Produktgruppen in der Biotechnologie

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1 Produktgruppen in der Biotechnologie Biomasse / Zellen Stoffumwandlungen Biotransformationen Biokatalyse Fermentationsprodukte Biopolymers e.g. Xanthan Enzymes Proteins Enzymes Biopharmaceuticals Complex metabolites e.g.antibiotics (Penicillins, etc), Peptides (Cyclosporin) Amino Acids e.g. glutamate Organic Acids e.g. lactic acid citric acid, acetic acid Alcohols, Ketones etc. e.g. Etanol, Butanol Acetone Brock, Biology of Microorganisms Prentice-Hall, 2000

2 Stoffwechsel Fermentationsprodukte Produkte Es werden einfache Substrate eingesetzt, diese werden durch Stoffwechsel verarbeitet und daraus Produkte aufgebaut Renneberg, Biotechnologie für Einsteiger Elsevier Spektrum, 2006

3 Primärmetabolite Sekundärmetabolite Renneberg, Biotechnologie für Einsteiger Elsevier Spektrum, 2006

4 Primärmetabolite Sekundärmetabolite

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6 Hefe Saccharomyces cerevisiae vielfältige Nutzung Biomasse Futter Backhefe Zellinhaltsstoffe Enzyme Ethanol Rekombinante Proteine z.b. Insulin, Vaccine,

7 Organische Säuren Industrielle Mikrobiologie, Springer 2013, ISBN

8 Organische Säuren Industrielle Mikrobiologie, Springer 2013, ISBN

9 Organische Säuren Essigsäure Acetobacter aceti Typische Primärmetabolite Zitronensäure Aspergillus niger

10 Methionin chem. Synthese D,L Racemat Aminosäuren Typische Primärmetabolite Industrielle Mikrobiologie, Springer 2013, ISBN

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12 Aminosäuren Typische Primärmetabolite Anthranikian, Angewandte Mikrobiologie Springer 2006

13 Anthranikian, Angewandte Mikrobiologie Alkohole Aceton Typische Primärmetabolite

14 A N T I B I O T I K A Typische Sekundärmetabolite Anthranikian, Angewandte Mikrobiologie Springer 2006

15 ß-Lactam- Antibiotics

16 Penicillin G Phenylessigsäure Penicillin V Phenoxyessigsäure

17 Penicilline Cephalosporine

18 Semi-synthetische Antibiotika 6-APA: 6-Amino Penicillanic Acid 7-ACA: 7-Amino Cephalosporanic Acid Ausgangstoffe für viele semisynthetische Produkte Industrielle Mikrobiologie, S pringer 2013, ISBN

19 Enzymtechnologie - Biokatalyse - Biotransformationen Chemische Synthese Biosynthese Heimliches Stoßgebet eines Organischen Chemikers: Oh Herr, gewähre mir die Gunst, dass über meine hehre Kunst, neue Synthesen zu kreieren, nicht die Bakterien triumphieren! Hanswerner Dellweg, einer der Nestoren der Biotechnologie in Deutschland; nach D. E. Eveleigh Sinnvolle Synergie

20 Enzymtechnologie & Biokatalyse mit isolierten Enzymen Enzyme in Lebensmittelanwendungen Kohlenhydrat-modifizierende Enzyme Lipasen Proteasen Oxidasen Enzyme in Reinigungssystemen Proteasen, Lipasen, Zellulasen Enzyme in Stoffaufbereitung und Veredelung (Papier, Textil, Leder) Proteasen, Kohlenhydrat-modifizierende Enzyme Enzyme in der chemischen (organischen) Synthese Biokatalyse alle Klassen von Enzymen Enzyme in der Forschung Gentechnik, Molekularbiologie Enzyme in der Diagnostik Enzymtests Biosensoren

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22 Biokatalyse Einsatz von Enzymen zur Synthese oder Modifikation von chemischen Molekülen Isolierte Enzyme Enzymgemische Immobilisierte Enzyme Ruhende Zellen (tot oder aktiv Cofaktoren)

23 Enantiomerenreine synthetische Pyrethroide Hydroxynitrile Lyase Pyrethrin I naturally occurring H O H C ( R ) O O Cl Cl H O C O ( R ) H ( S ) CN OPh ( S ) Cypermethrin

24 Hydroxynitrile lyases: Chiral cyanohydrin synthesis Nature Recombinant Enzyme / Biocatalyst Hydroxynitril lyase Molecular Biotechnology Enzyme engineering Basic Enzyme sources Raw Materials Product: 100 t / year Biocatalytic process Enzyme Fermentation recombinant enzyme production

25 Cell density [OD600] specific Hnl-activity [U/mg] Pichia pastoris Hb_Hnl expression strain 1-17 Fed-batch fermentation Methanol Cell density Hnl-activity time [h]

26 Pichia pastoris Hb_Hnl expression strain 1-17 Fed-batch fermentation Fermentation time (hours after induction) ST ST Soluble proteins in cell extracts

27 Technical Process for the (S)-Cyanohydrin from 3-Phenoxybenzaldehyde Biokatalyse Spezialforschungsbereich Technische Universität Graz aldehyde HCN solvent enzyme two phase system stable emulsion substrate concentration 30% 0.3 molar excess of HCN recycling of the water phase distillation of the organic phase phase separation product ee >97%, yield almost quantitative M. Hartmann, P. Pöchlauer DSM Fine Chemicals Austria

28 Biotransformationen Stoffumwandlungen mit Hilfe von biologisch aktiven Zellen Ausgangsmoleküle werden eingebracht in biologisches System (biologisch aktive Zellen, ruhend oder wachsend) Definierte Reaktionen am eingebrachten Molekül neue Produkte Positionsspezifische und enantioselektive Reaktionen an komplexen Molekülen Gegensatz dazu: Fermentationsverfahren Hier werden einfache Substrate eingesetzt, diese werden durch Stoffwechsel verarbeitet und daraus Produkte aufgebaut

29 VITAMINE Vitamin C Produktion Industrielle Mikrobiologie, Springer 2013, ISBN

30 Renneberg, Biotechnologie für Einsteiger Elsevier Spektrum, 2006 Biotransformationen

31 Biotransformationen Diosgenin Progesteron Renneberg, Biotechnologie für Einsteiger Elsevier Spektrum, 2006

32 Proteine und Biopharmazeutika Rekombinante Proteine Technische und analytische Enzyme Pharmazeutisch nutzbare Proteine therapeutische humane/tierische Proteine Hormone (Insulin) Blutproteine (Albumin, Gerinnungsfaktoren) Signalproteine (Interferone, Interleukine, ) Immunogene Proteine rekombinante Impfstoffe (Hepatitis Oberflächenantigen) therapeutische Antikörper / katalytische Antikörper Nukleinsäuren Gentherapie DNA Impfstoffe

33 Biopharmazeutika Industrielle Mikrobiologie, Springer 2013, ISBN

34 Biopharmazeutika Industrielle Mikrobiologie, Springer 2013, ISBN

35 Rekombinante Impfstoffe Industrielle Mikrobiologie, Springer 2013, ISBN

36 Biopolymere

37 Biopolymere Xanthan Polyhydroxyalkanoate Industrielle Mikrobiologie, Springer 2013, ISBN

38 Umweltbiotechnologie Biologische Abfallbehandlung Schwermetall-Belastungen Biologische Lagerstättenaufbereitung Erzleaching Erdöl Nachwachsende Rohstoffe - Abfälle Aufbereitung Bioenergie Grüne Biotechnologie Transgene Pflanzen Nahrungs- und Futtermittel Nachwachsende Rohstoffe Bioenergie Herbizidresistenzen Totalherbizide Abwehr gegen Insekten Bt Toxin Designer Rohstoffe Industriestärke