Die Biotechnologie-Revolution für Material-, Energie- und Lebensmittelindustrien

Biotechnologie jenseits des medizinischen Sektors

Der Großteil der Aufmerksamkeit im Biotechnologie‑Sektor richtet sich auf Medizin und Pharmazeutika. Die Gründe sind ziemlich offensichtlich: Biotechnologien können potenziell seltene und chronische Krankheiten ausrotten, das Altern bekämpfen und Krebs sowie Infektionskrankheiten heilen.

Es ist ein sehr profitabler Sektor, in dem viele der größten Unternehmen der Welt auf den Pharmabereich fokussiert sind.

Dies ist jedoch nicht das einzige Anwendungsfeld der Biotechnologie. Schließlich ist die Biosphäre im Wesentlichen ein Ensemble aus Nanomaschinen (Proteinen und Zellen), die Sonnenlicht und Luft in Material, Nahrung und Energie umwandeln können. Selbst die gesamte fossile Brennstoffindustrie beruht auf den vorangegangenen Millionen Jahren biologischer Aktivität, die Kohle, Öl und Gas erzeugt hat.

Unser wachsendes Verständnis des Lebens bis hin zu genetischen und molekularen Ebenen könnte bald zahlreiche industrielle Prozesse durch nachhaltigere, biotechnologie‑gestützte Technologien ersetzen.

Lebensmittelproduktion

Das erste nicht‑medizinische Feld, in dem Biotechnologie direkt anwendbar ist, ist die landwirtschaftliche Produktion. Gentechnisch veränderte Pflanzen gibt es bereits seit Jahrzehnten und sie verbessern sich schnell, um deutlich nachhaltiger und weniger umstritten zu werden.

Landwirtschaftliche Biotechnologie wird voraussichtlich von 79,9 Milliarden $ im Jahr 2023 auf 119,6 Milliarden $ bis 2028 steigen.

Eine einfache Anwendung ist die Entwicklung neuer Pflanzensorten, die resistent gegen Krankheiten und Schädlinge sind oder besser gegen Dürre, Hitzewellen, Überschwemmungen und andere Klima­störungen tolerieren.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Bakterien und Mikroorganismen auf den Pflanzen, im Inneren der Pflanzen und im Boden zu verändern. Dies könnte den Bedarf an chemischen Düngemitteln und Pestiziden durch Bakterien ersetzen. Wir haben diskutiert, wie wir das Pflanzenmikrobiom verändern können, in unserem Artikel „Engineered Plant Microbiomes—Protecting Crops with Bacteria“.

Quelle: Energy.gov

In diesem Bereich haben sich einige Führungsunternehmen herausgebildet, insbesondere Bayer (BAYRY). Das Unternehmen ist ein Beispiel für die verschwommene Grenze zwischen pharmazeutischen und landwirtschaftlichen Unternehmen, da es in beiden Segmenten tätig ist.

Wir haben dieses Thema und Bayer in unseren Artikeln „Advancing Agriculture with AI and Genetic Engineering – The Future of Cultivation“ und „Minichromosome Technology – The Best Way to Sustainable Growth in Crop Yield?“ besprochen.

Alternative Lebensmittel

Gen‑Editierung kann auch verwendet werden, um neue Lebensmittelarten zu schaffen. Zum Beispiel können völlig neue Pflanzen aus Unkraut eine Option sein.

Fleischersatzprodukte, die sich wie Fleisch anfühlen und schmecken, aber ein besseres Gesundheitsprofil haben, könnten ebenfalls durch Veränderung des Genoms von Pilzen geschaffen werden.

Biokraftstoffe & Energie

Wenn Pflanzen vor Millionen von Jahren die ursprüngliche Quelle fossiler Brennstoffe waren, könnte dann frisch angebautes Biomasse uns in Zukunft antreiben?

Das ist das Versprechen von Biokraftstoffen. Die ersten beiden Generationen von Biokraftstoffen nutzten nur Produkte aus der traditionellen Landwirtschaft (1^st Generation, die Lebensmittel wie Mais verwendet, die 2^nd Generation, landwirtschaftliche Abfälle).

Die 3^rd Generation von Biokraftstoffen zielt jedoch darauf ab, maßgeschneiderte Organismen zu nutzen, um Kraftstoff direkt und deutlich effizienter zu produzieren, ohne die Lebensmittelproduktion und die Süßwasserressourcen zu belasten.

Biokraftstoffe sind oft Ethanol, können aber auch eine Vielzahl anderer Moleküle umfassen, darunter langkettige Fettsäuren (ähnlich wie Öl), Biogas, Wasserstoff und Ammoniak.

Eine Möglichkeit ist die Nutzung von Algen, die im Ozean oder in Wüsten mit Meerwasser angebaut werden könnten. Wir haben diese Möglichkeit in „Algal Biofuel: The Next Energy Revolution?“ untersucht.

Quelle: Exxon

Eine weitere Möglichkeit könnte darin bestehen, bekannte Organismen wie Hefe zu photosynthetischen Maschinen zu machen, wie wir in „Light Happy Yeast May Change Our Approach to Biofuels“ untersucht haben.

Schließlich könnte eine Fusion von Biotechnologie und Nanotechnologie die 4^th Generation von Biokraftstoffen erzeugen. Sie wird auch manchmal „photobiological solar fuel“ genannt. Dies würde die Notwendigkeit ganzer Organismen umgehen und die biologische Photosynthese im großen Maßstab durch Nanotechnologie nachbilden.

Klimawandel

Während Biokraftstoffe ein ernstzunehmender Beitrag zur Bekämpfung der globalen Erwärmung und zur Reduzierung des Einsatzes fossiler Brennstoffe sein könnten, ist dies nicht die einzige Möglichkeit, wie Biotechnologien helfen können.

In „Investing In Biotech Stocks Working On Global Warming Solutions“ haben wir einige weitere Möglichkeiten diskutiert:

• CO₂-Abscheidung, einschließlich durch genetisch veränderte Bäume, Biochar (Kohlenstoffbindung in Holzkohle und Boden), Kelp-Seegrasfarmen, Düngung der Mikroalgen in den Ozeanen mit Eisen, usw.
• Reduzierung der Treibhausgasemissionen in der Landwirtschaft.
• Herstellung von hochwertigen Verbindungen wie Parfums, Gewürzen und pharmazeutischen Produkten in Bioreaktoren anstelle der Ernte von Pflanzen und Tieren.
• Vertikale oder Indoor‑Landwirtschaft, um den Druck auf Land- und Wasserressourcen zu verringern.

Quelle: Medium

Materialien und Industriebedarf

Holz

Eines der ältesten Biomaterialien, Holz, ist nach wie vor ein wichtiges Material in den heutigen modernen Volkswirtschaften. Holz- und Forstwirtschaft ist eine riesige Branche im Wert von 1,16 Billionen $ im Jahr 2024.

Aufgrund ihres langsamen Wachstums und der langen Generationszeiten wurden Bäume lange Zeit von genetischen Ingenieurprogrammen ausgeschlossen.

Verbesserte Genetik könnte die Holzproduktion und die Kohlenstoffbindung steigern.

Sie könnte auch neuartige Formen der „Baumwirtschaft“ schaffen, bei denen Bäume zur Produktion neuer wertvoller Verbindungen, von Pharmazeutika bis zu Chemikalien, genutzt werden.

Quelle: Modern Agriculture

Diese Konzepte werden voraussichtlich mit den Fortschritten im Verständnis von Ökosystemen integriert, wobei Konzepte wie Agroforstwirtschaft, Nahrungwälder und optimierte Mehrartenforstwirtschaft sowohl die Produktivität als auch die ökologischen Vorteile steigern.

Schließlich könnte Holz ein viel potenteres Material sein als erwartet. Forscher entdecken, dass alkalische Bedingungen, hohe Temperaturen und Biopolymere Holz in „augmentiertes Holz, das die Festigkeit von Stahl und eine Steifigkeit 23‑mal größer als Beton haben kann“ verwandeln können.

Bioplastik & Biochemikalien

Ein großer Teil des Verbrauchs fossiler Brennstoffe und eine bedeutende Verschmutzungsquelle ist die Kunststoffproduktion, die bis 2050 möglicherweise 20 % des Öl‑ und Gasverbrauchs erreichen könnte.

Dies ist ein wichtiges Problem, da wir erkennen, dass Mikroplastik allgegenwärtig wird, sowohl in unseren Körpern als auch sogar im Regenwasser.

Die Ersetzung von erdölbasiertem Kunststoff durch Bioplastik ist eine schwierige Aufgabe, die noch viel chemisches Ingenieurwesen erfordert. Aber es ist machbar und wahrscheinlich notwendig, wenn wir Kunststoff weiter nutzen wollen, ohne unsere Umwelt unwiderruflich zu verschmutzen.

Wir diskutieren die technischen Herausforderungen und einige der neuesten Innovationen in diesem Sektor in „Eco-Friendly Alternatives to Plastics Key to Sustainability Efforts: Are Biodegradable Plastics a Solution?“. Und die führenden Unternehmen in diesem Sektor im „Top 5 Bioplastics Companies“.

Biobasierte Alternativen werden auch in anderen Bereichen gefunden. Zum Beispiel für Klebstoffe, bei denen giftiges Formaldehyd durch Lignin ersetzt werden kann. Oder wie Paneele aus Hanf (nicht‑psychoaktive Cannabispflanzen) zur thermischen Isolation von Gebäuden verwendet werden können.

Textilfasern

Forscher haben es geschafft, Seidenraupen zu züchten, die in großem Maßstab Spinnenseide produzieren können, ein Faser, die 6‑mal robuster ist als das in kugelsicheren Westen verwendete Kevlar. Sie könnte in Luft‑ und Raumfahrt‑ sowie Militäranwendungen und für chirurgische Nähte verwendet werden. Spinnenseide könnte sogar für robotische Muskeln eingesetzt werden.

Umwelt- und Schadstoffsanierung

Plastik‑fressende Bakterien

Plastikverschmutzung kann auch auf andere Weise gelöst werden. Carbios, ein französisches Startup, hat ein Bakterium mit einem modifizierten Enzym zur Plastikverdauung identifiziert.

Ein weiteres Unternehmen, Epoch Biodesign entwickelt Proteine, die Detergenzien, Farben, Agrochemikalien, Kunststoffe usw. abbauen können

Sogar Pflanzen und Pilze könnten zur Zersetzung von Plastik beitragen und damit die verfügbaren Lösungen zur Bekämpfung der Verschmutzung erweitern.

Reinigung von Schieferöl‑Abwasser

Kürzlich ist eine neue Anwendung aufkommender Biotech‑Felder aufgetaucht, die zunächst für die Humanmedizin entwickelt wurden.

Durch den Einsatz von Bakteriophagen haben Forscher es geschafft, die durch die Aufbereitung von Abwasser aus der Schieferölproduktion verursachte Verschmutzung zu reduzieren. Wir haben im Detail erläutert, wie das funktioniert, in „Bacteriophages Could Reduce Harm Caused by Fracking, A Notoriously Divisive Practice“.

Wiederbelebung ausgestorbener Arten

Plastikverschmutzung oder Klimawandel sind nicht die einzigen negativen Auswirkungen menschlicher Aktivitäten. Viele Arten stehen entweder kurz vor dem Aussterben oder wurden vor Jahrhunderten bzw. Jahrtausenden ausgerottet. (DTST )

In „Conservation Efforts Boosted by Advances in BioTech – White Rhinos Latest to Benefit“ haben wir untersucht, wie die neuesten Fortschritte in der künstlichen Zucht und Gentechnik gefährdete Arten wie das weiße Nashorn retten und möglicherweise Arten wie das Wollhaarmammut wieder zum Leben erwecken könnten.

Quelle: Colossal

DNA‑Datenspeicherung

Ein neuer, unerwarteter Bereich für die Biotechnologie könnte die Datenspeicherung sein, ein Feld, das bisher den Halbleitern vorbehalten war. DNA ist jedoch ein außergewöhnlich dichtes Medium für Informationen, mit einer Informationsdichte von 1,47 Terabit/mm² oder 950 Terabit/in², also mehr als 800‑mal höher als bei Festplatten.

Sie könnte zudem den einzigartigen Vorteil besitzen, über sehr lange Zeiträume stabil zu bleiben, ohne teure oder umweltschädliche Materialien zu benötigen. Die Speicherung erfordert zudem keinen Energieverbrauch.

Sinkende Kosten und Verbesserungen bei der Genauigkeit der synthetischen DNA‑Synthese ermöglichen jetzt die hochwertige DNA‑Speicherung.

Ein Problem ist das Auslesen des Materials, das deutlich komplexer ist als Daten, die auf Halbleitersubstraten geschrieben werden. Daher wird DNA‑Speicherung voraussichtlich auf Archivdaten und andere selten abgefragte Daten beschränkt bleiben.

Die DNA‑Datenspeicher‑Allianz wurde kürzlich gegründet und umfasst das DNA‑Synthese‑Unternehmen Twist Biosciences, das Unternehmen für Genomsequenzierung Illumina, das Datenspeicher‑Unternehmen Western Digital, Microsoft (MSFT ), Lenovo und viele andere.

Nicht‑pharmazeutische Biotechnologie‑Unternehmen

1. Ginkgo Bioworks

Das Unternehmen produziert auf Abruf Organismen für spezifische Anwendungen. Dazu gehören biomedizinische Anwendungen sowie zahlreiche Programme in der Industrie- und Materialwissenschaft.

Ginkgo ist genau die Art von Unternehmen, zu dem große Industrie‑Konglomerate gehen könnten, um eine maßgeschneiderte Hefe für die Produktion von Biokraftstoffen zu entwickeln. Das Gleiche gilt für wertvolle komplexe Chemikalien oder Dekontaminationsmethoden.

Ginkgo Bioworks (DNA ) hat seine Anwendungen breit diversifiziert mit vielen Forschungsprogrammen und Partnerschaften:

• Cannabinoide
• mRNA‑Impfstoffproduktion und Nukleinsäure‑Medizin
• Nahrungsproteine
• Biologische Düngemittelproduktion in Partnerschaft mit Bayer
• Programmierbare Mikroben für Darmerkrankungen
• Mikroplastik‑Bioremediation
• Biosecurity und Pathogenerkennung
• Recycling von Abfällen und Kontaminanten

Es verdient Geld, indem es zunächst für den Entwicklungsprozess im Voraus bezahlt wird und anschließend Lizenzgebühren für das fertige Produkt erhält.

Ginkgos Partnerschaften erweitern sich ständig, mit:

• Eine wachsende Partnerschaft mit Novo Nordisk.
• Eine Partnerschaft mit dem japanischen Handelsunternehmen Sojitz Corporation.
• DARPA-Finanzierung für neuartige Proteine zur Kontrolle von Eis in extrem kalten Wetterbedingungen.
• $ 331 M Deals mit Pfizer.
• $ 490 M Deal mit Merck zur Optimierung der Biologika‑Herstellung.
• $ 406 M Deal mit Boehringer Ingelheim für nicht medikamentierbare Ziele.

Ginkgo Bioworks arbeitet außerdem mit allen großen Agrarkonzernen zusammen, von denen die meisten ein Interesse an der Produktion von Biokraftstoffen und Mikrobiologie haben. Einige davon sind Bayer, Cargill, Syngenta, Corteva, ADM, Exacta und weitere.

Quelle: Gingko Bioworks

2. Bayer Crop Science  (BAYRY)

Bayer Crop Science, Teil von Bayer Global (ebenfalls ein Pharmaunternehmen), konzentriert sich auf Innovationen rund um Saatgut, Merkmale und Pflanzenschutz.

Bayers Innovationen haben den Biotechnologie‑Wissenschaftlern geholfen, gezielte Verbesserungen im pflanzlichen DNA‑Genom vorzunehmen.

Seit der Fusion mit Monsanto ist es zudem führend bei GVO‑Pflanzen und Unkrautmanagement. Diese Fusion brachte das Problem sehr teurer Round‑Up‑Prozesse mit sich, die den Aktienkurs des Unternehmens in den Jahren nach der Fusion stark belasteten.

Es kontrolliert den größten Teil des traditionellen GVO‑Saatgutmarktes und arbeitet zudem an der Nutzung von CRISPR für die nächste Generation von Saatgut für Mais, Soja, Weizen usw.

Die Vorteile des Pflanzenschutzes seien laut Bayer enorm. Der Pflanzenschutzmechanismus sichert etwa 30 % der weltweiten Ernteerträge, was etwa 550 Millionen Tonnen Nahrung entspricht, die mehr als 2 Milliarden Menschen ernähren könnten.

Quelle: Bayer

Bayer bewegt sich von traditionellen GVOs durch eine Partnerschaft mit Ginkgo Bioworks (DNA), einem der größten Unternehmen für synthetische Biologie. Die Partnerschaft konzentriert sich auf die Entwicklung biologischer Alternativen zu chemischen Düngemitteln mittels Gen‑Editierung von Mikroorganismen.

Es ist führend bei Saatgutvarianten und Gen‑Editierung in Pflanzen, mit über 500 neuen Pflanzensorten in der Pipeline (und 250 neuen Pflanzensortenregistrierungen im Jahr 2022).

Das Unternehmen ist zudem führend bei der Integration von Technologie in die Landwirtschaft. Zum Beispiel hat Bayer eine Partnerschaft mit Microsoft geschlossen, um das Datenmanagementsystem Azure des Technologieriesen mit Bayers Expertise zu kombinieren, Daten von Satelliten, Feldsensoren, Drohnen, Feldgeräten und Bodensensoren zu nutzen, um wirklich moderne und vernetzte Farmen zu schaffen.

Quelle: Bayer

Dank seiner Führungsposition bei GVOs (traditionell und fortgeschrittene Gen‑Editierung), der Auswahl von Pflanzensorten und der Integration von Big Data in die Landwirtschaft wäre Bayer ein natürlicher Kandidat, um den Prozess der Schaffung von de‑novo domestizierten Nutzpflanzen zu begleiten, sowie die hyperspektrale Erkennung von Unkraut durch landwirtschaftliche Roboter.