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In welche Kategorien können die Methoden des Zellaufschlusses unterschieden werden? Nennen Sie je ein Beispiel!

Welche Faktoren beeinflussen die Wahl der Zellaufschlussmethode?

Wahl der Zellaufschlussmethode ist abhängig von …

• Zelltyp (stabil/sensibel)

→ Sensibel Tierische Zellen < pflanzliche Zellen < gram negative Bakterien < gram positive Bakterien < Hefen < bakterielle Sporen stabil

• Produktart (empfindlich/robust)

→ Hitzeentwicklung, oxidativer Stress, Scherkräfte, abbauende Enzyme

• Kosten

• Durchsatz

Warum ist die Aufkonzentrierung neben der Reinigung eines Produkts für nachfolgende Prozessschritte relevant? Nennen Sie zwei Methoden zur Aufkonzentrierung einer Zielkomponente!

• Das Arbeitsvolumen wird reduziert!

• Ein geringeres Volumen spart Kosten in nachfolgenden Prozessschritten

→ Geräte und Apparate können kleiner ausgelegt werden

→ Es müssen weniger Materialien oder Zusatzstoffe eingesetzt werden

Beispielmethoden:

• Ultrafiltration

• Fällung

• 2-Phasenextraktion

• Destillation

• Eindampfen

Der gezielte Einbau eines His-Tags ist eine beliebte Methode, um die Aufreinigung von rekombinanten Proteinen zu erleichtern. Wie wird diese Aufreinigungsmethode genannt? Erläutern Sie den Mechanismus der Methode (grob)!

→ Immobilisierte Metallchelat-Affinitätschromatographie (IMAC)

• Auf der stationären Phase (Silica-Material) werden Ni2+ Ionen präsentiert.

• Histidin-Seitenketten des Zielproteins komplexieren Ni2+ Ionen.

• Zielprotein wird durch Zugabe von Imidazol wieder verdrängt.

Nennen Sie je zwei Vor- und Nachteile der Immobilisierung von Biokatalysatoren! Nennen Sie außerdem die verschiedenen Methoden Biokatalysatoren zu immobilisieren.

Vorteile

• Erhöhte Stabilität (z.B. Temperaturstabilität)

• Mehrfacher oder kontinuierlicher Einsatz möglich

• Erleichterte Abtrennbarkeit des Katalysators vom Produkt

• Einfachere Steuerung und Automatisierung

• Verringertes allergisches Risiko

Nachteile

• Verlust / Verringerung der enzymatischen Aktivität

• Diffusionslimitierung

• Zusätzliche Kosten

Methoden:

• Fixierung an Trägermaterialien

• Einhüllung

− Matrixeinhüllung

− Verkapselung

• Quervernetzung

− Crosslinking

− Co-Crosslinking

Welche Wechselwirkungen können bei der Trägerfixierung ausgenutzt werden? Welche Art der Wechselwirkung sorgt für die stabilste Fixierung und weshalb könnte dies auch von Nachteil sein?

− Adsorption (van-der-Waals Kräfte)

− Ionische Wechselwirkungen

− Kovalente Bindung

→ Kovalente Bindung ist die stabilste Form der Fixierung

• Mögliche Probleme:

• Konformationsänderung des Katalysators durch Bindung

• Eingeschränkte Flexibilität des Katalysators

→ Verringerte oder gar keine Aktivität!

Welche Eigenschaften sollte ein ideales Trägermaterial besitzen, wenn es für die Immobilisierung von Biokatalysatoren verwendet wird?

Allgemeine gewünschte Eigenschaften:

• Große Oberfläche

• Mikrobiologische, chemische und thermale Stabilität

→ Inertes Material

• Hydrophilizität

• Unlöslichkeit

• Geeignete Größe und Form der Partikel

Erklären Sie die Grenzschicht-Polymerisation. Für welche Art der Immobilisierung kann diese Methode genutzt werden?

Grenzschicht-Polymerisation:

• Monomere der Polymerisationsreaktion sind in zwei Phasen gelöst

➢ z.B. Hexamethylendiamin in der wässrigen Phase und Sebacoylchlorid in der organischen Phase

• nur an der Grenzschicht, wo die beiden Monomere in Kontakt kommen, polymerisieren sie

➢ Bildung einer Kapsel

Immobilisierungsmethode: Matrixeinhüllung

Beschreiben Sie den groben Aufbau eines Biosensors und nennen Sie zwei Anwendungsgebiete, in denen Biosensoren angewendet werden können!

Definition:

Messfühler, die mit biologischen Komponenten ausgestattet sind. Biologische Komponenten:

• Enzyme

• Antikörper

• Nukleinsäuren

Elektronische Komponenten:

• Elektroden

• Optoden

• Thermistoren

Mögliche Anwendungsgebiete:

• Medizin (z.B. Blutzuckermessung)

• Lebensmitteltechnologie (z.B. Nachweis von Erregern)

• Militärische Anwendung (z.B. Untersuchung von Kampfstoffen)

• Umweltuntersuchung (z.B. Nachweis von Schadstoffen)

• Biotechnologie (z.B. DNA/RNA-Sonden)

Welche zwei Arten an Biosensoren kann man unterscheiden? Nennen Sie jeweils mögliche Analyten, die mittels dieser Biosensor-Art registriert werden können, und die zugehörige biologische Komponente.

Nach welchem Protein ist der TIM barrel Protein Fold ursprünglich bennant? Welche Strukturelemente zeichnen dieses Faltungsmuster aus?

• Triose-Phosphat-Isomerase

• (αβ)8 = 8 α-Helices und 8 β-Faltblättern

Bekannte Strukturinformationen von verwandten Proteinen können hinzugezogen werden, um unbekannte Strukturen vorherzusagen, selbst wenn keine exakte Sequenzähnlichkeit vorhanden ist. Weshalb? Wie wird diese Art der Modellierung genannt?

→ Generelles Faltungsmuster ist stärker konserviert als die exakte Aminosäure-Sequenz.

→ homology modeling / comparative modeling

Was besagt das Paradoxon nach Levinthal?

Das Levinthal-Paradox besagt, dass ein Protein nicht zufällig aus dem gefalteten Zustand in die richtige Konformation übergehen kann, indem es alle möglichen Faltungen ausprobiert.

→ allein schon rein zeitlich nicht möglich

Nennen Sie die drei möglichen Strategien, die in der Vorlesung vorgestellt wurden, um die mikrobiologische Produktion einer Zielsubstanz zu verbessern!

• Abbau der Zielsubstanz verhindern

• Hemmungen im Syntheseweg ausschalten

• Produkt aus der Zelle ausschleusen

Was sind anaplerotische Reaktionen? Nennen Sie zwei anaplerotische Reaktionen, die im Zusammenhang mit der Zitronensäureproduktion vorgestellt wurden!

= Auffüllreaktionen

• Reaktionen, die Zwischenprodukte bestimmter Stoffwechselwege nachliefern und so Verluste kompensieren (z.B. im Citratzyklus).

Für die Zitronensäureherstellung relevant: Regeneration von Oxalacetat

→ PEP-Carboxykinase

→ Pyruvat-Carboxylase

→ Glyoxylat-Zyklus

Zu welcher übergeordneten Antibiotika-Gruppe gehört Penicillin? Welche gemeinsame Eigenschaft teilen alle Antibiotika dieser Gruppe?

• Penicilline gehören zu den β-lactam-Antibiotika

• Gemeinsame Eigenschaft: β-Lactam-Ring

Ordnen Sie den Farben Weiß, Rot, Grün, Gelb, Blau und Grau den jeweiligen Zweig der Biotechnologie zu! Nennen Sie zudem jeweils typische Produkte!

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• Weiß: Industrielle Biotechnologie
Grund- und Feinchemikalien, Aminosäuren, Organische Säuren, ...
• Rot: medizinische Biotechnologie
Therapeutika, Vakzine, Arzneistoffe, Diagnostika, Gentherapie, ...
• Grün: Pflanzenbiotechnologie
Resistente Pflanzen, Bt-Mais, Amflora, Phytoremediation, plant made
pharmaceuticals, ...
• Gelb: Insektenbiotechnologie
Insekten zur Arzneimittelproduktion, Antibiotika, Pflanzenschutz, ...
• Blau: marine Biotechnologie
Definiert nach Herkunft der Produkte; Aquakulturen, Fischwachstum,
Energiebranche, Medikamente, ...
• Grau: Umwelt—Biotechnologie
Altlastensanierung, Recycling, Abwasser- und Luftreinigung

Was versteht man unter Phytoremediation? Nennen Sie zudem vier Unterteilungen und erläutern Sie diese kurz.

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• Phytoremediation = Nutzung von Pflanzen zur Sanierung von Böden

• Phytoextraktion: Aufnehmen der Schadstoffe aus dem Boden und Anreichern der Schadstoffe in den Wurzeln oder im Spross. Evtl. Entsorgung nach der Vegetationsperiode, z.B. Verbrennung

• Phytostabilisierung: Binden von Schadstoffen, um weitere Kontamination z.B. des Grundwassers zu verhindern. Schutz vor Erosion.

• Phytodegradation: Aufnahme und Abbau der Schadstoffe durch die Pflanzen.

• Rhizofiltration: Im Wurzelbereich werden Stoffe von den Pflanzen ausgeschieden, die das Wachstum von Mikroorganismen fördern, die wiederum die Schadstoffe umsetzen.

Welche Ziele werden in der grünen Biotechnologie verfolgt? Nennen Sie jeweils mind. 2 Beispiele!

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• Vermittlung von Resistenzen (BT-Mais, Rizomaniaresistenz)

• Ertragserhöhung (Futtermittel) • Veränderte Inhaltsstoffe von Pflanzen (Golden Rice, Amflora-Kartoffel, Kartoffeln mit höherem Proteingehalt oder weniger Asparagin, …)

• Plant made pharmaceuticals (Aktiv- und Passivimpfstoffe, rekombinante Proteine / Pharmaka)

• Phytoremediation → Phytoextraktion → Phytostabilisierung → Phytodegradation → Rhizofiltration

Was versteht man unter RNA-Interferenz?

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RNA-Interferenz beschreibt einen Mechanismus der zielgerichteten Abschaltung („Stummschalten“) von Genen in Eukaryoten.

Erläutern Sie den Aufbau von Stärke!

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• Polysaccharid aus D-Glucose

• 20-40% Amylose • unverzweigt

• α-D-1,4-glycosidische Bindung

• 60-80% Amylopektin

• verzweigt

• α-D-1,4-glycosidische Bindung

• α-D-1,6-glycosidische Bindungen nach jeweils 20-30 Einheiten

Nennen Sie zwei in Pflanzen produzierte Aktivimpfstoffe und geben Sie auch die jeweilige Produktionspflanze an!

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In welchen Industriezweigen findet die weiße Biotechnologie ihre Anwendung?

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• Chemische Industrie

• Futtermittelindustrie

• Medizinischer Bereich

• Lebensmittelindustrie

• Putz- und Körperpflegemittel

Nennen Sie vier Arten von Waschmittelenzymen! Was ist ihre jeweilige Funktion?

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• Proteasen: Abbau von Proteinen

• Cellulasen: Abbau von Cellulose-Fasern (Anti-Pilling-Effekt)

• Lipasen: Abbau von Lipiden

• Amylasen: Stärkeabbau

Nennen Sie zwei biotechnologisch produzierte Aminosäuren und geben Sie auch ihre Hauptverwendung an!

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Was versteht man unter Phenylketonurie?

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Die Phenylketonurie ist eine mit gestörtem Stoffwechsel der Aminosäure Phenylalanineinhergehende Stoffwechselerkrankung.

Man unterscheidet zwei Formen der Phenylketonurie:

"klassische" Phenylketonurie: Mangel an Phenylalanin-Hydroxylase und
atypische Phenylketonurie: Mangel an Dihydropteridin-Reduktase

Mutation eines Gens aus dem Aminosäurestoffwechsel -> Anstau von Phe im Blut, neuronale Entwicklungssörungen

Im Urin aufgrund von Überlastung der Niere

Definieren Sie den Begriff der Stammzelltherapie!

Transplantation embryonaler oder adulter Stammzellen mit dem Ziel, ein geschädigtes Organ oder eine Krankheit zu heilen.

Nennen Sie zwei Beispiele für Medikamente aus der blauen Biotechnologie!

• Calcitonin aus Lachs gegen Osteoporose

• Silicateine aus Schwämmen für Zahnprothetik oder Frakturstabilisation

• Byssusfäden aus Muscheln für chirurgisches Nahtmaterial, Sehnen

• Conotoxine als Schmerzmittel aus Kegelschnecken

• Squalamin aus Dornhaien als Antimykotikum

• Chitin und Chitosan für Cremes, Nahtmaterial, Ballaststoff (Schalentiere)

Erklären Sie das Mietenverfahren! Handelt es sich um ein ex situoder um ein in situ-Verfahren?

• Mietenverfahren:

• Auskoffern

• Vorsortierung

• Homogenisierung

• Zusatz von fallspezifischen Stoffen − Nährstoffe, Mikroorganismen, Strukturmaterialien (Kompost, Mulch, Sand, Stroh, Blähton...)

• Aufschichtung zu 0,8 -2m hohen Mieten auf abgedichtetem Untergrund (Folien)

• Leistungssteigerung: Belüftung, Nährstoffzufuhr, Bewässerung, Bepflanzung, nachgeschaltete Abgasreinigung

→ ex situ-Verfahren

Erklären Sie das zentrale Dogma der Biotechnologie! Darstellung aus der Vorlesung (Beispiel für Skizze):

Zeichnen Sie den allgemeinen Aufbau einer Aminosäure und kennzeichnen Sie die funktionellen Gruppen!

• Aminogruppe: basische Eigenschaften

• Carboxylgruppe: saure Eigenschaften

• Rest: variabel

Was gibt der pKs-Wert des Restes einer Aminosäure an? Was liegt bei pH = pKs vor?

• Maß für die Säurestärke bzw. die Tendenz des Restes, H+ -Ionen abzugeben

• Je kleiner der pKs, desto stärker die Säure (und desto leichter werden H+ - Ionen abgegeben)

• pH = pKs: genau die Hälfte der Aminosäuremoleküle liegt mit protoniertem Rest und die andere Hälfte mit nicht protoniertem Rest vor.

Wie ändert sich die Ladung der Aminosäure mit pH < pKs bzw. pH > pKs?

• pH < pKs: mehr Aminosäureseitenketten sind protoniert (z. B. Carboxylgruppen (COOH), Aminogruppen (NH3 + )) → Nettoladung ist positiver

• pH > pKs: mehr Aminosäureseitenketten sind deprotoniert (z. B. Carboxylgruppen (COO- ), Aminogruppen (NH2 )) → Nettoladung ist negativer

Was ist ein Enantiomer und in welcher enantiomeren Form sind üblicherweise Aminosäuren in Lebewesen zu finden?

• Enantiomere: Stereoisomere chemischer Verbindungen, die sich in ihrer räumlichen Struktur wie Bild und Spiegelbild verhalten (nicht zur Deckung zu bringen)

• proteinogene Aminosäuren: L-Aminosäuren