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Züchtung: Einmal koffeinfrei, bitte!

Seit Jahren suchen Forscher nach der idealen koffeinfreien Kaffeebohne. Doch ihre Hoffnungen wurden immer wieder enttäuscht. Denn die Herausforderung ist größer als gedacht.
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Wie schon an zahllosen Abenden zuvor hatte Paulo Mazzafera die erbsengroßen Scheibchen aus den wächsernen Kaffeestrauchblättern gestanzt und in einer Mischung aus Chloroform und Methanol aufgelöst. Später hatte er den Extrakt zusammen mit 95 weiteren Proben in einen Hochleistungsflüssigchromatografen gestellt, um ihn in seine einzelnen chemischen Bestandteile zu trennen. Als er nun am nächsten Morgen in sein Labor an der Landesuniversität von Campinas in Brasilien zurückkehrte, setzte sich der Pflanzenphysiologe an seinen Laptop und untersuchte die Ergebnisse. Er sichtete ein Chromatogramm nach dem anderen und achtete dabei besonders auf den Wert für den Koffeingehalt. In einer Pflanze fehlte er.

Mazzafera ließ die Probe noch zweimal durchlaufen, und dann, kurz vor Mittag, rief er seine Kollegin Bernadete Silvarolla in der benachbarten Agrarstation an, um ihr die Neuigkeit mitzuteilen. "Sind Sie sicher?", fragte sie. Er war sicher – und ziemlich aufgeregt: Nach zwei Jahrzehnten mit Tausenden analysierter Pflanzen schien sein Projekt, eine Kaffeepflanze zu suchen, die natürlicherweise kein Koffein enthielt, endlich Früchte zu tragen. Das war Ende 2003.

Kaffee enthält etwa 2000 chemische Bestandteile, die den aromatischen Geruch und Geschmack dieses Getränks ausmachen, darunter auch Koffein, ein Stimulans und natürliches Pestizid. Das Koffein zu entfernen, ohne die anderen zu beeinträchtigen, ist eine große Herausforderung. Kaffeeröster greifen dazu im Allgemeinen auf chemische Mittel zurück. Ludwig Roselius aus Bremen ließ sich 1905 das erste kommerzielle Entkoffeinierungsverfahren patentieren. Zur Extraktion des Koffeins aus seinem Kaffee, der unter dem Namen Kaffee HAG vertrieben wurde, verwendete er damals Benzol. Später wurde es durch weniger toxische Lösungsmittel ersetzt. Inzwischen können Unternehmen die noch rohen, grünen Kaffeebohnen unter Hochdruck in flüssiges Kohlendioxid tauchen oder sie mehrere Stunden lang in heißem Wasser einweichen, um das Koffein vor dem Rösten zu entfernen. Auch wenn Kaffeeliebhaber überzeugt sind, dass alle diese Methoden den Geschmack beeinträchtigen – der Markt für koffeinfreien Kaffee ist ganze 1,5 Milliarden Euro jährlich wert.

Auch wenn Kaffeeliebhaber überzeugt sind, dass die herkömmlichen Methoden den Geschmack beeinträchtigen – der Markt für koffeinfreien Kaffee ist ganze 1,5 Milliarden Euro jährlich wert.

Forscher suchen schon lange nach einer Bohne, die sich bereits koffeinfrei ernten lässt. Dadurch ließe sich der vielschichtige Geschmack bewahren, und Kaffeebauern könnten sich eine ordentliche Scheibe vom Markt für koffeinfreien Kaffee abschneiden. Die Entwicklung einer solchen Bohne durch herkömmliche Züchtung oder sogar genetische Veränderungen hat sich jedoch als schwieriger erwiesen als von einigen erwartet (siehe "Die Suche nach der koffeinfreien Kaffeebohne"). Kaffeepflanzen brauchen immer erst einige Jahren, bis sie Früchte tragen, und können überdies im Ertrag sehr unbeständig sein. Damit sich der Anbau lohnt, müssen die Pflanzen ertragreich sein, gleichzeitig reifen und sich manuell oder maschinell leicht abernten lassen. Geht auch nur eine dieser Eigenschaften verloren, ist die Pflanze schnell wertlos. So hat die Suche nach der koffeinfreien Bohne zwar hochwertige Forschungsarbeiten hervorgebracht, jedoch keinen Tropfen marktreifen Kaffee.

"Die Grundlagenforschung lässt sich der Agrarindustrie häufig nur schwer vermitteln", erklärt Rod Sharp, ein Pflanzenzellbiologe im Ruhestand, der in den 1980er Jahren bei der DNA Plant Technology in Cinnaminson im US-Bundesstaat New Jersey versuchte, koffeinfreie Kaffeebohnen herzustellen. "Im Forschungslabor ist man immer ein wenig naiv. Wir machen Luftsprünge, wenn wir einen Durchbruch erzielt haben, aber diesen zur Marktreife zu führen, ist noch einmal eine ganz andere Herausforderung." Sharp ist jedoch zuversichtlich, dass die Pflanze ihr Geheimnis eines Tages preisgeben wird. "Ihre Zeit wird kommen", sagt er. "Auch wenn es lange dauert." Für Mazzaferas Pflanze stimmt Letzteres mit Sicherheit: Mehr als acht Jahre nach ihrer Entdeckung versuchen seine Kollegen immer noch, sie anbaufähig zu machen.

Kaffee bringt Exportländern wie Brasilien, Kolumbien und Vietnam jährlich insgesamt 11 bis 15 Milliarden Euro ein. Verglichen mit Tee oder Wein ist er eine noch relativ junge Erscheinung: Er geht er auf das 15. Jahrhundert zurück. Damals beschrieb ein Mystiker im Jemen ein belebendes Getränk, das in Äthiopien durch Rösten und Kochen von Bohnen hergestellt wurde. Heute wird der Markt von zwei Kaffeesorten beherrscht. Coffea arabica ist die wohlschmeckendere Bohne, die in kühlerem Klima wächst, und Coffea canephora, allgemein als "Robusta" bekannt, wird hauptsächlich in löslichem Kaffee und Verschnitten geringerer Qualität verwendet. Das Koffein, das in kommerziellem C. arabica zu 1,2 Prozent und in C. canephora zu zwei bis drei Prozent enthalten ist, hat beiden Sorten weltweit zu einer abhängigen Anhängerschaft verholfen.

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Bohnen ohne Koffein

Doch das von vielen geliebte Stimulans wird von jenen gemieden, die besonders sensibel für seine Wirkung sind, aus religiösen Gründen Abstand nehmen oder einfach nicht wach gehalten werden möchten. Gabriel Bertrand vom Pasteur-Institut in Paris entdeckte 1901 auf der größten Komoren-Insel bei Madagaskar eine koffeinfreie Kaffeeart. Tatsächlich sind viele der um die 100 Coffea-Arten entweder koffeinfrei oder enthalten nur einen geringen Anteil der anregenden Substanz. Einige natürlich vorkommende Kaffees mit einem mittleren Koffeingehalt (0,6 bis 1 Prozent) sind bereits auf dem Markt, wie zum Beispiel der Kaffee des italienischen Anbieters Illy. Leider produzieren die meisten Pflanzen mit dem geringsten Koffeingehalt nur wenige Bohnen oder enthalten hohe Konzentrationen an Bitterstoffen. Das Vorkommen solcher natürlicher Spielarten lässt jedoch annehmen, dass ein fähiger Züchter eine marktfähige koffeinfreie Sorte erzeugen können sollte.

Kaffeeträume

Mazzafera begann 1983 mit ebendiesem Versuch am Agrarinstitut von Campinas, dem IAC, einer 100 Jahre alten Agrarstation in den sanften Hügeln nordwestlich von São Paulo in Brasilien. Er studierte die Genetik und Physiologie der Koffein-Biosynthese bei Alcides Carvalho, einem Pionier unter den Pflanzenzüchtern. Letzterer baute die Kaffeepflanzensammlung des IAC auf, die heute 70 000 Exemplare mit über 1000 Wildformen, Zuchtlinien, Hybriden, Mutanten und kultivierten Arten aus der ganzen Welt umfasst.

Anfangs maß Mazzafera den Koffeingehalt jeder Probe einzeln mit einem damals üblichen Spektrofotometer. 1987 erhielt er eine Stelle an der Universität von Campinas und stellte dort in seinem Labor einen Hochleistungsflüssigchromatografen auf, mit dem er die Proben effizienter verarbeiten konnte. Zu diesem Zeitpunkt hatten Wissenschaftler bereits grob den grundlegenden vierstufigen Prozess aufgeschlüsselt, mit dem C. arabica Koffein synthetisiert. Mazzafera untersuchte den Koffeinauf- und -abbau bei sieben Arten bis ins Detail und hoffte, eine darunter könnte Fehler bei diesem Prozess aufweisen, durch die sie nur einen geringen Koffeingehalt hätte. Parallel dazu kreuzten er und Carvalho, der 1993 starb, kommerzielle Kaffeezuchtpflanzen mit wilden Arten außerhalb der Arabica-Linie, die nur einen geringen Koffeingehalt aufwiesen. Es erwies sich jedoch als unmöglich, das Koffein auszuschalten und dabei die wünschenswerten Eigenschaften von C. arabica zu bewahren. "Wir haben einfach unsere Zeit verschwendet", so Mazzafera.

Im Jahr 2000 tat er sich mit Silvarolla, einer Kaffeezüchterin am IAC, zusammen. Sie richteten ihre Aufmerksamkeit nun auf eine Gruppe von C.-arabica-Pflanzen, die bei einer UN-Expedition in Eritrea und Äthiopien gesammelt worden waren. Insgesamt 620 Samenproben wurden aufgeteilt und in verschiedenen Ländern, darunter Costa Rica, angepflanzt. Später wurden in Costa Rica 308 dieser Linien geerntet und nach Brasilien geschickt. Mazzafera war überzeugt, dass sich aus den äthiopischen C. arabica viel einfacher ein marktfähiger Kaffee herstellen lassen würde als durch Hybridisierung mit anderen Arten.

Aus dieser Sammlung erhielt er 2003 die zuvor erwähnte viel versprechende Sorte sowie zwei weitere ähnliche. Nachdem er sich vergewissert hatte, dass die Bohnen wie die Blätter koffeinfrei waren, fand er heraus, dass die Pflanzen im letzten chemischen Verarbeitungsschritt einen Fehler aufwiesen, bei dem Theobromin, ein leichtes Stimulans und Diuretikum, in Koffein umgewandelt wird [1]. Die brasilianische Regierung bot der Forschungsgruppe eine finanzielle Unterstützung in Höhe von 900 000 Euro an – unter der Bedingung, dass die Forscher den Ort, an dem die wertvollen Pflanzen wachsen, geheim hielten. Mazzafera war sich sicher, dass gewerbliche Anbauer seine neue Varietät innerhalb von fünf Jahren anpflanzen würden. Zumindest, wenn ihnen niemand zuvorkam.

Koffeinfrei dank Gentechnik

Der Zuwachs an gentechnischen Möglichkeiten in den letzten Jahrzehnten hat andere Wissenschaftler auf die Idee gebracht, koffeinfreien Kaffee durch Genmanipulation zu erzeugen. Kaffee hat sich diesen Eingriffen bisher jedoch erfolgreich widersetzt. 1992 wollte sich der Genetiker John Stiles von der Universität von Hawaii in Honolulu die "Antisense"-Methode zu Nutze machen, bei der ein Gen, das in die Pflanze eingesetzt wird, die Produktion eines Zielproteins vermindert. Diese Methode wurde bei der Entwicklung der Tomate "Flavr Savr" eingesetzt, dem ersten genetisch veränderten Organismus, der für den menschlichen Verzehr zugelassen wurde. Stiles richtete seine Aktivität auf ein Protein, das bei der Koffeinproduktion eine Rolle spielt.

Es traten fast umgehend Probleme auf. Zur Schaffung einer gentechnisch veränderten Pflanze gehört die Kultivierung einer Ansammlung von Pflanzenzellen auf nährstoffreichem Agar. Das gewünschte genetische Material wird in diese Zellen eingeimpft, anschließend wird das Zellgewebe angeregt, sich zu einer Pflanze zu entwickeln. Dieser Prozess ist bei C. arabica rätselhafterweise wirkungslos.

Die nächsten sieben Jahre kämpfte Stiles gemeinsam mit den beiden promovierten wissenschaftlichen Mitarbeitern Kabi Neupane und Stefan Moisyadi darum, die biologischen Hindernisse zu überwinden. Sie produzierten Pflanzen mit anscheinend geringem Koffeingehalt, und Stiles ließ sich zu voreiligen Versprechungen hinreißen. Im August 1999 erklärte er zum Beispiel gegenüber dem "Wall Street Journal", dass er noch im gleichen Monat einen Feldversuch in Hawaii starten werde, bevor er nach Mexiko zu expandieren gedenke – mit der Aussicht auf eine kommerzielle Nutzung innerhalb von drei Jahren.

Die Pflanzen waren jedoch nicht zur Zusammenarbeit bereit. Mit ihrem Wachstum stieg auch ihr Koffeingehalt. Moisyadi und Neupane schlugen akademische Laufbahnen ein, und 2000 verließ Stiles die Universität, um in Waialua ein Privatlabor zu gründen. Nach Unstimmigkeiten mit der lokalen Bevölkerung und dem Gesetzgeber, was Genehmigung für Feldversuche mit seinem transgenen Kaffee anbelangte, brach das Unternehmen zusammen. Stiles erklärt heute, er sei sich nie hundertprozentig sicher gewesen, dass er koffeinfreien Kaffee erzeugt hatte. Auch viele Kaffeeforscher bezweifeln das. "Wir hatten immer nur ein schmales Budget", so Stiles. "Wir waren nie Monsanto."

Die größte Herausforderung bei der Entkoffeinierung lebender Pflanzen: Das Koffein existiert nicht ohne Grund.

Shinjiro Ogita, ein promovierter wissenschaftlicher Mitarbeiter in Hiroshi Sanos Labor am Nara-Institut für Wissenschaft und Technik in Japan, war es ebenso wenig. 2001 begann er mit der Erforschung eines Enzyms, das erst kürzlich in Tee entdeckt worden war und eine Rolle bei der Koffeinsynthese spielte. Seine Gruppe verwendete die RNA-Interferenz als wirksames Gen-Silencing-Verfahren und arbeitete mit Robusta-Kaffee, in der Hoffnung, dass dessen Zellen einfacher zu kultivieren seien. Aber ohne Erfolg: Nur wenige Zellen nahmen die modifizierte DNA auf. Ogitas Ausbeute reichte nur für gerade einmal 35 transgene Setzlinge.

Er testete einige Blätter und entdeckte, dass ihr Koffeingehalt enorme 70 Prozent unter dem seiner Kontrollpflanzen lag. "Das war schon unglaublich", erklärt er. Er erinnert sich, dass er an dem Tag, an dem "Nature" seinen Artikel [2] veröffentlichte, eine Flasche Dom-Perignon-Champagner aufmachte. Seitdem hat er die Methoden an C. arabica angepasst, aber die Pflanzen haben noch immer keine Bohnen produziert. An der Universität der Präfektur Toyama betreut Ogita heute 40 transgene Pflanzen. Jedes Jahr reift der weibliche Teil der Blüte, das so genannte Pistill, und verwelkt eine Woche, bevor der Pollen reif ist.

Doch selbst wenn Ogita dieses Zuchthindernis überwinden kann, ist es nur schwer vorstellbar, dass transgener koffeinfreier Kaffee in absehbarer Zeit im Supermarktregal liegen wird. Ein grundsätzliches Hindernis ist laut dem Biochemiker Alan Crozier von der britischen University of Glasgow die Tatsache, dass das Koffein in der Pflanze auch noch auf anderen Wegen produziert wird, so dass transgener Kaffee niemals ganz koffeinfrei sein könnte. Die Akzeptanz in der Bevölkerung stellt wahrscheinlich ebenfalls eine Herausforderung dar. Monsanto und andere Agrarriesen haben generell nur anbauorientierte Verfahren kommerzialisiert, etwa für Schädlingsresistenz oder Herbizidtoleranz, und dabei verbraucherorientierte Eigenschaften, wie geringen Koffeingehalt oder hohe Konzentrationen von Antioxidantien, außer Acht gelassen. Entsprechend kann es schwierig werden, finanzielle Unterstützung zu finden.

Attraktive Zuchtformen

Die verbreitete Abneigung gegenüber gentechnisch veränderten Nahrungsmitteln lässt die natürlicherweise koffeinfreien äthiopischen Sorten wieder viel attraktiver erscheinen. Diese Eigenschaft in eine marktreife Kulturpflanze hineinzukreuzen, dauert jedoch viel länger, als Mazzafera oder Silvarolla erwarteten. Während der Blütezeit verbringt Silvarolla den ganzen Tag auf dem Feld damit, die Pollen tragenden Staubblätter von den Pflanzen abzuknipsen und die Pistille in Tüten zu hüllen, um sie später von Hand bestäuben zu können. Die Forscherin produziert dadurch jedes Jahr etwa 800 neue Pflanzen.

Laut vom IAC zusammengestellten Verkostergruppen schmecken die erzeugten Bohnen gut, aber die Pflanzen tendieren zu Verbuschung und blühen nicht einheitlich. Das Team arbeitet nun an Zuchtpflanzen, die beim gleichen geringen Koffeingehalt eine höhere Produktivität aufweisen. "Wir dachten anfangs, das sei ein Kinderspiel", berichtet Miriam Mulaf, eine IAC-Genetikerin des Projekts. Die Forscher könnten jedoch vor der größten Herausforderung bei der Entkoffeinierung lebender Pflanzen stehen: Das Koffein existiert nicht ohne Grund. Es ist ein natürliches Insektizid. Und genau darum, nämlich zur Abwehr von Schädlingen, enthalten wilde Kaffeepflanzen ohne Koffein mehr Bitterstoffe.

Die Forscher müssen bei dieser Angelegenheit zudem weit gehend ohne Mazzaferas Unterstützung auskommen. Kurz nach der Entdeckung 2004 und der nachfolgenden Veröffentlichung übernahm das IAC die Kontrolle über das Projekt, und der Universitätsforscher Mazzafera spielt nur noch eine begrenzte Rolle. "Das ist enttäuschend", erklärt er.

Doch trotz all der erfolglosen Jahre scheint niemand die Lust an der Suche nach koffeinfreiem Kaffee zu verlieren. Der Pflanzengenetiker Benoît Bertrand vom französischen Zentrum für Agrarforschung und -entwicklung in Montpellier durchsucht die Sammlung der Einrichtung nach koffeinfreien Pflanzen. Und Chifumi Nagai vom hawaiischen Agrarforschungszentrum in Waipahu forscht auf Madagaskar gemeinsam mit dem japanischen Kaffeehersteller UCC Ueshima an einem Hybriden aus drei Arten, der ein gutes Aroma aufweist, eine moderate Ernte erzielt und nur 0,37 Prozent Koffein enthält [3]. Der Erfolg ist ungewiss. Madagaskar hat schon erhebliche logistische Schwierigkeiten mit dem Anbau und der Ernte von normalem C. arabica.

Selbst Mazzafera, mittlerweile 51-jährig, gibt nicht auf. An einem trüben Novembertag geht er an zwei schattierten Gewächshäusern hinter der biologischen Abteilung in Campinas vorbei und zeigt uns einige hundert hüfthohe Kaffeepflanzen. Einige von ihnen tragen Reihen von grünen Kaffeebeeren an den Zweigen. Viele davon sind seiner Aussage nach nahezu koffeinfrei.

In seiner Verärgerung darüber, dass er nicht mit den äthiopischen Varietäten weiterarbeiten konnte, entwickelte er 2006 einen neuen Plan. Er tränkte die Samen einer ertragreichen Varietät von C. arabica in Chemikalien, die Mutationen verursachen, und analysierte dann den Koffeingehalt von 28 000 Setzlingen. "Es war ein Schuss ins Blaue", erklärt er. Er erhielt sieben Pflanzen, die nur zwei Prozent des herkömmlichen Koffeingehalts aufweisen [4]. Er hat auch schon einen Markennamen angemeldet: Decaffito.

Es bleiben Herausforderungen. Die Sorte ist etwa anfällig für Fremdbestäubung, die dazu führen kann, dass die Bohnen wieder Koffein enthalten. Aber Mazzafera ist entschlossen, eine marktfähige Sorte zu züchten. Er hat sogar mit einem Unternehmen über Investitionen in seine Forschung gesprochen. Da er jedoch die zu erwartenden Hindernisse kennt, würde er sich auch mit weniger zufrieden geben. "Wenn ich eine Farm hätte", sagt Mazzafera, "dann würde ich den Kaffee auch selbst züchten."

Dieser Artikel ist eine Übersetzung von "Plant biotechnology: Make it a decaf" erschienen in: Nature 483, S. 264-266, 2012

15. KW 2012

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 15. KW 2012

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  • Quellen
[1] Nature 429, S. 826, 2004
[2] Nature 423, S. 823, 2003
[3] Euphytica 164, S. 133–142, 2008
[4] Trop. Plant Biol. 2, S. 63–76, 2009

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