Biopharmazeutika

Grundlagen Gentechnik, Herstellung Proteinwirkstoffe

Grundlagen Gentechnik, Herstellung Proteinwirkstoffe


N. K.
Diese Lernkarten bieten einen umfassenden Überblick über Biopharmazeutika auf Universitätsniveau. Sie decken Themen wie Zellen, Gene, Proteine, Viren und ihre Übertragung sowie Therapien und Wirkungen ab. Die Karteikarten behandeln auch spezifische Konzepte wie PCR, Operons, Polymorphismen und deren Auswirkungen auf die Arzneimittelwirkung. Sie sind besonders nützlich für Studierende und Forscher, die sich mit der Entwicklung und Anwendung von Biopharmazeutika beschäftigen, da sie komplexe biologische Prozesse und deren klinische Relevanz verständlich darstellen.
Cartes-fiches
412
Utilisateurs
3
Langue
Allemand
Catégorie
Biologie
Niveau
Université
Créé / Mis à jour
16.07.2016 / 28.08.2021

Cartes-fiches

Biopharmazeutika Definition

Arzneistoffe, die mithilfe gentechnisch veränderter Organismen hergestellt werden.

Dabei wird die für das benötigte Produkt kodierende DNA in eine geeignete Zelle eingeführt, in der diese DNA exprimiert und translatiert wird (Ph.Eur. Monographie "DNA-rekombinationstechnisch hergestellte Produkte")

Vergleich von chemisch-synthetisch hergestellen AS und Biopharmazeutika

Biotechnologie Definition

• (Industrieller) Prozess zur Produktion biologischer Materialien und Agentien durch die Ausnutzung und Optimierung natürlicherweise vorhandener Syntheseleistungen von Zellen
• gezielte Optimierung von Produktionsleistungen durch Veränderung der DNA durch gezielte Selektion und/oder ungerichtete Mutagenese durch Chemikalien, ultraviolette Strahlung oder durch ionisierende Strahlung

Beispiele für biotechnologisch hergestellte Produkte

monoklonale AK, rekombinante Proteine, Blutprodukte, Sera, Impfstoffe

Gentechnik Definition

ist eine Methodensammlung, die es erlaubt, aus einem Organismus DNA zu isolieren (Spender), neu zu kombinieren, in einen anderen Organismus einzubringen (Empfänger) und dort zur Wirkung zu bringen.

Was ist Transgenesis?

Das einbringen einer artfremden DNA

Welche Faustregel gilt bezüglich des Erfolges einer Klonation und der Größe der DNA?

Je kleiner die DNA, desto besser ist sie zu klonieren!

Herstellung DNA-rekombinatorischer Produkte laut Ph.Eur.

DNA-rekombinatorisch hergestellte Produkte werden durch genetische Modifikation hergestellt, bei der die für das benötigte Produkt kodierende DNA gewöhnlich mit Hilfe eines Plasmids oder viralen Vektors in einen geeigneten Mikroorganismus oder eine geeignete Zellinie eingeführt wird, in denen diese DNA exprimiert und translatiert wird. Das gewünschte Produkt wird dann durch Extraktion und Reinigung gewonnen. Die vor der Aufnahme des Vektors vorliegende Zelle oder der Mikroorganismus wird als Wirtszelle bezeichnet, die im Herstellungsprozess
verwendete stabile Verbindung der beiden als Wirt-Vektor-System

Was muss mit z.B. humaner DNA erst vorgenommen werden, bevor es in eine bakterielle Zelle eingeschleust werden kann?

Introns müssen rausgespliced werden, weil Bakterien keine Introns haben und damit nichts anfangen können

Wie wird die zu rekombinierende DNA aus dem Genom des jeweiligen Organismus rausgelöst, um dann mit einem geeigneten Promotor kombiniert werden zu können?

• PCR zum Isolieren der cDNA
• Schneiden von cDNA an spezifischen Stellen mit Restriktionsendonukleasen
• Ligation der cDNA in ein geeignetes Plasmid 

• Amplifizieren erfolgreicher Ligation in Bakterienzellen

 

Restriktions-Endonukleasen  und deren Aufgabe im Labor-Jargon

Restriktionsenzyme , Schnitte an bestimmten Stellen der DNA machen => verdauen

Welche Voraussetzung bezüglich der Enden von DNAs muss erfüllt sein, damit diese miteinander rekombiniert werden können?

sie müssen zusammenpassen

Wodurch kann DNA unspezifisch fragmentiert werden?

Durch Ultraschallbad

Restriktionsenzyme Funktion

- schneiden DNA an bestimmter Stelle (ausschließlich Doppelstrang DNA!) palindromisch => öffnen hierbei das Ribosephosphat-Rückgrat der DNA => Alle Bruchstrücke sehen dann gleich aus => verschiedene DNA-Moleküle (auch wenn sie aus verschiedenen
Organismen stammen!
), die mit dem gleichen Restriktionsenzym geschnitten wurden, können wieder zusammengefügt – also rekombiniert – werden

siehe Bild: Einzelstrangbruch

DNA-Ligasen Funktion

verbinden DNA-Moleküle

Was versteht man unter einer Ligation?

Das Zusammenfügen zweier DNA-Fragmente (schließen einer Phosphodiesterbindung)

Vorteile und Nachteile von E. Coli als Klonier-Bakterium und als Wirtszelle zur Proteinherstellung

Vorteile:

• repliziert Plasmide natürlicherweise
• nicht pathogen, nicht mit Humanpathogenen infizierbar (z.B. viren)
• Genom komplett bekannt
• umfangreiche Erfahrung der Genetik
• nimmt leicht DNA auf
• schnelles Wachstum
• einfache Handhabung

• kostengünstige Medien
• Proteinproduktion leicht steuerbar
• hohe Proteinausbeuten
• einfaches Upscaling
• GRAS-Status (genetically recognized as safe): Wenn ein Organismus nicht auf dieser Liste ist, werden riesen Dossiers zur Zulassung benötigt, die die Sicherheit belegen

Nachteile: 

• keine posttranslationalen Modifikationen
• Proteine oft nicht in der korrekten Tertiärstruktur
• Proteine oft denaturiert ("Inclusion bodies")
• Freisetzung von Pyrogenen => LPS aus Zellwand, gram -

• kaum Selektion von Proteinen

• Proteine, die N-Glykosilierungen oder andere posttranslationale Modifikationen für ihre Funktionalität benötigen können nicht in Bakterien hergestellt werden

Was ist ori?

origin of replication => Replikationsursprung, an dem die Zelle erkennt, dass es sich um eine replizierbare, aber extrachromosomale DNA handelt.

Wozu dienen Plasmide bei Bakterien?

zum horizontalen Gentransfer über Konjugation

Transformation von Bakterien

Methode, um fremde DNA in den Organismus zu bringen

andere Methode: mittels Elektroporation, erst 0°C, dann Feldstärke von 10-14 kV/cm anlegen mittels Kondensator => Strom durch die Zelle macht die Membran löchrig => Plasmidaufnahme => Ausbringen auf Selektionsagar

Auf dem Selektionsagar überleben nur die Zellen, die die Plasmide aufgenommen haben. Hierbei können sowohl leere Plasmide als auch solche mit der gewünschten rekombinierten DNA vorhanden

Aussehen eines natürlichen Plasmids und eines abgeleiteten Plasmids

Wie kann die Dichte einer Bakterienkultur gemessen werden?

Mittels Messung der Trübung, z.B. bei E.Coli bei OD600 => Trübung bei 600 nm

Was ist das universelle Startcodon für die Translation?

ATG

Was ist ein Transgen?

eine Artfremde DNA in der Zelle

Wie isoliert man die genetische Information aus menschlichen Zellen?

Transkription der DNA in mRNAs (Introns weg, sind instabil) => Isolieren aller mRNAs aus der Gesamt-RNA durch Festphasenextraktion, wobei ausgenutzt wird, dass die mRNAs aller Eukaryoten mit Polyadenin enden, welche an fest an der Phase gebundene PolyT gebunden werden => Umschreiben in cDNA (Reverse Transkription mithilfe der Reversen Transkriptase, einer RNA-abhängige DNA-Polymerase ) => Es entsteht ein RNA/DNA-Hybrid => RNA wird mittels RNAse H enzymatisch abgebaut => komplementärer Strang wird mittels DNA Polymerase synthetisiert=>  PCR mit zielgenspezifischen Primern => Restriktionsenzyme schneiden spezifische Stellen => Ligation der cDNA in das Plasmid, hierbei Verknüpfung mit wirtsspezifischem Primer

Was gilt für alle eukaryotischen mRNA?

Sie enden alle mit einem Polyadenin (Poly(A))-Schwanz

Was für Produkte können beim Ligieren der rekombinanten DNA in ein Plasmid entstehen?

leeres Plasmid, rekombinantes Plasmid (gewünscht) und nur cDNA, die einen Ring geformt hat

Voraussetzungen dafür, dass Expressionssysteme auch industriell gebräuchlich sind

• hohe Proteinausbeute
• authentisches Protein
o naturidentische Aminosäuresequenz
o korrekte Tertiärstruktur
o korrekte posttranslationale Modifikationen
• steuerbare Expression
• möglichst einfache Reinigung des Produktes
o Sekretion in das Kulturmedium
• Abwesenheit von Pathogenen
• Abwesenheit von Pyrogenen
• möglichst geringe Produktionskosten
o kurze Fermentationszeiten
o geringe Fermentationskosten
o kostengünstige Medien
• Möglichkeiten zum "Upscaling" (vom Versuchs- zum Produktionsmaßstab)

Industrie-geeignete Expressionssysteme ( Zelllinien)

In welchen Expressionssystemen kann Erythropoetin nicht hergestellt werden und warum?

in Hefen und Bakterien, da die Zuckerketten Asparagine sind

Signalpeptidase Funktion

Spaltet die Signalsequenz aus dem Präprotein

Was versteht man unter dem "sekretorischen Weg"? Wie läuft er ab?

Die typische Route für Proteine, die zur Plasmamembran oder in den Extrazellularraum geschleust werden sollen, geht vom ER über den Golgi-Apparat. Zuckerketten werden auf den Proteinen auf ihrem Weg vom ER über
den Golgi-Apparat zur Plasmamembran sukzessive aufgebaut.

Die N-Glykosylierung beginnt bereits während der Proteinsynthese (also wenn das Protein noch gar nicht fertig ist): zunächst wird eine Glc3Man9GlcNAc2-Gruppe von einem Dolichol-Anker aus auf das Protein übertragen (Glc: Glucose; Man: Mannose; GlcNAc: N-Acetylglucosamin)
Der unten abgebildete Beginn der Glykosylierung ist in allen Eukaryonten identisch. Das Problem für die heterologe Expression komplex glykosylierter Wirkstoffe ist aber, dass der Glc3Man9GlcNAc2-Rest auf dem Weg vom ER und durch den Golgi variiert wird. Diese Variationen sind jedoch in jedem Organismus anders. Resultieren wird
demnach eine nicht-humane Glykosylierung, die für das jeweils verwendete Wirtssystem spezifisch ist! Beispiel für eine Glykosylierungsabfolge vom ER durch den Golgi (von cis [die dem ER zugewandte Seite] nach trans [die der
Plasmamembran zugewandte Seite]):

Zwischen welchen Glykosylierungstypen unterscheidet man? Wie sind diese aufgebaut?

Komplexer-Typ, der hauptsächlich in Säugetierzellen auftritt und 

High Mannose-Typ, der vor allem von Mikroorganismen bevorzugt wird

An welcher Aminosäuren-Seitenkette erfolgt eine N-Glykosylierung?

N-Glykosidische Bindung von Zuckerketten an Säureamid von Asparagin

An welchen Aminosäure-Ketten erfolgen O-Glykosylierungen?

O-Glykosylierung
o an Serin oder Threonin
o an Hydroxyprolin
o an Hydroxylysin

=> posttranslationale Hydroxylierung: sind Akzeptoren für kurze Zuckerketten

Was für Folgen können falsche Glykosylierungen von therapeutischen Glykoproteinen haben?

o falsche Tertiärstruktur
o biologisch inaktiv
o verkürzte biologische Halbwertszeit (Degradation, "Clearance")
o immunogen

Was versteht man unter Glyco-Engineering?

Modifikation der Zuckerketten um die Wirkung etc. zu beeinflussen

Bioidentical

aus gleichem Herstellprozess

Was ist die meistverwendete Hefe in der Gentechnik?

Saccharomyces cerevisiae (Bäckerhefe)

In welche Kategorien werden Pilze unterschieden?

• filamentöse Pilze
• einzellige Pilze

Étudier