Stellung in der Wissenschaft und interdisziplinärer Status
Die Biotechnologie gilt als führende Disziplin, die den Vektor für die Entwicklung der Medizin in den kommenden Jahrzehnten vorgibt. Historisch gewachsen im Schoß der Mikrobiologie, ist sie die direkte evolutionäre Fortführung der „technischen Mikrobiologie“. Aus diesem Grund werden die Grundlagen der Biotechnologie traditionell an den Lehrstühlen für Mikrobiologie und Immunologie gelehrt.
Als Begründer dieser Fachrichtung gilt zu Recht Louis Pasteur, dessen Entdeckung der enzymatischen Natur der Gärung den Grundstein für die Steuerung der Lebenstätigkeit von Mikroorganismen legte.
Die moderne Biotechnologie ist ein streng integrales Wissensgebiet. Sie ist an der Schnittstelle mehrerer großer Disziplinen entstanden und entwickelt sich dort erfolgreich weiter:
- Mikrobiologie;
- Molekularbiologie und Gentechnik;
- Immunologie;
- Chemische Verfahrenstechnik.
Wesen, Voraussetzungen und Ziele
Gemäß der Definition von Akademiemitglied A. A. Worobjow ist das fundamentale Fundament der Biotechnologie das Studium der Lebensprozesse von Organismen. Die Hauptvoraussetzung für die rasante Entwicklung dieser Wissenschaft war der dringende Bedarf der Gesellschaft an prinzipiell neuen Technologien sowie die Notwendigkeit, Produkte für die Volkswirtschaft, die Medizin und die Veterinärmedizin kostengünstiger zu machen.
Globale Ziele der Biotechnologie:
- Industrielle Gewinnung von Zielprodukten aus biologischen Objekten oder unter deren direkter Anwendung.
- Nachbildung spezifischer biologischer Effekte, einschließlich solcher, die in der natürlichen Umwelt nicht vorkommen.
Biologische Produktionsobjekte
Zur Realisierung der gestellten Aufgaben nutzen Biotechnologen verschiedene Lebensformen. Meistens dienen einzellige Mikroorganismen als Hauptobjekt. Auch isolierte Tier- und Pflanzenzellen werden aktiv eingesetzt. Erheblich seltener werden ganze tierische Organe oder unbeschädigte Pflanzen in den Produktionsprozess einbezogen.
Die Wahl gerade von Zellstrukturen als Produktionsbasis ist kein Zufall. Zellen funktionieren wie miniaturisierte „Biofabriken“. Sie sind in der Lage, ein gewaltiges Spektrum wertvoller Substanzen zu synthetisieren, deren Gewinnung auf anderen (nicht-biotechnologischen) Wegen bisher unmöglich ist. Zu diesen Substanzen gehören:
- Proteine, Fette und Kohlenhydrate;
- Aminosäuren und Vitamine;
- Antibiotika;
- Hormone und Enzyme;
- Antikörper.
Vorteile und wirtschaftliche Effizienz
Neben den einzigartigen synthetischen Fähigkeiten ist die Wahl von Mikroorganismen und Zellen durch ihre hohe Reproduktionsgeschwindigkeit bedingt. Dies ermöglicht es, Biomasse in enormem industriellem Maßstab unglaublich schnell zu vermehren.
| Zelltyp | Teilungs- (Verdopplungs-) rate |
|---|---|
| Bakterienzelle | 20–60 Minuten |
| Hefezelle | 1,5–2 Stunden |
| Tierische Zelle | 24 Stunden |
Ein dritter Schlüsselfaktor ist die wirtschaftliche Effizienz. Die biologische Synthese komplexer Strukturen (wie Antigene, Antibiotika, Proteine) ist wesentlich kostengünstiger und technologischer zugänglicher als ihre künstliche chemische Synthese.
Ein enormer Pluspunkt ist die verwendete Rohstoffbasis. In der Biotechnologie werden billige, leicht zugängliche und nicht-knappe Rohstoffe eingesetzt. Häufig handelt es sich dabei um Abfälle der Lebensmittel-, Fischerei- und Landwirtschaftsindustrie: Melasse, Holz, Hefe und Fischmehl. Dies macht die biotechnologische Produktion nicht nur wirtschaftlich rentabel, sondern auch ökologisch sinnvoll.
Kurz gefasst: Antworten auf Fragen zum Thema
Welche Arten von Mikroorganismen sind die wichtigsten industriellen Produzenten von Antibiotika?
Die wichtigsten industriellen Produzenten von Antibiotika sind Actinomyceten, Schimmelpilze und typische Bakterien.
- Actinomyceten (Gattung Streptomyces) sind verzweigte Bakterien, die die Quelle von etwa 80 % der natürlichen Antibiotika darstellen.
- Schimmelpilze (Gattungen Cephalosporium, Penicillium) synthetisieren natürliche Betalaktame und Fusidinsäure.
- Typische Bakterien (Eubakterien, Bacilli, Pseudomonaden) produzieren Polypeptidantibiotika wie Bacitracin und Polymyxine.
Welche rekombinanten humanen Hormone werden mit gentechnischen Methoden gewonnen?
Mit gentechnischen Methoden werden rekombinante Hormone gewonnen: Insulin und Wachstumshormon (Somatotropin).
- Humaninsulin ist das erste Protein, das mittels Rekombinante-DNA-Technologie zur Behandlung von Diabetes mellitus hergestellt wurde; es weist im Vergleich zu Extrakten aus tierischen Bauchspeicheldrüsen deutlich weniger Nebenwirkungen auf.
- Wachstumshormon wird nach einer ähnlichen Methode synthetisiert.
Der Hauptproduzent in der Industrie für die Gewinnung dieser Hormone ist Escherichia coli (E. coli).
Welche Methoden werden zur Erzeugung hochproduktiver Produzentenstämme eingesetzt?
Zur Erzeugung rekombinanter Produzentenstämme wird die Rekombinante-DNA-Technologie eingesetzt: Isolierung des Vektors und der Ziel-DNA, deren Spaltung durch Restriktionsenzyme, Verknüpfung der Fragmente durch Ligasen und Einführung der rekombinanten DNA in die Wirtszelle (Transformation). In den Quellen werden auch induzierte Mutationen beschrieben, die unter dem Einfluss physikalischer und chemischer Mutagene wie UV-Strahlung entstehen.
Welche Schritte umfasst die Hybridom-Technologie zur Gewinnung monoklonaler Antikörper?
Die Hybridom-Technologie zur Gewinnung monoklonaler Antikörper umfasst die Schritte der Zellfusion und deren anschließende Kultivierung.
- Zellfusion — Vereinigung von immunkompetenten B-Lymphozyten (Donoren für die Synthese spezifischer Antikörper) und Myelom-Tumorzellen (Donoren für die Eigenschaft der unendlichen Teilung) in Gegenwart von Polyethylenglykol.
- Hybridombildung — Gewinnung einer Hybridzelle, die die Spezifität vom Lymphozyten und die Fähigkeit zur unendlichen Teilung vom Myelom erbt.
- Kultivierung — Vermehrung von Hybridomen in vitro (in Zellkultur) oder in vivo (in der Bauchhöhle von Mäusen mit Anreicherung in der Aszitesflüssigkeit).
Welche medizinischen Enzympräparate werden biotechnologisch hergestellt?
Biotechnologisch hergestellt werden fibrinolyticus-Enzympräparate auf Basis von Urokinase.
- Urokinase (Urokinase) ist ein Enzym, das aus humanen embryonalen Nierenzellen gewonnen wird; es wird zur direkten Aktivierung von Plasminogen bei Myokardinfarkt und Thrombosen eingesetzt.
- Saruplase (Saruplase) ist ein rekombinantes Präparat aus einzelsträngiger Urokinase (Prourokinase), das sich durch eine höhere Spezifität für Thrombusfibrin auszeichnet.
In den Quellen werden keine biotechnologischen Verfahren zur Herstellung anderer medizinischer Enzyme (Trypsin, Nukleasen, Hyaluronidase und Asparaginase) beschrieben.
Um sich die Biomasse-Wachstumsrate zu merken, nutzen Sie die Regel „von Minuten zu Tagen“: Bakterien teilen sich im Minutenbereich (20–60), Hefen im Stundenbereich (1,5–2) und tierische Zellen benötigen ganze Tage (24 Std.).
Fragen aus Vorlesungen und Prüfungen
Warum gilt Louis Pasteur als Begründer der Biotechnologie?
Pasteur entdeckte die enzymatische Natur der Gärung, womit zum ersten Mal die Möglichkeit bewiesen wurde, die Lebensprozesse von Mikroorganismen praktisch zur Gewinnung von Zielprodukten zu nutzen.
Welche Organismen sind das Hauptobjekt der Biotechnologie?
Das Hauptobjekt sind einzellige Mikroorganismen, da sie die höchste Reproduktionsrate aufweisen und in der Lage sind, eine Vielzahl komplexer Substanzen zu synthetisieren.
Worin liegt der wirtschaftliche Nutzen der Biosynthese?
Die Biosynthese ist technologischer als die chemische Synthese und ermöglicht die Verwendung extrem billiger Rohstoffe – Industrie- und Landwirtschaftsabfälle wie Melasse, Fischmehl und Holz.
Was es zum Thema noch zu wiederholen gibt
- Mechanismen der zellulären Synthese von Antibiotika und Enzymen
- Anwendung der Gentechnik zur Modifikation von Stämmen
- Apparate und Technologien zur industriellen Biomassekultivierung
- Besonderheiten der Verwendung von Tier- und Pflanzenzellen in der Bioproduktion
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