Biotechnologie

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Dickete bei der Käseherstellung
Moosbioreaktor

Die Biotechnologie (Kurzform Biotech) ist eine interdisziplinäre Disziplin der Technologie, die auf der Umsetzung von Kenntnissen der Biologie und der Biochemie in technische oder technisch nutzbare Elemente besteht. Sie nutzt Erkenntnisse aus Biochemie, Mikrobiologie, Molekularbiologie und Verfahrenstechnik (Bioverfahrenstechnik) für die Produktion verschiedener Stoffe, wobei das Spektrum der Produkte von seit jahrhunderten bekannten Lebensmitteln wie Bier, Wein und Käse bis zu Chemiekalien aus modernen Fermentationsanlagen reicht.

Für die Nutzung bedient man sich verschiedener Organismen und ihrer Enzyme sowie einer Reihe von Methoden der biologischen Laborpraxis und der Bioprozesstechnik. Im Zuge der Entwicklung neuer Produktionsmethoden musste man sich verschiedener Techniken bedienen, die vorher ausschließlich in der biochemischen oder mikrobiologischen Forschung bekannt wurden. So können die benutzten Organismen und Enzyme analysiert und mitunter so modifiziert werden, dass sie den industriellen Anforderungen besser gerecht werden.

Inhaltsverzeichnis

Geschichte

Die ältesten Anwendungen der Biotechnologie, die schon seit über 5.000 Jahren bekannt sind, sind die Herstellung von Brot, Wein oder Bier (alkoholische Gärung) mit Hilfe von Hefe. Durch die Nutzung von Milchsäurebakterien konnten zudem Sauerteig (gesäuertes Brot) und Sauermilchprodukte wie Käse, Joghurt, Sauerteig oder Kefir hergestellt werden. Eine der frühesten biotechnologischen Verwendung abseits der Ernährung war die Gerberei und Beize von Haut mit Kot und anderen Materialien zu Leder. Auf diese Produktionsverfahren bauten große Teil der Technologie bis in das Mittelalter auf, um 1650 entstand ein erstes biotechnologisches Verfahren zur Essigherstellung.

Entwicklung der angewandten Mikrobiologie

Louis Pasteur isolierte erstmalig Essigsäurebakterien und Bierhefen.

Die moderne Biotechnologie hat ihre Wurzeln in der Entwicklung der Kenntnisse zur Mikrobiologie vor allem in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts. Vor allem die Entwicklung der Reinkultur und der Sterilisation durch Louis Pasteur, die ihn 1867 zur Isolation von Essigsäurebakterien und Bierhefen führten stellten Schlüsseltechnologien für die angewandte Mikrobiologie dar. Um 1890 entwickelten er und Robert Koch erste Impfungen auf der Basis isolierter Krankheitserreger und setzten damit die Grundlage für die Medizinische Biotechnologie. Der Japaner Jokichi Takamine isolierte und entwickelte als erster ein einzelnes Enzym für die technische Verwendung, die Alpha-Amylase. Wenige Jahre später nutzte der deutsche Chemiker Otto Röhm tierische Proteasen aus Schlachabfällen als Waschmittel und Hilfsstoffe für die Lederindustrie ein.

Entwicklung der Industriellen und Medizinischen Biotechnologie

Die großtechnische Fermentation von Butanol und Aceton durch das Bakterium Clostridium acetobutylicum wurde 1916 von dem Chemiker und späteren israelischen Staatspräsidenten Charles Weizmann beschrieben und entwickelt.[1] Es handelte sich hierbei um die ersten Entwicklungen der Industriellen oder Weißen Biotechnologie. Das Bakterium wurde bis Mitte des 20. Jahrhunderts zur biotischen Produktion der genannten organischen Lösemittel genutzt, danach wurde die Produktion durch die wirtschaftlichere petrochemische Synthese aus der Propen-Fraktion des Erdöls abgelöst. Die Herstellung von Citronensäure folgte ab 1920 durch die Oberflächenfermentation durch den Pilz Aspergillus niger, 1957 wurde erstmals Glutaminsäure durch die Nutzung von Corynebacterium glutamicum hergestellt.

Alexander Fleming auf einer Briefmarke

1928/29 kam es zur Entdeckung des Penicillin als erstem Antibiotikum durch Alexander Fleming, 1943 folgte das Streptomycin durch Selman Waksman, Albert Schatz und Elizabeth Bugie. Im Jahr 1949 wurde die Herstellung von Steroiden im industriellen Maßstab entwickelt. Anfang der 1960er Jahre wurden Waschmitteln erstmals mibrobiell gewonnene Proteasen als Enzyme zugesetzt, die als Fleckentferner vor allem gegen Eiweißflecken wirken sollten. In der Käsebehandlung wurde das Kälberlab ab 1965 durch das mikrobiell hergestellte Rennet ersetzt und ab 1970 wurde aus Mais der so genannte „high-fructose corn syrup“, also Maissirup, hergestellt und als Ersatz von Rohrzucker in der Getränkeherstellung verwendet.

Moderne Biotechnologie seit den 1970er Jahren

Strukturmodell eines Ausschnitts aus der DNA-Doppelhelix (B-Form) mit 20 Basenpaarungen

Seit den 1970er Jahren kam es zu einer Reihe von zentralen Entwicklungen in der Labor- und Analysetechnik, die auf der direkten Nutzung der Kenntnisse durch das 1953 von Francis Crick und James Watson aufgeklärte Struktur der DNA und neuartige biotechnologische Optionen ermöglichten. So gelang 1972 den beiden Biologen Stanley Cohen und Herbert Boyer die erste in-vitro-Rekombination von DNA sowie die Herstellung von Plasmidvektoren. Cesar Milstein und Georges Köhler stellten 1975 erstmalig monoklonale Antikörper her. seit 1977 können Rekombinante Proteine in Bakterien hergestellt und in größerem Maßstab produziert werden und seit 1982 existieren erste transgene Pflanzen mit einer gentechnisch erworbenen Herbizidresistenz sowie Knock-out-Mäuse für die medizinische Forschung.

Im Jahr 1990 starteten das Humangenomprojekt, bei dem das gesamte menschliche Genom entschlüsselt und sequenziert werden sollte, sowie weitere Genomanalysen. Die Technik basierte direkt auf die 1975 entwickelte Polymerase-Kettenreaktion (PCR), die eine schnelle Vermehrung der DNA ermöglichte. 1996 war das erste Genom, das der Bäckerhefe, vollständig aufgeklärt und in der Folge konnte die Genomentschlüsselung stark beschleunigt werden und das Genom der Fruchtfliege Drosophila melanogaster konnte 1999 in nur vier Monaten vollständig aufgeklärt werden. Die Genomsequenz des Menschen wurde 2001 erstmalig veröffentlicht und führte in der Folge zur Etablierung weiterer Analysen im Bereich der Proteomik, Metabolomik und schließlich der Systembiologie

1995 kam mit der Flavr-Savr-Tomate die erste transgene Tomate auf den Markt und wurde in den USA und Großbritannien zum Verkauf zugelassen und 1996 erfolgten erste Versuche der Gentherapie beim Menschen und 1999 konnten humane Stammzellen erstmals in Zellkultur vermehrt werden; im gleichen Jahr überschritt das Marktvolumen rekombinant hergestellter Proteine in der Pharmaindustrie erstmalig den Wert von 10 Milliarden US-$ im Jahr. Das Schaf Dolly wurde 1998 als Klon seiner Mutter geboren.

Produktionsmethoden

Bioreaktoren

Zur Produktion werden Mikroorganismen in sogenannten Bioreaktoren oder auch Fermenter kultiviert, in denen genau die Bedingungen herrschen, bei denen die Organismen die gewünschten Stoffe bilden. Dies müssen jedoch nicht zwangsläufig die Bedingungen sein, bei denen der Organismus am besten gedeiht. Die Reaktoren können durch verschiedene Parameter, wie pH-Wert, Temperatur, Sauerstoffzufuhr, Stickstoffzufuhr, Glukosegehalt oder Rührereinstellungen geregelt werden. Eingesetzte Reaktortypen sind etwa: Rührkesselreaktoren, Schlaufenreaktoren oder Airliftreaktoren. Photosynthetisch aktive Organismen wie Algen oder Pflanzen werden in Photobioreaktoren kultiviert.

Organismen

Das Bakterium Escherichia coli stellt einen der am häufigsten genutzten Organismen der Biotechnologie dar.

In der modernen Biotechnologie werden mittlerweile sowohl Bakterien als auch höhere Organismen wie Pilze, Pflanzen oder tierische Zellen verwendet. Häufig verwendete Organismen sind oft bereits genau erforscht, wie etwa das Bakterium Escherichia coli oder die Backhefe Saccharomyces cerevisiae. Einfache Organismen können zudem relativ einfach modifiziert werden.

Trotzdem versucht man sich in neuerer Zeit höherer Organismen (mehrzellige Eukaryoten) zu bedienen. Grund hierfür ist etwa die Fähigkeit posttranslationale Veränderungen an Proteinen vorzunehmen. Ein Beispiel für ein solches Protein ist etwa Erythropoetin. Allerdings wachsen etwa tierische Zellen langsamer als Bakterien und sind in puncto Kultivierung sehr viel anspruchsvoller. Alternativ hierzu können Pharmapflanzen im Feld, im Gewächshaus oder im Photobioreaktor kultiviert werden, wo sie komplexe Biopharmazeutika produzieren können. [2]

Molekulare Biotechnologie

Die molekulare Biotechnologie ist gewissermaßen die Schnittmenge der Molekularbiologie und der klassischen Biotechnologie. Man verwendet in der molekularen Biotechnologie zum Beispiel Techniken, mit denen Organismen gentechnisch verändert werden können, um die neuen Eigenschaften der Organismen zu nutzen. Beispiele hierfür sind Transformationen von Bakterien mit Hilfe von Plasmiden oder Viren, die Gene in Organismen einschleusen.

Weitere Einsatzgebiete der molekularen Biotechnologie sind analytische Methoden, zum Beispiel zur Identifikation und Sequenzierung von DNA- oder RNA-Fragmenten.

Einteilung

Einteilung der Biotechnologie in verschiedene Zweige
Zweig Anwendungsgebiete
Grüne Biotechnologie Einsatz in der Landwirtschaft; Pflanzenbiotechnologie
Rote Biotechnologie Einsatz in der Medizin und Pharmazeutik; Medizinische Biotechnologie
Weiße Biotechnologie Einsatz in der Industrie; Industrielle Biotechnologie
Graue Biotechnologie Einsatz in der Abfallwirtschaft
Braune Biotechnologie Technische bzw. Umwelt-Biotechnologie
Blaue Biotechnologie Biotechnologische Nutzung von Meeresressourcen

Die moderne Biotechnologie zeichnet sich dadurch aus, dass sie vor allem mit Methoden der Gentechnik und der Molekularbiologie arbeitet. Dabei werden Mikroorganismen derart genetisch verändert, dass sie gewünschte Eigenschaften aufweisen, um ein gewünschtes Produkt wie z. B. Insulin herzustellen. Die theoretischen Grundlagen dieser Methoden sind vor allem die Ergebnisse der Genforschung und der Genomforschung, da die grundlegenden Mechanismen biologischer Vorgänge durch Gene gesteuert werden. Ein Vorteil dieser Methode ist, dass man mit einem harmlosen Organismus ein gewünschtes Produkt herstellen kann und somit auf Pathogene (krankheitserregende Keime) verzichten kann. Des Weiteren wird erst durch biotechnologische Prozesse die Herstellung kompliziert aufgebauter Substanzen wie Hormone oder Enzyme ermöglicht, da chemische Prozesse hier oftmals zu teuer oder nicht sinnvoll sind.

Als konventionelle Formen der Biotechnologie bezeichnet man die Abwasserreinigung oder das Kompostieren sowie weitere ähnliche Anwendungen.

Da Biotechnologie ein sehr weit gefasster Begriff ist, wird versucht nach Anwendungsgebieten zu unterscheiden. Neben der Grünen Biotechnologie (landwirtschaftliche Anwendung), welche sich auf Pflanzen einschließlich ihrer gentechnischen Veränderung bezieht, gibt es die Rote Biotechnologie (medizinisch-pharmazeutisch), welche sich mit der Herstellung von Medikamenten und Diagnostika befasst, die Blaue Biotechnologie, welche sich mit der Nutzung von Organismen aus dem Meer befasst, die Weiße Biotechnologie, welche sich mit biotechnologisch-basierten Produkten und Industrieprozessen - beispielsweise in der Chemie-, Textil- oder Lebensmittelindustrie befasst, und die Graue Biotechnologie, welche sich mit biotechnologischen Prozessen im Bereich der Abfallwirtschaft (Kläranlagen, Dekontamination von Böden und ähnliches) befasst. Diese farbliche Einteilung ist aber keineswegs offiziell und noch nicht allgemein verbreitet. Insbesondere die Farben blau, braun, grau und gelb werden selten oder auch in anderer Bedeutung genutzt.

Forschungszweige

In den Bereich der Biotechnologie und angrenzender Arbeitsbereiche lassen sich eine Reihe moderner Forschungszweige einordnen:

Produkte

Literatur

  • Moselio Schaechter, John Ingraham, Frederick C. Neidhardt: Microbe: Das Original mit Übersetzungshilfen. Spektrum Akademischer Verlag 2006. ISBN 3-8274-1798-8
  • Reinhard Renneberg, Darja Süßbier: Biotechnologie für Einsteiger. Spektrum Akademischer Verlag 2005. ISBN 3-8274-1538-1
  • R. Ulber, K. Soyez: 5000 Jahre Biotechnologie: Vom Wein zum Penicillin, in: Chemie in unserer Zeit 2004, 38, 172–180; doi:10.1002/ciuz.200400295.
  • G. Festel, J. Knöll, H. Götz, H. Zinke: Der Einfluss der Biotechnologie auf Produktionsverfahren in der Chemieindustrie, in: Chemie Ingenieur Technik 2004, 76, 307–312; doi:10.1002/cite.200406155
  • K. Nixdorff, D. Schilling, M. Hotz: Wie Fortschritte in der Biotechnologie missbraucht werden können: Biowaffen, in: Biologie in unserer Zeit 2002, 32, 58–63.
  • Björn Lippold: Der Regenbogen der Biotechnologie. bionity.com
  • Nikolaus Knoepffler, Dagmar Schipanski, Stefan Lorenz Sorgner (Hrsg.): Humanbiotechnologie als gesellschaftliche Herausforderung. Alber Verlag, Freiburg i. B. 2005.
  • Volkart Wildermuth: Biotechnologie. Zwischen wissenschaftlichem Fortschritt und ethischen Grenzen. Parthas Verlag 2006. ISBN 978-3-86601-922-5

Einzelnachweise

  1. ↑ Charles Weizmann: Production of Acetone and Alcohol by Bacteriological Processes. US Patent 1.315.585 vom September 1919.
  2. ↑ Eva L. Decker, Ralf Reski (2007): Moss bioreactors producing improved biopharmaceuticals. Current Opinion in Biotechnology 18, 393-398. [1]

Siehe auch

Wiktionary Wiktionary: Biotechnologie – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen und Grammatik

Weblinks

Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Biotechnologie“

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