vanillearoma verantwortlich ist, ist seit mehr als einem Jahrhundert ein wichtiges Grundstoffaroma. Die meisten Vanillearomen, die in Lebensmitteln verwendet werden, werden aufgrund der hohen Kosten und der unbeständigen Versorgung mit natürlicher Vanille, die aus den Samenschoten gewonnen wird, synthetisch hergestellt. Im Jahr 2011 hat das Schweizer Unternehmen Evolva hat in Zusammenarbeit mit International Flavors and Fragrances eine Methode zur Herstellung des Aromamoleküls durch Fermentation entwickelt, bei der das Genom der Bäckerhefe gehackt und die Mikrobe gezwungen wird, Vanillin aus leicht verfügbarem Zucker als Hauptnahrungsquelle zu produzieren. Das Verfahren ist zwar immer noch nicht billig, aber das erzeugte Vanillin kann als natürlich bezeichnet werden, da es nicht direkt aus Chemikalien synthetisiert wird, und es kann nachhaltig in großem Maßstab hergestellt werden.

Unmögliche Lebensmittel

Der Stanford-Professor Dr. Patrick Brown sah die Chance, die Lebensmittelindustrie zu revolutionieren, indem er schmackhafte Fleischimitate einführte, die vollständig aus nachhaltigen pflanzlichen Materialien hergestellt wurden. Nachdem er entdeckt hatte, dass der Geschmack von Blut, ein wichtiger Bestandteil des Fleischgeschmacks, der bei den meisten vegetarischen Fleischersatzprodukten fehlt, mit einem eisenhaltigen Häm-Protein aus Sojabohnen nachgebildet werden kann, gründete er Unmögliche Lebensmittel im Jahr 2011, um alternative Fleischprodukte mit echtem Fleischgeschmack auf den Markt zu bringen. Das Häm-Protein, bekannt als Leghämoglobin, ist strukturell mit dem Hämoglobin verwandt, das in menschlichen und tierischen Blutzellen vorkommt. Er und sein junges Team erkannten, dass die Extraktion von Leghämoglobin aufgrund der geringen Konzentrationen, die natürlicherweise in Sojabohnenwurzeln vorkommen, kommerziell unmöglich wäre. Das Blutgeschmacksimitat konnte jedoch in Fermentationsbehältern gezüchtet werden, indem die Synthesegene in Hefen eingebaut wurden, was es dem Unternehmen ermöglichte, seine Produktionsprozesse erfolgreich zu erweitern. Während Impossible Foods weiter auf dem Vormarsch ist, um Burger im ganzen Land durch ihre pflanzlichen Patties zu ersetzen, werden diese transgenen Hefen weiterhin eine wichtige Quelle für ihre "geheime Soße" sein.

Anti-Bräunung Weiße Champignons

CRISPR ist der heiße neue Durchbruch im Bereich des Gen-Editierens, der weltweit sowohl in akademischen als auch in industriellen Forschungskreisen eingesetzt wird. Vor kurzem wurde die CRISPR-Technologie von Forscher der Pennsylvania State University um die Gene zu verändern, die für die Bräunung in weißen Champignons verantwortlich sind. In einem Wildtyp-Pilz verursacht das Enzym Polyphenoloxidase (PPO) eine Bräunung, wenn geschnittenes und gequetschtes Gewebe der Luft ausgesetzt wird, was zu einem unangenehmen Aussehen führt. Mit der CRISPR-Methode können jedoch bestimmte Gene, die für die Synthese von PPO kodieren, gelöscht und die Bräunung in den veränderten weißen Knollenblätterpilzen um 30% reduziert werden. Da die CRISPR-Methode keinen Organismus mit fremder DNA erzeugt, konnten die Pilze die typischen GVO-Vorschriften des USDA umgehen. Damit eröffnet diese Methode unendlich viele Möglichkeiten für das Gen-Editing von pflanzlichen Lebensmitteln, ohne die gleichen Beschränkungen, die für andere GVO-Produkte gelten.

Ginkgo Biowerke

Auch bekannt als "The Organism Company", Ginkgo Biowerke ist ein in Boston ansässiges Start-up-Unternehmen, das im wachsenden Bereich der Lebensmittelbiotechnologie neue Wege beschreitet. Es hat sich zum Ziel gesetzt, wichtige chemische Grundstoffe, die für Aromen, Lebensmittel und Duftstoffe verwendet werden, durch den Prozess der Fermentation herzustellen. Durch die Konstruktion von Designerhefen mittels einer Kombination aus Gentechnik und Roboterautomatisierung ist das Team von Ginkgo Bioworks in der Lage, Tausende von genetisch veränderten Mikroben zu erzeugen und zu screenen und dann die ertragreichsten Kandidaten auszuwählen, um Aromastoffe im kommerziellen Maßstab zu produzieren. Im Gegensatz zu synthetischen Aromen, die aus petrochemischen Stoffen hergestellt werden, können die aus gentechnisch veränderten Hefen gewonnenen Aromastoffe als natürlich bezeichnet werden, was es den Aromenherstellern ermöglicht, natürliche Aromaprodukte zu einem Bruchteil der Kosten im Vergleich zu den aus Pflanzen gewonnenen anzubieten. Das Unternehmen arbeitet derzeit mit den großen Aromenherstellern Kerry, Robertet, Amyris und Ajinomoto zusammen, um die Entwicklung natürlicher Aromen fortzusetzen.

Neue Ernte

Synthetic biology isn’t just for flavors and additives.  The members of Neue Ernte New Harvest träumt von der Herstellung völlig nachhaltiger Fleischerzeugnisse, die ausschließlich aus in einer Petrischale gezüchteten Zellen bestehen, und ist ein Vorreiter auf dem Gebiet der zellulären Landwirtschaft. Mit der gleichen Technologie, mit der Gewebe und Organe für biomedizinische Zwecke gezüchtet werden, arbeitet das Team von New Harvest an der Entwicklung von Methoden zur Züchtung von Tierzellen zu essbarem Fleisch für den menschlichen Verzehr. Durch Partnerschaften mit akademischen Gruppen auf der ganzen Welt unterstützt New Harvest die Forschung an einer Reihe von Produkten, darunter Rind, Huhn, Truthahn, Milch, Eier und Schweinefleisch. Während einige dieser Lebensmittel bereits erfolgreich in einer Petrischale im Labormaßstab gezüchtet wurden, besteht die größte Herausforderung darin, das teure Wachstumsmedium, das bei den derzeitigen Verfahren verwendet wird, durch billigere, nachhaltigere Alternativen zu ersetzen.

Essbare CRISPR-Probiotika

Lebensmittelwissenschaftler an der Universität von Wisconsin-Madison zeigten, dass sie CRISPR über Lebensmittel verabreichen können, um antibiotikaresistente Bakterien zum Absterben zu bringen. Behandlungsresistent Clostridium difficile ist für eine Art von tödlicher Darminfektion verantwortlich, die sich in Krankenhäusern und klinischen Umgebungen schnell ausbreiten kann. Unter Verwendung eines gewöhnlichen bakteriellen Probiotikums als lebendes Trägermedium in Pillenform entwickelt das Labor von van Pijkeren ein Virus, das selektiv infiziert C. difficile with a CRISPR message that causes enzymatic cuts in the bacterial genome.  These slices in the DNA result in the death of the bacteria.  The advantage of the probiotic over conventional antibiotics is its selective ability to kill only this one type of bacteria, leaving beneficial bacteria intact in their human host to continue serving as an immune barrier against other infectious bacteria.  While still in its early stages, the technology shows promise as a potential tool in the growing arsenal against drug-resistant infections that continue to stress the resources of the medical community.

Zwar gibt es nach wie vor Kontroversen über den letztendlichen Nutzen der Gentechnologie auf lange Sicht, da Sicherheitsbedenken hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Artenvielfalt von Nutzpflanzen, die Biosynthese allergener Nebenprodukte und die Übertragung von Antibiotikaresistenzgenen auf schädliche Mikroorganismen bestehen, doch ist klar, dass die Biotechnologie auch in Zukunft ein mächtiges Werkzeug sein wird, das unsere Ernährung und Gesundheit beeinflusst.

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Bryan Le ist Lebensmittelwissenschaftler in den USA und hilft Start-ups und Unternehmern im Lebensmittelbereich bei der Entwicklung regalfertiger Produkte. Konsultieren Sie ihn hier.
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