1. Vorlesung Biotechnologie I Einführung, Geschichte Biotechnologische Produzenten Auswahl, Optimierung und Modifikation biotechnol. Produzenten Substrate, Ansprüche der biotechnol. Produzenten Kulturen, Kulturgefäße, Massenkulturen Pflanzliche und tierische Zellkulturen Produktisolierung und -reinigung Enzymtechnologie

LITERATUR Wartenberg, Arnold Einführung in die Biotechnologie Uni-TB, 1989. 299 S. ISBN: 3825215202, vergriffen Dellweg, Hanswerner Biotechnologie verständlich (Naturwissenschaftliche Reihe) KLETT-Verlag 1994, ISBN: 3129843507, vergriffen Dellweg, Hanswerner Biotechnologie verständlich Springer-Verlag Berlin, 2008, 218 S. ISBN-10: 3540569006 , EUR 23,95 , lieferbar Glick, Bernard R.; Pasternak, Jack J. Molekulare Biotechnologie (Spektrum Lehrbuch) Spektrum Akademischer Verlag,1995, 544 S. ISBN 3860253786, vergriffen

Glick, Bemard R.; Pasternak, Jack J. Molecular biotechnology: Principles and applications of recombinant DNA Am. Soc. Microbiology 3rd edition, 2003, 760 p., paperback ISBN 1555812694, EUR 52,90 Smith, John E. Biotechnology 3rd ed. Cambridge University Press 2004, 284 p., paperback ISBN 0521540771, EUR 27,90 (Amazon) Barnum, Susan R. Biotechnology: An introduction 2nd ed. Brooks Cole 2006, 440 p. paperback ISBN 0495112054 , EUR 78,50 (Amazon) Ratledge, Colin; Kristiansen, Björn Basic biotechnology Cambridge UP 2001; 568 p., paperback ISBN 0521779170 EUR 45,95 (Amazon)

Wink, Michael [Ed.] Molekulare Biotechnologie: Konzepte und Methoden, 1. Aufl. Wiley-VCH 2004, 834 S. ISBN 3527309926, EUR 72,90 engl. Version 2006, EUR 79,00 Renneberg, Reinhard; Süssbier, Darja; Biotechnologie für Einsteiger, 1. Aufl. Spektrum Akademischer Verlag 2006, 298 S. ISBN 3827415381, EUR 39.50

Vorsicht! William J. Thieman; Michael A. Palladino Biotechnologie (Gebundene Ausgabe) Pearson Studium 2007 ISBN-10: 3827372364, EUR 44,95

Firmen und Umsätze 1985 - 400 biotechnologische Firmen (USA) 1994 - 900 solche Betriebe (USA); weltweit etwa 1200; dazu in jedem multinationalen Chemie- und Pharmakonzern biotechnologische Forschung Umsatz der molekularbiotechnologischen Industrie 1986 - 6 Millionen US $ 1993 - 3,4 Milliarden US $ 2000 - 60 Milliarden US $ (geschätzt) 2006 - 50 Milliarden US $ (top 30 companies) (Gewinne schwer abzuschätzen, da Gesamtkosten oft noch die Einnahmen übersteigen)

Tabelle 1.1 Bulkpreise für biologische und andere Produkte (1980) Biologisch Jasminöl Saffran Vitamin B12 Capsaicin (Chili) Penicillin Käse Citronensäure Hefe Zucker Bier (ohne Steuern) Sojabohnenmehl Melasse

Preis DM Tonne-1 Nicht biologisch 30.000.000 12.000.000 12.000.000 6.900.000 750.000 135.000 16.500 3900 3810 2100 1500 1380 1050 840 480 345 255 240

Gold

Polytetrafluoroethylen Aspirin Ethylenoxid

Naphthalin Rohöl

aus: M.D.Trevan et al., Biotechnologie: Die Biologischen Grundlagen, Springer-Verlag 1993

Brent Oil Spot, Preis pro barrel (159 l ~ 0,133 t)

Quelle: SPON & Manager-Magazin.de, 18.04.2008

Biotechnology is the integration of natural sciences and engineering sciences in order to achieve the application of organisms, cells, parts thereof and molecular analogues for products and services. Biotechnologie ist die Integration von Natur- und Ingenieurwissenschaften mit dem Ziel, Organismen, Zellen, Teile von Organismen und Zellen sowie molekulare Analoge für Produkte und Dienstleistungen technisch zu nutzen. European Federation of Biotechnology, 1981

Die Biotechnologie behandelt den Einsatz biologischer Prozesse im Rahmen technischer Verfahren und industrieller Produktionen. Sie ist also eine anwendungsorientierte Wissenschaft der Mikrobiologie und Biochemie in enger Verbindung mit der Technischen Chemie und der Verfahrenstechnik. Sie behandelt Reaktionen biologischer Art, die entweder mit lebenden Zellen (Mikroorganismenzellen, pflanzlichen und tierischen Zellen bzw. Geweben) oder mit Enzymen aus Zellen durchgeführt werden. Hierin ist die Gewinnung von Biomasse aus den genannten Organismen oder Organismenteilen eingeschlossen. DECHEMA, 1976 (Deutsche Gesellschaft für chemisches Apparatewesen, Chemische Technik und Biotechnologie e.V.)

Biotechnologie: Nutzung biologischer Phänomene für eine praktische Anwendung

(traditionell nicht Landwirtschaft, Forstwirtschaft und Medizin)

Historische Entwicklung der Biotechnologie 1. Die Vor-Pasteur-Ära (vor 1865, empirisch, Handwerk und "Kunst") seit?? Herstellung von Met 6000 v.u.Z. Bier bei Sumerern und Babyloniern (Codex Hammurabi regelt auch Brau- und Gaststättenwesen) 4000 v.u.Z. Brot mit Hilfe von Sauerteig 2000 v.u.Z. Weinherstellung 14.Jh. Alkoholdestillation (Weingeist: arab. ‫" الكحول‬al ko'hol" - das Feinste, das Edelste, nach Paracelsius ) um 1680 Leeuwenhoek sieht Hefezellen 1. Hälfte des 19. Jh. Charles Cagniard de la Tour, Theodor Schwann und Friedrich Traugott Kützig vermuten mikroskopische Lebensformen als Verursacher der Fermentation heftig widersprochen durch Jöns Jakob Berzelius, Justus von Liebig und Friedrich Wöhler

ANTIQUITY OF FERMENTATION is represented graphically by the scenes of baking and brewing depicted in the painted relief on the opposite page. The relief appears on the wall of a Fifth Dynasty Egyptian tomb dating from about 2400 b.c. It is now in the collection of the National Museum of Antiquities in Leiden. The figures in the top panel are engaged (right to left) in pounding, winnowing and grinding the grain (presumably barley or emmer, a primitive variety of wheat). Those in the middle panel are soaking the coarseground flour in water, allowing some of the whole grains to malt, or sprout (left), kneading the leavened dough and fashioning it into loaves of various shapes (center) and baking the "beer bread" in an oven (right). The baker is portrayed in a characteristic attitude, raking the fire with a longhandled implement held in one hand and shielding his eyes from the heat with the other. In the bottom panel the mash is shown being strained into a fermenting vat, which rests on a stand resembling a coiled rope. After fermenting for a few days the finished beer is poured from the vat into pottery jars, which are promptly capped, sealed with clay and placed in storage. The Egyptian brewers relied initially on yeasts in the air or on the skin or husk of fruits and cereals; later a pure or almost pure yeast became available. The ancient breweries produced several types of beer; some brands, said to be "strong," may have had an alcohol content as high as 12 percent. aus: Scientific American, September 1981

Codex Hammurapi - reguliert u.a. die Herstellung, die Zuteilung und den Preis von Bier - Verwalter und Hohepriester erhalten 5 l/Tag, Hofdamen 3 l/Tag - Schankwirtinnen dürfen sich das Bier nur mit Getreide, nicht mit Silber bezahlen lassen. Anschreiben ist erlaubt - drastische Strafen, u.a.für Betrug (Ausschank von zu wenig Bier)

2. Die Pasteur-Ära (Prozesse ohne Steriltechnik, Gewinnung von Milchsäure, Buttersäure, Gluconsäure, Citronensäure, Butanol/Aceton, Futterhefe etc.) 2. Hälfte des 19. Jh. Louis Pasteur und John Tyndall beweisen, daß "Leben" nur aus "Leben" entsteht und widerlegen die Urzeugungshypothese 1857-1876 Pasteur widerlegt die chemische Hypothese der Fermentation, erkennt Hefe als Alkohol- und Bakterien als Milchsäureproduzenten (bei Untersuchungen, warum Fermentationsprodukte "sauer" wurden) Nachweis anaerober Lebensformen (bei Untersuchungen, warum franz. Biere schlechter waren als deutsche) 1897 Eduard Buchner entdeckt die zellfreie Fermentation 1914-1918 im I. Weltkrieg mikrobielle Glycerinproduktion (entdeckt durch Carl Neuberg) in Deutschland (1000 Tonnen/Monat produziert) mikrobielle Acetonproduktion (entdeckt durch Chaim Weizmann) in England

aus: A.Wartenberg, Einführung in die Biotechnologie, Gustav Fischer Verlag 1989

3. Die Antibiotika-Ära (1942 - 1955; Gewinnung von Penicillin etc.) Seit ?? - Einsatz von verschimmeltem Käse, Fleisch oder Brot zur Wundheilung in der Volksmedizin 1928 Alexander Fleming beobachtet, daß der Schimmelpilz Penicillium notatum das Wachstum seiner Bakterienkulturen (Staphylococcus aureus) inhibiert 1939-1942 Howard W. Florey et al. produzieren Penicillin aus dem Schimmelpilz Penicillium chrysogenum (Beginn der Versuche in England, erfolgreich in den USA) ab 1943 Entdeckung weiterer Antibiotika durch Selman A. Waksman (u.a. Streptomycin)

4. Die Phase der Steroidumsetzungen (1955 - 1965 in den USA) Voraussetzung für die Herstellung der Antibabypille

5. Erarbeitung von Produktionsverfahren für Aminosäuren (1965 - 1975 in Japan)

Voraussetzung für Phase 3., 4. und 5. war u.a. Massenproduktion und die Selektion hocheffektiver Stämme. Der heute in der Industrie eingesetzte Penicillium chrysogenumStamm produziert z.B. die 10.000fache Menge Penicillin verglichen mit Flemings Stamm.

6. Die "neuen Biotechnologien" 1952 James D. Watson und Francis H.C. Crick klären die Struktur der DNA auf 1961- 1966 Nirenberg, Ochoa und Khorana entschlüsseln den genetischen Code 1973 Boyer und Cohen übertragen ein Fremdgen durch gentechnische Manipulation 1975 Köhler und Milstein beschreiben die Herstellung monoklonaler Antikörper 1988 Kary B. Mullis et al. entwickeln die PCR 21.Jh. humanes Genomprojekt, transgene Tiere und Pflanzen, Gentherapie, Stammzellforschung, Tissue engineering etc., etc.

Aufgaben der Biotechnologie - Gewinnung von Zellmasse Nahrungs- und Futtermittel, Backhefe, Starterkulturen für Joghurtund Käseherstellung und bestimmte Wurstsorten, Kulturen zur Weinherstellung, Beimpfung von Böden (Leguminosen-Anbau), Rohstoff für die Gewinnung von Zellinhaltsstoffen etc.

- Gewinnung von Stoffwechselprodukten - Primäre Stoffwechselprodukte (Zwischen- oder Endprodukte) wie Zucker, Aminosäuren, organische Säuren, Enzyme, Antikörper, Nukleinsäuren, Lipopolysaccharide - Sekundäre Stoffwechselprodukte (Funktion im Produzenten sehr oft unbekannt, Entgiftung? Abwehr?) wie Antibiotika etc.

- Nutzung von Leistungen Abwässerreinigung, Kompostierung, Energiegewinnung (Biogas, Bioethanol etc.), Entfernung von Geruchsstoffen (Kläranlagen, Tierhaltung, Industrieanlagen), Metallgewinnung

Mikrobielle Produkte - Mikrobielle Zellen (Zellmasse) Hefen (Nahrung, Bäckerhefe); Pilze (Nahrung); Bakterien und Algen (Nahrung, "single-cell protein"; Starterkulturen: Rhizobium, Essigbakterien) - Enzyme Amylasen, Proteasen, Rennin, Lipasen, Glukose Isomerase, Penicillin Acylase - Pharmazeutische Produkte Antibiotika, Steroide, Alkaloide (sekundäre Metabolite), gentechnische Produkte - Spezielle Chemikalien und Nahrungsmittelzusätze Aminosäuren (Aspartam - Asparaginsäure und Phenylalanin; Glutaminsäure, Lysin, Tryptophan) - "Massenprodukte" Äthanol, Essigsäure, Milchsäure, Glycerol

Table 2.3. Important products derived from biomass Fuels Methane (biogas) especially in the developing world Pyrolysis products (gas, charcoal) Ethanol (via cane juice and cellulose fermentation) Oils (from hydrogenation) Direct combustion of waste biomass Feedstocks Ethanol (potential feedstock for industry) Synthesis gas (from chemical gasification) Fertilisers Compost Sludge Feeds Direct feed supplements Single cell proteins aus: J.E.Smith, Biotechnology, Cambridge University Press 1996

aus: H.Diekmann und H.Metz, Grundlagen und Praxis der Biotechnologie, Gustav Fischer Verlag 1991

Abb. 1.1. Biotechnologie als ein multidisziplinäres Gebiet der industriellen Praxis, Lehre und Forschung.

H.Weide et al, Biotechnologie, Gustav Fischer Verlag 1991

Table 1.3. Company categories involved in biotechnology Therapeutics Pharmaceutical products for the cure or control of human diseases including antibiotics, vaccines, gene therapy Diagnostics Clinical testing and diagnosis, food, environment, agriculture Agriculture/forestry/horticulture Novel crops or animal varieties, pesticides Food Wide range of food products, fertilisers, beverages, ingredients Environment Waste treatment, bioremediation, energy production Chemical intermediates Reagents including enzymes, DNA/RNA, speciality chemicals Equipment Hardware, bioreactors, software and consumables supporting biotechnology aus: J.E.Smith, Biotechnology, Cambridge University Press 1996

Bunte Biotechnologie: rote



Medizin/Pharmaindustrie

grüne



Landwirtschaft

weiße



industrielle Mikrobiologie

gelbe



Biotechnologie der Lebensmittel

graue



Abfallwirtschaft

blaue



Produkte aus dem Meer

braune 

Umweltschutz

Table 2-41 Bio-based chemicals produced on bulk scale (> 20 kt/a) already today Bio-based chemical

Annual World Production (t/a)

Ethanol Glucose Fructose L-Glutamic Acid Sorbitol Citric Acid L-Lysine Acetic Acid (fermentation) Lactic acid Gluconic Acid Vitamin C Alkylpolyglycosides L-Sorbose Xanthan L-Threonine Vitamin B2

32.000.000 5.000.000 – 20.000.000 10.000.000 1.500.000 1.100.000 1.000.000 700.000 190.000 150.000 100.000 80.000 50.000 – 70.000 50.000 40.000 30.000 30.000 http://www.chem.uu.nl/brew/BREW_Final_Report_September_2006.pdf

aus: Die grenzenlose Wut der Hungernden, SPON 14. April 2008

Weltjahresproduktion Getreide ca. 1650 Mio T, davon ca. 100 Mio T für Energiegewinnung

aus: J.E.Smith, Biotechnology, Cambridge University Press 1996

Quelle: www.bbbiotech.at Broschüre: 10 Fakten, die Anleger über Biotech-Anlagen und BB BIOTECH wissen müssen

Table 4.2. Advantages and disadvantages of producing organic compounds by biological rather than chemical means Advantages

Disadvantages

Complex molecules such as proteins and Can be easily contaminated with foreign antibodies cannot be produced by unwanted microorganisms, etc. chemical means Bioconversions give higher yields

The desired product will usually be present in a complex product mixture requiring separation

Biological systems operate at lower temperatures, near neutral pH etc.

Need to provide, handle and dispose of large volumes of water

Much greater specificity of catalytic reaction

Bioprocesses are usually extremely slow when compared with conventional chemical processes

Can achieve exclusive production of an isomeric compound aus: J.E.Smith, Biotechnology, Cambridge University Press 1996

Die drei Komponenten biotechnologischer Prozesse 1. Die Selektion des besten Produzenten oder biologischen Katalysators für eine spezifische Funktion oder einen spezifischen Prozeß (Zellen, Enzyme, Analoga) 2. Die Auswahl bzw. die Konstruktion des Bioreaktors und die Gestaltung des technischen Reaktionsablaufs (Fermentortechnologie) 3. Die Abtrennung und Reinigung des Reaktionsprodukts bzw. der Reaktionsprodukte (downstream processing) Der Anteil der Kosten für den letzten Prozeß kann betragen: 20% für die Produktion von Hefe-Biomasse, 20-30 % für die Produktion von Penicillin G und 60-70% für die Produktion bestimmter Enzyme.

alle Folien gibt es als pdf auf unserer Webseite: http://www.bio.uni-potsdam.de/professuren/biotechnologie/biotechnologie-lehrveranstaltungen

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…den Bachelor-Studenten, die beabsichtigen, im WS 2008/2009 das Spezialisierungsmodul Biotechnologie/ Immunologie zu belegen, wird empfohlen, sich bereits jetzt für einen der 12 Praktikumsplätze (25.-29. August bzw. 1.-5. September 2008) zu bewerben…

Klausur: 22.07.2008 Nachholtermin: 5.9.2008 - in beiden Teilklausuren müssen jeweils mindestens 50 % der Punkte erreicht werden; die Note wird zusammengefaßt. - beide Klausurteile werden immer zusammen geschrieben, die Wiederholung nur einer Teilklausur ist unzulässig