ZUM FRESSEN GERN. Schon vor 8000 Jahren machten die Babylonier mit Hilfe von Saccharomyces cerevisiae Bier. Dank ihrer Fähigkeit, Zucker in Kohlendioxid und Alkohol umzuwandeln, wurde die Bierhefe zum unentbehrlichen Helfer der Bierbrauer, Winzer und Bäcker, die sie zum Säuern von Brot verwenden. Auch transformieren Schimmelpilze wie Penicillium camemberti oder Penicillium roqueforti Milch zu geschätzten Käsespezialitäten. Jetzt kommt mit Quorn ein neues Nahrungsmittel auf den Tisch, das ganz aus einem Mikropilz besteht. Der Schleimpilz Fusarium graminearum war früher nur Pflanzenfachleuten als Verursacher von Wurzelfäule bei Weizen bekannt. Vor wenigen Jahren entdeckten englische Biologen die Eignung dieser Mikrobe zum hochwertigen Nahrungsmittel. Auf billiger Glucose (etwa aus Kartoffeln oder Weizenstärke) gezüchtet, wächst der Pilz rasch zu einem Gebilde aus vielen dünnen Fäden und wird schliesslich zum faserigen Klumpen. Der ist schmackhaft und in seiner Textur für den Gaumen angenehm. Den hohen Gehalt an Proteinen und Faserstoffen schätzen Vegetarier und Gesundheitsbewusste. Tierisches Fett, Cholesterin oder künstliche Zusatzstoffe fehlen gänzlich. In England werden bereits 100 000 Tonnen Quorn pro Jahr konsumiert. Jetzt bringt auch der grösste Schweizer Lebensmittelverkäufer den Pilz als «Schnitzel light» oder als «gluschtige, panierte Stäbchen für die Kids» auf den Markt.
DAS BLUTWUNDER. Ein böhmischer Priester erhielt im Jahre 1264 eine gründliche Lektion: Als er auf einer Romreise im italienischen Städtchen Bolsena haltmachte und sich während der Messe über die Hostie beugte, fragte er sich plötzlich, ob er wirklich den Leib Christi in Händen halte. Da färbten sich Altartuch und Kleider des Zweifelnden rot. Ein ähnliches Blutwunder beeindruckte schon vor der Christenzeit die Mazedonier. Bei der Belagerung von Tyrus fanden die Soldaten Alexander des Grossen ihr Brot mit Blut befleckt - ein Zeichen, dass bald auch Kriegerblut fliessen werde. Der junge Apotheker Bartolomeo Bizio erkannte 1819 den Grund des Phänomens, als er die blutende Polenta einer Bauernfamilie untersuchte: Die rote Färbung war ein von einer Mikrobe gebildetes Pigment. Dreissig Jahre später konnte die Mikrobe als Bakterium identifiziert werden: Serratia marcescens. Dieser Mikroorganismus gedeiht besonders gut in warmem, feuchtem Klima auf stärkehaltigen Lebensmitteln wie Brot und Kartoffeln.
Anfang unseres Jahrhunderts wurde das Bakterium zum beliebten Nachweismittel für die leichte Verbreitung von Mikroben: Ein Student taucht seinen Finger in eine Schale mit S. marcescens und schüttelt einem Kollegen die Hand. Dieser gibt den Gruss weiter. Nachdem sich die ganze Klasse kontaktiert hat, macht der Professor von jeder Hand einen Abstrich. Die blutrote Farbe in den Kulturschalen entlarvt die muntere Wanderschaft des Bakteriums von einer Hand zur nächsten. Diesen Indikator benutzte auch die US-Army zwischen 1950 und 1966 zur Simulation biologischer Kriegsführung. So wurde etwa in der New Yorker U-Bahn eine mit S. marcescens gefüllte Glühbirne aus einem fahrenden Wagen geworfen und dann die Ausbreitung der Mikrobe untersucht. Die Sache kam später ans Licht. Aber erst seit wenigen Jahren weiss man, dass S. marcescens nicht immer harmlos ist, sondern beim Menschen ernsthafte Infektionen verursachen kann.
LASTESEL DER GENTECHNIKER. Als der Wiener Kinderarzt Theodor Escherich im Jahre 1885 das Bakterium Escherichia coli für die Wissenschaft entdeckte, konnte er nicht ahnen, welche Karriere dieser kommune Darmbewohner noch machen würde. Das Bakterium fördert im Dickdarm die Verdauung. Unfreundliche Stämme können aber Durchfall, Harnweg- und Nierenentzündungen, bei Kleinkindern sogar Hirnhautentzündungen verursachen. Escherichia coli ist recht anspruchslos und im Labor leicht zu züchten. Das Bakterium wurde deshalb zum Haustier der Mikrobiologen und war bald schon die am besten erforschte Mikrobe überhaupt. 1973 machten Stanley Cohen und Herbert Boyer mit E. coli ein Experiment, das die Biologie in ein neues Zeitalter katapultierte. Die beiden Amerikaner brachten es fertig, mit Hilfe spezieller Enzyme ein Gen aus der Erbmasse eines Säugetiers herauszuschneiden und in die Erbmasse des Bakteriums einzufügen. Damit liess sich erstmals die natürliche Vererbungsschranke zwischen verschiedenen Arten von Lebewesen überwinden. Die Gentechnik eröffnete zudem die Möglichkeit, Proteine, die sonst nur im menschlichen Körper entstehen, mit Hilfe der «rekombinanten» Mikroorganismen industriell in grossen Mengen zu produzieren.
Bereits 1982 kam zur Behandlung von Zuckerkranken menschliches Insulin auf den Markt, das aus gentechnisch veränderten Kolibakterien stammte. Diesem ersten Produkt folgten rasch weitere gentechnisch hergestellte Arzneimittel und Impfstoffe: menschliches Wachstumshormon, ein Impfstoff gegen Hepatitis B, Interferone gegen Krebskrankheiten, Blutfaktoren. Zurzeit sind weltweit über hundert rekombinante Proteine in der klinischen Prüfung; bei Roche stammen von den zehn umsatzstärksten Pharmapräparaten bereits vier aus der gentechnischen Küche. Die gentechnische Schwerarbeit leistet nach wie vor Escherichia coli (in einigen Fällen auch die Bierhefe). Wie tüchtig sich die Mikrobe ins Zeug legt, zeigt das Beispiel der Alpha-Interferon-Produktion: Innert 34 Stunden wird aus dem Inhalt einer kleinen Impfampulle mit etwa einer Million gentechnisch veränderten Bakterien im 1000 Liter grossen Fermenter ein Riesenheer von hundert Billionen Mikroorganismen - alle mit einer Ladung Interferon im Bauch. So brav Kolibakterien ihre wissenschaftlichen und humanitären Missionen erfüllen, die Gentechniker dulden sie nur mit Maulkorb: Sie haben den Sicherheitsstamm Escherichia coli K12 gezüchtet, der keinerlei krankmachende Eigenschaften mehr hat und in freier Wildbahn nicht überleben kann, da er auf eine spezifische Nährlösung angewiesen ist.
DURCHSCHAUT. Will man wissen, warum die eine Mikrobe krank macht und die andere nicht, wie Mikroben nützliche Stoffe produzieren oder Schadstoffe vernichten, müssen ihre genetischen Baupläne in allen Einzelheiten erforscht werden. Der Vergleich der genetischen Varianten erlaubt Schlüsse auf die Funktion der Gene, aber auch Fragen der Entwicklung und der Evolution lassen sich klären. Bei relativ simplen Viren ist die Entschlüsselung der gesamten Erbinformation bereits gelungen. Viren sind aber keine echten Lebewesen, sondern lediglich schmarotzende Erbinformationen, die nur mit Hilfe von Wirtszellen existieren können. Vor wenigen Monaten haben amerikanische Wissenschafter nun erstmals einen freilebenden Organismus genetisch vollständig entschlüsselt: das Bakterium Haemophilus influenzae.
Das DNA-Molekül jedes Lebewesens besteht nur aus den vier chemischen Basen Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin, die in verschiedenster Reihenfolge aneinandergekettet sind und so das Lebewesen definieren. Einzelne DNA-Abschnitte, die Gene, instruieren den Organismus, wie er etwa ein bestimmtes Eiweiss zu produzieren hat oder welche Farbe die Augen haben sollen. Auf dem ringförmigen DNA-Molekül von Haemophilus influenzae fand man 1 830 137 Basen-Bausteine, die sich zu 1743 Genen gruppieren. Um dies zu erfahren, schufteten 40 Wissenschafter fast ein Jahr lang. Der Erfolg war nur möglich, weil man dank neuer Sequenziertechnik das riesige DNA-Molekül in 24 000 Fragmente zerlegen konnte, diese dann vollautomatisch analysierte und das Puzzle schliesslich mit einem Supercomputer zusammensetzte. Nun will man das Erbgut weiterer Bakterien, etwa Escherichia coli, sowie höherer Organismen entschlüsseln. Mit dem gigantischen internationalen Human Genome Project möchten die Genomiker bis in zehn Jahren auch das gesamte menschliche Erbgut kennenlernen - immerhin gegen 100 000 Gene aus insgesamt drei Milliarden Basenpaaren.
UMWELTFREUNDLICHE KUNSTSTOFFE. Vor zwanzig Jahren begannen Wissenschafter des englischen Chemiemultis ICI zu erforschen, wie sie Alcaligenes eutrophus zum Produzenten neuartiger Kunststoffe machen könnten. Das Bakterium speichert von Natur aus seinen Energievorrat im Zellinnern als Hydroxybuttersäure. Durch Futterzusätze liess sich die Mikrobe dazu bewegen, Polyhydroxybutyrat (PHB) zu produzieren, das so robust und wasserfest wie konventionelle Kunststoffe ist, sich auf dem Komposthaufen aber innert Wochen zu Kohlendioxid und Wasser abbaut. Unter dem Namen Biopol wird der umweltfreundliche Kunststoff nun etwa für Shampooflaschen und Wegwerf-Rasierzeug verwendet. An der ETH in Zürich hat man mit Pseudomonas oleovorans einen weiteren Biokunststoff-Fabrikanten gezüchtet. Das erdölfressende Bakterium lagert in seinen Zellen überschüssiges Oktan. Durch eine bestimmte Behandlung lässt sich eine Art weicher Kautschuk gewinnen, der zwischen -20 und +170 Grad Celsius stabil ist, nach Gebrauch aber wiederum völlig umweltschonend von Kompostbakterien verdaut werden kann. Solcher Bioplastic könnte, neben der Verpackungsindustrie, auch der Medizin für körperverträgliches Implantat von Nutzen sein. Mit verschiedener Fütterung sowie durch gentechnische Modifikationen der Mikroben hofft man, die unterschiedlichsten Biokunststoffe zu gewinnen. Auch laufen Versuche, die kunststoffproduzierenden Gene der Bakterien auf Pflanzen zu übertragen. An der Universität Lausanne gibt es bereits eine Rapssorte, die mit einer hohen Ausbeute PHB liefert.
MIKROBEN ALS BERGLEUTE. Für das Bohren, Schürfen und Schaufeln im Bergbau hat der menschliche Erfindergeist immer grössere Maschinen entwickelt. Dass sich die Schätze des Erdinnern auch mit unsichtbar kleinen Helfern gewinnen lassen, gehört zu den faszinierendsten Erkenntnissen der neueren Zeit. 1947 entdeckte man in sauren Kohlegrubenwässern ein Bakterium, das, wie Forscher zehn Jahre später herausfanden, Schwefel, Eisen und Kupfer oxidieren kann. Mit diesem Thiobacillus ferrooxidans lassen sich Sulfide der Erzlagerstätten in lösliche Metallsulfate wandeln - das Metall kann relativ einfach aus der Lauge extrahiert werden. Die Methode hat mittlerweile zur Ausbeutung minderwertiger Erzvorkommen und für die Zweitgewinnung aus Abraumhalden grosse Bedeutung erlangt. In den USA erfolgt über zehn Prozent der Kupferproduktion mittels bakterieller Laugung. Dabei genügt es meist, die riesigen Schotterhalden der Minen mit angesäuertem Wasser zu besprühen, denn die Bakterien sind von Natur aus schon an Ort.
In den letzten Jahrzehnten fand man immer weitere Mikroorganismen, die sich selbst an so unmöglichen Orten wie heissen Quellen oder Vulkanspalten wohl fühlen und dort Metalle und Schwefel freisetzen. Grosses Interesse finden auch Mikroben, die Metalle nicht nur löslich machen, sondern fest an die Zellwand anlagern oder sogar fressen. Die gewöhnliche Bierhefe Saccharomyces cerevisiae macht sich ein dichtes Kleid aus Uran und akkumuliert ausserdem Cäsium; die Meeresalge Sargassum natans kann aus goldhaltigen Gewässern Goldmengen bis zu 40 Prozent ihres Eigengewichtes in die Zellen einlagern. Andere Mikroben haben Blei, Radium und Zinn auf dem Menuplan. Damit eröffnet sich die biotechnische Möglichkeit, Abwässer und industrielle Abfälle kostengünstig von Schwermetallen zu befreien. Und da verschiedene Bakterien wie Thiobacillus ferrooxidans oder Sulfolobus acidocaldarius auch Schwefel aus Kohle lösen, ergibt sich die Chance, schwefelhaltige Kohle bakteriell zu entschwefeln und damit umweltfreundlicher zu machen.
SOWOHL ALS AUCH. Dass einzelne Mikrobenarten Fluch und Segen zugleich sein können, zeigt Clostridium botulinum. Dieser Bazillus gehört zu den gefährlichsten Mikroorganismen, denn er produziert Botulinustoxine, die schrecklichsten bakteriellen Gifte überhaupt (ein Gramm könnte zehn Millionen Menschen töten). Botulismus tritt vor allem in Folge einer Lebensmittelvergiftung auf; der Patient leidet erst an einer Magen-Darm-Entzündung, zeigt dann schwere Nerven- und Muskelstörungen und stirbt oft nach einer Woche an Atemlähmung. Die verheerende Wirkung der Botulinustoxine beruht auf einer Blockierung der chemischen Kommunikation zwischen Nervenzellen, wodurch gewisse Muskeln nicht mehr aktiviert werden können. Vor gut zehn Jahren kam ein amerikanischer Augenarzt auf die Idee, mit diesem Gift starkes Schielen zu behandeln. Er verabreichte seinem Patienten eine winzige Menge Botulinustoxin A - in der Hoffnung, das Muskelgift werde die Augenmuskeln entspannen und so die Fehlstellung der Augen korrigieren. Die Behandlung war ein voller Erfolg. Mittlerweile wird Botulinustoxin bei zahlreichen weiteren Muskelerkrankungen eingesetzt. So lassen sich durch Krämpfe in der Kehlkopfmuskulatur verursachte Sprechstörungen heilen; Musikern wie auch Golfspielern kann bei chronischen Verkrampfungen und Zuckungen geholfen werden. Die Blepharospasmie, ein gar nicht so seltenes, krankhaftes Zwinkern mit den Augen, das in schweren Fällen zu Blindheit führen kann, ist überhaupt erst dank dem Gift behandelbar geworden. Eine der jüngsten guten Taten von Clostridium botulinum ist das deutliche Vermindern der Sprachstörung bei Stotterern.
Herbert Cerutti ist Wissenschaftsredaktor bei der NZZ.