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: TUG online

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 Wirtschaftswissenschaften Ökonomie Informationswissenschaften Bioinformatik Datenmanagement Modellierung

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

12 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 Gentechnik, Synthetic Biology [Hybridoma-Technik (MAK); rekombinante Proteine (Insulin, Impfstoffe), etc.]

13 Biotechnologie - Marktanteile 52F%25252Fwww.differding.com%25252Fpage%25252Fpharma_and_biotechnology_activities_in_india%25252Ff1.html&source=iu&pf=m&fir=cO_oGbn Vgo6irM%253A%252CcXM4s8r8QivAFM%252C_&biw=882&bih=436&usg= XNXaZy-MeNX2ZFTRGCLddoYJr8Y%3D&ved=0CDYQyjdqFQoTCJ- L8ZHYxcgCFUQ6FAod9X0EkA&ei=iT4gVtiGcT0UPX7kYAJ#tbm=isch&tbs=rimg%3ACXDv6Bm51YKOIjhGHQQr2SJNzrpR4ffIVqtzQ0MtCXqgFIZ57vJXp5thaLWjANgXNkgsPSTfmB1CvB0yjjU0v0 E7sCoSCUYdBCvZIk3OEYXX3vZThyx8KhIJulHh98hWq3MRVWWitnV7jGoqEglDQy0JeqAUhhGfcEhZ8xUTKyoSCXnu8lenm2FoEfLlQtnXPQErKhIJtaM A2Bc2SCwR4ZoS3VK1PqEqEgk9JN-YHUK8HRGlFqPn22RJFCoSCTKONTS_1QTuwEZMpaPNB- 9cc&q=biotechnology%20market&imgrc=cO_oGbnVgo6irM%3A

14 Der S&P 500 (Standard & Poor s 500) ist ein Aktienindex, der die Aktien von 500 der größten börsennotierten US-amerikanischen Unternehmen umfasst.

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17 Biotechnologie in Österreich >4000 Sandoz >1000 >1000 Intercell Valneva > 200 Gentechnische Impfstoffe Polymun > 50 Rekombinante Antikörper

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

19 Moderne Biotechnologie Knowledge based ORGANISMEN GENOM TRANSKRIPTOM PROTEOM METABOLOM

20 Moderne Biotechnologie Knowledge based Zelle - Funktion Umwelt Substrate (Futter z.b. Zucker) Enzyme +/- Gene Proteine +/- F Zellbauteile 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

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

22 1. Schritt zur Etablierung eines Biotechnologischen Prozesses Suche nach geeigneten Organismen in 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

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

24 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 Zelleigenschaften.. Optimierung im Labormaßstab Verwertung von Nährstoffen Bildung von Nebenprodukten Generelle Prozesseigenschaften. Physiologische Bedingungen - Nährmedien, Substrate - physikal./chem. Parameter: T, ph, O 2 - Prozessführung (batch, kontinuierlich) Genetische Optimierung - Evolutionäre Verfahren - Gezieltes Engineering - Metabolic Engineering - Protein Engineering Optimiertes Laborverfahren

25 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

26 Upstream Prozesse Medienaufbereitung Sterilisation Impfgutherstellung Abfolge eines Bioprozesses Kulturführung

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

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

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

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

32 Wachstum von Mikroorganismen

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

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35 [X] [X]

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

37 Produktbildung Wachstumsassoziiert X, P X, P Nicht wachstumsassoziiert t t

38 Wachstum von Mikroorganismen Experimentelle Bestimmung Zellzahl (nur einzellige Organismen) Thoma Zählkammer (mikroskopisch) Cell Counter CFU (colony forming units) in situ ex situ online offline Biomasse (direkte Verfahren): Gravimetrisch - Volumetrisch ZTM (Zelltrockenmasse) ZFM (Zellfeuchtmasse) Frischvolumen (Zentrifugation) Probleme: Feststoffe in Medium Biomasse (indirekte Verfahren) Trübungsmessung (Optische Dichte) Viskosität, Dichte Redoxpotential Stoffwechselparameter (z.b. do 2 /dt, dco 2 /dt, dph/dt etc.) Zellinhaltstoffe (z.b. DNA, RNA, ATP, N-Gehalt, Proteingehalt etc.) Energiebilanz (Wärmebildung) Spektroskopie (NMR, IR Raman, UV-Vis, Fluorimetrie Probleme: Abhängigkeit von physiolg. Zustand der Biomasse

39 Elektromagnetisches Spektrum und Beispiele der Anwendung optischer Messungen zur Bestimmung von biotechnologischen Prozessgrößen. BIOspektrum Jahrgang

40 Überblick über direkte und indirekte Methoden zur Bestimmung der Biomasse in Bioprozessen. Mittels direkter Methoden wird die Zelldichte oder Biomassekonzentration direkt gemessen. Die indirekten Methoden messen Stoffwechselereignisse, um daraus Rückschlüsse auf die Biomassenkonzentration zu ziehen. Beispielsweise kann die Menge verbrauchter Lauge zur BIOspektrum Jahrgang

41 Sonnleitner et al., Journal of Biotechnology, 25 (1992) 5-22

42 Sonnleitner et al., Journal of Biotechnology, 25 (1992) 5-22