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Fokusartikel Gentechfrei Magazin Nr. 128
Leuchtende Petunien und grüne Kandelaber
Das US-Start-up Light Bio hat in den USA die Zulassung für den Verkauf leuchtender Petunien erhalten. Die gentechnisch veränderten Petunien sollen bereits Anfang 2024 auf den Markt kommen. In den USA unterliegt die Pflanze nicht den strengen Regulierungen des Gentechnikrechts und kann ohne weitere Auflagen angebaut und gezüchtet werden. Weitere Pflanzen, darunter auch Bäume für die Strassenbeleuchtung, sollen folgen. Wird die neue Gentechnik dereguliert, könnten sie auch Europas Märkte erobern.
Text: Zsofia Hock
An leuchtenden Pflanzen wird bereits seit über 35 Jahren geforscht. Biolumineszenz ist ein weitverbreitetes Phänomen in der Natur: Bestimmte Bakterien, Tiefseefische, Quallen, Leuchtkäfer und sogar Pilze können selbstständig leuchten. Nicht jedoch Pflanzen. Sie zum Leuchten zu bringen, ist eine technische Herausforderung. In ersten Forschungsprojekten basierte der Leuchteffekt auf Fluoreszenz – d. h. das Leuchten konnte erst unter UVLicht wahr genommen werden.
Den ersten ohne ultraviolette Einstrahlung eigenständig leuchtenden Gentechpflanzen wurden Gene aus Glühwürmchen oder Meeresbakterien eingefügt. Der Prozess war aber technisch anspruchsvoll und er führte auch zu keinem überzeu genden Ergebnis. Denn die so entstandenen Pflanzen leuchteten entweder nicht hell genug für weitere Anwendungen oder mussten zusätzlich chemisch behandelt werden, um die Lumineszenz aufrecht zuerhalten.
Viel erfolgreicher waren Versuche, die anstatt auf Gentechnik auf Bionik setzten. So wurde am Massachusetts Institute of Technology (MIT) eine Wasserkresse (Nasturtium officinale) entwickelt, die für eine begrenzte Zeit von knapp vier Stunden genügend Licht zum Lesen eines Buches ausstrahlte.1 Hierzu wurden die notwendigen Enzyme in Nanopartikel eingeschlossen und diese anschliessend mit einer Lösung vermischt. Unter Druck öffneten sich die Spaltöffnungen der in die Lösung eingetauchten Pflanzen und die Nanopartikel gelangten in den Blattzellen. Sobald die Enzyme anfingen zusammenzuwirken, leuchteten die Pflanzen auf.
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Quallen und andere Meerestiere haben sich angepasst, um das Licht auf vielfältige Weise zu ihrem Vorteil zu nutzen.
Sie benutzen es, um Raubtiere abzuschrecken, als Tarnung oder um Beute bzw. potenzielle Partner anzulocken. Pflanzen hingegen können nicht leuchten.
Luciferin aus Pilzen bringt den Durchbruch
Erst nachdem Ende 2018 die Biosynthese des Stoffes Luciferin, der für das Licht in Leuchtpilzen zuständig ist, erforscht wurde, öffneten sich den Forschenden neue Wege. Denn sie entdeckten, dass die Pilze Luciferin aus Kaffeesäure synthetisieren – einem organischen Stoff, der in allen Pflanzen natürlich vorkommt und als Ausgangsstoff für die Biosynthese von Lignin dient, das den Pflanzenzell wänden Festigkeit verleiht.
So begannen die Forschenden zu experimentieren und Pflanzen mit der Genschere CRISPR/Cas gentechnisch so zu verändern, dass sie einen Teil ihrer Kaffee säure für die Biosynthese von Luciferin verwendeten. 2020 ist es einem Team von Wissenschaftlern aus Russland, Grossbritannien und Österreich gelungen, gentechnisch veränderte Tabakpflanzen (Nicotiana tabacum) zu erzeugen, deren grünes Leuchten von der Keimung an mit blossem Auge sichtbar war.2 Mit einer Milliarde Photonen pro Minute leuchteten diese heller als alle anderen zuvor herge stellte GV-Leuchtpflanzen.
Hierfür fügten sie den Tabakpflanzen vier Gene aus dem tropischen Pilz Neonothopanus nambi ein.3 Mithilfe dieser Gene waren die Pflanzen nun in der Lage, Kaffeesäure in Luciferin umzuwandeln. Bei der anschliessenden Oxidierung durch das Enzym Luciferin entstand Licht. Da die Kaffeesäure am Ende des Zyklus wieder regeneriert wird, kann der Zyklus wieder von vorne beginnen, und die Pflanzen leuchten dauerhaft.
Die Forschenden erhofften sich, mit hilfe der Biolumineszenz verschiedene Prozesse der Pflanze besser untersuchen zu können: etwa Stoffwechselprozesse, Reaktionen auf Umweltbedingungen oder die Aktivität von Hormonen. Letzteres wird beispielsweise möglich, wenn die 11 Pilzgene im Erbgut der Pflanze in unmittelbarer Nähe von Genen eingefügt werden, die durch ein bestimmtes Hormon gesteuert («eingeschaltet») werden. Da solche Gewebe nur dort leuchten, wo das Hormon aktiv ist, lässt sich anhand des Leuchtens der Wirkungsort eruieren. Zuvor hatte man bereits festgestellt, dass das Leuchten in wachsenden Pflanzenteilen, wie den Wurzelspitzen oder in Knospen, am hellsten war.
Doch es blieb nicht lange bei einer Pflanzenart und der Grundlagenforschung. Auch bei anderen Spezies, wie Rosen, Immergrün oder Petunien, wurden die Pilzgene eingefügt und wie so oft entstand aus einem neu entdeckten Forschungszweig eine Vermarktungsidee: Zierpflanzen. Diese Idee soll mit der Zulassung der leuchtenden Petunien der Firma Light Bio in den USA bald Realität werden.
Immer mehr gentechnisch veränderte Zierpflanzen
Die Light-Bio-Petunien, die ebenfalls Gene aus N. nambi enthalten, sollen gemäss Einschätzung des Tier- und Pflanzengesundheitsinspektorats (APHIS) des Landwirtschaftsministeriums (USDA) im Vergleich zu anderen kultivierten Petunien kein erhöhtes Schadensrisiko darstellen.4 Mit deren Verbreitung als Unkrautpflanze sei nicht zu rechnen, so die Behörde. Ob die selbstleuchtenden Petunien dereinst auch in Europa auf den Markt kommen sollen, ist nicht bekannt. In der EU sind zwar mehrere GV-Nelkenlinien als Schnittblumen zugelassen, gentechnisch veränderte Petunien dürfen jedoch bislang weder vermarktet noch angebaut werden. Doch trotz des Verbotes wurde in Europa mit den GV-Petunien wahrscheinlich jahrelang illegal und unbemerkt gehandelt. Für Schlagzeilen sorgte dies im Sommer 2017, als klar wurde, dass gentechnisch manipulierte Sorten mit kräftig orangen Blüten in ganz Europa ohne Bewilligung auf den Markt gelangt waren. Die auffälligen Petunien wurden überall auf Balkonen und Gärten gepflanzt. Entdeckt wurde der gentechnische Ursprung der auffälligen Farbe in Finnland. Woher die Pflanzen genau kamen, bleibt bis heute ungeklärt. Die Setzlinge der GV-Petunien tauchten auch in der Schweiz auf, woraufhin das Bundesamt für Landwirtschaft die Vernichtung sämtlicher gentechnisch veränderter Petunien verfügte.
Die Vermarktung solcher GV-Zierpflanzen könnte durch die Deregulierungspläne in Europa deutlich beschleunigt werden. Mit der neuen Gentechnik veränderte Organismen werden mittlerweile in mehreren Ländern nicht mehr als GVO eingestuft und müssen daher auch nicht mehr deklariert werden. Dies macht auch eine illegale Vermarktung oder Freisetzung nur schwer verfolgbar.
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Zahlreiche Pilzarten, so auch die abgebildeten tropischen Ölbaumtrichterlinge (Omphalotus sp.) können leuchten. Das Einfügen von Pilzgenen hat die Herstellung von leuchtenden GV-Pflanzen ermöglicht.
Lebende Strassenbeleuchtung?
Einige Forschende, aber auch Kunstschaffende und Städtebauer haben bereits Visionen von leuchtenden Strassen, die durch Gentechpflanzen erhellt werden. So erhielt Michael Strano, der Entwickler der biolumineszierenden Wasserkresse, sogar eine Einladung des Wissenschaftsministeriums Bhutans, um über eine mögliche Verwendung als Strassenbeleuchtung zu diskutieren. Bis die als nachhaltig und futuristisch propagierte Lösung Realität wird – wenn überhaupt – ist aber noch ein langer Weg zu gehen, der zudem mit vielen Fragen und Bedenken gepflastert ist. Zurzeit gibt es keine derartigen Vorhaben, die nahe an der Marktreife sind.
Ideen sind jedoch zahlreich vorhanden. So löste das im Rahmen der DIY-Philosophie gestartete «Glowing Plant project» der Firma Hackerspace Biocurious 2013 mit seiner ersten Crowdfunding Kampagne für eine Anwendung der synthetischen Biologie ein grosses Medienecho aus. Fernziel: Leuchtende Bäume als klimafreundlichen Ersatz von Strassenlaternen zu entwickeln. Das Projekt scheiterte aufgrund technischer Schwierigkeiten, löste aber eine heftige Diskussion aus und wies damit auf die Kontroversen hin, die mit solchen Vorhaben verbunden sind. Dies führte dazu, dass die Crowdfunding Plattform Kickstarter, auf der Geld für das Glowing Plant gesammelt wurde, gentechnisch veränderte Pflanzen als Goodies zur Belohnung der Unterstützenden verbot.
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Die Luciferase, die auch die Leuchtkäfer zum Erstrahlen bringt, wurde entweder in Nanopartikel eingepackt an die richtige Stelle in der Pflanze befördert oder das für die Enzyme kodierende Gen mittels Gentechnik ins Pflanzengenom eingefügt.
Mehr Risiken als Vorteile
Auch Michael Strano preist die lebenden Strassenleuchten als eine Vision an und hat vor, weitere Forschungen in diese Richtung zu führen. Wie viele andere seiner Mitstreitenden begründet er das Vorhaben damit, dass das heutige Beleuchtungssystem sehr anfällig, verschwenderisch und voller Umweltgifte sei. Zudem mache die Beleuchtung bis zu 20 Prozent des weltweiten Energieverbrauchs aus, weswegen es eine nachhaltigere Alternative brauche, die sich besser ins Ökosystem einfüge. Gentechnisch veränderte, leuchtende Bäume sollen Strom und Energie sparen, CO2-Emissionen reduzieren und zudem die öffentliche Sicherheit verbessern, so die Versprechen. Die Erschaffung zusätzlicher Grünflächen könne sogar eine positive Auswirkung auf die Artenvielfalt instädtischen Gebieten haben.
Doch noch obsiegt die Vernunft. Auch deshalb, weil solche Bäume – aus technischen Gründen – noch weit davon entfernt sind, Realität zu werden. Dementsprechend sind auch ihre prognostizierten Vorteile weitgehend hypothetisch. Die Erschaffung und Pflege biolumineszierender Bäume könnte nämlich so teuer werden, dass sich eine Umstellung nicht lohnen würde und womöglich würde sie auch eher ein Risiko als eine Chance für die Umwelt darstellen. Doch sie könnte einzelnen Grossfirmen einen Entwicklungsvorsprung bescheren. Forschungsteams in Japan und Russland sollen bereits an leuchtenden Pappeln arbeiten. Die windflügigen Pappelsamen könnten die gentechnische Veränderung verbreiten, weswegen dies – ebenfalls mittels Gentechnik – verhindert werden soll. Dabei wurde vergessen, dass sich Pappeln auch durch Stecklinge vermehren können. Zudem würden die langlebigen Bäume für Jahrzehnte mit anderen Lebewesen in Wechselwirkung stehen: etwa mit Mykorrhizapilzen oder Bestäuber Insekten. Längerfristige Auswirkungen dieser Interaktion sind praktisch nicht vorhersagbar. Es gibt auch keine Möglichkeit die Pflanzen auszuschalten. Durch ihr Leuchten könnten sie ausserdem das Gleichgewicht der sie umgebenden Ökosysteme und das Verhalten anderer Lebewesen stören.
1 Kwak SY et al. 2017 A nanobionic light-emitting plant. Nano Letters 17 (12): 7951–7961. https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.7b04369
2 Mitiouchkina T et al. 2020 Plants with genetically encoded autoluminescence. Nature Biotechnology 38: 944–946. https://www.nature.com/articles/s41587-020-0500-9
3 Kotlobay AA et al. 2018 Genetically encoded bioluminescent system from fungi. PNAS 115 (50): 12728–12732
4 https://www.aphis.usda.gov/brs/pdf/rsr/22-161-01rsr-review-response.pdf
