Bakterien - die Zelle lebt

Nach dem Öl beginnt die Zukunft

Diesem Anfang liegt eine Entzauberung inne: Aus für unsere Augen unsichtbaren Mikroorganismen, die in alle Lebensbereiche hineinwirken und die wir in ihrer Vielfalt und Funktion bislang nur ansatzweise verstanden haben, werden "Minifabriken". Vermutlich leben Milliarden unterschiedlicher Bakterienarten auf der Erde, zwei Handvoll von ihnen können Menschen bislang in Reinform kultivieren und züchten. Die Wissenschaftler an den recht neuen "systembiologischen" Fakultäten wollen aber viel mehr. Sie arbeiten daran, selbst Bakterien zu entwickeln und zu produzieren. Dazu forschen Biologen und Ingenieure zusammen, denn die Systembiologie ist genau das: die Übertragung von Ingenieursprinzipien auf die Biologie.

So werden zum Beispiel einzellige Bakterien nachgebaut; entweder, indem eine künstliche DNA in eine Zelle transportiert und so ein Organismus mit definierten Eigenschaften geschaffen wird. Dabei entstehen sogenannte "Protozellen", das heißt künstliche zelluläre Lebensformen aus chemischen Substanzen. Oder einem Bakterium werden alle Teile seines Erbgutes entfernt, die für eine bestimmte Funktion nicht notwendig sind. Damit entstehen Mikroorganismen, die zum Beispiel Kunststoff produzieren können, oder ein Medikament. Es werden aber auch Bakterien durch Auslese erzeugt, die eine der universellen Basen, die das Erbgut aller Lebewesen bilden, durch einen künstlichen (und ansonsten giftigen) Stoff ersetzen; damit sind sie in der Natur nicht mehr lebensfähig. Solche Bakterien, die kein Gefahrenpotential aufweisen, sich in der Umwelt zu vermehren und mit anderen Organismen zu vermischen, sind in der Biotechnologie begehrt.

Ein anderes Beispiel: Am Institut für Systembiotechnologie der Universität Saarlandes in Saarbrücken wird eine mutierte Form des Bodenbakteriums Pseudomonas putida verwendet. Es setzt den Holzbestandteil Lignin nicht mehr in Zucker um und ernährt sich davon, sondern produziert daraus eine Säure, Adipin. Adipinsäure ist eine Vorstufe des Nylons und damit nicht nur für Strumpfhosenfabrikanten interessant; bislang ist der Stoff ein Nebenprodukt der Benzinherstellung und Grundlage für Dünger, Pflanzenschutzmittel und den Lebensmittelzusatz E 355, der sich in Brause oder Backpulver findet. An der Uni Saarbrücken hat man schon einen "Milliardenmarkt" für das "Bio-Nylon" im Auge. Erst mal fördert das Bundesforschungsministerium das Projekt in den nächsten drei Jahren mit 1,4 Millionen Euro.

Der Text wurde dem gerade im Westend Verlag erschienenen Buch "Der geschenkte Planet. Nach dem Öl beginnt die Zukunft" von Armin Reller und Heike Holdinghausen entnommen.

Die Autoren zeigen, wie der Übergang in eine postfossile Welt erfolgen kann, in eine Welt nach dem Öl. Dabei geht es um neue Techniken und Materialien, aber die Autoren machen auch klar, dass Technik allein niemals nachhaltig ist, dass es immer darauf ankommt, wie sie genutzt wird. Unsere Verantwortung für die Erde verlangt von uns, überlegt und bewusst mit den Ressourcen umzugehen. Die Umgestaltung unserer Wirtschaft wird nur gelingen, wenn wir Bürger an Infrastruktur- oder Industrieprojekten beteiligt werden. Bildung und Demokratie sind daher vielleicht die wichtigsten Ressourcen der Rohstoffwende.

Zweifelsohne, bislang befindet sich die Systembiotechnologie noch im Stadium der Grundlagenforschung. Die "Biologie nach dem Baukastensystem" sei außerordentlich schwierig, heißt es auf der Branchenwebsite biotechnologie.de, man bewege sich noch deutlich mehr auf Seiten der forschenden Biowissenschaften als auf der einer konstruierenden Ingenieursdisziplin. Aber das Ziel ist klar. Die Bioingenieure wollen die "Ingenieursprinzipien" der Modularität (also des Baukastensystems), der Charakterisierung (also der Beschreibung von Stoffen) und der Standardisierung auf die Biologie übertragen, um "Effizienz und Planbarkeit in den Designprozess für biologische Systeme zu bringen", schreiben die Autoren von www.biotechnologie.de.

Das klingt, angesichts der Biologie und Ökologie der Milliarden Jahre alten Bakterien, die buchstäblich jeden Winkel des Planeten besiedelt haben, recht niedlich. Ihre Zahl auf der Erde wird auf fünf mal zehn hoch dreißig (5x1030) geschätzt - das sind fünf Quintillionen, eine Zahl mit dreißig Nullen. Vorstellen kann man sich das nicht mehr, aber es bleibt festzuhalten: Die Zahl der Winzlinge ist gigantisch, unsichtbarerweise stellen sie den Hauptteil der Biomasse auf der Erde und sind der bedeutsamste Speicher für lebensnotwendige Nährstoffe.

Zwei Beispiele: Man nimmt an, dass Bakterien ungefähr die gleiche Menge Kohlenstoff speichern wie alle Landpflanzen sowie zehnmal mehr Phosphor und Stickstoff als diese. Bakterien unterscheiden sich von allen anderen Lebewesen, egal ob Pilz, Pflanze oder Tier, weil sie ihr Erbgut nicht mit einem Zellkern umhüllen. Das verhalf ihnen zu dem Namen Prokaryoten - "vor dem Kern", im Gegensatz zu den Eukaryoten, deren Kern "εὖ", also "gut" oder "tüchtig" ist. Bakterien hatten ausgesprochen lange Zeit, um sich an die unterschiedlichsten Lebensbedingungen und -grundlagen anzupassen. So existiert heute kein organisches Material, das nicht auf dem Speiseplan irgendeiner Bakterie stünde. Aber nicht nur das: Auch Licht können die Kleinen nutzen, um Energie zu gewinnen (wie Pflanzen), und manche verspeisen gar Metalle oder Schwefel. Einige Bakterien produzieren Sauerstoff, andere nicht. Und auch ihr Aussehen ist vielfältig, es gibt gerade und gekrümmte Stäbchenformen, Kugeln und Spiralen. Manche Bakterien sind tausendmal größer als andere, zum Teil können sie sich mit kleinen Wimpern oder Rudern bewegen, einige bauen winzige Magneten in ihre Zellwände ein, um sich an der Erdanziehung zu orientieren. Sehr nachvollziehbar, dass der schwedische Botaniker Carl von Linné die Bakterien in seiner umfassenden Systematik der Pflanzen, Tiere und Mineralien zu den zweifelhaften Arten zählte und sie in die Klasse des "Chaos" einordnete.

Kennzeichnend für diese Lebewesen ist eben ihre schier unermessliche Vielfalt. Erst siebentausend Arten sind bislang beschrieben, von vermuteten Milliarden. Überwiegend vermehren sie sich durch Zellteilung, doch sind sie auch in der Lage zu sexueller Fortpflanzung und können ihr Genmaterial austauschen. Dazu benutzen sie Bakteriophagen, also Viren. Wie alle Viren verfügen diese über keinen eigenen Stoffwechsel und benötigen einen Wirt, damit sie überleben können, zum Beispiel eben eine Bakterie. Den Phagen wird eine Kopie von einem Teil oder dem ganzen Erbgut eines Bakteriums übertragen und der winzige Virus kann von Zelle zu Zelle wandern und die Erbinformationen so übertragen. Das erklärt auch Resistenzbildungen: Hat es eine Bakterie durch eine Mutation geschafft, sich etwa gegen einen Penicillin-Pilz zu wehren, kann es die Mittel dazu an seine Kollegen weiterreichen. Das heißt, die Einzeller kommunizieren und bilden komplexe Lebensgemeinschaften, nicht nur untereinander, sondern auch mit Tieren und mit Pflanzen.

Die noch immer gültige Sprachregelung von den "höher organisierten" Pflanzen und Tieren gegenüber den "primitiveren" Einzellern ist also fraglich. Sie sind schlicht einen anderen Weg der Evolution gegangen. Sie haben sich nicht zu komplexen Individuen fortgebildet, "sondern haben eine riesige Zahl an Stoffwechseltypen und Anpassungsmechanismen entwickelt, um auf der Erde fast alle Habitate zu erobern - auch die, welche für die höheren Organismen lebensfeindlich sind".1

Für die wesentlichen Stoffkreisläufe der Erde sind Bakterien von grundlegender Bedeutung

Ungefähr 4,6 Milliarden Jahre ist die Erde alt. Zumindest hat man in Westaustralien, in Südafrika und auf Grönland Gestein entdeckt, das fast so alt ist; als ältestes Gestein gilt der Itsaq-Gneis-Komplex im Südwesten Grönlands, der nach Radioaktivitätsmessungen auf 3,8 Milliarden Jahre geschätzt wird. In etwas jüngerem Gestein, das etwa 3,5 Milliarden Jahre alt ist, finden sich schon fossile, also Stein gewordene Zellreste. Demnach haben sich einzellige Lebewesen schon nach einer Milliarde Jahren gebildet, zu einem sehr frühen Zeitpunkt der Erdgeschichte. Die derzeit gängige Theorie ihrer Entstehung lautet in etwa: Nachdem sich die Erde nach einigen Millionen Jahren so weit abgekühlt hatte, dass Wasser kondensieren und Meere bilden konnte, mischten sich in der Atmosphäre vor allem Methan, Kohlendioxid, Wasserstoff, Stickstoff und Ammoniak. Auch Vorräte an Sulfid und Blausäure dürften vorhanden gewesen sein, ebenso wie große Mengen an Eisensedimenten. Das sogenannte "Miller-Experiment " des kalifornischen Chemiestudenten Stanley Lloyd Miller zeigte 1953, was dann möglicherweise geschehen ist. Miller erhitzte in einem geschlossenen Glaskolben Wasser, Methan, Ammoniak und molekularen Wasserstoff und wollte sich mit seinem Experiment den vor Milliarden Jahren herrschenden Bedingungen annähern. Er schickte als Energiequelle Funkenladungen durch die "experimentelle Uratmosphäre"; damit simulierte er zum Beispiel Blitzeinschläge oder Vulkanausbrüche. Nach einigen Tagen hatten sich aus den Gasen organische Moleküle gebildet: Aminosäuren, Zucker, Purine und Pyrimidine, die allesamt zum Aufbau der Erbsubstanz notwendig sind.

Weil es zur Entstehungszeit des Lebens logischerweise noch keine Mikroorganismen gab, muss die Erde steril gewesen sein und die organischen Substanzen konnten sich in den Meeren anhäufen. Schließlich könnten sich daraus einfache, einzellige Organismen, Bakterien, entwickelt haben. Man geht davon aus, dass in den Ozeanen große Mengen von Eisenionen trieben. Die frühen Organismen dürften sie gefuttert und zur Energieerzeugung genutzt haben - wählerisch durfte man zu damaligen Verhältnissen wahrlich nicht sein. Durch Mutation und Auslese entstanden unterschiedliche Bakterientypen, unter anderem die Cyanobakterien. Diese führten langsam, aber sicher eine frühe Umweltkatastrophe herbei: Sie begannen nämlich vor etwa 2,8 Milliarden Jahren, bei der Photosynthese Sauerstoff zu produzieren. Der war zuvor nicht Bestandteil der Atmosphäre und wirkte auf viele Bakterien als Gift.

Vor etwa zwei Milliarden Jahren hatten die Cyanobakterien - die wir heute noch fälschlich als Blaualgen bezeichnen - so viel Sauerstoff in die Atmosphäre geblasen, dass aerobe Organismen einen Überlebensvorteil bekamen. Sie können nämlich Sauerstoff atmen und dabei Kohlenstoffverbindungen wie Kohlenhydrate zu Wasser und Kohlendioxid verbrennen (oxidieren), also ganz anders als ihre anaeroben Verwandten, die stattdessen etwa auf Methan oder Schwefel angewiesen waren und die sich daher in sauerstofffreie Gegenden zurückziehen mussten. Dieser Prozess dauerte ewige Zeiten, unsere heutige atmosphärische Sauerstoffkonzentration - und damit die Luft, die wir atmen, in der wir leben können - hat die Erde erst vor 570 Millionen Jahren erreicht. Durch Mutation, evolutionäre Auslese und den "kooperativen Zusammenschluss" von unterschiedlichen Zellen entstanden neue Lebensformen. Auch die Bakterien entwickelten sich fort und besetzten unterschiedliche ökologische Nischen.

Für die wesentlichen Stoffkreisläufe der Erde, den Kohlenstoff-, Stickstoff-, Phosphor-, Schwefel- und Sauerstoffkreislauf, sind Bakterien von grundlegender Bedeutung. Sie wandeln die essentiellen Stoffe jeweils in Formen um, die sie für Pflanzen und Tiere verfügbar machen. Ihre riesige Vielfalt macht sie noch heute schwer fassbar; die frühen Naturforscher trieben sie schier zur Verzweiflung. Die ganz unterschiedlichen Erscheinungsformen der winzigen Lebewesen führte sie immer wieder in die Irre. Das ganze 19. Jahrhundert hindurch beschrieben Biologen Mikroorganismen, die sie unter ihren Mikroskopen beobachteten, ihr Aussehen, die Bedingungen ihrer Kultur, ihre Wirkungen. Sie konnten nicht wissen, dass sie selten Reinkulturen einer Art zu Gesicht bekamen und somit stets ganz unterschiedliche Lebensgemeinschaften unter dem Mikroskop hatten. Kein Wunder, dass sie bei ihren Beobachtungen jeweils zu ganz anderen Ergebnissen kamen - ein Umstand, den sie sich selbst jedoch nicht erklären konnten.

Aber sie lösten doch die ersten Rätsel der Mikroorganismen, Schritt für Schritt. Seit der Antike hatten interessierte Kreise das Konzept der "Spontanhypothese" oder "Generatio spontanea" diskutiert: Demnach konnten zumindest einfache Lebewesen spontan aus toter Materie entstehen. Aristoteles vertrat in seiner Naturgeschichte der Tiere die Ansicht, Tiere könnten auch aus Erde, Pflanzen oder anderer Materie abstammen. Sein Werk prägte über zweitausend Jahre lang das Denken über dieses Thema. Die Generatio spontanea war ja auch durchaus plausibel: Lässt man etwa ein tadelloses Stück Fleisch einige Zeit herumliegen, verändert es sich; es riecht anders, sieht anders aus; schließlich finden sich darin sogar Larven oder Würmer. Woher sollten sie gekommen sein, wenn nicht spontan, aus dem Fleisch heraus?

Skeptiker hatte es allerdings auch schon immer gegeben. Sie vermuteten, in der Luft seien Samen oder Keime vorhanden, die sich auf dem Fleisch niederließen. Louis Pasteur, geboren 1822 im ostfranzösischen Städtchen Dole, hielt die spontane Entstehung von Leben für Unfug und wollte den uralten Streit endgültig entscheiden: Er entwickelte einen Glaskolben mit einem gebogenen, einem sogenannten Schwanenhals und befüllte ihn mit Fleischbrühe. Erhitzte er die Flüssigkeit lange genug und sterilisierte sie somit, blieb die Brühe, wie sie war. Kippte er seinen Kolben ein wenig, so, dass die Brühe mit den Rückständen in Kontakt kam, die sich durch das Erhitzen im gebogenen Flaschenhals gesammelt hatten, waren einige Zeit danach deutlich mehr Mikroorganismen feststellbar als zuvor. Sie waren also nicht aus sich heraus entstanden, sondern waren schon zuvor vorhanden oder kamen über die Luft, nahm Pasteur an.

1860 veröffentlichte er eine Reihe von Aufsätzen, die diesen Effekt beschrieben. Schon einige Jahre zuvor hatte er in einem Weinfass Organismen entdeckt, die er mit den Gärungsprozessen des Alkohols in Verbindung brachte. Weil die Winzlinge wie Stäbchen aussahen, nannte er sie "bacterion" (Griechisch für "Stäbchen "). Von Justus von Liebig, Begründer einer "wissensbasierten Landwirtschaft" in Deutschland, erntete er heftigen Widerspruch. Der Chemiker konnte sich beim besten Willen nicht vorstellen, dass unsichtbare, kleine Organismen dafür verantwortlich sein sollten, Stoffe umzuwandeln.

Doch Pasteur lag richtig. Seine Entdeckungen hatten praktische Folgen: Milch und andere Lebensmittel konnten nun mittels der Pasteurisierung - einem Verfahren, das nach ihm benannt wurde - haltbar gemacht werden. Zudem räumte er mit uralten Mythen auf, die sich auf dem Land allerdings noch lange hielten. Die Wirkung von Bakterien beobachteten Menschen nämlich schon lange, doch verstanden sie ihre Wirkung nicht. So war etwa "Milchfrevel" ein Tatbestand der grausamen Hexenverfolgungen der angehenden Neuzeit. Die kostbare und hart erarbeitete Milch war sauer geworden, färbte sich gar braun oder orangerot oder bekam grünfl uoreszierende oder violette Flecken? Da konnte nur eine Milchhexe am Werk gewesen sein.2 Zahlreiche "Methoden" waren bekannt, mit denen Frauen Milch verhexen, schädigen oder in ihre Gewalt bringen konnten. Es war Louis Pasteur, der die wahren Übeltäter entlarvte: Bakterien. Heute erhitzt man daher Milch während des Pasteurisierungsverfahrens für eine halbe Minute auf 71 bis 74 Grad Celsius. Noch immer wird allerdings darüber gestritten, was gesünder sei: eine möglichst naturbelassene oder eine weitgehend sterile Milch, ohne Keime, aber auch mit weit weniger gesunden Milchsäurebakterien. Rohmilch, also weder erhitzte noch gefilterte Milch, darf in Deutschland heute nur noch von zertifizierten Bauernhöfen direkt vermarktet werden.3

Pasteur wollte die krankmachenden Bakterien zwar aus Lebensmitteln eliminieren, doch er war auch fasziniert von der mit bloßem Auge nicht sichtbaren Welt der Bakterien und Mikroorganismen. Dabei konnte er sich auf die Erkenntnisse eines neugierigen Tuchhändlers stützen: Der Niederländer Antoni van Leeuwenhoek überprüfte, wie damals üblich, die Qualität der gehandelten Leinenstoffe mit einer guten Lupe. Derart vergrößert konnte er zum Beispiel die Fäden zählen, aus denen das Tuch gewebt war. Die beginnende Industrialisierung und mit ihr der wachsende Handel mit Tuchen, aber auch der Schiffsbau hatten vor allem in England und Holland einen Bedarf an neuartigen Techniken geschaffen, etwa zur Navigation oder zur Warenkontrolle. Unter anderem war daraus das Mikroskop hervorgegangen. Wer es letztlich erfunden hatte, ist nicht bekannt, aber im 17. Und 18. Jahrhundert arbeiteten schon diverse Wissenschaftler damit. So auch Leeuwenhoek. Mit seinen einfachen, selbst geschliffenen Linsen konnte er Dinge immerhin bis zu 270-mal vergrößern. 1676 untersuchte er also mit einem seiner Instrumente einige Tropfen Pfefferaufguss, um herauszufinden, warum der Pfeffer pfeffrig schmeckte. Darauf fand er zwar keine Antwort; doch er entdeckte ein lebendiges Gewimmel sich immer weiter vermehrender Tierchen, so winzig, dass eine Million von ihnen nicht einmal die Größe eines Sandkornes erreichen würde; Leeuwenhoek - übrigens Freund und Nachlassverwalter des Malers Johannes Vermeer - dürfte der erste Mensch gewesen sein, der tatsächlich Bakterien gesehen hat.4

1684 veröffentlichte er Zeichnungen, auf denen er seine Anschauungsobjekte darstellte: gepunktete Formen, Stäbchen und Spiralen.5 Der Händler und Wissenschaftler teilte seine Erkenntnisse der Royal Academy in London mit, der maßgeblichen Wissenschaftsorganisation der Zeit, und korrespondierte in der Folge regelmäßig mit ihr. Der Prozess der katholischen Kirche gegen den italienischen Universalgelehrten Galileo Galilei, der das kopernikanische Weltbild propagiert und die Erde damit aus dem Mittelpunkt des Universums gerückt hatte, war da erst gut fünfzig Jahre her.

Richtig Furore machten die Bakterien allerdings erst im 19. Jahrhundert, als der Botaniker Ferdinand Cohn, der Chemiker Louis Pasteur und der Arzt Robert Koch mit der "Bakteriologie" eine der Grundlagen der modernen Medizin schufen. Eine uralte Überzeugung nach der anderen warfen die Naturwissenschaftler in diesem Jahrhundert über den Haufen; neben der Spontanhypothese zum Beispiel auch die Miasmentheorie, nach der Krankheiten als "schlechte Winde" über das Land zogen und Mensch und Tier infizieren konnten, oder die Auffassung, verschiedene Mikroorganismen seien nur Anpassungsformen des Organismus an seine Umgebung. Der Breslauer Biologe Cohn war über das Studium der Pflanzen zunächst bei den Algen und schließlich bei den Bakterien gelandet. Er entdeckte, dass sich lebende Bakterien abtöten lassen, indem sie erhitzt werden, Endosporen aber nicht. Das sind Zellen im Ruhezustand, die die DNA der Bakterie enthalten und durch einen besonderen Aufbau geschützt sind. Endosporen können Millionen von Jahren schlafen, bis sie bei günstigen Umweltbedingungen zum Leben erwachen. Cohn fand heraus, dass Hitze also nicht in jedem Fall eine zuverlässige Art der Sterilisation darstellt.

Diese Erkenntnis verwendete später Robert Koch bei seinen Arbeiten. Der Arzt Koch, als dessen Fürsprecher und Förderer Cohn waltete, war zu Lebzeiten so berühmt wie berüchtigt. Als Robert Koch, das dritte von dreizehn Kindern einer Bergmannsfamilie, in Clausthal im Harz geboren wurde, war Tuberkulose eine der häufigsten Todesursachen. Rund ein Siebtel der erfassten Todesfälle gingen auf die "Schwindsucht" zurück. Noch im Jahr 1900 starben in den USA hundertachtzig von hunderttausend Menschen an Tuberkulose - nur der Grippe und Lungenentzündungen fielen mehr Menschen zum Opfer. (Einhundert Jahren später taucht die Grippe in der entsprechenden Statistik nur noch auf Platz sechs auf - an der Spitze stehen nun Herzerkrankungen und Krebs.)

Koch widmete sich also einem dringlichen Problem. Er entwickelte Methoden, um Bakterien zu kultivieren, zu vermehren und durch Färbung sicht- und zählbar zu machen. Mit seiner systematischen Forschung entdeckte er etwa die Erreger des Milzbrandes, der Tuberkulose und der Cholera (diese hatte ein italienischer Kollege schon Jahrzehnte zuvor beschrieben, in der Fachwelt aber kein Gehör gefunden). Eine Menschheitsplage nach der anderen wurde als durch Bakterien verursacht entlarvt: Tripper, Typhus und bestimmte Fälle der Magen-Darm-Erkrankung Gastroenteritis. 1905 bekam Koch für seine Forschungen zur Tuberkulose den Nobelpreis.

Viel ausrichten konnte er gegen die Krankheit hingegen nicht. Der von ihm entwickelte Impfstoff Tuberkulin erwies sich als nicht wirksam, im Gegenteil, einige Patienten starben nach der Impfung. Doch indem klar wurde, dass Bakterien und andere Mikroorganismen hinter Infektionskrankheiten steckten, konnten sie schließlich erfolgreich bekämpft werden - und das ist auch ein Verdienst Robert Kochs. Sauberes, gechlortes und gefiltertes Wasser und insgesamt hygienischere Verhältnisse beendeten die Herrschaft von Schwindsucht, Cholera und Co., zumindest in den entwickelten Regionen. In armen Ländern sind sie noch immer nicht ausgerottet; und wenn, etwa durch Erdbeben oder Überflutungen, die Wasseraufbereitung gestört wird und große Mengen Wasser verschmutzt werden, kann Vibrio cholerae durchaus auch in einem Industrieland wieder zu einem Problem werden. Diese Bakterie ist Auslöser der Krankheit, die mit Erbrechen und Durchfall einhergeht und mit hoher Wahrscheinlichkeit zum Tode führt, wenn sie nicht behandelt wird. Erhalten die Erkrankten aber ausreichend Flüssigkeit und Zucker sowie ein wirksames Antibiotikum, überleben sie die Choleraerkrankung in der Regel.

Antibiotika haben den durch Bakterien ausgelösten Krankheiten heute weitgehend ihren Schrecken genommen. Sie sorgen dafür, dass die Einzeller ihre Zellwände nicht aufbauen und sich damit nicht vermehren können. Trotzdem, wenn von Bakterien die Rede ist, lauten die Synonyme meist "Keime", "Bazillen" oder "Erreger". Vermehrt tauchen sie wieder in den Schlagzeilen auf. Eigentlich hochwirksame Antibiotika haben wir in den vergangenen Jahrzehnten zu unachtsam eingesetzt; zahlreiche Bakterien haben, etwa in Hühnerställen oder Krankenhäusern, Resistenzen gegen die Medikamente entwickelt und sind jetzt kaum noch zu bekämpfen. Die Horrormeldungen über die in der Tat beunruhigenden "Krankenhauskeime" verstellen bisweilen den Blick darauf, dass Bakterien nicht nur Bazillen sind, sondern ganz selbstverständlich zum Menschen gehören. Wir bestehen aus Zellen - und aus zehnmal mehr Mikroben (also winzigen Lebewesen wie Bakterien). Genau wie das "Genom", also die Gesamtheit des Erbmaterials eines Menschen, ist inzwischen das Mikrobiom als ein Merkmal jedes Individuums anerkannt.

Das National Institute of Health der USA will die riesige Wissenslücke schließen helfen, die sich uns hier noch immer auftut; bis 2015 erstellt es im Rahmen des "Human Mikrobiome Project" ein Datenset über die Mikroben, die uns Menschen besiedeln. Dabei wollen die Forscher nicht den alten Fehler machen und Bakterien im Labor züchten, um sie dann zu untersuchen. Zu unterschiedlich sind ihre Anforderungen an die Umwelt. Um wirklich alle zu erfassen, werden Proben etwa von der Haut, aus dem Darm oder aus dem Mund genommen und die Funde dann genetisch analysiert. Die Millionen bis Billionen Bakterien des Organismus übernehmen zum Teil aufwändige Steuerungsaufgaben, etwa in der Verdauung oder in der Abwehr von Krankheitserregern auf der Haut - wie gesagt, so richtig viel wissen wir über dieses Zusammenspiel noch nicht.

Bakterien in der Nahrungsmittelproduktion

Unsere nur groben Vorstellungen nutzt übrigens die Lebensmittelindustrie, um uns allerlei überteuertes Zeug anzubieten. So preisen sie "probiotische" Nahrungsmittel an, etwa Joghurt, dessen sich irgendwie drehende Bakterien unseren Darm sanieren sollen. Nun tötet unser mit Säuren verseuchter Magen eindringende Bakterien verschiedenster Couleur relativ zuverlässig ab, sodass sie kaum noch wirksam im Darm ankommen dürften. Außerdem stecken Milchsäurebakterien in jedem Joghurt. Denn ohne es zu wissen, benutzen Menschen schon lange Bakterien, um Lebensmittel herzustellen und zu verfeinern oder haltbar zu machen.

Bereits Römer und Griechen stopften Weißkohl und Salz in Töpfe, beschwerten das Gemisch mit Steinen und genossen nach einigen Wochen leckeres Sauerkraut: Milchsäurebakterien hatten den Kohl haltbar gemacht; in kühleren Gefilden lieferte er auch im Winter die wichtigen Vitamine A, B, C und K sowie Mineralstoffe. Milchsäurebakterien sorgen auch dafür, dass sich Milch verdicken und somit zu Joghurt, Kefir oder Buttermilch verwandeln lässt. Bei der Käseherstellung werden Bakterien eingesetzt; auf Romadur, Appenzeller, Harzer oder Handkäse liefern Rotschmierebakterien die rötliche Rinde und einen besonders würzigen Geschmack. Im Sauerteig sorgen Milchsäurebakterien für lockeres Brot, und Hefepilze, die zu den Schlauchpilzen gehören, lassen Kuchenteig aufgehen und vergären Hopfen, Wasser und Gerste zu Bier. Essigsäurebakterien verwandeln Wein, Sherry oder vergorene Himbeeren in Essig und sind an den Verfahren beteiligt, in denen Bier, Wein oder Cidre hergestellt werden.

Doch auch schon eine Stufe früher beteiligen sich Bakterien an unserer Nahrungsmittelproduktion: Im Grunde beruht das gesamte landwirtschaftliche System auf Bakterien und anderen Mikroben. Hülsenfrüchtler (oder Leguminosen), also etwa Bohnen, Erbsen, Klee oder Lupinen, leben symbiotisch mit Bakterien. An ihren Wurzeln bilden die Pflanzen Knollen aus und locken Knöllchenbakterien an, die sich zu den Wurzeln bewegen und sich dort ansiedeln. Sie besitzen die Fähigkeit, Stickstoff aus der Luft zu binden, den Pflanzen für ihr Wachstum brauchen. Diese Fähigkeit ist außerordentlich, denn Stickstoff liegt in der Atmosphäre in Form eines äußerst stabilen Moleküls vor. Für lebensnotwendige Funktionen muss es aber gespalten werden. Während die Knöllchenbakterien diesen Prozess bei Umgebungstemperatur bewältigen, brauchen wir Menschen für die technische Trennung des Stickstoffs, der sogenannten Ammoniaksynthese, mehrere hundert Atmosphären Druck und einige hundert Grad Temperatur. Wir sind noch weit entfernt von den eleganten Lösungen, die uns die Natur vormacht und kostenlos zur Verfügung stellt. In der Tat integrieren Bauern aber Leguminosen in die Fruchtfolge auf ihrem Acker und benötigen dafür weniger Stickstoffdünger.

Überhaupt, der Boden: In einem gesunden Boden nehmen Regenwürmer organisches Material, Bakterien und Pilzsporen auf und verdauen sie mit Hilfe von Darmbakterien, um sie als fruchtbaren Humus wieder auszuscheiden. Im Boden frei lebende Bakterien bauen das Material weiter ab und stellen es den Pflanzen so zur Verfügung, dass sie es wiederum als Nahrung nutzen können. Besonders um die Wurzeln von Pflanzen drängen sich Mikroorganismen, um Stoffwechselprodukte wie Zucker oder Vitamine zu ergattern, die dort ausgeschieden werden. So kann man davon ausgehen, dass in einem Kubikzentimeter fruchtbaren Bodens einige Milliarden Mikroorganismen in unglaublich komplexen Kaskaden von Stoff- und Energieumwandlungen werken und wirken.

Auch im Pansen von Kühen oder Schafen finden sich Mikroorganismen, die die hartleibige und nährstoffarme Cellulose verdauen. Die neue Pflanzenbiotechnologie als eine Branche der Landwirtschaft nutzt heute Bakteriophagen, um Erbmaterial von einer Pflanze zur nächsten zu transferieren. Die Milliarden Jahre alten Instrumente der Bakterien zur Weitergabe ihres Erbgutes heißen nun "Vektoren". Aber auch Mikroorganismen wie Pilze und Bakterien selbst werden inzwischen in großem Umfang gentechnisch verändert.

Bergbau mit Bakterien

Einige Bakterien haben es im Laufe der Evolution gelernt, Metalle als Nahrungsgrundlage zu nutzen. Sie können etwa Eisen oder Eisen-Schwefel-Verbindungen in ihre Zellen einbauen und daraus Energie gewinnen oder mit ihnen organisches Material herstellen. Das eröffnet für uns Menschen weitere Einsatzmöglichkeiten für Bakterien: Bestimmte Arten vertragen gar Schwermetalle wie Quecksilber, Arsen oder Bor und können verseuchte Böden oder Gewässer reinigen.

An der alten sächsischen Bergakademie in Freiberg wird nach Mitteln gesucht, um ein altes, aber bislang ineffektives Verfahren zum Abbau von Seltenen Erden und anderen begehrten - und zukünftig knapper werdenden - Metallen zu verbessern. Gleich zwei Forschungseinrichtungen befassen sich vor Ort mit der Methode, mit Mikroorganismen Bergbau zu betreiben. Bergbauingenieure, Biologen, Chemiker, Geologen, Verfahrenstechniker und Metallurgen arbeiten an einem Forschungskolleg der Bergakademie, das die private Krüger-Stiftung mit sechs Millionen Euro finanziert: Am Freiberger Biohydrometallurgischen Zentrum für strategische Elemente untersuchen sie Wege, Germanium und Indium mittels Bakterien zu gewinnen. Die beiden Metalle sind begehrt in der Kommunikationstechnologie und liegen in verschiedenen Erzen meist in sehr geringen Konzentrationen vor. Bakterien wie etwa Acidithiobacillus ferrooxidans sollen, in Umgebung und unter Zugabe von Kohlendioxid, Metallionen zur Energiegewinnung nutzen. Dazu lösen sie diese aus dem Gestein heraus. Diese Vorgänge sollen entweder auf unten abgedichteten Halden oder in Bioreaktoren stattfinden.

Millionen Bakterien tummeln sich allein in einem Milliliter Wasser. Welche Bakterienstämme am ehesten geeignet sind und in welcher Korngröße sie die Erze am besten aufschließen können, sind knifflige Fragen für Biologen. Das Ergebnis der Arbeit der Mikroorganismen ist jedenfalls eine Lösung, in der sich je nach Ausgangserz alle möglichen Metalle wie Zink, Kupfer, Zinn und Eisen, aber auch Aluminium und Spuren von Indium und Germanium sowie von Schwermetallen wie Cadmium und Blei befinden. Hier wird es spannend für die Chemiker: Sie müssen herausfinden, wie sie die Metalle möglichst getrennt voneinander aus der Flüssigkeit herausholen können.

Am Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie wird an einem ähnlichen Projekt geforscht. Hier wird nach geeigneten Bakterien gesucht, mit denen sich die Kupfervorkommen in der sächsisch-brandenburgischen Lausitz erschließen ließen. Mit konventionellen Methoden wird Kupfer gewonnen, indem das Gestein aus der Mine gebrochen und als Brocken ans Tageslicht befördert wird; sie werden zerkleinert, gemahlen und schließlich erhitzt, um das Metall abzutrennen. Übrig bleibt immer noch erzhaltige Schlacke, die auf hügelgroßen Halden gelagert oder als minderwertiges Baumaterial, etwa im Straßenbau, eingesetzt wird. Effizient ist das nicht, denn zum Beispiel im Kupferschiefer, einem goldgetupften, schwarzen Gestein, kommt das Erz sehr fein verteilt vor. Um nur geringe Mengen Metall zu erhalten, müssten große Mengen Gestein fein gemahlen werden. Die Idee ist, auf diese energieaufwändige Methode zu verzichten und lieber Mikroorganismen auf die Erze anzusetzen. Doch auch herkömmlichen biotechnologischen Methoden widersetzt sich der Kupferschiefer bislang. Anders als die weltweit am häufigsten vorkommenden Kupferporphyre ist er für Bakterien nur schwer verdaulich. Darum gilt es herauszufinden, welche Bakterien oder auch Pilze überhaupt geeignet sein könnten, die kohlenstoffreichen heimatlichen Kupfererze abzubauen.

Allerdings: Bergbau mit Mikroben ist nicht per se umweltfreundlich. Das zeigt die inzwischen bankrotte Mine Talvivaara in Finnland. Auf über sechzig Quadratkilometern Fläche sollten dort Nickel, Zink, Kobalt und Kupfer abgebaut werden, zum Teil auch per Biomining. Rund 24 Millionen Tonnen erzhaltiges Gestein wurden dort jährlich zu großen Halden aufgetürmt und mit Bakterienkulturen behandelt. Regelmäßig geriet das Unternehmen in die Schlagzeilen, weil es das Wasser zwar in geschlossenen Systemen halten wollte, ihm das aber nicht gelang. Heute sind Böden und Gewässer im Umkreis von über hundert Kilometern mit Schwermetallen und Uran verseucht. Abwasser geriet außer Kontrolle, hunderte Millionen Liter Klärbrühe mit hohen Gehalten an Nickel, Cadmium und Sulfaten ergossen sich in angrenzende Seen und Bäche. Aber trotzdem: Acht bis zwanzig Prozent des Kupfers wird weltweit mittels Biomining gewonnen, doch gilt die Technik längst nicht als ausgereift.6

Die vielfältigen Stoffwechselprozesse der Bakterien machen sie attraktiv für industrielle Anwendungen

Die chemische Industrie wiederum setzt Bakterien schon länger routiniert ein: Seit 1999 bieten Pharmaunternehmen Zuckerkranken das Hormon Insulin an, das sie nicht mehr aus der Bauchspeicheldrüse von Schweinen oder Rindern gewinnen, sondern mittels gentechnisch veränderter Mikroorganismen wie Bakterien oder Hefen (also Pilzen). Nach langen Vorbehalten und Diskussionen ist das Verfahren heute Standard. Auch Penicillin oder bestimmte Vitamine, etwa das "Wachstumsvitamin" B2 oder Vitamin C, werden aus Zuckern von Mikroorganismen hergestellt.

Andere Bakterien wurden so manipuliert, dass sie eiweißspaltende Enzyme produzieren können. Eingesetzt in Waschmitteln, zersetzen sie zum Beispiel Blut-, Eigelb- oder Saucenflecken auf Textilien auch bei niedrigen Temperaturen in der Waschmaschine. Die vielfältigen Stoffwechselprozesse, die Bakterien im Laufe ihrer langen Evolution entwickelt haben, machen sie attraktiv für weitere industrielle Anwendungen - und viele sind ein wirklicher Fortschritt. Die Produktion von Insulin aus gentechnisch veränderten Bakterien zum Beispiel ist gegenüber der Produktion aus Tieren zu bevorzugen. Den Tieren wird Leid erspart und Zuckerkranken ein günstiges Medikament zur Verfügung gestellt. Metallverarbeitende Bakterien, die das Recycling von legierten Gewürzmetallen ermöglichen, die bislang in Müllverbrennungsanlagen in Rauch aufgehen, wären zu begrüßen (siehe das Kapitel "Abfall - aus Müll werden schillernde Rohstoffe").

Bioökonomie: Die Bioingenieure verweigern den Dialog

Franz-Theo Gottwald und Anita Krätzer etwa verdammen in ihrer Streitschrift "Irrweg Bioökonomie. Kritik an einem totalitären Ansatz" die Biotechnologie in Bausch und Bogen, weil sie für ein Konzept stehe, dass die Ökonomisierung des gesamten Lebens betreibe.7 Damit stehen sie an der Seite eigentlich aller Umweltorganisationen, die Gentechnik per se und im Grundsatz ablehnen, weil sie die ökologischen Risiken für nicht überschaubar noch kontrollierbar halten und den Nutzen nur für wenige (Chemie-)Konzerne sehen. Eine postfossile Wirtschaft, die den Menschen der Industrieländer einen akzeptablen und denen der Schwellen- und Entwicklungsländer einen erstrebenswerten Lebensstandard anbietet. Suffizienz, also eine genügsame Lebensführung, die nicht auf materiellen Wohlstand und Besitz, sondern auf ein mehr an Zeit und menschlichem Miteinander setzt, ist ein wunderbarer Ansatz. Aber er fasziniert bislang nur einen kleinen Teil der Bevölkerung in den Industrieländern und einen noch kleineren in den aufstrebenden Ökonomien. Die globalen Ressourcenprobleme sind aber so gravierend, dass es nicht reicht, eine Minderheit für alternative Lebensentwürfe zu begeistern. Lokale Kreisläufe und ein entschleunigter, bewusster Konsum sind notwendig; aber ohne Industrie sind Gesellschaften, deren Finanz- und Sozialsysteme von Wachstum und einer hohen Wertschöpfung abhängen, schwer vorstellbar. Nach dem Motto von Ralf Fücks gilt es also, auch in der Bioökonomie "intelligent zu wachsen".8

Andererseits erscheinen die Vorstellungen der öffentlich großzügig geförderten Bioingenieure, sie könnten Bakterienkulturen "effizient und planbar" einsetzen, nach jahrzehntelangen Diskursen über die Komplexität von Ökosystemen und die Erfahrungen mit Nichtwissen allzu plakativ und simpel. Zudem wecken sie ungute Erinnerungen an das Selbstverständnis derjenigen Ingenieure und Physiker, die dasselbe fünfzig Jahre lang von der Atomkraft geglaubt haben (oder es noch immer glauben). Die Reaktorunfälle von Tschernobyl und Fukushima haben gezeigt, dass Technologien menschliche Fehler und die Gewalt der Natur tolerieren müssen und nicht in Katastrophen münden dürfen, wenn sie doch eintreten. Die meisten Sorgen und Ängste der Zivilgesellschaft in Bezug auf die Atomkraft haben sich letztlich bewahrheitet, vom nicht beherrschbaren Störfall über den militärischen Hintergedanken der "friedlichen Nutzung" der Kernenergie bis hin zur nicht lösbaren Endlagerproblematik. Heute wiegeln Wissenschaftler oder Industrielobbyisten die Befürchtungen von Umweltorganisationen oder von Teilen der Bevölkerung vor der Gentechnik ab, weil diese nicht "wissensbasiert" und "pure Ideologie" seien; damit sprechen sie, ganz in der Tradition der alten Atomlobby, den Nicht-Experten das Rederecht ab.9

Ein verweigerter Dialog schafft jedoch Misstrauen und Wut und damit genau das Gegenteil von Akzeptanz - offensichtlich hat sich das noch immer nicht überall herumgesprochen. Zwar gibt es inzwischen eine Reihe von Gesprächsangeboten von Forschung, Politik und Industrie an die Bürger - etwa in Form des schon erwähnten Nanodialogs der Bundesregierung. Auch der Bioökonomierat, das Gremium, das die Bundesregierung in Sachen pflanzenbasierter Ökonomie berät, veranstaltet öffentliche Diskussionsveranstaltungen. Er sucht die Nähe zur Bevölkerung und bewusst jenseits der breiten öffentlichen Wahrnehmung auch durchaus das Gespräch mit der Umweltbewegung. Das sind gute Schritte; allerdings entspricht die Zusammensetzung des Rates selbst nicht den Gedanken von Transparenz und Offenheit. Hier versammeln sich Fachwissenschaftler mit Industrielobbyisten. Das ist als personelle Basis für ein so wichtiges Gremium, das den "Stoffwechsel" der Wirtschaft maßgeblich mit begleitet, zu eng. Die mangelnde Bereitschaft, in einen ernsthaften Dialog gerade mit der kritischen, ökologisch interessierten Öffentlichkeit zu treten, diskreditiert die Bioökonomie damit besonders bei denjenigen, die für einen Ausstieg aus der konsumorientierten, erdölbasierten "Plastikgesellschaft" zu haben wären.

Sicher: Mit denkfaulen Verbandsfunktionären, die Biotechnologie für nicht mehr als einen Sektor der Chemiebranche halten und denen zur Energiewende nur das Thema "bezahlbarer Strompreis" einfällt, lohnt keine Auseinandersetzung; aber es lohnt durchaus, in Wirtschaft und Wissenschaft die Nachdenklichen aufzusuchen und mit ihnen ins Gespräch zu kommen. Es ist deprimierend, dass das Bundesforschungsministerium hier als Organisator von Plattformen versagt, auf denen sich die gesprächsbereiten Vertreter aus Umweltbewegung und Bioökonomie treffen und austauschen könnten. Das raubt beiden die Gelegenheit zu konstruktivem Streit und zu neuen Einsichten - sowie erstrebenswerten und realisierbaren Lösungen.

Wie eine Wirtschaft ohne fossile Rohstoffe genau aussehen könnte, lässt sich derzeit von niemandem seriös überblicken. Da rum ist es so nötig, vielfältige Entwicklungspfade offen zu halten. Eine kluge politische Strategie für den unausweichlichen Wechsel zu einer auf nachwachsenden Rohstoffen basierenden Wirtschaft würde also sowohl auf Forschung zu Protozellen setzen, die Kunststoff erzeugen können, als auch auf die Förderung traditioneller und verschwundener Wertschöpfungsketten in der Textilindustrie, die auf Rohstoffe wie Leinen oder Hanf aufbauen. Die evolutionäre Strategie der Bakterien, die auf eine möglichst breite Varianz gesetzt hat, ist für ein solches Vorgehen durchaus ein Vorbild. Die unüberschaubaren Möglichkeiten, aus den Gaben der Erde Energie und Nahrung zu erzeugen, lassen Mikroorganismen seit Milliarden Jahren überleben. Weil sich das Leben aus und mit Mikroorganismen entwickelt hat, ist es dicht mit ihnen verwoben. Ihre lange Geschichte teilen die Bakterien mit einem Stoff, der auch die Geschichte des Menschen bis heute prägt: Eisen.

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