Beiträge zur Biochemie seltsamer Lebewesen (18)

Goldene Zeiten mit Goldenen Gänsen

von Siegfried Bär (Laborjournal-Ausgabe 06, 2008)


Gans
Wissenschaft kann lukrativ sein!

In dieser Folge zeigt unser Gastautor, der bekannte Molekular-Ornitologe Anattol Murml, dass sich moderne Bio­forschung und Profitstreben nicht ausschließen müssen – ganz im Gegenteil!

Die Biochemie seltsamer Lebewesen, seit Jahren vom renommierten Xenobiologen Siegfried Bär hier dokumentiert, hat bisher weder in der Biotechnologie noch als Studiengang-Modul Eingang in Forschung und Lehre gefunden. Naheliegende Gründe sind, dass in den über 1000 Seiten starken heutigen Bio-Lehrbüchern selbst für erhöhten Spaßfaktor kein Platz mehr ist, und dass diese Lebewesen selten sind. Haben Sie etwa je einen riesenwüchsigen Affen oder blutsaugenden Grafen in vivo gesehen? Nicht einmal im Land der Mitte konnten die zum Ausstoßen feuriger Ringe im Olympia-Sommer 2008 vorgesehenen Drachen mehr aufgefunden werden! Vor allem aber hält die fehlende Kenntnis der Genome der Sonderlinge die Gen-geile Scientific Community von der Beschäftigung mit solchen Species ab. Man manipuliert lieber unsympathisches Getier wie Würmer und Fliegen und ahnt nicht, was unter netten heimischen Wirbeltieren Nützliches zu klonieren ist. Doch in jüngster Zeit erscheinen uralte Berichte über die Goldabscheidung in Gänse-Eiern (Äsopos, um 550 v.Chr.), in Gänse-Federn oder gar im Verdauungstrakt von Eseln (Jakob u. Wilhelm Grimm, um 1820) bioanorganisch-mechanistisch in neuem Licht. Durch den weltweiten Rückgang der Artenvielfalt wird solches Viehzeug weder in freier Wildbahn noch unter alten Haustierrassen gesichtet, aber die neuen Möglichkeiten synthetischer Biologie versprechen eine Rückkehr zumindest der Gold-Gänse, sofern der neu ernannte Deutsche Ethik-Rat dem zustimmt.

Die heutige Goldpreis-Hausse dürfte die Wiederaufnahme der schon vor 2500 Jahren praktizierten biologischen Gold-Anreicherung fördern, doch ist mit dem Widerstand reicher Länder zu rechnen, die kein Interesse daran haben, dass auch die Armen der Welt Zugang zum Gold erlangen. Man munkelt aber, dass die USA, trotz Fort Knox, positiv auf die Retro-Schöpfung von Gold-anreichernden Tieren reagieren werden, weil es sich dabei um einen klaren Beweis des Kreationismus durch intelligente Designer handelt.


Evolutionäre Triebkraft

Dass Vögel anorganische Verbindungen aufnehmen und ablagern ist bekannt. So dienen direkt aufgenommene Eisenoxide zur Dekoration beim Balzverhalten, wie die rostroten Federpartien des Bartgeiers. Auch im Fall der offenbar erst in historischer Zeit verschwundenen Gold-Gänse trieb wohl die sexuelle Selektion die Gold­ablagerung in Eiern (beim Weibchen) bzw. Federn (beim Männchen). Bekanntlich induziert das Edelmetall auch beim Menschen-Weibchen angeborene Auslösemechanismen. Als weitere evolutionäre Triebkraft für die Entwicklung von Goldsammel- und Ausscheidungsmechanismen kommt für in Feuchtgebieten lebende Vögel die bakteriotoxische Aktivität von Gold in Frage. Nicht unmöglich, dass auch die antirheumatische Wirkung des edlen Metalls das Wohlbefinden der Gänse hob.

Was aber ist die molekulare Grundlage der Biomineralisation von gelöstem Gold in Gänsen? Wassergeflügel hat Zugang zu den riesigen Goldreserven des Meerwassers, das 1 mg des Metalls pro 100 Kubikmeter enthält. Die von Fritz Haber nach dem 1. Weltkrieg propagierte Goldgewinnung aus dem Meer zur Bezahlung deutscher Kriegsschulden scheiterte noch an der geringen Kapazität und Spezifität der damaligen Ionenaustauscher. Viele Tiere enthalten jedoch in Leber, Niere und Dünndarm Metallothioneine, die hochaffin Cadmium-, Zink- und Kupfer-Ionen an multiple Cystein-Zentren binden, um diese toxischen Übergangsmetalle ausscheiden zu können. Ohne Zweifel existieren auch Gold-spezifische Metallothionein-Isoproteine und diese dürften in Äsops Goldgänsearten hoch exprimiert gewesen sein. Die Metallothionein-gebundenen Gold(III)-Ionen wurden durch gewebsspezifische Reduktasen oder Dehydrogenasen zu Gold(I) reduziert und dieses in der bekannten Disproportionierung 3 Au(I) --> 2 Au(0) + Au(III) zu kolloidalem metallischem Gold in statu nascendi. Das metallische Gold lagerte sich spontan in Eierschalen oder Federn ab. Mit Hochdurchsatz-Screening aller bekannten Metallothioneine und metallumsetzenden Oxidoreduktasen lassen sich die für Metall-Protein- und Protein-Protein-Wechselwirkungen spezifischen Bindungsdomänen identifizieren, dann gentechnisch durch site-directed mutagenesis für Gold-Spezifität optimieren, und schließlich als entsprechend mutierte und klonierte Gene gezielt ins Gänse-Genom integrieren.


Das osmotische Paradoxon

Es ist zu bedenken, dass große Mengen Meerwasser für nicht-halophile Organismen osmotische Probleme und Salzstress bedeuten. Zudem setzen hohe NaCl-Konzentrationen die selektive Bindung anderer Kationen, selbst höherwertiger wie Au(III), durch Massenwirkungseffekte herab. Darum vermuten wir, dass aktiv Gold akkumulierende Tiere neben den genannten Proteinsystemen auch über physiologische Mechanismen zur Verringerung der Salzbelastung verfügen. Eine eindrucksvolle Anpassung gibt es bei Sturmvögeln und Albatrossen (Procellariiformes). Abgesehen von der kurzen Brutzeit verbringen diese Vögel ihr Leben ohne Süßwasser über und auf dem Meer: Mit der Nahrung und beim Trinken aufgenommenes Salz wird in speziellen Drüsen auf mehr als das Doppelte konzentriert und als Sole durch die mit einer Art Rückschlagventil versehenen „Röhrennasen“ ausgeschieden. Gänsevögel (Anseriformes) haben ebenfalls Salzdrüsen, aber von geringerer Kapazität. Man kann sich vorstellen, dass durch Hormonstimulation des Drüsenwachstums oder gar Gewebstransplantate aus Sturmvögeln auch die gänsische NaCl-Sekretion zu steigern ist.


Herkunft ungeklärt

Die Identität der historischen Gold-Gans (Anser aurata, spec. incerta) ist leider schlecht belegt. Mumifizierte Vögel mit sequenzierbarer mtDNA könnten aber in Museumsbeständen des Nahen Ostens und Englands vorhanden sein. Nach der Heimat Kleinasien des Erstbeschreibers Äsopos und den dort heimischen Halbgänsen ist wahrscheinlich, dass er von Nilgans (Alopochen aegypticus) oder Rostgans (Tadorna [= Casarca] ferruginea) berichtete. Besonders die letztere mit rostgelbem, im Prachtkleid sogar metallisch schimmerndem Gefieder ist ein guter Kandidat. Allerdings leben diese Vögel oft in Brackwasser und Süßwasserseen.

Die Notizen der Grimm Brothers aus dem Dörfchen Niederzwehren bei Kassel über eine Gans mit goldenen Federn werden sich eher auf dort heimische große Feldgänse wie Grau- und Saatgans (Anser anser, A. fabalis) bezogen haben, die zwar leicht zu halten sind, aber auf nordhessischen Wiesen und Teichen ebenfalls wenig Gold finden. Am besten geeignet für eine hohe Meerwasser-Aufnahme sind wohl atlantische Meergänse wie Ringel-, Kanada- und Schneegans (Branta sp.), doch hier liegen wiederum keine Überlieferungen über den Goldgehalt vor – wahrscheinlich weil nordamerikanische Indianer und Eskimos schlechte Erfahrungen mit der Goldgier der europäischen Ankömmlinge gemacht hatten und ihnen dieses Naturgeheimnis verschwiegen. Die menschliche Goldgier dürfte auch die Ursache für das Aussterben von Anser aurata gewesen sein.

Es ist denkbar, dass sich die molekularen Mechanismen der Goldabscheidung polyphyletisch, mehrfach unabhängig von einander, etablierten. Man muss daher mehrere rezente Gänse-Genome sequenzieren und auf aua-Gene (aurum accumulatum) screenen. Bei der Auswahl einer Species zur Rekonstitution und Überexpression der Gold-Biochemie sind nicht Mbp DNA entscheidend, sondern der Goldfaktor, gemessen in der abgeleiteten SI-Einheit 1 Auro = 1 Milliunze Feingold pro kg Gans pro Jahr. Für ein geeignetes Zuchtpaar sollte er 100 nicht unterschreiten.

Diese, wenn auch noch lückenhaften, Zusammenhänge belegen, dass Gold speichernde Gänse einst existierten und eine Nachzüchtung möglich ist. Die dann von einer mittelgroßen Gans von 1,5-2,5 kg Körpergewicht bio-produzierte Goldmenge lässt sich abschätzen: Niemals werden die Vögel Eier aus massivem Gold gelegt haben, denn schon ein Gänseei von etwa 100 Gramm würde aus Gold (mit der Dichte D=19,3) das Zehnfache wiegen. Damit wäre der Vogel schwimm- und flugbehindert, ferner psychisch gestört, weil selbst bei langem Brüten keine Nachkommen schlüpfen. Gold dürfte nur in die Eierschalen (etwa 10 Gramm Kalk; D=2,6, mit 3 % Protein) eingelagert werden.


Berechnungen zum Goldgehalt

Angenommen, zehn Prozent einer Schale sind gold-substituiert, so ent­hielte das Ei knapp zehn Gramm Gold und aus einem Gelege von vier bis fünf Eiern (die meisten Gänse legen mehr) wäre mindestens eine Unze (31,1 g) von 900 bis 1000 US-Dollar Marktwert zu gewinnen. Zwar bleibt ungewiss, ob die für diese Goldmenge erforderliche Körperpassage von drei Millionen Kubikmetern Meerwasser pro Jahr von einer Hochleistungs-Gans erreicht werden kann oder nur alle zwei Jahre ein Gold-Gelege zustande kommt. Zunächst aber würden wenige produktive Gänse genügen, um das Futter für größere Gänseherden und die Einstellung von Gänsehirten aus Billiglohnländern zu finanzieren. Da die reverse Osmose in Salzdrüsen (siehe oben) und die Gold-Komplexierung viel Energie und Substrat verbrauchen, muss Cystein-reiches functional power food entwickelt werden. Analysten erwarten trotzdem rasche Gewinne.

Vorläufige Konzepte zur technischen Realisierung sehen vor, dass goose farming am besten offshore erfolgt, zum Beispiel auf Bohrinseln. Das hat steuerliche Vorteile und vereinfacht Sicherheitsmaßnahmen gegen Tierschutzaktivisten, Gentechnikgegner und Füchse. In küstennahen Gänsezuchtbetrieben an Land wären Raubwild und als Hobby-Ornithologen getarnte Eierräuber ein Problem, aber die tierärztliche Betreuung besser zu gewährleisten. Zudem ließen sich die Farmen mit profitabler Gänsebraten-Eventgastronomie (Eiersuchen!) verbinden.


Ökonomische Goldgrube

Abschließend ein Wort zur Patentierung. „At last! A transgenic goose that lays golden eggs!“ jubelte BIOBUCK, Inc. schon 1985 in Nature 317, p. 185. Allerdings fehlten die experimentellen Details und die Firma scheint erloschen. Die hier beschriebenen wohldefinierten Verfahrensschritte erfüllen dagegen alle Anforderungen an Neuigkeit und Erfindungshöhe für eine Patenterteilung. Wie man hört, arbeiten die Schatzmeister der im Dachverband VBiO vereinigten Gesellschaften für Biochemie und Molekularbiologie (GBM), Genetik (GfG), Mineralstoffe und Spurenelemente (GMS) sowie Ornithologie (DOG) fieberhaft an der Anmeldung. In der Tat ist Eile geboten angesichts von Gerüchten, die aus dem vom Nobel-Komitee finanzierten Nils-Holgersson-Vildgåscentrum in Schonen zu uns gedrungen sind.

Die nächsten Schritte wären Einwerbung von Risikokapital und Börsengang der Startup-Firma AuroBioMar. Im Auftrag von Bundeswissenschafts- und wirtschaftsministerium errichtet der branchenkundige Finanzdienstleister Donald &res; Dagobert Duck Enterprises Inc. an der Vogelkoje Hörnum auf Sylt bereits das erste Besucherzentrum mit Computer-animierten Demo-Gänsen, in dem Gold-Ranger die Öffentlichkeit über die Zeichnung von Vorzugs-BIO-Aktien beraten. Hier bieten sich Berufschancen für Bachelor- und Master-Absolventen. Das schließlich auf Helgoland, einem ruhmreichen Standort deutscher Vogelkunde, geplante Ornithologie-Zentrum für Interdisziplinäre Gänseforschung sollte nach Überzeugung aller Exzellenz-Gremien den Namen einer berühmten Leitgans tragen (KLOZIG), doch muss noch Einvernehmen über Zusammenarbeit mit dem Konrad-Lorenz-Institut für Vergleichende Verhaltensforschung (KLIVV) in Wien erzielt werden. Deutsche Bucht und Neusiedlersee wären zweifellos bestens miteinander korrespondierende Anserotope.

Den Biowissenschaften in Deutschland stehen goldene Zeiten bevor – endlich!

Allen Kolleginnen und Kollegen danke ich für die aufregenden Gespräche über Biomineralisation und anderes während langer Nach- und Nachtsitzungen im DFG-Schwerpunktprogramm „Übergangsmetalle in der Biologie“ 1990-1997.




Letzte Änderungen: 15.01.2010


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