Biotechnologie VO7 PDF

# Geschichte der Biotechnologie ## Phase 1: Unbewußte Herstellung von Nahrungsmittel und Getränken mit Hilfe von Mikroorganismen * 6000 v.Chr. Bierähnliche Getränke * Essig aus Ethanol * Sauerteigbrot in Ägypten * Beobachtung von filamentösen Pilzen, Bakterien und Hefen (Hooke, van Leeuwenhoek) #...

# Geschichte der Biotechnologie ## Phase 1: Unbewußte Herstellung von Nahrungsmittel und Getränken mit Hilfe von Mikroorganismen * 6000 v.Chr. Bierähnliche Getränke * Essig aus Ethanol * Sauerteigbrot in Ägypten * Beobachtung von filamentösen Pilzen, Bakterien und Hefen (Hooke, van Leeuwenhoek) ## Phase 2: Pasteur, Mikrobiologie und Chemiker ermöglichen Ende des 19. Jh. die "bewusste" Entwicklung von Produkten aus MOs (Essigsäure, Zitronensäure, Milchsäure, ...) * Gay-Lussac: Gleichung für alkoholische Gärung * Pasteur: Aufklärung der alkoholischen Gärung, Haltbarmachung durch "Pasteurisieren" * Herstellung von Sauerrahmbutter unter Einsatz von Milchsäurebakterien ## Phase 3: Alexander Fleming entdeckt das Antibiotikum Penicillin: sterile Prozessführung und Folge andere Antibiotika, Vitamine, Gibberelline (Pflanzenwuchsstoffe) etc. * Entdeckung des Penicillins und ATP * Oxidation von D-Sorbit zu L-Sorbose mittels Acetobacter * Krebs: Definition des Zitronensäure-Zyklus (1937) * Herstellung des Vitamins B12 ## Phase 4: 1953 beschreiben Watson and Crick die Struktur der DNA und 1973 das erste gentechnologische Experiment * Aufklärung des genetischen Codes * Beginn der Arbeiten zur Gentechnik * Insulinherstellung mit gentechnisch bearbeiteten Bakterien * Zulassung eines "gentechnisch-behandelten" Milchäurebakterium als Starterkultur durch das Robert-Koch-Institut (2002) # Nobelpreis für grundlegende Arbeiten zur Entwicklung der Molekularbiologie * 1962: Doppelhelicale Struktur der DNA durch Watson, Crick und Wilson * 1968: Genetischer Code in Proteinsynthese * Restriktionsenzyme * DNA-Sequenzierung * PCR und Site directes mutagenesis * Green fluorescent protein (GFP) # Biotechnologie heute ## Biotechnologie im Alltag ### Biotechnologiesche Produkte #### Beispiele * Medikamente * Vitamine * Biofuel * Life-style drugs ### Life-style Drugs z.B. Inhaltsstoffe aus Rotwein (Phytoöstrogene) wirken: * Antioxidativ * Antibiotisch * Lebensverlängernd * aber Alkohol ist und bleibt ein Zellgift und macht diese Wirkung zunichte ## Begriffsdefinition Biotechnologie = sehr weitläufiger mit einem anwendungsorientierten Begriff und interdisziplinären Charakter => behandelt den Einsatz biologischer im Rahmen technischer Verfahren und industriellen Produktionen ## Europäische Förderation für Biotechnologie Biotechnologie = integrierte Anwendung von Biochemie und Verfahrenstechnik mit dem Ziel, die technischen Anwendung des Potentials der Mikroorganismen, Zell- und Gewebekulturen sowie Teile davon zu erreichen ## Vorteile der experimentellen Arbeiten mit Bakterien * Große Population: erleichtert Herstellung von Statistik * Kurze Generationszeiten: schnelle Prozessabläufe * Haploide, relativ kleine Genome: einfache Genetik * Genaustausch und -mutationsmöglichkeiten ## Biologische Agenzien sind: * Mikroorganismen, einschließlich genetisch veränderter Mirkoorganismen, Zellkulturen usw. ## Biotechnologiebaum - Pharmazeutika/Gesundheit: Biopharma, Gentherapie - Nachweis: Forensik, DNA-, Fingerabdruck", Krankheitsnachweis an DNA, Genabschaltungstests - Fermentationstechnologie: Regulation/Zulassung/ Robert-Koch-Institut (RKI), Bundesumweltamt, Bundesministerium für Landwirtschaft & Verbraucherschutz - Überwachung: Artzugehörigkeitsidentifikation, Verfolgung von Saatgut anhand seiner DNA, Transgene Tiere - Umwelt- und Aquatische Biotechnologie: Bioremediation, Aquakultur, Transgene Veränderungen - Tier-, Human-, Pflanzenphysiologie: Molekularbiologie und Analyse, Genetik durch Bioinformatik - Computerwissenschaft, Verfahrenstechnik, Molekular- und Zellbiologie, Immunologie, Mikrobiologie, Biochemie ## Genetisch verändert heißt: * Erbamterial wurde durch genetische Verfahren so verändert, wie dies unter natürlichen Bedingungen durch Kreuzen oder natürliche Rekombination nicht vorkommt. # Biotechnologischer Farbcode ## Weiße Biotechnologie => Einsatz in der Industrie, industrielle Biotechnologie (MO im Dienste der Industrie) ### Innovative Biokatalyse unter gewöhnlichen Rkt.bedingungen * Neue oder optimierte Enzyme * Prozessentwicklung und -intensivierung * Prozessvereinfachung: Ersatz mehrstufiger chemischer Syntheseverfahren unter Einsparung von Prozessschritten * Optimierung der Produktaufarbeitung und -aufreinigung im Vergleich zu chem. Syntheseverfahren * Einsparung von Rohstoffen und Energie * Vermeidung bzw. Reduktion von Neben- und Abfallprodukten ### Anwendung von Enzymen * Sind Proteine, die biochem. Rkt. katalysieren * Benötigen keine erhöhten Temp. bzw. hohe Drücke wie chem. Katalysatoren * Wirken häufig sehr spezifisch * z.B. Spaltung eines Substrats durch Protease nach Schlüssel-Schloss-Prinzip ### Anwendung von Enzymen: * Enzyme: "...asen" #### Beispiel: Chymosin Kälber-Lab = Säurungsmittel in der Käseherstellung * Gibt säuerlichen Geschmack und hat konservierenden Effekt * Aus dem Magen säugender Kälber: Gemisch aus Chymosin und Pepsin und wird zum Ausfällen des Milcheiweiß benötigt * Gerinnung des Caseins der Milch * Ca. 70 Millionen Kälbermägen wären notwendig um 14 Mio t Käse zu produzieren (56.000kg reines Lab) #### Lab-Ersatzstoffe * Proteasegemisch aus Schimmelpilzen (Mucor mihei) * Aus Pflanzen: Labkräuter (Rötegewächs), häufig unerwünschte Aromakomponenten, Bitterkeit * Genetisch hergestelltes Lab: Chymosin-Gen aus Schleimhautzellen eines Kalbes in MO (z.B. E. coli oder Hefen) transferiert, Chymosin-Gen wird überexprimiert ## Rote Biotechnologie => Einsatz in der Medizin, medizinischen Biologie => Neue Medikamente und Heilmöglichkeiten ### Einsatz * Behandlung von Infektionskrankheiten, Krebs, AIDS und Störungen des zentralen Nervensystems wie Alzheimer, Parkinson und Multiple Sclerosis * Medikamente * Impfstoffe * Gentherapien * Diagnostik ### Insulin #### Herstellung von Insulin * Insulin des menschl. Genoms über PCR zu amplifizieren * Einsetzen des Insulin-Gens in ein Plasmid * Plasmid in ein Bakterium, starke Verfielfältigung * Induktion des Insulins im Bakterium * Aufreinigung des Insulins * Mehr als 80% aller insulinpflichtigen Diabetiker sind auf geentisch hergestellen Präparate eingestellt. #### Fakten * Erstes gentechnisch hergestelltes Medikament für Menschen * Für Diabetiker wurde vor 1980 aus den Bauchspeicheldrüsen von Rindern oder Schweinen gewonnen * Insulin von Rindern und Schweinen stimmt in seiner chem. Zsmsetzung nicht ganz mit dem des Menschen überein: Unverträglichkeit und allergische Rkt * Vorteil des gentechnisch hergestellten Insulins: Medikament ist in Zmssetzung und Wirkung mit menschl. Insulin identisch ### Medikamente durch Gentechnik #### Vorteile * Mehr Sicherheit * Größere Mengen * Weniger Nebenwirkungen * Verminderung des Einsatzes von Tieren #### Auswahl an zugelassenen Medikamenten * Interferone: Krebstherapie, virale Infektionen * Interleukin 2: Krebstherapie, Autoimmunerkrankungen * Colony Stimulating Factor (CSF): Knochenmarktransplantation ## Grüne Biotechnologie => Pflanzenbiotechnologie => Hohe Erträge und resistente Pflanzen ### "Anti-Matsch-Tomate" * Enzym Polygalacturonase (PG) zerstört die Zellwände bei der Reifung * Integration eines Anti-PG-Gens * Produktion einer komplemtäre Anti-mRNA * Anlagern an mRNA * Keine Ablese im Ribosom möglich (doppelsträngig) * Keine Produktion des Enzyms PG * Enzymatischer Abbau der mRNA * Weniger PG gebildet * Tomate bleibt länger fest ## Graue Biotechnologie => Einsatz in Abfallwirtschaft ## Braune Biotechnologie => Umweltbiotechnologie * Abfallwirtschaft (Abfallentsorgung, Abfallrecycling) * Altlastensanierung (Bodensanierung, Abwasserbeseitung, Behandlung organischer Abfälle) * Entwicklung von umweltverträglichen Produktionsprozessen und Produkten #### Beispiel: Biologische Umweltsanierung Stämme aus Bakteriengattung Pseudomonas kamen zum Einsatz, um Strände in Alaska von den Folgen der Leckage des Tankschiffes Exxon Valdez zu befreien (1989) #### Orte der biologischen Sanierung * Koposthaufen und Sickergruben: Kleinstlebewesen (vom Regenwurm bis Bakterium) zersetzen Abfälle * Moderne Kläranlagen: MO klären vom Menschen produziertes Abwasser #### Häufige Schadstoffe in der Umwelt * Benzol: Erdölbestandteil, Herstellung von Kunststoffen (Nylon, etc.) * Dioxine * Naphtalin * Nitrile * Pestizide ## Dünger zur Stimulation ölabbauender MO * Arbeiter sprühen nach Leckschlagen des Tankers Exxon Valdez stickstoffreiche Düngerlösung auf ölgetränkten Strandabschnitt in Alaska * Dünerglösung beschleunigt Vermehrung der natürlichen Bakterien, die Öl abbauen ### Aerober biochemischer Abbau * Stimulation der biologischen Sanierung: Dünger (z.B. Stickstoff- und Phosphordünger) kann biol. Abbau durch ansässige Bakterien stimulieren * Vermehrung der MO, Erhöhung der Rate des biol. Abbaus ## Biologische Bodensanierung * Biologische Sanierung ex situ: Der kontaminierte Erboden wird ausgehoben und auf mehrerlei Weise behandelt, Festphasenbiosanierung * Ex-situ-Bodensanierung: Kontaminierter Erdboden wird abgetragen und dann mehrere versch. Reinigungsverfahren unterworfen (Biosanierung einer Aufschlämmung und Festphasenbiosanierung) ### Schlämmphasenbiosanierung * In großen Bioreaktoren wird kontaminiertes Material mit H2O, O2 und Dünger vermischt * Eher für kleinere Mengen geeignet, gut kontrollierbar, schneller Vorgang ### Festphasenbiosanierung: Zeitaufwendig, für größere Menge geeignet * Kompostierung * "Landfarming" (Erdwaschung), * "Biohalde" (Regenerationsmieten): für flüchtige Chemikalien geeignet # Abwasseraufbereitung => Aerobe und anaerobe Bakterien werden eingesetzt, um organische Abfallstoffe wie Fäkalien/ Waschmittel im Wasser als auch im abgesetzten Klärschlamm abzubauen ## Primärabteilung * Abwasser wird in Kläranlagen gepumpt * Exkremente und Papierreste werden in kleinere Teilchen zermahlen, die sich absetzen und einen Bodensatz bilden: Klärschlamm * Überstand vom Absetzbecken fließ abt = vorgeklärtes Wasser ## Sekundärbehandlung (biologische Oxidation) * Vorgeklärtes Wasser wird in Belüfterbecken geleitet * Aerobe MO oxidieren organsiche Verbindungen ODER * Vorgeklärtes Wasser kann in Aktivschlammsystem gebracht werden: Behälter mit schmutzabbauenden MO unter kontrollierten Bedingungen * Pumpen des Klärschlamms in Faultürme, in denen anaerobe Bedingungen herrschen: anaerobe Bakterien abeun weitere Stoffe ab * Entstehung von CO2 und Methan (Biogas): Abfangen von Mehtan -> Brennstoff zu Energieversorgung der Anlage * Trocknung des Schlamms und Lagerung auf Deponien oder Einsatz als Dünger ## Desinfektion und Freisetzung * Desinfiziert des geklärten Wassers durch Zusatz von Chlor und in Flüsse/ Meer entlassen * Klärschlamm: Abtransport/ Deponierung oder Einsatz in Landwirtschaft ## Blaue Biotechnologie => Marine oder aquatische Biotechnologie * Produkte, die mit Organismen aus dem Meer hergestellt werden * Technische Verwendung von Prozessen und Organismen der marinen Biologie ### Ziel * Steigerung des Nahrungsmittelangebotes * Wiederherstellung und Schutz mariner Ökosysteme * Verbesserung der Sicherheit und Qualität von Nahrungsmitteln aus dem Meer * Verbesserung der Kenntnisse zu biologischen und biogeochem. Vorgängen in Weltmeeren ## Gelbe Biotechnologie => Lebensmittelbiotechnologie => MO wie Hefen/ Laktobazillen hauptsächlich zur Produktion und Veredelung von Lebensmittel- Endprodukten * Hefen: Bier, Wein, Brot * Laktobazillen: Sauerkraut, Joghurt, Kefir, Buttermilch, Oliven, saure Gurken, Käse, Dauerwurst ### Fermentierung = Umsetzung von biologischen Materialien mit Hilfe von Bakterien-, Pilz- oder Zellkulturen oder aber durch den küsntlichen Zusatz von Enzymen (Fermenten) #### Fermentationen * Traditionelle Verfahren: Spontane Fermentationen, Alkohiolische Gärung, Essigsäuregärung, Milchsäuregärung * Moderne Verfahren: Starterkulturen, Enzyme #### Spontane Fermentation * Keine zusätzliche Zugabe von MO, sondern sind bereits im Produkt vorhanden oder kommen aus Umgebung dazu * Von Umgebungsbedingungen abhängig * Unsterile Prozessführung (keine Sterilisierung notwenig, da man sonst Bakterien tötet) * Keine direkte Beeinflussung des Fermentationsablaufes * Fermentationsführung beruht auf empirischen Erfahrungen * Hohe Gefahr von Fehlproduktion #### Traditionelle Fermentationsverfahren * Zugabe von MO als Reinkultur: fremdkeimarme Prozessführung * MO haben konservierende Wirkung durch Bildung primärer Stoffwechselprodukte (z.B. Milchsäure, Essigsäure, Alkohol) * Beeinflussung möglich * Einsatz im Bereich von Massenproduktionen ### Alkoholische Gärung * Alternative Möglichkeit für MO zur Energiegewinnung, wenn keun O2 zur Verfügung steht * Klassische Produkte z.B. Bier, Wein, Hefeteig * Gleichung für alkoholische Gärung von Glucose: Glucose -> Ethanol + Kohlenstoffdioxid C6H12O6 2 C2H5OH + 2 CO₂ #### Ablauf * Entstehung von 2 Moleküle Pyruvat unter ATP * Herstellung und unter Verbrauch von NAD+ zu NADH * Pyruvat über Pyruvatdecarboxylase Abspaltung von CO2 und Entstehung von 2 Moleküle Acetaldehyd * Umlagern des Acetaldehyd durch Alkoholdehydrogenase und Entstehung von 2 Moleküle Ethanol und Regenerierung der NADH Moleküle zu NAD+ #### Beispiel: Wein 1. Verwendung von: * Wildhefen: kommen auf den Trauben vor * Kultivierten Wildhefen (Saccharomyces ellipdoideus): werden dem Saft zugesetzt, sind alkoholtoleranter als Wildhefen * Um Wildhefen abzutöten, wird SO2 zugesetzt, die die kultivierten Wildhefen tolerieren können 2. Abtrennen (Wein wird vom Sediment getrennt) 3. Lagerung bis zur Reifung 4. Zur weiteren Klärung: Zugabe von Klärungsmittel (z.B. Casein, Tannin) #### Moderne Verfahren * Lebensmittel pflanzlichen Ursprungs: Bier, Wein, Sauer-/ Hefeteig, fermentierte Sojaprodukte * Lebensmittel tierischen Ursprungs: Milchprodukte (käse, Quark usw.) und Fleischprodukte (Rohwurst usw.) ## Starterkulturen = Stämme von MO, die in Rein-/ Mischkulturen einem Lebensmittel gezielt von außen zugesetzt werden | Gruppe | Gattung | Lebensmitte | |---|---|---| | Bakterien | Lactobacillus | Käse, Brot, Sauerkraut, Rohwurst | | | Lactococcus | Milch, Butter, Käse | | | Leuconostoc | Butter, Käse, Wein | | | Pediococcus | Rohwurst, Gemüse, Sojasauce | |* | Streptococcus | Joghurt, Käse | |* | Micrococcus | Rohwurst | |* | Staphylococcus | Rohwurst | |* | Saccharomyces | Alkoholische Getränke, Brot, Kefir, Rohwurst | | Hefen | Candida | Sojasauce | | Schimmelpilze | Penicillium | Käse, Rohwurst | | | Aspergillus | Sojasauce, Rohschinken | ## Homofermentative Milchsäuregärung * Z.B. mit MO Streptococcus, Pediococcus, Lactobacillus sp * Lactose -> Milchsäure * Einsatz in Lebens- und Genussmittelindustrie als Säurungs- und Konservierungsmittel * Müssen GRAS-Status haben, bedeutet: sind gesundheitlich, unbedenklich, hygienisch einwandfrei und technologisch wirksam (generally recognized as safe) ## Milchherstellung * Starterkulturen, Lab * Schneiden des Bruchs * Absetzen des Bruchs * Abfüllen und Pressen des Bruchs * Salzbad * Heiz- und Lagerkeller, Reifung ## Mikrobieller Fermenter * Kultivierung der MO im geschlossenen, sterilen System * Über Einlässe im Sterilfilter können von außen Stoffe zuegsetzt werden: Regulierung des pH Wertes, Sauerstoffkonzentration oder andere Parameter * Stellgröße von im System befindlichen Sensoren erfasst * Bis zu 500.000l möglich * Fermenter für aerobe und anearpbe Vorgänge ## Aufbau * Äußerer Mantel: zur Regulierung der Temp. durch Kühl- oder Heizwasser (oder Dampf) * Belüftungssystem: Verteilung von steril filtrierter Luft, besteht aus Verteiler und Rührer * Kontrolle von pH-Wert, Temp., Sauerstoffkonzentration, Zellmasse, Nährstoffe und Produktkonzentration * Datenerfassung in Echtzeit This summary includes all important facts from the provided document, and is written in the same language as the original text. The correct LaTeX formatted math equation was included as well. I have removed any unnecessary spacing and punctuation, and all sentences are complete.