Einführung in die Biotechnologie

Biotechnologie ist die Integration von Naturwissenschaften und Ingenieurswissenschaften mit dem Ziel, Organismen, Zellen, Teile daraus und molekulare Analoge für Produkte und Dienstleistungen technisch zu nutzen.

Die Biotechnologie umfasst diverse Anwedungsbereiche, z.B.

• die medizinische-pharmazeutische Biotechnologie
• die Agrobiotechnologie 
• die maritime Biotechnologie 
• die indistriuelle Biotechnologie 

Biotechnologie ist eine Querschnittwissenschaft aus Biologie, Chemie, Biochemie, Ingenieurswissenschaft, Chemieingeneurstechnik und Bioingenieurstechnik.

• Pharmazeutische (Antibiotika) 
• Kosmetik-(Lipide) 
• Lebensmittel- (Bier) 
• Chemische (Biokraftstoffe) 

Biokatalysatoren sind sozusagen die Arbeitstiere der Biotechnologie 

Sie beschleunugen Reaktionen im Körper und in biotechnologischen Verfahren 

1. Lebende Organismen - E. Coli Produziert Insulin 
2. Pflanzliche Zell- und Gewebekulturen - Eibe à Lieferant Taxol
3. Tierische Tell- und Gewebekulturen - CHO als EPO Produzent
4. Human Zellen - Knorpelzelle für orthopädische Erkrankungen 
5. Transgene Pflanzen - Vitamin A Reis 
6. Transgene Tiere - Tracy 
7. Enzyme - Labferment für Käseherstellung 

gVO = genetisch veränderte Organismen 

z.B. Veränderte Erbanlagen, Genfood, resistente Pflanzen oder Nahrungsmittel mit mehr Vitaminen 

Neu-Kombonation von Genen von bestimmten Organismen. DNA wird isoliert und gentechnisch verändert (in vitro, ohne versuchstier hergestellt) (Im Glas).

Als in vitro bezeichnet man organische Vorgänge, die außerhalb eines lebenden Organismus stattfinden, im Gegensatz zu solchen, die im lebenden Organismus ablaufen

• Rote Biotechnologie: medizinisch-pharmazeutische Biotechnologie 
  • Auf rekombinanten Proteinen basierende Wirkstoffe (Diagnostik/Therapie von Krankheiten)
  • Impfstoffe (Grippe/Covid) 
  • Zellen/Gewbe/Organe für Transplantationen (Stammzellen) 
• Grüne Biotechnologie: Agrobiotechnologie
  • Krankheits- und herbizidreesistente Pflanzen (BT-Mais) 
  • Function Foof (Pro- und Prebiotische Jogurts, Gen-Food)
  • Biologische Schädlingsbekämpfung (Nematoden) 
• Blaue Biotechnologie 
  • natürliche Wirkstoffe aus marine Wirkstoffe (als Nahrungsergänzungsmittel oder für Kosmetika) 
• Weisse Biotechnologie: Industrielle Biotechnologie 
  • Herstellung grossvolumiger Produkte, Branchenübergreifend
  • Nutz Instrumente der modernen Biotechnologie für die Entwicklung von neuen industriellen, biotechnischen Produktverfahren und Produkten 
  • Chemische Industrie und Umweltbiotechnologie (Feinchemikalien- und. Spezialitätenbereich, Bulkprodukten, Biokraftstoffen zB. Biogas
  • Lebensmittelbiotechnologie (Biomasse(Backhelfe), Lebensmittel(Käse), Genussmittel (Wein, Bier) 
  • Pharmazie (Antibiotika z.B. Penicilin, Wirkstoffvorstufe, zb. Ephedrin
  • Kosmetik (Lipide) 
  •  

1. ) Unbewusste nutzung von Mikroorganismen: 

Wein - (10000v. Chr.), Essig- (8000 v. Chr.), Käseherstellung & Sauermichprodukte (3000v. Chr) 

2.) Aufdenkung des Wesens der Fermentation, Klassifikation. neuer Mikroorganismen, Aufklären der Stoffwechselvorgänge, Mikrobengenetik

Backhefeherstellung (1880), Milsäure (1881) Industiealkohol, Glycerin, Aceton, Butanol, Eiweiss (1914-1918), erster Penicilineinsatz (1941) 

3.) Schaffung wissenschafltichen Grundlagen für biotechnologischen Apperaten- und Verfahrenstechnik

Einfphrung Sterilfermenatation (1942-1964), Modelldarstellung der DNA durch Watson & Crick (1953), Genetischer Code für Viren und Bakterien entschlüsseln (1960), Restriktionsenzyme und Ligasen endeckt (1968) 

4.) Gezielter Einsatz der genetischen Manipulation von Zellen, soweie rekombinanten Methoden und moderner Techniken

Genfood und Function Food, Biotherapie und Zelltherapeutika (Impfstoffe, Stammzellen/Klone) Tissue Engineering, Gründe Medikamente, Algenbiotechnologie

Da unbewusst mikroorgnaismen benuu wurden, um Lebensmittel herzustellen. (Bsp. Bachhefe, Schimmerpilze für Käsegeschmack oder Alkoholgärung) und auch haltbar zu machen (Fermentation) 

Mabs = monoklonale Antikörper à imonologisch aktiven Proteien, zentraler Bestandteil Immunsystem 

- sind ur gegen ein Antigen/Epitop gerichtet

- Klassische monoklonale Antiköroer (Hybridomzellen) oder rekombinante Antiköroer (zB Produktion mit transfizierten CHO-Zellen) 

Herstellung: Fusion von Antikörperprodukzierenden B-Zellen mit Zellen einer Myelom-Zelllinie. Dadurch entstehen hybride Zellen, die unbegrenzt Antikörper einer bestimmten Spezifität produzieren (Hybridom-Technik) 

- kultivierung von humanen, tierischen und pflanzlichen Zellen ( rot und grün) 

- Prozessmodellierung und Optimierung (weiss) 

- Verfahrenstechnik (weiss) 

- Prozess und Anlageentwicklung (weiss) 

- Sensortechnik unf Prozessanalytik (weiss) 

- Umweltbiotechnoloige (grün/grau) 

Eine Art der Fermentation, die Züchtung von Biokatalysatoren auf Substatoberfläche (Petrischale mit Festmedium z.B. zur Zucht von Kallus und Bakterienkolonien, Essigprodukten) (Zellen wachen einzeln auf der Oberfläche) 

Züchtung von Biokatalysatoren im Nähmedium (Schüttelkolben mit Flüssigmedium, Penicillin, EPO-Produktion) 

Vorteile: Verwendung grössere Produktvolumina, bessere Mechanisierung und Automatisierung des Prozessablaufes möglich, Möglichkeit der Realsierung kontinuierlicher Verfahren garantiert.

• Batch
• Kontinuierliche Prozesse (Dauer 4-6 Monate) 
• Fed Batch (Zwischelösung von kontinuierlich und Batch) 

Batch

Diskontinuierlicher Prozess, klassische Kulturführung (alles wird vorgelegt, Entnahme erst nach einer bestimmten Dauer), geschlossenes System ( konstantes Arbeitsvolumen, ernte bei maximaler Zellzahl oder Produktionskonzentration) 

Vorteile: Einfachheit, Flexibillität (andere Organismen/Medien einsetzbar) 

Nachteil: geringen Raum-Zeit-Ausbeute (Biokatalysator braucht viel vor- und Nachbearbeitungszeit) Probleme bei Prozessen mit Substrat- oder Produktionshibierung (z.B. Organismen sterben bei zu viel Zucker) 

Kontinuierliche Prozesse (Dauer 4-6 Monate) 

Ist ein offenes System (konstantes Arbeitsvolumen (etwas fliesst rein und raus), Prozess beginnt als Batch bis gewünschte Zellkonzentration erreicht, dann Umstellung auf kontinuierlichen Medienzulauf und kontinuierliche Entname von Material) Verfahren mit oder ohne Zellrückhaltung (Perfusion) verfügbar. 

Vorteil: hohe Raum-Zeit- Ausbeute, kleine Bioreaktoren und tiefe Investitionskosten beu Verfahren mit Zellrückhaltung

Nachteile: höhere apparativer Aufwand, höhere Nährmedienverbrauch, höhere Aufarbeitskosten, mögliche Auswachseffekte oder Nährstofflimitation bei zu hoher oder zu tiefer Verdünnungsrate , schwierige Zulassung

Fed Batch (Zwischelösung von kontinuierlich und Batch) 

häufig in Pharma Industrie angewendet, höhere Lebenszelldichte und Produktionausbäute als Batch, Semikontinuierlich oder kontinuierliche Kultur, 3 Varianten möglich