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Ausgehend vom Wirtschaftswunder nach dem Zweiten Weltkrieg florierte die europäische Industrie in den 1950er und 60er Jahren. Doch die gute Entwicklung hatte auch ihre Schattenseite: Fabriken und Transportmittel emittierten ungefiltert Abgase. Diese enthielten die Schadstoffe, die den sauren Regen verursachen: Stickstoffmonoxid, Stickstoffdioxid und Schwefeldioxid. Die gasförmigen Stickoxide reagieren dann in der feuchten Atmosphäre mit Wasserdampf zu Salpetersäure, die Schwefeloxide mit Sauerstoff und weiter mit Wasserdampf zu Schwefelsäure. Diese Säuren regnen mit dem Niederschlag ab. Der pH-Wert des sauren Regens beträgt deshalb etwa 4,5 und ist damit um einiges saurer als der übliche pH-Wert des Regens, der ungefähr bei 5,6 liegt.
Vor allem Böden, Gewässer und Pflanzen sind vom sauren Regen betroffen, wichtige Mineralstoffe werden ausgewaschen. Als Folge verliert der Boden seine gute Pufferfunktion und auch sein pH-Wert sinkt. Die Kombination eines sauren Bodens mit dem Nährstoffmangel schädigt die Pflanzen und führt zum Waldsterben. Ebenso versauern ungepufferte Seen schnell: Mikroorganismen und Pflanzen sterben.


<h2>Lösung: Schadstoffe verringern</h2>
In den 1980er Jahren gab es die ersten Ansätze, nicht nur die Symptome der Versauerung zu beseitigen, sondern das Problem grundlegend anzugehen. Neben der großflächigen Verstreuung von Kalk zur Neutralisation der Böden sollten Industrie- und Verkehrsabgase entschwefelt werden. Autokatalysatoren verringern seitdem den Ausstoß von Stickoxiden erheblich. Auf das im Jahr 1979 beschlossene Genfer Luftreinhalteabkommen (Convention on Long-range Transboundary Air Pollution, LRTAP), das erstmals rechtsverbindlich die Verringerung der Emissionen von Luftschadstoffen in Teilen Europas sowie in den USA, in Kanada und in der Sowjetunion festlegte, folgten weitere Protokolle. Vor allem zur Vermeidung der Versauerung gilt seit 1999/2005 das Göteborg-Protokoll als Teil des LRTAP. Mit diesem Protokoll verpflichteten sich Deutschland sowie andere — zumeist europäische — Staaten dazu, die Richtlinien zur Reduktion der Schwefeloxid- und Stickstoffoxidemissionen auf einen Grenzwert für das Jahr 2010 zu erfüllen.
Das Centre on Emission Inventories and Projections (CEIP) des European Monitoring and Evaluation Programme (EMEP) in Wien wertete die von Mitgliedern des LRTAP-Abkommens gesammelten Daten aus und kam zu folgendem Ergebnis: Die Emissionen aller vom CEIP berücksichtigten Staaten gehen im Durchschnitt zurück. Die Grenzwerte für Schwefeloxide erreichten im Jahr 2010 alle Staaten, teilweise wurden sie sogar deutlich unterschritten.1 Nur etwa 60 Prozent der Staaten erreichten im gleichen Jahr jedoch auch die Grenzwerte für Stickstoffoxide.2
Dass noch viele Staaten Probleme bei der Reduktion der Stickstoffoxidemissionen haben, zeigt auch ein Report aus dem Jahr 2012 der Europäischen Umweltagentur in Kopenhagen.3 Dieser NEC Directive Status Report wertete Daten zu Emissionen der EU-Mitgliedsstaaten zwischen 1990 und 2011 aus und verglich sie mit den damals aktuellen nationalen Emissionsgrenzwerten (NEC): In der Zeitspanne verringerten die meisten Staaten ihre Stickstoffoxidemissionen — abgesehen von leichten jährlichen Schwankungen. Nicht alle jedoch erreichten ihre Emissionsgrenzen.
Besser sieht es beim Schwefeldioxid aus, wie eine Studie vom Norwegischen Meteorologischen Institut in Oslo zeigte. Die Forscher um Vigdis Vestreng betrachteten die Daten zu Schwefeldioxidemissionen in Europa zwischen 1880 und 2004.4 Nach dieser Studie unterschritten die durchschnittlichen Emissionen europaweit gesehen bereits im Jahr 2004 die im Göteborg-Protokoll festgelegten Grenzwerte für 2010 und waren wieder auf einem Niveau von 1934.


<h2>Entwicklung in Deutschland</h2>
Die Trends der Schwefeloxid- und Stickstoffoxidemissionen in Europa sind auch in Deutschland nachweisbar. Nach Statistiken des Umweltbundesamtes gingen die gesamten Schwefeldioxidemissionen zwischen 1990 und 2011 um knapp 92 Prozent auf 445 000 Tonnen pro Jahr zurück. Im gleichen Zeitraum nahmen die gesamten Stickstoffoxidemissionen um 55 Prozent auf 1,29 Mio. Tonnen pro Jahr ab.
Zu diesem Rückgang trug auch die chemische Industrie bei: Ihre Schwefeloxidemissionen verringerten sich zwischen 2007 und 2011 um 18 Prozent auf 13 000 Tonnen pro Jahr, die Stickstoffoxidemissionen um fast 8 Prozent auf 19 000 Tonnen pro Jahr. Insgesamt machten die Schwefeloxid- wie auch die Stickstoffoxidemissionen der chemischen Industrie im Jahr 2011 nur noch etwa 5 Prozent der Schwefeloxid- bzw. Stickstoffoxidemissionen aller Industriezweige aus.


<h2>Und wie geht es dem Wald?</h2>
 Die versauerten Waldböden in Europa entwickeln sich seit dem Jahr 1980 wieder auf eine Erholung zu, berichtete das Institut für Weltforstwirtschaft aus Hamburg in seinem Technical Report 2011.5 Das mit der Universität Hamburg kooperierende Forschungsinstitut berechnete mit dynamischen Modellen aus vorhandenen Daten auch die mutmaßliche Versauerung der Waldböden im Jahr 2020. Anhaltspunkt dafür waren Grenzwerte, die das ICP Forests festlegt, ein Internationales Kooperationsprogramm für die Erfassung und Überwachung der Auswirkungen von Luftverunreinigungen auf Wälder. Die Grenzwerte werden bereits im Jahr 2020, abgesehen von vereinzelten Gegenden, nicht mehr überschritten. Allerdings zeigte der Bericht auch, dass ein Unterschreiten der Grenzwerte nicht zwangsläufig bedeutet, dass sich geschädigte Ökosysteme wieder erholt haben. Chemische Erholung ist nicht gleich biologische Erholung. Beides kann — besonders bei sensiblen Ökosystemen — Jahrzehnte dauern. Zwar hat sich der pH-Wert der Waldböden erholt, die für ein nachhaltiges Gleichgewicht nötige Pufferkapazität braucht jedoch noch viele Jahrzehnte, um wieder ein vorindustrielles Niveau zu erreichen.


<h2>Für Entwarnung noch zu früh</h2>
Auch wenn die derzeitigen Schwefeldioxidemissionen wohl nicht mehr gefährlich für die Wälder in Europa sind: Die langsame Entwicklung bei der Stickstoffoxidreduktion gibt Anlass zur Sorge. Der Executive Report 2012 von ICP Forests besagt zwar, dass die gemessenen Werte für Schwefel und anorganischen Stickstoff im Regen kontinuierlich zurückgehen und somit den Erfolg der Luftreinhalteabkommen bestätigen.6 Modellrechnungen im Executive Report deuten aber darauf hin, dass auch im Jahr 2020 die Stickstoffgrenzwerte von ICP Forests noch auf fast der Hälfte des EU-Gebiets überschritten werden.
Die Wissenschaftsjournalistin Verena Sesin ist freie Mitarbeiterin der Nachrichten aus der Chemie.



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1 

Centre on Emission Inventories and Projections, Distance of 2010 SOx and NH3 emissions (reported in 2012) to the Gothenburg Protocol ceilings. Wien, 2013.
</li>
<li>
2 

Centre on Emission Inventories and Projections, Distance of 2010 NOx and NMVOC emissions (reported in 2012) to the Gothenburg Protocol ceilings. Wien, 2013.
</li>
<li>
3 

European Environment Agency, NEC Directive status report 2012. Luxemburg, 2013.
</li>
<li>
4 

 
V. Vestreng, 
G. Myhre, 
H. Fagerli, 
S. Reis, 
L. Tarrasón, 
<source>Atmos. Chem. Phys. 
(2007), 
7, 
3663–<lpage>3681.</lpage>
</li>
<li>
5 

Forest Condition in Europe. 2011 Technical Report of ICP Forests and FutMon. Work Reports of the Institute for World Forestry 2011/1. ICP Forests, Hamburg, 2011.
</li>
<li>
6 

The Condition of Forests in Europe. 2012 Executive Report. ICP Forests, Hamburg, 2012.
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</ul>

Artikel

Europas Wälder nicht mehr sauer

Ausgehend vom Wirtschaftswunder nach dem Zweiten Weltkrieg florierte die europäische Industrie in den 1950er und 60er Jahren. Doch die gute Entwicklung hatte auch ihre Schattenseite: Fabriken und Transportmittel emittierten ungefiltert Abgase. Diese enthielten die Schadstoffe, die den sauren Rege...

Blickpunkt

Die chemischen Reaktionen, die eine lebende Zelle ausführt, funktionieren in aller Regel auch im Reagenzglas, also in vitro, wenn die Bedingungen stimmen. In den 1970er und 80er Jahren interessierten sich Forscher für die industrielle Anwendung der In-vitro-Bioreaktionen. So gab es die Proteinbiosynthese komplett im Reagenzglas. Noch besser wäre es, wenn die aktiven Zellbestandteile auf einer festen Phase immobilisiert werden könnten, damit die Edukte und Produkte in der flüssigen Phase kommen und gehen können. Es erwies sich allerdings als schwierig, Biokatalysatoren unter solchen für die technische Anwendung günstigen Bedingungen stabil und funktionsfähig zu halten.
Ende der 80er Jahre entwickelte sich die Gentechnik. Nun ließen sich kultivierte Zellen so modifizieren, dass sie (beinahe) jedes gewünschte Protein herstellten. Zellfreie Systeme sahen plötzlich altmodisch aus. Außerdem waren hier besonders Forscher in der Sowjetunion aktiv, vor allem am Institut für Proteinforschung in Puschtschino bei Moskau. Nach dem Untergang der Sowjetunion gerieten diese Techniken ein wenig in Vergessenheit. Nur eine in Kalifornien erfundene Methode der zellfreien Synthese von Biomolekülen fand Eingang in das Repertoire der modernen Molekularbiologie: die Polymerasekettenreaktion. Sie ist allerdings ein Sonderfall und steht in keinem Zusammenhang mit den anderen Bemühungen zur In-vitro-Synthese.
Da die gentechnische Herstellung von Proteinen und anderen Molekülen jetzt eine Standardmethode ist, zeigen sich ihre Grenzen deutlicher. Die Methode eignet sich zum Beispiel nicht für die Herstellung von Molekülen, die für die Wirtszelle toxisch sind. Schwierigkeiten bereitet auch die Gewinnung von Membranproteinen und das korrekte Anbringen von chemischen Veränderungen nach der Synthese, also posttranslationale Modifikationen.
Gerade die Proteine, die für die moderne Medizin am wichtigsten sind, darunter Antikörper und Membranrezeptoren, bereiten der Biotechnik die größten Schwierigkeiten. Deshalb besinnen sich Forscher auf die zellfreie Biotechnik, die überdies einen geringeren Energie- und Ressourcenverbrauch verspricht.


<h2>Proteine aus dem Bioreaktor</h2>
Alexander Spirin und Lydia Gavrilova hatten bereits Anfang der 1970er Jahre in Puschtschino gezeigt, dass die Synthese von Proteinen an Ribosomen im Reagenzglas funktioniert. Dies erwies sich als nützlich, um die Proteinbiosynthese zu erforschen, konnte sich aber als Methode zur Produktion von Proteinen in größeren Mengen nicht so recht etablieren.
Zellextrakte (Lysate), welche die Synthese von Proteinen an Ribosomen im Reagenzglas ausführen, sind kommerziell erhältlich, sowohl auf der Grundlage von Bakterien (E. coli), als auch von Eukaryontenzellen, beispielsweise aus Vorläufern von roten Blutkörperchen (Retikulozyten) von Kaninchen und aus Weizenkeimen. Alle drei Systeme weisen jedoch erhebliche Schwächen auf, wenn es darum geht, medizinisch relevante menschliche Proteine zu synthetisieren, vor allem Glyko- und Membranproteine.
Im Rahmen des Leitprojekts “Zellfreie Bioproduktion” der Fraunhofer-Gesellschaft sucht deshalb die Arbeitsgruppe von Stefan Kubick am Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik (IBMT) in Potsdam-Golm nach alternativen In-vitro-Systemen, die sich auch in größerem Maßstab auf ein breites Spektrum von menschlichen Proteinen anwenden lassen.
Eine Option bieten Zelllysate von Insekten, konkret der in subtropischen Gebieten Nord- und Südamerikas vorkommenden Motte Spodoptera frugiperda. Vor kurzem berichtete Kubicks Arbeitsgruppe, dass ein Extrakt aus Zellen dieser Art mehrere komplexe menschliche Membrankanäle in guter Ausbeute herstellen kann.1 Die Herstellung solcher Kanäle in lebenden Zellen ist unter anderem deshalb problematisch, weil deren automatische Einlagerung in die Zellmembran zusätzliche Türen und Tore zur Außenwelt öffnet und die Stoffbilanz der Zelle damit zum Entgleisen bringen kann.
Eine andere Möglichkeit, die Kubicks Team ebenfalls untersucht, geht von den heute marktbeherrschenden CHO-Zellkulturen aus. CHO steht für chinese hamster ovaries. Die ersten Kulturen entstammten den Eierstöcken von Hamstern. Die CHO-Zellen sind eine unsterbliche Zellinie, die schon seit Jahrzehnten im Labor vervielfältigt wird, ähnlich wie die HeLa-Zellen, die sich von der Krebspatientin Henrietta Lacks ableiten. Um von den kommerziell erhältlichen CHO-Zellen zu zellfreien, CHO-basierten Systemen zu kommen, muss man die Zellen aufschließen und alle Bestandteile abtrennen, die im Extrakt stören.
Um die gekoppelte Transkription und Translation — also die Synthesen der Boten-RNA und der Proteine — in diesem System effizienter zu machen, vereinfachten die Potsdamer Forscher den Einstieg in die Ablesung der Boten-RNA mit einer von Viren abgeleiteten Startposition (internal ribosome entry site, Ires).2 Ires macht bei der Proteinbiosynthese die umständliche Initiationsphase, die zudem spezielle Initiationsfaktoren erfordert, überflüssig.
Mit dieser Methode produzierte Kubicks Arbeitsgruppe das Modellprotein Luciferin in Ausbeuten von etwa 50 μg·mL—1 Medium — die vom Hersteller angegebene Ausbeute für kommerziellen Weizenkeimextrakt beträgt 1 μg·mL—1 bis 10 μg·mL—1. Darüber hinaus stellten die Forscher Membranproteine in vitro her und lagerten sie in Membrankügelchen (Mikrosomen) ein. Auch das posttranslationale Anbringen der natürlichen Zuckermodifikationen am menschlichen Hormon Erythropoietin gelang in dem zellfreien System.
Um die zellfreie Proteinsynthese im industriellen Maßstab durchzuführen, entwickelten Forscher aus acht Fraunhofer-Instituten, die seit März 2011 in dem Leitprojekt zusammenarbeiten, zwei Konzepte und stellten sie im Oktober 2013 auf der Biotechnica vor. Die eine Methode inkubiert die Komponenten in einer Kammer — quasi einer künstlichen, vergrößerten Zelle — und füttert die erforderlichen Reagenzien durch semipermeable Membranen. Die andere Option ist ein Mikrofluidik-System, in dem das fließende Reaktionsgemisch verschiedene Produktionsphasen (Transkription, Translation, posttranslationale Modifizierung) nacheinander besucht.


<h2>Stoffwechsel ohne Zellen</h2>
Auch andere Teile des Zellstoffwechsels können Wissenschaftler inzwischen aus dem Gefängnis der Zellmembran befreien und in Lösung durchführen. Dabei manipulieren sie dann nahezu nach Belieben Stoffwechselwege, da sie ja nicht mehr auf das Gedeihen der Wirtszelle Rücksicht nehmen müssen. Weitere Vorteile sind die Effizienz, sowohl hinsichtlich der eingesetzten Energie und Nährstoffe, als auch bezüglich des entstehenden Bioabfalls. Für eine lebende Zelle ist der Stoff, für den wir uns gerade interessieren, ja nur ein Stoffwechselprodukt unter vielen. Beim Stoffwechsel im Bioreaktor können Forscher hingegen vieles weglassen, das ihren Zielen nicht dient.
Steffen Rupp vom Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) in Stuttgart diskutierte in einem Review die Möglichkeiten der zellfreien Biosynthese für die industrielle Biotechnik.3
Ganze Stoffwechselwege, etwa die Glykolyse, lassen sich aus der Zelle auslagern und dann in vitro manipulieren. So erzeugte die Arbeitsgruppe von Sven Panke an der ETH Zürich aus dem Dihydroxyacetonphosphat der Glykolyse mit Aldehyden und Enzymen Diole mit definierter Stereochemie.4
In einer alternativen Vorgehensweise erfand die Arbeitsgruppe von Percival Zhang am Virginia Tech in US-amerikanischen Blacksburg neue Stoffwechselwege: Es entstand Wasserstoff aus Pflanzenmaterial.5
Diese Beispiele zeigen, dass die zellfreie Biotechnik nach einer kleinen Pause zur Hochzeit der zellulären Gentechnologie jetzt wieder im Aufwind ist.
Michael Groß ist freier Wissenschaftsautor in Oxford, England. <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.michaelgross.co.uk" target="_blank">www.michaelgross.co.uk</a></ext-link>



<ul>
<li>
1 

 
R. Sachse, 
D. Wüstenhagen, 
M. Samalikova, 
M. Gerits, 
F. F. Bier, 
S. Kubick, 
<source>Eng. Life Sci. 
(2013), 
13, 
39.
</li>
<li>
2 

 
A. K. Brödel, 
A. Sonnabend, 
S. Kubick, 
<source>Biotechnol. Bioeng. 
(2014), 
111, 
25.
</li>
<li>
3 

 
S. Rupp, 
<source>Eng. Life Sci. 
(2013), 
13, 
19.
</li>
<li>
4 

 
M. Bujara, 
M. Schümperli, 
S. Billerbeck, 
M. Heinemann, 
S. Panke, 
<source>Biotechnol. Bioeng. 
(2010), 
106, 
376.
</li>
<li>
5 

 
Y.-H. P. Zhang, 
W. D. Huang, 
<source>Trends Biotechnol. 
(2012), 
30, 
301.
</li>
</ul>

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