pharmazeutische biotechnologie (Fach) / 1 (Lektion)
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- Was ist Biotechnologie? Biotechnologie kann man heute beschreiben als den interdisziplinären Ansatz, biologische Systeme zu erforschen und die gewonnenen Erkenntnisse praktisch anzuwenden.
- Weisse (Industrielle) Biotechnologie ist der Bereich der Biotechnologie, der biotechnologische Methoden für industrielle Produktionsverfahren einsetzt. Die Bezeichnung „weiße Biotechnologie“ grenzt die industrielle Biotechnologie von der „grünen“ und der „roten“ Biotechnologie ab, die sich mit Pflanzen und Medizinprodukten befassen, jedoch gibt es mit beiden Bereichen Überschneidungen. • Substitution fossiler Energieträger• Antibiotika• Nahrungsmittelzusätze (z.B. Vitamine, Aminosäuren)• Enzyme für Medizin und Lebensmittelindustrie• Enzyme in Wasch- und Reinigungsmitteln• Hormone• Vakzine• Textilindustrie• Biopestizide• Biokunststoffe
- Grüne Biotechnologie Die Grüne Biotechnologie bedient sich moderner Methoden der Biochemie, Systembiologie,Mikrobiologie, Molekularbiologie und Verfahrenstechnik, um Nutzpflanzen zu verbessern, pflanzliche Inhaltsstoffe (Phytochemikalien, Sekundärmetabolite) oder Fasern zu gewinnen oder um pflanzliche Enzyme bzw. Wirkprinzipien für neue Anwendungsbereiche zu erschließen.
- Blaue Biotechnologie (Lebewesen aus dem Meer) • Hochwertige Zusatzstoffe für dieNahrungsmittelverarbeitung: z.B. Omega-3-Fettsäuren ausMikroalgenkulturen, Antioxidanzien• Wirkstoffe für Pharmazie und Kosmetik: z.B. Astaxanthin, Korallenenzyme zur Synthese vonterpenoiden Pharmaka• Für die Medizin: Alginat für biomedizinische Anwendungen, Modellsystem für die Sicherheitspharmakologie (z.B. Zebrafisch)• Von aquatischer Biomasse zu Produkten der Chemie: Chitin, Antifouling der Seesterne
- Rote Biotechnologie (Veterinär-, Humanmedizin) • Medizinische Diagnostik: Pharmakogenomik, Biochips, pränatale Diagnostik, Vaterschaftstests• Herstellung von Arzneimitteln: gentechnisch produziertes Insulin, Impfstoffe, Interferon, Wachstumshormone, Blutgerinnungsfaktoren• Gentherapie: Gene als Impfstoffe zur Mobilisierung des Immunsystems, Ersatz einesgenetischen Defekts, Keimbahntherapie• Regenerationsmedizin: Tissue Engineering, Stammzelltherapie
- Vor- und Nachteile biotechnologischer Verfahren Vorteile• Nutzung nachwachsender Rohstoffe statt fossiler Ausgangsstoffe• Verminderter Energiebedarf durch eine Prozessführung bei Raumtemperatur und Normaldruck• Verringerte Umweltbelastung durch Ausschluss aggressiver Medien• Abkürzung von teilweise vielstufigen klassischen Verfahren der Chemie durch eine Fermentationsstufe mit geringer Nebenproduktbildung• Biotechnologische Verfahren sind oft die einzig möglichen Herstellungswege bestimmter ProdukteNachteile• Arbeiten unter sterilen Bedingungen• Schwankungen der Zusammensetzung „komplexer Medien“• Gefahr der Ausbeuteschwankungen bei instabilen biologischen Systemen• Einhaltung gesetzlicher Sicherheitsvorschriften• Aufwändige Aufreinigungen der gewonnenen Rohprodukte• Beseitigung von Bioabfallmasse• Beseitigung von Fermentations-und Aufarbeitungsabwässern• Mitunter ungünstige Produkt/Volumen/Zeit-Ausbeuten
- Essig-Produktion im 19. Jahrhundert Der Behälter ist mit Buchenholzspänen gefüllt, auf deren Oberfläche die Essigsäurebakterien wachsen. (Acetobacter aceti) Die Späne werden mit 6-10%igem Alkohol berieselt, die ablaufende Flüssigkeit erneutoben zugeführt, bis eine Essigsäurekonzentration von 6-10% erreicht ist. Die Belüftung der Mikroorganismen mit Sauerstoff erfolgt im Gegenstrom von unten.
- Penicillin Produktion aus welchem pilz? Penicillium chrysogenum
- Bakterium Hefe Pflanzenzelle Tierzelle | Kompartimente Grösse (µm) Generationszeit (h) Gene Bakterium Hefe Pflanzenzelle Tierzelle Kompartimente nein ja ja jaGrösse (µm) 1-5 10 100 100Generationszeit(h)0,2-1 2-10 ca. 6+ ca. 10+(Zeitdauer, in der sich die Zahl der Individuen einer Population verdoppelt)Gene 4000 20000 >50000 30-70000
- Heterogenität ? mit Zelllinien bzw. Stämmen arbeiten („Wildtyp“) • permanentes in vitro-Wachstum• Abstammung von einer definierten Ursprungszelle• funktionell und morphologisch gleiche Zellen
- „GRAS“ ? In der Regel „GRAS“-Organismen (Generally Recognized As Safe“): Bacillus-Arten, Streptomyces-Arten, Lactobacillus-ArtenAspergillus, Penicillium, Mucor, Rhizopus, Saccharomyces cerevisiae • Niedermolekulare Stoffe (Antibiotika, ...) -> Abgabe in das Nährmedium• Proteine (Insulin, Interferone, ...) -> meist intrazellulär akkumuliert
- Escherichia coli – meist verwendetes Bakterium in Bio- und Gentechnologie• molekulare Biologie gut bekannt• gute Handhabung im Labor• Fermentationstechnologie weit entwickelt• schnelles Wachstum auf/in anspruchslosen und billigen Medien Produzierte Proteine liegen oft als Inklusionskörper im Zytoplasma vor:Nachteil: Proteine sind falsch gefaltet und daher biologisch inaktiv (denaturiert) aufwändige Aufarbeitung: Isolierung aus der Zelle, Solubilisierung,Neufaltung, Reinigung Herstellung von: Insulin, Interferon, Interleukine, Human Growth Factor, ...
- Aktinomyceten Actinomyces ist eine Bakterien-Gattung der Familie Actinomycetaceae. Charakteristisch für diese Bakterien sind langgestreckte, oft verzweigte Zellen, ohne aktive Bewegung, überwiegend anaerobes Wachstum und positives Verhalten in der Gram-Färbung. Streptomyces griseus – produziert Streptomycin, ein antibakterielles Antibiotikum (Nobelpreis für Medizin, 1952 ) Streptomyces noursei – produziert Nystatin, ein Antimykotikum zur Behandlung von Pilzinfektionen Streptomyces peucetius - produziert Doxorubicin, ein Arzneistoff in der Chemotherapie (Zytostatikum)
- Hefe und filamentöse Pilze Saccharomyces cerevisiae• Molekularbiologie gut bekannt• Relativ einfache Kultivierung• Keine Einschlusskörper• Korrekte Proteinfaltung• Posttranslationale Modifikationen Aber:• Posttranslat. Prozesse unterschiedlich zu Säugerzellen• Geringe Produktausbeute (< 5% vom Gesamtprotein) Herstellung von: Interferon, Impfstoffe, Kalbprochymosin (Käsezubereitung), ... Filamentöse Pilze• Aspergillus sp.: Chymosin, rInterferon, rLactoferrin, Lipasen, Proteinasen• diverse andere: Enzyme, organische Säuren, Antibiotika; Biotransformationen