(16.07.2021) Für den künftigen Erhalt des Wirtschaftsstandorts Deutschland wird auch ein tiefgreifenderes Verständnis der Biologie in Politik und Gesellschaft vonnöten sein.
Wenn Politik und Bevölkerung ein biologisch und naturwissenschaftlich besseres Urteilsvermögen hätten – wie viel mehr Menschen wären gesund durch die Pandemie gekommen? Ein Zitat der Wissenschaftsjournalistin, Chemikerin und Grimmepreisträgerin Mai Thi Nguyen-Kim zielte im Umkehrschluss zumindest tendenziell in eine ähnliche Richtung, als sie schon im letzten Jahr meinte: „Wir als Gesellschaft bewerten Naturwissenschaften als Genie- oder Freak-Wissen und weniger als Allgemeinwissen – und das fällt uns jetzt in der Pandemie auch mit auf die Füße.“ [1]
Bereits 2001 schrieb ich in meinem Artikel „Biologieunterricht als Hauptfach nötig“ für die Sächsische Zeitung: „Biologie muss Hauptfach werden, wenn die kommenden Schülergenerationen in die Zukunft führen sollen. [...] Dabei geht es nur im Einstieg um reines Sachwissen. Bewertungsfähigkeit wird gebraucht, für individuelle und gesellschaftliche Entscheidungen, die eine Abstimmung ethischer, wirtschaftlicher, persönlicher Aspekte suchen. [...] Gesundheitsvorsorge auf Grundlage eines weitgehenden biologischen Verständnisses wird zu einem unschätzbaren Produktivfaktor, insbesondere wenn sich die Lebensspannen immer schneller und weiter ausdehnen. Wollen wir über unsere Lebensqualität selbst entscheiden, oder überlassen wir dies einer biologischen Elite? Wie vermeiden wir Ignoranz, Angst und Wissenschaftsfeindlichkeit? Die Lehre vom Leben – auch unseres eigenen Lebens – vermittelt ein so umfassendes und tiefgreifendes Bild von uns und der Welt, dass die Biologie Hauptfach des Jahrtausends werden wird.“ [2, 3]
Illustr.: AdobeStock / fran_kie
Einsicht allein genügt jedoch nicht, und wenn natürlich auch keine Mittel für die gesamte Breite der Bevölkerung zur Verfügung standen: Wenigstens im Wissenschaftskommunikations-Wettbewerb „Hauptsache Biologie“, den meine Firma Promega ausrichtete, wurde nachfolgend gehandelt. Der Wissenschaftsjournalist Norbert Lossau und der Biologe Ulrich Scheller zeichneten zwischen 2003 und 2019 insgesamt 33 Siegerteams aus, die sich jeweils aus mindestens einem Wissenschaftler und einem Journalisten zusammensetzten [4]. Am Ende natürlich leider nur ein – wenn auch gelungener – Tropfen auf einen heißen Stein, denn bis heute zeichnen sich weiterhin zahlreiche politische Gremien durch krasse Inkompetenz aus und agieren die Behörden viel zu zögerlich – siehe zum Beispiel das Thema Abwasser-Biomonitoring.
Wenigstens befasst sich der Koalitionsvertrag der neuen Landesregierung in Rheinland-Pfalz mit der Biotechnologie: „Wir wollen Rheinland-Pfalz in diesem Jahrzehnt zu einem führenden Standort in der Biotechnologie und Alternsforschung machen. […] Für Unternehmen und ihre Beschäftigten gilt es, Lösungen zu finden, die technologischen Wandel und die Prinzipien guter Arbeit im Veränderungsjahrzehnt vereinen.“ [5]
Dies wird in Deutschland jedoch erst dann nachhaltig möglich, wenn Biologie in Übereinstimmung zwischen den Ländern und dem Bund Hauptfach an den Gymnasien wird. Dann könnte sich eine Biologisierung tatsächlich zu einem bedeutenden Zukunftspfeiler unserer Gesellschaft entwickeln, zu dem konkret die folgenden drei Stränge gehören würden:
Wirtschaft, Politik und Gesellschaft würden dann verstehen, wie breit und tiefgreifend biologisch basierte Lösungen weit über das Gesundheitswesen hinaus zur Nachhaltigkeit beitragen können – und entsprechend handeln, bis die Konvergenz von Biologie und Technologie gelingt.
Entsprechend formulierte im Mai 2019 ein White Paper von vierzig Vertreterinnen und Vertretern aus Forschungseinrichtungen im Stuttgarter Raum, die zu einem „Kompetenzzentrum Biointelligenz“ zusammengekommen waren: „Die Biologische Transformation wird entscheidend zum Erhalt des Wirtschaftsstandorts Deutschland beitragen und stellt gleichzeitig eine einzigartige Chance dar, eine innovative, nachhaltige Wertschöpfung in die Tat umzusetzen. [...] Ausschlaggebend für den langfristigen Erfolg der Biologischen Transformation ist ein breites und grundlegendes Wissen in Naturwissenschaften, Technik, Informatik sowie in den Sozial- und Geisteswissenschaften. Dies ist sowohl in der Ausbildung, durch Anpassung von Lehr- und Studienplänen sowie dem Aufbau neuer Studiengänge, als auch in der Forschung und Entwicklung notwendig.“
Den rechtzeitigen Einstieg in die Digitalisierung hat Deutschland verpasst, möglicherweise sogar unterdrückt [6]. Die Biologisierung dagegen können wir noch gemeinsam gestalten und wenigstens punktuell Weltmarktführung erarbeiten. Dazu braucht Deutschland einen gewissen Einklang der Life-Sciences-Verbände und Wissenschaftsorganisationen, einen Diskurs mit der Politik – sowie eine moderne Form des Austausches mit den Bürgerinnen und Bürgern in einfacher, eingängig illustrierter Alltagssprache! Das schließt den Mut ein, die moderne Molekular- und Zellbiologie im Kern der Life Sciences ganzheitlich zu denken, sowie den Willen, Biologie in praktikablen Schritten als Hauptfach in den Schulen einzuführen. Und nicht zuletzt müsste man die Inhalte und Förderungen aller mit öffentlichen Mitteln finanzierten Forschungsprojekte für interessierte Bürger zugänglich machen – einfach und vollständig, denn Transparenz ist die Voraussetzung für Akzeptanz [7-10].
Worum geht es konkret? Klar, die historisch gewachsene Fermentation nutzt heute die vielfältigen Fähigkeiten lebender Organismen zur Produktion gewünschter Zielmoleküle im „Bioreaktor“. Doch es geht viel weiter – etwa zur Bionisierung von Prozessen, wobei molekular- und/oder zellbiologische Prozesse lebender Organismen als Vorbild dienen oder so direkt wie möglich in wirtschaftliche Fertigungs- und/oder Analyseabläufe übernommen werden. Der Begriff „Bionik“ ist in der Öffentlichkeit durch plakative Geschichten sowieso bereits verbreitet: Oberflächen von Flugzeugen ahmen mit entsprechenden Folien überzogen strukturelle Elemente der Haifischhaut nach, verringern dadurch die Reibung in der Atmosphäre und sparen ein Prozent Treibstoff. Konzepte der Biotechnologie, der Impfstoff-, Therapeutika- oder Diagnostika-Entwicklung folgen möglichst direkt der molekular- und zellbiologischen Logik, um optimale Lösungen zu erzielen – die mRNA-Impfstoffe von BioNTech oder Moderna sind Paradebeispiele.
Als negatives Beispiel mag an dieser Stelle hingegen das gescheiterte Impfstoff-Projekt der Firma CSL Limited und der Universität Brisbane in Australien gelten, in dem das Protein gp41, das auch bei HIV vorkommt, als „Stabilisator“ genutzt wurde – woraufhin einige geimpfte Probanden falsch-positive Ergebnisse bei HIV-Tests zeigten. Vorhersagbar, denn hier verstößt bereits der Ansatz gegen die einfachste immunbiologische Logik.
Noch weitere Beispiele veranschaulichen die Möglichkeiten moderner Biologie in Richtung Nachhaltigkeit. So ermöglichen beispielsweise an Land lebende Cyanobakterien die Produktion antimikrobieller Wirkstoffe [11]. Oder nehmen wir das Projekt „Sonnenblumen als Erdölersatz“. Brigitte Poppenberger vom Lehrstuhl Pflanzenzüchtung der Technischen Universität München erklärt dazu: „Das ist in der Theorie der Molekularbiologie eine leicht lösbare Aufgabe. Wir kennen das Enzym, das in Sonnenblumenkernen Ölsäure zu Linolsäure umsetzt. Es ist die Desaturase FAD2-1. Wenn wir seine Aktivität hemmen, reichert sich Ölsäure an“. Auf diese Weise ließen sich alternative Ölquellen erschließen – und genau diese Strategie verfolgt ihr Projekt „Inno Sun“.
Apropos Sonne. Bereits heute wird aus Biogas Energie gewonnen. Die Entwicklung künstlicher Photosynthese, orientiert an den durch die Evolution optimierten biologischen Abläufen, verspricht im Verhältnis dazu jedoch unschätzbar größeres Potenzial – insbesondere auch für eine nachhaltige Energiespeicherung [12]. Wie aber lässt sich eine effiziente Spaltung von Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff im Labor realisieren?
Wolfgang Lubitz, Direktor emeritus am Mülheimer Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion, erklärte kürzlich dazu: „Eine Schlüsselstellung nehmen dabei die notwendigen Katalysatoren ein. In der Natur sind das die Enzyme Wasseroxidase und die Hydrogenasen. Natürlich vorkommende Enzyme enthalten häufig vorkommende und preiswerte Metalle wie Mangan, Eisen und Nickel. Für den chemisch-technischen Einsatz jedoch werden heute fast ausschließlich Edelmetalle wie Platin als Katalysatoren eingesetzt, die sehr gut funktionieren, deren Vorkommen aber leider begrenzt sind. Dem Vorbild der Natur folgend wird daher nach neuen Metall-Katalysatoren gesucht, um die künftige Erzeugung von Wasserstoff im großen Maßstab ebenso effizient wie umweltfreundlich zu machen. Das Ziel ist also der sogenannte grüne Wasserstoff, der nicht nur für die Energieversorgung der Zukunft eine zentrale Rolle spielt, sondern auch als einer der wichtigsten Grundstoffe in der Industrie.“
Helfen könnte hierbei die gerichtete chemische Evolution von Enzymen, die innerhalb von wenigen Stunden bis Tagen die Generierung optimierter Biokatalysatoren im Labor erlaubt, für die die natürliche Evolution ansonsten Jahrmillionen brauchen würde. Nicht umsonst erhielt Frances H. Arnold 2018 den Chemie-Nobelpreis für die Entwicklung des entsprechenden Konzepts.
Weshalb aber kann Deutschland immer noch führend in den Life Sciences werden, trotz fehlender Verankerung in der Gesellschaft und Versäumnisse in der Bildung? Sodass womöglich Nobelpreis-gewürdigte Erfindungen wie die Genschere CRISPR-Cas9 doch noch zum Tragen kommen? Wo ist die Brücke zwischen Grundlagenforschung, Erfindungen, Schaffung von Forschungswerkzeugen und angewandter Wissenschaft? Die Wertschöpfungskette beginnt bei der gut aufgestellten Grundlagenforschung und setzt sich fort über die sechs Branchen Life-Science-Research (LSR)-Produkte, Biotechnologie, In-vitro-Diagnostika (IVD), Medizintechnik, Pharma bis hin zur zunehmend „weißen“ Chemie. Näher besehen gibt es folglich bereits eine ausgewogene, umfassende Life-Science-Landschaft in unserem Land.
Ich selbst komme mit der Promega GmbH aus der LSR-Branche, daher jetzt einige Worte dazu. Der Basisabsatzmarkt „Akademische Forschung“ hat für die Produkte meiner Branche ein Gewicht von über 40 Prozent, dahinter kommt Pharma mit etwa 20 Prozent, und mit Abstand folgen die Analytik- und Diagnostik-Dienstleistungslabors, andere Industriekunden, die Behörden und die Biotech-Industrie. Im April fasste ich anlässlich des Medtec Summits in Nürnberg zusammen: „Dies ist das kreative Feld, in dem Innovationen stattfinden. Hier schafft Innovation zu Beginn der Wertschöpfungskette greifbare Produkte in Form von Forschungswerkzeugen. Akademische Wissenschaftler inspirieren die LSR-Industrie, und LSR-Unternehmen entwickeln Werkzeuge für die Wissenschaftler (in allen LS-Segmenten), um diese wiederum in ihren Experimenten zu verwenden.“ [13]
Grafik: Laborjournal / Sillmann
Die wichtigsten Technologie-Plattformen für die über hunderttausend LSR-Produkte unserer Unternehmen basieren weiterhin auf der Molekularbiologie, mit Abstand gefolgt von der Proteinbiologie und Zellbiologie – beide jedoch höchst innovativ und mit großem Wachstumspotenzial. Denn das, was wir als Ausdruck des Lebens wahrnehmen, spielt sich auf der Proteinebene ab; und für die Beobachtung von Lebensphänomenen in der lebenden Zelle gibt es bereits Lösungen, die biologisch relevante Ergebnisse ermöglichen. Wir beginnen förmlich dem Leben selbst direkt zuzuschauen.
Ein Drittel der LSR-Umsätze sind mit Geräten verbunden, zwei Drittel mit Bio-Reagenzien, Kits oder „Consumables“, also Verbrauchsmaterialien wie Pipettenspitzen oder Reaktionsröhrchen. So machen die LSR-Unternehmen die Erforschung des Lebens möglich – wie beispielsweise mit der blutbasierten Nukleinsäure-Analytik und sensitiven Verfahren zum Nachweis von zirkulierenden Tumorzellen oder freier Tumor-DNA, von molekularen Markern in den extrazellulären Vesikeln und Thrombozyten, die in Zusammenhang mit Tumorentstehung, Tumorwachstum sowie Metastasierung stehen. „Liquid Biopsy“ ist der Rahmenbegriff und wird auch bei kardiovaskulären Erkrankungen, diabetischen Komplikationen, nicht-alkoholischer Fettlebererkrankung wie auch in der Pränataldiagnostik neue Wege erschließen. Dieses „molekulare Stethoskop“ ermöglicht eine völlig neue Art der Diagnostik und Therapie – und wird damit auch dem Anspruch der Precision Medicine beziehungsweise dem Konzept der personalisierten Medizin gerecht.
Im Pandemiejahr 2020 wuchs der Umsatzwert der Lieferungen von LSR-Unternehmen an Diagnostiklabors um 33 Prozent, während der Umsatz der In-vitro-Diagnostik-Hersteller um 26 Prozenz anstieg. Gemeinsam haben diese beiden Branchen das Brechen der ersten drei Pandemiewellen mit ermöglicht.
Die katalytische Dynamik der Life-Science-Forschungstechnologien reicht indes darüber hinaus – in die immer schneller wachsenden Felder der angewandten Forschung, über Systembiologie und Synthetische Biologie bis in die Biotransformation und Bioökonomie hinein. Jede der folgenden Technologien und Verfahren kann eine neue Welt der Möglichkeiten erschließen: Next Generation Sequencing, Biosensoren, die Einzelzellanalyse als „genetisches Mikroskop“, Stammzell-Therapien, Immuntherapie, Zelltherapie, Gentherapie, Organoide, 3D-Bioprinting, Tissue Engineering, Zellregeneration, Biobanking, Mikrobiom-Analyse, ...
Die Weiterentwicklung dieser zunächst für die Grundlagenforschung entwickelten Tools führt zu angewandten wissenschaftlichen Lösungen. Aus wissenschaftlichen Arbeitsabläufen haben sich auf diese Weise Laborroutinen entwickelt, vor Jahrzehnten bereits in der Labordiagnostik oder aktuell dem Abwasser-Biomonitoring. Personalisierte Medizin, Lebensmittel- und Verbrauchersicherheit, Kinderwunsch, Alzheimer und Demenz, Tierseuchen oder schnelle Diagnostik wie für SARS-CoV-2 sind Felder, in denen ohne immer neue LSR-Methoden nichts mehr geht.
Nehmen wir die Forensik: Zur Aufklärung von Verbrechen wird DNA aus Tatortspuren mithilfe spezieller LSR-Techniken isoliert und quantifiziert; sogenannte Short Tandem Repeats (STR) liefern dann ein genaues Profil des Täters, den „genetischen Fingerabdruck“. In der Transplantations-Immunologie ist diese Technologie ebenso wertvoll. Oder Stichwort „Gen- und Zelltherapien“: LSR-Unternehmen bieten die Bausteine für Gen- und Zell-therapeutische Behandlungen erblicher Erkrankungen – zum Beispiel in der Augenheilkunde oder bei angeborenen Defekten des Immunsystems, für die zielgerichtete Gen-Editierung wie auch für therapeutische Anwendungen in menschlichen oder induzierten pluripotenten Stammzellen, zur Therapie von HIV, zur Bekämpfung von Leukämie und Krebs.
Wie wird die Translation dieser „lebenden Medikamente“ in die Klinik gelingen? Ganz sicher (nur) mithilfe der LSR-Industrie.
Der LSR-Markt in Deutschland steht für etwa acht Prozent des globalen LSR-Marktes und damit für eine Kernstärke Deutschlands. Zukünftig kann er nur mit der Stellung der weltweit renommierten Medizintechnik verglichen werden– dort steht der inländisch deutsche Markt für gut zehn Prozent des Weltmarktes. [14]
Was hat nun die Biologisierung von Wirtschaft und Gesellschaft damit zu tun? Biologisierung basiert auf Hochtechnologie – ermöglicht durch ein immer weiter fortschreitendes Verständnis der biologischen Abläufe auf molekularer Ebene und den Werkzeugen, die diese Abläufe oder ausgewählte molekulare Teilschritte daraus über die Technologieplattformen der LSR-Firmen praktisch greifbar machen. Diese Werkzeuge und Einzelkomponenten stehen der Grundlagen- und angewandten Forschung in allen Life-Science-Einrichtungen zur Verfügung. Sie werden von den Biotechnologie-Firmen, Impfstoff-Entwicklern, Pharma-Unternehmen und all ihren Dienstleistungspartnern gezielt kombiniert, um ihre jeweiligen Produkt- und Lösungskonzepte zu realisieren.
Der erste Schritt der Wertschöpfung gelingt also in der Grundlagenforschung: der Weg zum biologischen Verständnis. Der zweite Schritt der Wertschöpfung spiegelt die Innovationen der LSR-Firmen: die Umsetzung dieses biologischen Verständnisses in molekularbiologisch basierte Werkzeuge und Bausteine. Diese Innovationskraft ermöglicht den dritten Schritt der Wertschöpfung: hin zu biotechnologischen Konzepten. Und diese wiederum führen häufig erst in einem vierten Wertschöpfungsschritt zu greifbaren Endprodukten – durch Pharma-, Diagnostika-, Chemie- oder zunehmend auch Medizingeräte-Unternehmen.
Etwa zweihundert LSR-Unternehmen sind kontinuierlich im deutschen Markt aktiv, reinvestieren 10 bis 12 Prozent ihrer Umsätze in Forschung und Entwicklung (F&E) – und zählen damit hierzulande zur innovativsten Industrie. Natürlich ist der biologisch basierte Life-Science-Markt in Deutschland über die sechs dargestellten Branchen hinweg mit insgesamt knapp 40 Milliarden Euro Inlandsumsatz (noch) nicht vergleichbar mit etwa der Auto-Industrie (etwa 380 Milliarden Euro im Jahr 2020) sowie dem innerdeutschen Umsatz der Auto-Zulieferunternehmen (gut 80 Milliarden Euro 2018). Doch auch hier treiben die führenden deutschen Automobil-Zulieferer die Innovationen der KFZ-Markenhersteller – und das, obwohl sie zwischen 2015 und 2017 im Schnitt nur 5,7 Prozent ihres Umsatzes in Forschung und Entwicklung investierten.
Der Life-Science-Markt steht für eine neue Zeit. Daher lohnt sich die Analogie insbesondere in Hinblick auf die kommende Bedeutung der Zuliefer-Industrien (siehe Grafik): Fahrzeuge und Mobilitätskonzepte versus Life-Science-Forschungs- und -Entwicklungsprojekte samt ihren Endprodukten wie Impfstoffe, Medikamente, Diagnostika, Forensik, Biomonitoring, neue Pflanzensorten und vieles andere mehr.
Der wirtschaftspolitische Erfolg der Biologisierung hängt jetzt davon ab, ob sich alle Akteure in den Life Sciences als gleichwertige Teilnehmer in dieser Wertschöpfungskette inklusive ihrer Quervernetzungen begreifen und die außerordentlichen Chancen dieser vernetzten Hochtechnologien im Verständnis der Gesellschaft verankern helfen. Ganz direkt: Es geht nicht um Innovationspreise hier oder dort, es geht um die Anerkennung der jeweiligen innovationsabhängigen Wertschöpfung – und gleich vom Start weg auch um die Öffnung der Tür zur Biologisierung durch die LSR-Unternehmen. Denn Life-Science-Forschungs-„Zulieferer“, was bedeutet das? Alle Stakeholder in dieser Kette, die immer wieder ihre Schleifen durch die sechs genannten Ebenen ziehen, liefern einander zu und beziehen voneinander – gerade die gegenseitige „Abhängigkeit“ ermöglicht die Zukunft.
Im letzten Jahr fragte der Astrophysiker Bernard Haisch in seinem Buch „Die verborgene Intelligenz im Universum“: „Wenn das Zeitalter der Physik als Musterbeispiel der Wissenschaft zu Ende geht, was tritt dann an ihre Stelle? Die Antwort lautet: Biologie. Dies hat weitreichende Folgen, die auch auf Bereiche außerhalb der Wissenschaft übergreifen, es wird unsere Wahrnehmung dessen beeinflussen, was Wissenschaft sein soll. […] Ein Gen ist weitaus komplexer als ein Atom. Mit zunehmender Komplexität der Systeme zeigen sich emergente Eigenschaften. Es könnte aber auch sein, dass komplexere Systeme ihnen innewohnende Gesetze manifestieren, die auf dieser Ebene gelten und nicht auf kollektive Weise aus einfacheren Zuständen hervorgehen. Verständlicher formuliert, es könnten Gesetze am Werk sein, die sich nicht auf die uns bekannte Physik reduzieren lassen.“
Deutschland könnte hierbei eine führende Rolle einnehmen – insbesondere auch , wenn in den kommenden Jahren die Integration biologischer Technologien mit künstlicher Intelligenz beginnt. Die Förderung von KI sollte daher schon jetzt mit der Förderung der Biologie zusammengedacht werden, dann werden deutsche Einrichtungen am Ende des Tages mehr Technologien aus- statt einlizensieren.
[1] Mai Thi Nguyen-Kim, Mainz. 26.05.2020 , dpa
[2] Peter Quick, MDZ, 26.08.2002 S.7.
[3] Quick, P., 28.11., S. 25, 2001: Biologieunterricht als Hauptfach nötig. Sächsische Zeitung
[4] https://de.wikipedia.org/wiki/Hauptsache_Biologie
[5] Entwurf des Koalitionsvertrags von SPD, BÜNDNIS 90/DIE GRÜNEN und FDP, Rheinland-Pfalz, 03.05.2021
[6] „Deutschland hat die Digitalisierung nicht verschlafen, sondern unterdrückt“, Süddeutsche Zeitung, 23. 11. 2020
[7] Merz, J., Quick, P., 2018: Transparenz in der Forschungsförderung „Es scheiterte an der Bequemlichkeit“. Laborjournal 12, 34-35
[8] Hermann, R., Quick, P., 2015: Forschungsförderung. Datenbank bringt Unternehmen Transparenz. |transkript. 7-8, 51
[9] Quick, P., Hoffmann, Th., 2008: Report Forschungsförderung. Transparente Förderung: Stärkung des Forschungsstandortes Deutschland. Laborwelt 2, 31-33
[10] Sczesny, D., Quick, P., 2007: Forschung transparent finanzieren. Management & Krankenhaus 1, 24
[11] Witthohn et al.: Novel method enabling a rapid vitality determination of cyanobacteria, Engineering in Life Sciences, erschienen am 27. Oktober 2020; DOI: 10.1002/elsc.201900164
[12] Professor Wolfgang Lubitz, Direktor Emeritus am Mülheimer Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion; GDNÄ, 05.04.2021
[13] Quick, P.: Covid-19 – An Accelerator for Diagnostics? Medtec Summit, Nürnberg, 22.04.2021
[14] Passoth, N., Quick, P., 2018: LSR-Industrie als Treiber des Fortschritts. Management & Krankenhaus 3, 33