Bt-Mais – eine Alternative zu Pestiziden?

Schon seit einiger Zeit wird eine neue Art des Pflanzenschutzes praktiziert. Es kommen nicht wie üblich chemische Pestizide zum Einsatz, sondern biologische Makromoleküle. Genauer: Proteine des Bakteriums Bacillus thuringensis. Was ist das für ein Bakterium und was macht dieses Protein so erfolgreich?

Bacillus thuringensis (kurz Bt) ist ein Bakterium, das ein Protein produziert, das für einige Hexapoden (wiss. für Sechsfüßer, also Insekten) letal ist. Dieses Protein wird während der Sporulation gebildet und an die Umgebung abgegeben. Pflanzen, auf denen sich Bt vermehrt hat, genießen einen zusätzlichen Fraßschutz, den das Protein wirkt nur spezifisch auf Insekten und ist Pflanzen gegenüber unschädlich. Doch, wie funktioniert es?

Bt bildet zunächst eine allgemein ungiftige Vorstufe des Proteins, das kristalline Protoxin. Diese wird von insektischen Herbivoren (Pflanzenfressern) bei der Nahrungsaufnahme mit aufgenommen. In den alkalischen Verdauungssäften des Darmes der Insekten lösen sich die kristallinen Vorstufen und werden zum eigentlichen Protein. Dieses bindet mit seinen Spezifitätsdomänen an bestimmte Rezeptoren der Darmwand. Dabei entstehen durch das Protein Poren im Darmepithel (die dünne, innere Darmwand, die anschließend von Muskelschichten umgeben ist). Diese Darmperforation ist für die Insekten letal.

Dass Bt-Toxin funktioniert, ist schon sehr lange bekannt. Darum wurde es als biologischer Pflanzenschutz vor allem im ökologischen Landbau eingesetzt. Hier kommen Präparate aus getrockneten Bt-Sporen und kristallinem Toxin zum Einsatz. Das vorrangige Ziel von Genetikern war es, die Gene zur Bildung des Bt-Toxins zu isolieren und in die Genome unserer Nutpflanzen einzufügen. Jedoch ist es schwieriger, als es sich anhört. Der Vorgang, ein Gen von einer Zelle in eine andere Zelle zu implantieren, ist unter anderem Lehrinhalt eines biologischen Grundpraktikums in Mikrobiologie. Es ist aber bei weitem aufwendiger ein Gen eines Prokaryoten (u.a. Bakterien) in das Genom von Eukaryoten (z.B. Pflanzen) einzuführen. Das liegt daran, dass in prokaryotischen Genomen die Gene auf eine andere Art und Weise, im Vergleich zu den eukaryotischen Genomen, codieren. So unterscheiden sich die Startsequenz, An/Aus-Schalter und die Aneinanderreihung der einzelnen Gene.

Eine mögliche Lösung dieses Problemes ist die Implantation des Genes in die Plastiden (Chloroplasten, Mitochondrien, …) der Pflanzenzelle. Warum das einfacher ist? Laut der Endosymbiontentheorie, enthalten unsere eukaryotischen Zellen Bestandteile, wie die energieproduzierenden Mitochondrien, die aus der Aufnahme eines Bakteriums, vor mehreren Milliarden Jahren, und dessen Versklavung entstanden sind. Man könnte das Gen in das noch rudimentär vorhandene Genom des „ehemaligen Bakteriums“ einfügen und es von dessen Proteinsyntheseapparat synthetisieren lassen.

Dies gelang bereits 1995 in den USA mit Maispflanzen. Die so veränderten Pflanzen haben nun unabhängig von Bt das Protoxin gebildet. Das von ihnen gebildete Protein unterschied sich kaum von dem von Bt gebildeten Protoxin. Mit einer Ausnahme: es ist nicht kristallin.

Heute gibt es nicht nur Bt-Mais, sondern auch Bt-Baumwolle. Die Vorteile dieser Genveränderung liegen klar auf der Hand. Das Protein wird kontinuierlich in verschiedenen Geweben der Pflanze gebildet. Das Ausbringen von Pestiziden in großen Mengen, von dem Teile in das Grund- und Trinkwasser gelangen, würde damit entfallen. Die als Biomagnifikation bekannte Anreicherung von giftigen Verbindungen in der Nahrungskette würde somit ebenfalls unterbleiben.

Probleme bereitet allerdings die enge Spezifität des Proteins. Es sind zurzeit 1700 verschiedene Bt-Toxine bekannt, die in 5 Gruppen (CryI – V; Cry = crystall) eingeteilt worden. Diese Gruppen wirken verschieden auf bestimmte Hexapoden. Das Toxin weist zwei Domänen auf: eine Spezifitäts- und eine Toxiditätsdomäne. Ziel der Forschung ist nun, das Protein so zu verändern, dass es mehr als eine Spezifitätsdomäne besitzt.

Ein weiteres Problem, dass durch den konsequenten Einsatz des Bt-Toxins besteht, ist der entstehende Selektionsdruck auf die Insekten. Je konsequenter der Einsatz ist, desto schneller werden sich resistente Insektenarten bilden, die die gesamte Arbeit zunichte machen könnten. Über den zukünftigen Einsatz der Bt-Toxinbildenden Pflanzen wird also noch viel geforscht und gesprochen werden müssen.

Doch es ist wie immer in der Geschichte der Wissenschaft: Innovationen bergen unabsehbare Folgen in sich.

Quellen und weiterführende Internetseiten:
www.biosicherheit.de/de/mais/552_doku.html
www.sfb363.uni-halle.de/biotech/bt.html

Bildnachweis:
http://www.sxc.hu/browse.phtml?f=download&id=427738
http://www.sxc.hu/browse.phtml?f=download&id=621597
http://www.biosicherheit.de/data/imagescontent/glossary/bacillus_thuringiensis_130x84.jpg
http://www.sxc.hu/browse.phtml?f=download&id=1012472