Biotechnologie (Subject) / Übung (Lesson)

Übung Weber SS 15

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• Welche Arten der Interaktionen zwischen Bakterien und Algen gibt es? Nährstoffaustausch Signaltransduktion Gentransfer
• Anwendung von Algen-Bakterien-Interaktionen Produktion von Biodiesel Abwasserbehandlung Stromerzeugung
• Biofilme Lebensgemeinschaften von Bakterien und Algen oder Pilzen, die sich an Oberflächen anheften und dort wachsen
• Bakterien-Algen-Interaktion: Eutrophierung Umstellung auf anaeroben Stoffwechsel Entstehung von toxischen Stoffen (Schwefelwasserstoff)
• Bakterielle Zellwandhydrolasen: Einteilung Lysozyme (Eurkaryoten) Autolysine (Prokaryoten) Virolysine (Viren)
• Bakterielle Zellwandhydrolasen: Wirkungsweise enzymatisch: Hydrolyse der Peptidoglykanschicht nicht lytischer Weg: Störung der Membranintegrität und auslösen der Autolyse durch kationische und amphile Eigenschaften
• Baterielle Zellwandhydrolasen: Einsatz in LM-Industrie Konservierung durch antimikrobielle Wirksamkeit Lysozyme: Bakterien, Pilze, Vieren Virolysine: spezielle pathogene G+ Bakterien Autolysine: wenig untersucht
• Bakteriophagen: Eigenschaften Phagen besitzen engeres Wirkungsspektrum als Antibiotika je spezifischer die Bekämpfungsmethode, desto weniger Resistenzbildung bei anderen Keimen Bakterien in Biofilmen sind für Phagen und Antibiotika schlecht zugänglich (Phagen können aber Enzyme codieren, die Biofilme angreifen) gramnegative Bakterien sind gegen Antibiotika unempfindlich, nicht aber gegen ihre Phagen Antibiotika bekämpfen nur währen Wachstum - Phagen lysieren unabhängig vom Wachstum ABER: Phagen können nützlichen bakteriellen Prozessen schaden Phagen könnten Infektionsrisiko für bakterielle Erkrankungen senken --> LM-SIcherheit erhöht
• Bakteriophagen: Infektionsmechanismus Adsorption Injektion Latenzphase Reifung Freisetzung Transduktion
• Gentechnik gezielte Änderung der Erbinformation: Einbau gewünschter Eigenschaften, Entfernung unerwünschter Eigenschaften langfristige Kreuzungen entfallen häufig bei Mais, Soja, Raps und Baumwolle
• Ziele der grünen Gentechnik Steigerung und Sicherung landwirtschaftlicher Erfolge Prävention von Mangel- und Unterernährung Umweltschutz Arbeitsplatzschaffung Sicherung der Welternährung Erhöhung der LM-Sicherheit und -Qualität
• Gentechnik Pro Standortanpassung durch verbesserte Stresstoleranzen Krankheitsresistenzen erhöhte Lagerfähigkeit geringerer Düngemittelverbrauch ernährungsphysiologische Verbesserungen Enzyme: konventionelle Herstellung oft nicht ökonomisch umweltschonender: weniger Abfall etc. kostengünstiger Optimierung der Produkteigenschaften und Produktionstechnik ernährungsphysiologische Aufwertung Sicherung des hygienischen Status Verzicht klassischer Konservierungsmethoden --> biologische Konservierung
• Gentechnik Contra Risiken für menschliche Gesundheit mögliche toxische Wirkungen durch den Verzehr von gentechnisch veränderten Produkten Übertragung von Antibiotikaresistenzen auf MO allergene Wirkung gentechnisch veränderter Nahrungsmittel Risiken für Umwelt und Ökosystem unkontrollierte Ausbreitung von gentechnisch veränderten Pflanzen toxische Effekte von transgenen Pflanzen auf Tiere im Ökosystem Übertragung von Transgenen durch Pollen (Auskreuzung) ökonomische Risiken Monopolbildung auf Saatgut- und Sortenmarkt
• Starterkulturen Stämme von MO, die LM gezielt zugesetzt werden mikrobieller/fermentativer Prozess wird in Gang gesetzt Stoffwechselprodukte der MO verändern das LM gezielt --> neue Eigenschaften gezielte Veränderung von Aroma, Konsistenz, Textur, Konservierung Starterkulturen verbleiben meist im Produkt
• gerichtete Evolution gezieltes Veränderung von Proteinen hinsichtlich ihrer physikalischen und enzymatischen Eigenschaften Notwendigkeit: aus natürlichen Quellen isolierte Enzyme genügen nicht immer den Anforderungen Vorteil: keine vollständigen Kenntnisse zur Struktut und FUnktion eines Enzyms notwendig Ziel: ständige Enzymverbesserung --> immer effektivere industrielle Nutzung!
• Prinzip gerichtete Evolution Schritte zufallsbedingte Mutagenese des interessierenden Gens (mittels moderner molekularbiologischer Techniken) Selektion der erwünschten neuen Funktion Erfolg abhängig von Auswahl und Qualität der zur Verfügung stehenden "Ursprungsmoleküle" Leistungsfähigkeit der zur verwendenden Mutagenese oder Rekombinationsmethoden um biologische Vielfalt zu kreieren Art des Screenings- oder des Selektionssystems
• Kinetische Modelle sind Werkzeuge zur Interpretation und Vorhersage von experimentellen Ergebnissen. Diese liefern als mathematische Modelle eine vereinfachte Beschreibung des betrachteten Systems
• Größen zur Beschreibung kinetischer Modelle exogene Parameter (Wachstumsmedium) Temperatur pH-Wert Druck Sauerstoffkonzentration Substratzusammensetzung endogene Parameter (Zellpopulation) Wachstumsrate Substratverbrauchsrate Produktbildungsrate Biomasse/Substrat-Ausbeute Produkt/Substrat-Ausbeute
• kinetische Modelle: Wuchsstoffe Vitamine AS (N-Quelle) C-Quelle
• Downstream und Massenspektrometrie Zur Überwachung von Fermentationsprozessen Ziel: Erhöhung Produktausbeute, Verkürzung von Zykluszeiten, Optimierung der Wachstumsbedingungen, Reduzierung der Analysekosten Vorteil: kurze Messzeiten, schnelle Warnung bei kritischen Bedingungen, Eliminierung von Fehlern bei Probenahme
• Massenspektrometrie im Downstreaming: Vorteile intrazellulär höhere Konzentrationen des Produktes geringere Kontaminationen
• Was kann durch Massenspektrometrie beim Downstreaming ermittelt werden? flüchtige Substanzen, z.B. Aromastoffe
• Modellierung von biotechnologischen Prozessen: Wird ein Produkt immer in der Wachstumsphase gebildet? Nein! Manchmal auch erst später: MO müssen teilweise gestresst werden, um diese Produkte zu produzieren
• Vor- und Nachteile von Biogas Vorteile Nutzung von erneuerbaren, nachwachsenden, regionalen Rohstoffen CO2-neutrale Energieerzeugung dezentrale Versorgung steuerbare Leistung verbesserte Düngerqualität im Gegensatz zu Rohgülle Nachteile hoher Investitionsaufwand Entstehung schwefelhaltiger Verbindungen durch Vergärung proteinhaltiger Substrate hoher Treibhauseffekt von Methan Fläche für Ausbringung des Endsubstrates Entstehung von Monokulturen Konkurrenz zum Nahrungsmittelanbau
• Nutzung von Biogas dezentrale Strom- und Wärmeproduktion Verteilung über Wärmenetze Einspeisung in das Gasnetz Erdgassubstitut Kraftstoff
• Einzelsubstrate für Biogasanlage landwirtschaftliche Stoffe (Mist, Reststoffe aus Pflanzenproduktion, nachwachsende Rohstoffe) Schlachtabfälle organische Reststoffe aus LM-Industrie kommunale und gewerbliche Reststoffe
• Reststoffe als Fermentationsmedium (Biogasanlage): Sind ligninhaltige Reststoffe prinzipiell auch möglich? nein, ligninhaltige Reststoffe sind ungünstig Um Lignin abbauen zu können, wird Sauerstoff benötigt, den es in einem anaeroben Fermenter einer Biogasanlage so gut wie nicht gibt. Dies ist ein wesentlicher Grund, warum Lignin für die Mikroorganismen in einer Biogasanlage nicht abbaubar ist.
• Wie muss das C/N-Verhältnis in einer Biogasanlage für die maximale Leistung sein? hoher C-Anteil: 10:1
• Möglichkeiten der Prozessanalytik in-line = Messgeräte im Prozessstrom, Bestimmung von Temperatur, pH, Druck, Dichte, Mengenstrom on-line = automatische Probennahme im Bypass der Prozessleitung, Analysator in Przessnähe, Auswertung und automatische Steuerung des Prozesses mit den Analysedaten at-line = manuelle Probenahme, Analyse und Auswertung im nahen Labor, manuelle Steuerung des Prozessablaufes off-line = manuelle Probennahme, Analyse und Auswertung im entfernten Labor, manuelle Steuerung des Prozessablaufes
• Ziele des Prozessmonitorings Garantie und Verbesserung der Produktqualität Steigerung der Effizienz Reaktorsicherheit Kostenreduzierung Zeitersparnis Reduzierung der Emmissionen Verstehen des Reaktionsvorganges
• Messmethoden: Vorteil automatischer (online) Messungen keine Kontamination
• komplexe Strategien von Pathogenen Wirtsabwehr überwinden Interaktion mit dem Immunsystem Störung des essentiellen Wirtssystems --> Nutzen dieser Eigenschaften in der Pathobiotechnologie
• Anwendung von Pathogenen Resistenz gegenüber Umwelteinflüssen --> erhöhte Robustheit von industriell signifikanten Stämmen Resistenz gegenüber Belastungen des GIT --> verbesserte Annahme der Probiotika im GIT Translokation --> Zustellung von Antigenen zum Immunsystem Systematische Verteilung im Körper --> organ-spezifischer Zustellmechanismus
• Unterteilung der Pigmente in Pilzen Chinone Depside, Depsone, Depsidone Dibenzofurane, Anthrachinone, Xanthone, Chromome Phenoxazinone Carotinoide
• ß-Glukane Monosaccharidketten mit β-1,3-glykosidisch verknüpften Zuckergrundgerüst
• Wirkung Polysaccharide gegen Krebs, stärken Immunsystem, Blutdruck- und cholesterinsenkend, antiinflammatorisch, antiviral, antioxidativ, antiallergisch, präbiotisch Je höher der Gehalt an Polysacchariden im Pilz, desto größer soll das Gesundheitspotenzial sein Wirkung en mit Strukur verknüpft (ß-Glukane)
• Wie liegen Aromastoffe vor? extrazellulär: flüchtige Substanzen sind unpolar --> Zweiphasenreakor (Zellernte ohne Zelllyse) mit unpolaren Lösungsmitteln
• Synthesegas: Fischer Tropsch und Fermentativen Verfahren Fischer-Tropsch-Verfahren Verfahren zur Umwandlung von Synthesegas in höhere Kohlenwasserstoffe sowie sauerstoffhaltige Verbindungen Nebenprodukte: Alkohole, Aldehyde, Ketone, organsiche Säuren Begleitreaktionen: Methanisierung und Bildung von C (unerwünscht) fermentativen Verfahren MO synthetisieren mit Hilfe von Syngasen Acetyl-CoA --> Ethanol, Essigsäure (anaerobe Bedingungen) Elektronen für Umwandlung stammen von H2 und CO2 Acetyl-CoA ist Vorläufer für Makromoleküle und Quelle für ATP --> wird zu Acetat, Ethanol (anaerobe Bedingungen)
• Zusammensetzung von Nährmedien Wasser C- und Energiequellen (Pepton, Glucose) N- und S-Quellen (Pepton, Ammoniumsalze, Nitrat, Sulfat) Mineralstoffe (P, K, Mg, Fe, Ca als Ionen) Spurenelemente evtl. Verfestigungsmittel
• lucifin-luciferase-Test Nachweis von extrazellulärem ATP (tote MO) Zellen müssen lysiert werden, um ATP (in Zellen) freizusetzen --> Nachweis von MO
• Nicht enzymatische Reaktionen: drei Klassen unspezifische, nicht enzymatisch ablaufende Reaktionen parallel zu enzymatischen spezifische, ausschließlich nicht-enzymatische Reaktionen parallel zu den sechs großen Enzymklassen ablaufende Reaktionen (Oxidoreduktasen, Transferasen, Hydrolasen, etc.)
• Vorteile nicht-enzymatischer Reaktionen temperaturunempfindlich stabil gegenüber chemischen Reaktionen geringerer Energieverbrauch

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