Einführung in Biotechnologie

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1 Einführung in Biotechnologie Literatur: Antranikian: Angewandte Mikrobiologie, Springer 2006 Renneberg: Biotechnologie für Einsteiger, Elsevier Spektrum, 2006 Thieman, Paladino: Biotechnologie, Pearson Studium, 2007 Brock: Mikrobiologie, Pearson Studium, 2007 Unterlagen:

2 Biotechnologie Produkte mit lebenden Organismen oder Teilen davon herstellen Enge Definition Industrielle Produktion in Bioreaktoren - Mikroorganismen, Zellkulturen Enzymtechnik und Biokatalyse - Enzyme Breitere Definition Spezifisch modifizierte Pflanzen und Tiere als Produzenten (Transgene Organismen) Direkte medizinische Applikationen (z.b. Gentherapie) Bio-Nanostrukturen

3 B I O T E C H N O L O G I E Molekulare Biotechnologie Engineering von Biosystemen Zell-Engineering Stoffwechsel-Engineering Protein-Engineering Integrierte Vernetzung Bioprozesstechnik Engineering von Produktionsverfahren Prozessentwicklung Reaktionstechnik Aufarbeitungstechnik

4 Biotechnologie Interdisziplinäre Wissenschaft Biowissenschaften Biochemie (Mikro)biologie Moleklarbiologie (Molekular)Genetik Gentechnik Umweltwissenschaften Ökologie Naturwiss. Grundlagen Mathematik Physik Chemie Ingenieurwissenschaften Biopozesstechnik Bioverfahrenstechnik Anlagenbau Wirtschftswissenschaften Ökonomie Informationswissenschaften Bioinformatik Datenmanagement Modellierung

5 Innovationsfelder Moderner Technologien Biotechnologie - Frontfelder Elektronik Software Neue Materialien Bio- techno- Gentechnik Zellkultur- & Zellfusionstechnik Bioprozesstechnik Biosensorik Strukturbiologie Mol. Modeling Nanotechnologie logie Gen- Prote- omics Metabol- Systems Biotechnology Zell- Protein- Engineering Synthetic Biotechnology

6 Geschichte der Biotechnologie Prä-Pasteur-Ära(vor 1865) unbewusste Nutzung v. Mikroorganismen bei der Nahrungsmittelherstellung [Gärungen Wein, Bier, Essig, Käse, Sauerteig, Joghurt] Pasteur-Ära( ) Verfahren ohne absoluten Ausschluss von Fremdkeimen [Fermentation (Butanol,Aceton, Ethanol), Oberflächenkultur (Citronensäure), Biomasse (Bäckerhefe, Futterhefe)] Antibiotika-Ära( ) Steriltechnik und selektionierte Stämme [Submers-Verfahren (Penicillin), tier. Zellkultur [Virus-Impfstoffe], Biotransformationen [Cortison, Vitamin B12, Ovulationshemmer)] Post-Antibiotika-Ära( ) Bioprozesstechnik (Reaktorform, Immobilisierung, Steuerung, etc) [SCP, Enzyme (Waschmittel), Polysaccharide (Xanthan), Fructosesirup, Biogas, Industrie-Alkohol] Neue Biotechnologie(1975 -) Gezielte Optimierung von Biosystemen [Hybridoma-Technik (MAK); rekombinante Proteine (Insulin, Impfstoffe), etc.]

7 Klassische Biotechnologie Empirie Gefühl Erfahrung

9 Luis Pasteur 1884 Mikroorganismen sind für Gärvorgänge verantwortlich

11 Gregor Mendel Um 1860 Gene bestimmen Eigenschaften von Lebewesen

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14 Biotechnologie in Österreich Sandoz Intercell > 100 Gentechnische Impfstoffe

15 Moderne Biotechnologie Knowledge based ORGANISMEN GENOM TRANSKRIPOM PROTEOM METABOLOM

16 Moderne Biotechnologie Knowledge based Steuerzentrale Die Zellfabrik DNA Proteine Enzyme Produktionsstätte

17 Moderne Biotechnologie Knowledge based Zelle - Funktion Umwelt Substrate (Futter z.b. Zucker) Enzyme +/- +/- Gene Proteine Zellbauteile F S E 1 A E 2 E 3 B E 8 C Metabolite D E E 4 E 5 E 6 G Produkt (z.b. Penicillin) E 7 P Zellbauteile

18 1. Schritt zur Etablierung eines Biotechnologischen Prozesses Suche nach geeigneten Organismen in der Biodiversität der Natur Natur Breite Biodiversität

19 1. Schritt zur Etablierung eines Biotechnologischen Prozesses Suche nach geeigneten Organismen in der Biodiversität der Natur Genutzte Biosysteme in der Biotechnologie Mikroorganismen Bakterien Milchsäurebakterien Corynebakterien Streptomyceten Bacilli Escherichia coli Pilze Algen Hefen (S. cerevisiae, P.pastoris) Filamentöse Pilze (Aspergillus sp., Penicillium chrysogenum) Pflanzen Zellkulturen Kalluskulturen Transgene Pflanzen Tiere Zellkulturen Insektenzellen Säugerzellen (CHO) Transgene Tiere Enzyme Enzymtechnik & Biokatalyse Isolierte Enzyme

20 1. Schritt zur Etablierung eines Biotechnologischen Prozesses Suche nach geeigneten Organismen in der Biodiversität der Natur Definierte Biologie = Reinkulturen

21 2. Schritt zur Etablierung eines Biotechnologischen Prozesses Entwicklung des biologischen Systems Aus der Natur isolierte Stämme sind zwar fähig, gewünschtes Produkt herzustellen aber meist sind viele Parameter nicht zufriedenstellend z.b.: Wachstumsverhalten Produktbildung Verwertung von Nährstoffen Bildung von Nebenprodukten Generelle Prozesseigenschaften Physiologische Bedingungen Genetische Optimierung Laborverfahren

22 3. Schritt zur Etablierung eines Biotechnologischen Prozesses Prozessentwicklung Upstream Prozesse Medienaufbereitung Sterilisation Impfgutherstellung Nebenprozesse Kühlsysteme Luftversorgung Lagerhaltung Bioreaktor Bioprozess Scale up Downstream Prozesse Zellabtrennung Zellaufschluss Produktisolierung Produktreinigung Konfektionierung Laborverfahren Pilot Plant Produktionsanlage

23 Upstream Prozesse Medienaufbereitung Sterilisation Impfgutherstellung Abfolge eines Bioprozesses Kulturführung

24 3. Schritt zur Etablierung eines Biotechnologischen Prozesses Prozessentwicklung Upstream Prozesse Medienaufbereitung Sterilisation Impfgutherstellung Nebenprozesse Kühlsysteme Luftversorgung Lagerhaltung Bioreaktor Bioprozess Scale up Downstream Prozesse Zellabtrennung Zellaufschluss Produktisolierung Produktreinigung Konfektionierung Laborverfahren Pilot Plant Produktionsanlage

25 Bioreaktor System zur kontrollierten Züchtung von Mikroorganismen und Zellkulturen Upstream Nährstoffe, Impfgut Downstream Aus : Renneberg, Biotechnologie für Einsteiger

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27 Downstream Prozesse Zellabtrennung Zellaufschluss Produktisolierung Produktreinigung Konfektionierung Zellabtrennung Filtration Zentrifugation Zellaufschluss Hochdruckhomogenisatoren

28 Für den Bioprozess wichtige Phasen im Biosystem Wachstum von Mikroorganismen Produktion der Biomasse Biomasse Produkt Biomasse biokatalytische Kapazität Produktbildung Metabolische Fähigkeiten Genexpression

29 Wachstum von Mikroorganismen Einzellig - symmetrisch - asymmetrisch - Kettenwachstum Hyphenwachstum - mehrkernig - septiert Flockenbildung Pelletbildung Biofilme

30 Wachstum von Mikroorganismen

31 Wachstum von Mikroorganismen Exponentielles Wachstum dn dt dx dt Integration = µ N X = Biomasse N = Zellzahl µ = spez. Wachstumsrate = µ X 1 dx * X dt = µ Substrat-limitiertes Wachstum Monod X ln = µ. t X = X X 0. e 0 Verdoppelungszeit µ. t ln 2 X 0 X 0 = µ. τ ln 2 µ = τ

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33 [X] [X]

34 Wachstum Temperaturabhängigkeit dx dt = µ X - X = spez. Absterberate Zuwachs - Absterben ln µ E a µ = A. e RT Absterben Wachstum E a * = A*. e RT 1/ T

35 Wachstum von Mikroorganismen Experimentelle Bestimmung Zellzahl (nur einzellige Organismen) Thoma Zählkammer (mikroskopisch) Cell Counter CFU (colony forming units) Biomasse (direkte Verfahren) ZTM (Zelltrockenmasse) ZFM (Zellfeuchtmasse) Frischvolumen (Zentrifugation) Probleme: Feststoffe in Medium Biomasse (indirekte Verfahren) Optische Dichte (Trübungsmessung) Stoffwechselparameter (z.b. do 2 /dt, dco 2 /dt, dph/dt etc.) Zellinhaltstoffe (z.b. DNA, RNA, ATP, N-Gehalt, Proteingehalt etc.) Probleme: Abhängigkeit von physiolg. Zustand der Biomasse

36 dp dt = µ X Y P/S Produktbildung Wachstumsassoziiert Nicht assoziiert