bioteknologi

Bioteknologi ( gammel gresk βίος

bíos , tysk 'liv' ; også som et synonym for bioteknologi og kort som bioteknologi ) er en tverrfaglig vitenskap som omhandler bruk av enzymer , celler og hele organismer i tekniske applikasjoner . Mål inkluderer utvikling av nye eller mer effektive prosesser for produksjon av kjemiske forbindelser og diagnostiske metoder. ^{[1] [2]}

I bioteknologi brukes funn fra mange områder, som mikrobiologi , biokjemi ( kjemi ), molekylærbiologi , genetikk , bioinformatikk og prosjektering med prosessingeniør ( bioprosessingeniør ). ^[2] Den er basert på kjemiske reaksjoner som katalyseres av frie enzymer eller enzymer som er tilstede i celler ( biokatalyse eller biokonvertering ). Bioteknologi gir viktige bidrag til prosessen med biologisering .

Klassiske bioteknologiske applikasjoner ble utviklet for tusenvis av år siden, som f.eks B. produksjon av vin og øl med gjær og bearbeiding av melk til forskjellige matvarer ved hjelp av visse mikroorganismer eller enzymer. ^[2] Siden 1800 -tallet har moderne bioteknologi i økende grad ty til mikrobiologisk og siden midten av 1900 -tallet også til molekylærbiologisk , genteknisk og genteknisk kunnskap og metoder. Dette gjør det mulig å bruke produksjonsprosesser for kjemiske forbindelser, f.eks. B. som aktiv ingrediens for farmasøytisk industri eller som grunnleggende kjemikalie for kjemisk industri for å utvikle diagnostiske metoder, biosensorer , nye plantesorter og andre. ^{[1] [2]}

Biotekniske prosesser kan brukes på mange forskjellige måter på en rekke områder. I noen tilfeller blir det forsøkt å sortere disse prosessene etter bruksområder, for eksempel B. Medisin ( rød bioteknologi ), planter eller jordbruk ( grønn bioteknologi ) og industri ( hvit bioteknologi ). ^[1] Noen ganger skilles det også etter hvilke organismer metodene brukes på, for eksempel i blå bioteknologi eller gul bioteknologi ^[3] , som refererer til anvendelser i marine organismer eller insekter.

historie

Det har vært biotekniske applikasjoner i tusenvis av år, som f.eks B. produksjon av øl og vin . Den biokjemiske bakgrunnen var i utgangspunktet i stor grad uklar. Med fremskritt innen forskjellige vitenskaper, spesielt mikrobiologi på 1800 -tallet, ble bioteknologi vitenskapelig bearbeidet, dvs. bioteknologi ble utviklet. Optimaliserte eller nye biotekniske anvendelsesmuligheter ble åpnet. Andre viktige trinn var oppdagelsen av deoksyribonukleinsyre (DNA eller DNA) på 1950 -tallet, den økende forståelsen av dens betydning og funksjon, og den påfølgende utviklingen av molekylærbiologiske og gentekniske laboratoriemetoder.

De første biotekniske applikasjonene

De eldste anvendelsene innen bioteknologi, som har vært kjent i over 5000 år, er produksjon av brød , vin eller øl ( alkoholisk gjæring ) ved hjelp av gjær, som er en sopp . Ved å bruke melkesyrebakterier kan surdeig ( surt brød) og sure melkeprodukter som ost , yoghurt , sur melk eller kefir også produseres. En av de tidligste bioteknologiske applikasjonene bortsett fra ernæring var garveri og flekker av huder ved hjelp av avføring og andre enzymholdige materialer for å lage skinn . Store deler av bioteknologi var basert på disse produksjonsprosessene frem til middelalderen, og rundt 1650 dukket den første bioteknologiske prosessen for produksjon av eddik opp .

Utvikling av mikrobiologi

Moderne bioteknologi er hovedsakelig basert på mikrobiologi , som dukket opp i andre halvdel av 1800 -tallet. Fremfor alt la utviklingen av dyrkingsmetoder , ren kultur og sterilisering av Louis Pasteur grunnlaget for undersøkelse og anvendelse ( anvendt mikrobiologi ) av mikroorganismer . I 1867 klarte Pasteur å isolere eddiksyrebakterier og ølgjær ved å bruke disse metodene. Rundt 1890 utviklet han og Robert Koch de første vaksinasjonene på grunnlag av isolerte patogener og la dermed grunnlaget for medisinsk bioteknologi . Japaneren Jōkichi Takamine var den første som isolerte et enkelt enzym for teknisk bruk, alfa-amylase . Noen år senere brukte den tyske kjemikeren Otto Röhm animalsk proteaser (proteinnedbrytende enzymer) fra slakteriavfall som vaskemidler og hjelpestoffer for lærproduksjon .

Bioteknologi på 1900 -tallet

Den store produksjonen av butanol og aceton ved gjæring av bakterien Clostridium acetobutylicum ble beskrevet og utviklet i 1916 av kjemikeren og senere Israels president Charles Weizmann . ^[4] Det var den første utviklingen av hvit bioteknologi . Prosessen ble brukt til midten av 1900 -tallet, men deretter erstattet av den mer økonomiske petrokjemiske syntesen fra propenfraksjonen av råolje . Sitronsyre ble produsert fra 1920 og fremover ved overflatefermentering av Aspergillus nigersopp . I 1957 ble aminosyren glutaminsyre først produsert ved hjelp av jordbakterien Corynebacterium glutamicum .

I 1928/29 oppdaget Alexander Fleming det første medisinsk brukte antibiotikumet penicillin i soppen Penicillium chrysogenum . I 1943 antibiotika streptomycin etterfulgt av Selman Waksman , Albert Schatz og Elizabeth Bugie . I 1949 ble produksjonen av steroider implementert i industriell skala. På begynnelsen av 1960 -tallet ble bioteknologisk avledede proteaser tilsatt vaskemidler for første gang for å fjerne proteinflekker . I osteproduksjonen har kalven løpe blitt erstattet av rennin produsert i mikroorganismer siden 1965. Fra 1970 kunne amylaser og andre stivelsesdelende enzymer produseres bioteknologisk, med hvilke z. B. maisstivelse i den såkalte "majssirup med høy fruktose", så mais sirup , omdannet og brukt som erstatning for rørsukker ( sukrose ), z. B. i drikkevareproduksjon kan brukes.

Moderne bioteknologi siden 1970 -tallet

Beskrivelse av DNA -strukturen

I 1953 avklarte Francis Crick og James Watson strukturen og funksjonaliteten til deoksyribonukleinsyre (DNA). Dette la grunnlaget for utviklingen av moderne genetikk.

Siden 1970 -tallet har det vært en rekke sentrale utviklinger innen laboratorie- og analyseteknologi. I 1972 brukte biologene Stanley N. Cohen og Herbert Boyer for eksempel molekylærbiologiske metoder for å oppnå den første in vitro rekombinasjonen av DNA (endring av DNA i prøverøret ), samt produksjon av plasmidvektorer som et verktøy for overføringen (en vektor ) av genetisk materiale , f.eks. B. i bakterieceller.

César Milstein og Georges Köhler produserte først monoklonale antistoffer i 1975, som er et viktig verktøy i medisinsk og biologisk diagnostikk . Siden 1977 kan rekombinante proteiner ( proteiner opprinnelig avledet fra andre arter ) lages i bakterier og produseres i større skala. I 1982 ble de første transgene avlingene med genetisk manipulert herbicidresistens produsert, slik at det aktuelle herbicidet sparer avlingen når planteverntiltak iverksettes. Samme år ble det laget knock-out mus for medisinsk forskning. Med dem blir minst ett gen inaktivert for å forstå og undersøke dets funksjon eller funksjonen til det homologe genet hos mennesker.

Genomsekvensering

I 1990 lanserte at Human Genome Project , som inntil 2001 (eller 2003 i de tilsiktede standarder) hele det humane genom tydet på 3,2 x 10 ⁹ basepar (bp) og sekvensert var. Sekvenseringsteknikken er direkte basert på polymerasekjedereaksjonen (PCR) utviklet i 1975, som muliggjør en rask og mer enn 100 000 ganger økning i visse DNA-sekvenser og dermed tilstrekkelige mengder av denne sekvensen, f.eks. B. for analyse gjort tilgjengelig. Allerede i 1996 ble bakergjæren ( Saccharomyces cerevisiae ) med 2 × 10 ⁷ bp fullstendig belyst som det første genomet. På grunn av den raske utviklingen av sekvenseringsteknologi, andre genomer, slik som den for den bananflue Drosophila melanogaster (2 x 10 ⁸ bp), kan bli sekvensert relativt raskt.

Bestemmelsen av genom -sekvenser førte til etablering av ytterligere forskningsområder basert på det, for eksempel transkriptomikk , proteomikk , metabolomikk og systembiologi og til en økning i betydning, f.eks. B. bioinformatikk .

Anvendelser av genteknologi

I 1995 kom det første transgene produktet, Flavr Savr -tomaten, på markedet og ble godkjent for salg i USA og Storbritannia. De første forsøkene på genterapi hos mennesker ble gjort i 1996, og menneskelige stamceller ble først forplantet i cellekultur i 1999. Samme år oversteg markedsvolumet for rekombinant produserte proteiner i farmasøytisk industri verdien av 10 milliarder dollar for første gang. Den klonede sauen Dolly ble født i 1998.

De nyutviklede genteknologiske metodene åpnet for nye utviklingsmuligheter for bioteknologi, noe som førte til fremveksten av molekylær bioteknologi. Det danner grensesnittet mellom molekylærbiologi og klassisk bioteknologi. Viktige teknikker er f.eks. B. transformasjon eller transduksjon av bakterier ved hjelp av plasmider eller virus . Enkelte gener kan innføres i egnede typer bakterier på en målrettet måte. Andre anvendelsesområder for molekylær bioteknologi er analytiske metoder, for eksempel for identifisering og sekvensering av DNA- eller RNA -fragmenter. ^[5]

Grener av bioteknologi

Bioteknologi er et veldig bredt begrep. Det er derfor delt inn i forskjellige grener i henhold til de respektive bruksområdene. Noen av disse overlapper hverandre, slik at denne inndelingen ikke alltid er tydelig. I noen tilfeller er begrepene ennå ikke etablert eller definert annerledes.

Inndeling av bioteknologi i forskjellige grener ^[6]

gren	bruksområder
Grønn bioteknologi	Bruk i landbruket ; Plantebioteknologi
Rød bioteknologi	Bruk i medisin og farmasi ; Medisinsk bioteknologi
Hvit bioteknologi	Bruk i industrien ; Industriell bioteknologi
Grå bioteknologi	Bruk i avfallshåndtering
Brun bioteknologi	Teknisk eller miljøteknologi z. B. i jordvern
Blå bioteknologi	bioteknologisk bruk av marine ressurser

Grønn bioteknologi knytter seg til plantebaserte applikasjoner, f.eks. B. til landbruksformål. Rød bioteknologi er området for medisinsk-farmasøytiske applikasjoner, for eksempel B. produksjon av medisiner og diagnostikk. Hvit bioteknologi eller industriell bioteknologi inkluderer bioteknologiske produksjonsprosesser, spesielt for kjemiske forbindelser i kjemisk industri , men også prosesser i tekstil- eller næringsmiddelindustrien . ^[1]

Inndelingene i områdene blå bioteknologi , som omhandler bruk av organismer fra sjøen, og grå bioteknologi med bioteknologiske prosesser innen avfallshåndtering ( renseanlegg , dekontaminering av jord og lignende) er mindre vanlige.

Uavhengig av denne klassifiseringen er det bioteknologi kjent som den konvensjonelle formen, som omhandler behandling av avløpsvann , kompostering og andre lignende applikasjoner.

Produksjonsmetoder

Organismer

I moderne bioteknologi brukes nå både bakterier og høyere organismer som sopp , planter eller dyreceller . Ofte brukte organismer har ofte allerede blitt grundig undersøkt, for eksempel tarmbakterien Escherichia coli eller bakergjæren Saccharomyces cerevisiae . Godt undersøkte organismer brukes ofte til biotekniske applikasjoner fordi de er velkjente og metoder for dyrking eller genetisk manipulering av dem allerede er utviklet. Enkle organismer kan også genmodifiseres med mindre innsats.

I økende grad brukes også høyere organismer ( flercellede eukaryoter ) i bioteknologi. Årsaken til dette er for eksempel muligheten til å gjøre post-translasjonelle endringer i proteiner som z. B. finner ikke sted i bakterier. Et eksempel på dette er den glykoprotein hormon erytropoietin , kjent som et dopemiddel med forkortelsen EPO. Imidlertid vokser eukaryote celler langsommere enn bakterier og er vanskeligere å dyrke av andre årsaker. I noen tilfeller kan farmasøytiske planter som dyrkes i åkeren, i drivhuset eller i fotobioreaktoren være et alternativ til produksjonen av disse biofarmaka . ^[7]

Bioreaktorer

Spesielt mikroorganismer kan dyrkes i bioreaktorer eller fermentorer . Dette er beholdere der forholdene blir kontrollert og optimalisert slik at de dyrkede mikroorganismer produserer de ønskede stoffene. I bioreaktorer kan forskjellige parametere , som f.eks B. pH , temperatur , oksygentilførsel , nitrogentilførsel , glukoseinnhold eller omrørerinnstillinger kan reguleres. Siden mikroorganismer som kan brukes har svært forskjellige krav, er veldig forskjellige typer gjærere tilgjengelige, som f.eks B. omrørte tankreaktorer , sløyfe -reaktorer , luftløftereaktorer og gjennomskinnelige fotobioreaktorer for dyrking av fotosyntetiske organismer (for eksempel alger og planter).

applikasjoner

Se tilsvarende avsnitt i artiklene: Hvit bioteknologi , rød bioteknologi , grønn bioteknologi , grå bioteknologi og blå bioteknologi

På grunn av mangfoldet i bioteknologi er mange bruksområder og produkter knyttet til eller avhengig av det:

• Antistoffteknologi : produksjon f.eks. B. av monoklonale antistoffer for ulike diagnostiske metoder innen medisinsk og biologisk anvendelse og forskning
• Bioelektronikk : Kobling av biologi og elektronikk, f.eks. B. for utvikling av biosensorer
• Bioinformatikk : behandling av data generert ved bruk av bioteknologiske metoder, for eksempel B. genom -sekvensering oppnådd; men også grunnlaget for utvikling av nye bioteknologiske metoder og applikasjoner
• Bioprosess engineering : implementering av bioteknologiske applikasjoner, for eksempel B. Utvikling av gjæringsprosesser
• Bioremediering : Fjerning av forurensede steder , som f.eks B. giftige organiske forbindelser i jord, ved bruk av biokjemiske evner, f.eks. B. av bakterier
• DNA chip-teknologi : Bruk av såkalte DNA-chips for omfattende screeninger , f.eks. B. i genetikk (f.eks. Diagnose av arvelige sykdommer), genteknologi etc.
• Nedstrøms behandling : tilberedning (rensing) av bioteknologisk produserte forbindelser, f.eks. B. fra gjæringsprosesser eller tilnærminger
• Etanoldrivstoff : Produksjon av biodrivstoffet bioetanol , f.eks. B. fra maisstivelse, ved hjelp av mikroorganismer som driver alkoholisk gjæring, og enzymer som forbedrer prosessflyten
• Utvikling av genetisk test : f.eks. B. Påvisning av mutasjoner som forårsaker arvelige sykdommer som Huntingtons sykdom
• Genterapi : f.eks. B. Innføring av en intakt genvariant for midlertidig eller permanent eliminering av en genetisk defekt
• Kloning : f.eks. B. terapeutisk kloning for å generere in vitro -erstatningsorganer for pasienten som de opprinnelige cellene stammer fra de oppnådde cellene fra
• Kloningsteknologi (kloning): Overføring av en spesifikk DNA-sekvens i en organisme, f.eks B. det humane insulingenet i en bakterie, for rekombinant produksjon av insulin
• Kriminalistiske anvendelser (se også genetisk fingeravtrykk ): Identifikasjon av en lovbryter basert på undersøkelse av spor ved bruk av bioteknologiske metoder
• Nanobioteknologi (se også Nanoteknologi )
• Nutrigenomics : f.eks. B. Utvikling av funksjonell mat for medisinsk forebygging
• Farmakogenomikk : Utvikling av individualiserte (optimaliserte) legemiddelterapier, f.eks. B. for spesifikke populasjoner eller deler av befolkningen
• Farmasøytisk bioteknologi (gren av rød bioteknologi)
• Proteinteknikk : målrettet design av modifiserte eller nye proteiner for spesifikke applikasjoner
• Stamcelleterapi : Bruk av allmektige eller pluripotente stamceller for å behandle ulike sykdommer
• Vevsteknikk eller vevsteknikk : In vitro -produksjon av tekstiler for bruk i regenerativ medisin
• Transgene teknologier
• Xenotransplantasjon : overføring av celler eller vev mellom forskjellige arter
• Cellulose-etanol : Produksjon av bioetanol fra cellulose, som tidligere ikke var effektivt tilgjengelig enzymatisk, ved bruk av rekombinant produserte enzymer
• og mye mer

perspektiv

Mange anvendelser av bioteknologi er basert på en god forståelse av hvordan organismer fungerer. Gjennom nye metoder og tilnærminger, som f.eks B. genom -sekvensering og relaterte forskningsområder som proteomikk, transkriptomikk, metabolomikk, bioinformatikk, etc., blir denne forståelsen stadig utvidet. Flere og flere medisinske anvendelser er mulige.I hvit bioteknologi er visse kjemiske forbindelser, f.eks. B. for farmasøytiske formål eller som råvare for kjemisk industri, og anlegg kan optimaliseres for visse miljøforhold eller tiltenkt bruk. Ofte kan tidligere applikasjoner erstattes av mer fordelaktige biotekniske prosesser, som f.eks. B. miljøskadelige kjemiske produksjonsprosesser i industrien. Det forventes derfor at veksten i bioteknologiindustrien vil fortsette i fremtiden. ^[Åttende]

Se også

• Bioteknologisenter Münster

litteratur

• G. Festel, J. Knöll, H. Götz, H. Zinke: Bioteknologiens innflytelse på produksjonsprosesser i kjemisk industri. I: Kjemisk ingeniørteknologi . Bind 76, 2004, s. 307-312, doi: 10.1002 / cite.200406155 .
• Nikolaus Knoepffler , Dagmar Schipanski , Stefan Lorenz Sorgner (red.): Menneskelig bioteknologi som en sosial utfordring. Alber Verlag, Freiburg i. B. 2005, ISBN 3-495-48143-5 .
• Björn Lippold: Bioteknologiens regnbue . bionity.com .
• Luitgard Marschall: Industriell bioteknologi på 1900 -tallet. Teknologisk alternativ eller nisje -teknologi? I: Technikgeschichte, Vol. 66 (1999), H. 4, s. 277-293.
• K. Nixdorff, D. Schilling, M. Hotz: Hvordan fremskritt innen bioteknologi kan misbrukes: Biovåpen. I: Biologi i vår tid . Bind 32, 2002, s. 58-63.
• Reinhard Renneberg, Darja Süßbier: Bioteknologi for nybegynnere . Spectrum Academic Publishing House, 2005, ISBN 3-8274-1538-1 .
• Moselio Schaechter, John Ingraham, Frederick C. Neidhardt: Microbe: Originalen med oversettelseshjelpemidler . Spectrum Academic Publishing House, 2006, ISBN 3-8274-1798-8 .
• R. Ulber, K. Soyez: 5000 års bioteknologi: Fra vin til penicillin. I: Kjemi i vår tid . Bind 38, 2004, s. 172-180, doi: 10.1002 / ciuz.200400295 .
• Volkart Wildermuth : Bioteknologi. Mellom vitenskapelig fremgang og etiske grenser. Parthas Verlag, 2006, ISBN 3-86601-922-X .
• Michael Wink: Molecular Biotechnology: Concepts, Methods and Applications , Wiley-VCH, Weinheim, 2011, ISBN 978-3527326556

weblenker

• biotechnologie.de - Et initiativ fra det føderale utdannings- og forskningsdepartementet (BMBF) om bioteknologi, inkludert en definisjon av "Hva er bioteknologi?"
• NCBI , nettstedet til National Center for Biotechnology Information (NCBI), National Institute of Health, National Library for Medicine, tilgang til data (inkludert komplette genom -sekvenser), søkefunksjoner og standardprogrammer for sekvens sammenligninger, etc.
• Transgen - åpenhet for genteknologi i mat , informasjonsside for forumet bio og genteknologi - forening for promotering av sosial diskusjonskultur e. V. åpnet 22. februar 2010
• Emne bioteknologi - informasjon fra Federal Office for the Environment FOEN

Individuelle bevis

1. ↑ ^{a b c d} Hva er bioteknologi? Informasjonsside for BMBF. (biotechnologie.de , åpnet 22. februar 2010).
2. ↑ ^{a b c d} bioteknologi. Finansieringsprioritet for BMBF: Bærekraftig organisk produksjon. Informasjonsside til prosjektpartneren Forschungszentrum Jülich. (www.fz-juelich.de ( Memento fra 20. september 2005 i Internettarkivet ), åpnet 22. februar 2010).
3. ↑ Gul bioteknologi. Hentet 3. mars 2017 .  
4. ^ Charles Weizmann: Produksjon av aceton og alkohol ved bakteriologiske prosesser. U.S. patent 1.315.585 utstedt september 1919.
5. ↑ Technical University of Munich (TUM): Molecular Biotechnology , beskrivelse av emnet, åpnet 21. februar 2010.
6. ↑ P. Kafarski: Rainbow Code of Biotechnology . KJEMISK. Wroclaw University, 2012.
7. ^ Eva L. Decker, Ralf Reski : Mosebioreaktorer som produserer forbedrede biofarmaka. I: Current Opinion in Biotechnology. Bind 18, 2007, s. 393-398. doi: 10.1016 / j.copbio.2007.07.012 .
8. ^ Bioteknologisk bedriftsundersøkelse 2009 ( Memento 28. mars 2010 i Internettarkivet ), informasjonsside til det føderale utdannings- og forskningsdepartementet (BMBF), åpnet 22. februar 2010.