Biotechnologie Grundlagen: Definitionen, Anwendungen und Schlüsselkonzepte

Definition und Anwendungsbereiche der Biotechnologie

Biotechnologie ist die Anwendung von Technologie auf biologische Prozesse und Systeme, insbesondere in Bereichen wie Landwirtschaft, Pharmazie, Ernährungswissenschaften, Forstwirtschaft und Medizin. Sie nutzt lebende Organismen oder daraus abgeleitete Verbindungen zur Herstellung wertvoller Produkte.

Wichtige biotechnologische Verbindungen

• Antibiotika
• Monoklonale Antikörper
• Alkohol
• Medikamente

Beispiele für Biotechnologie

• Humane Biotechnologie: Herstellung von Antibiotika.
• Pflanzen-Biotechnologie (Grüne B.): Transgene Pflanzen.
• Industrielle Biotechnologie: Biodiesel.
• Fermentations-Biotechnologie: Joghurt.

Die 5 Zeitalter der Biotechnologie

1. Prä-Pasteur (vor 1865): Traditionelle Fermentation.
2. Pasteur (1865–1940): Entwicklung von Prozessen zur Herstellung von Butanol, Aceton, Ethanol und organischen Säuren.
3. Zeitalter der Antibiotika (1940–1960): Industrielle Produktion von Penicillin und anderen Antibiotika.
4. Post-Antibiotika (1960–1975): Beginn der Herstellung von Aminosäuren, zellulären Proteinen, Enzymen und anaerobe Abwasserbehandlung.
5. Moderne Biotechnologie (1975–2009): Entwicklung von Antikörpern und deren Anwendung in diagnostischen Tests.

Wichtige Zellorganellen und ihre Funktionen

• Nukleolus (Kernkörperchen): Der Kern des Zellkerns. Hier werden zelluläre Ribosomen zusammengesetzt.
• Nukleus (Zellkern): Leitet zelluläre Vorgänge und enthält das genetische Material.
• Mitochondrien: Verantwortlich für die Energieerzeugung (Zellatmung).
• Zellmembran: Begrenzt die Zelle und fungiert als selektiv durchlässige Barriere.
• Lysosomen: Führen die intrazelluläre Verdauung durch.
• Raues Endoplasmatisches Retikulum (RER): Ort der Proteinsynthese.
• Peroxisomen: Vesikel, die oxidative Enzyme enthalten.
• Golgi-Komplex: Ort, an dem Proteine für den Export verpackt und modifiziert werden.
• Ribosomen: Zuständig für die Synthese von Proteinen.
• Centriolen: Beteiligt an der Zellteilung.
• Zytoskelett: Hält das Zytoplasma und sorgt für die Aufrechterhaltung der Zellform.
• Leukoplasten: Beteiligt an der Synthese von Stärke, Ölen und Proteinen (in Pflanzenzellen).

Schlüsselkonzepte der Molekularbiologie

Restriktionsenzym

Ein Enzym, das eine charakteristische Abfolge von Nukleotiden in einem DNA-Molekül erkennt und die DNA an dieser spezifischen Stelle schneidet.

Grüne Biotechnologie

Bezieht sich auf die Anwendung biotechnologischer Prozesse in der Landwirtschaft. Ein Beispiel ist die Entwicklung transgener Pflanzen, die unter ungünstigen Umweltbedingungen wachsen oder resistent gegen Schädlinge und Krankheiten sind.

Nukleinsäuren (DNA/RNA)

Makromoleküle, die sich wiederholende Polymere von Monomeren, den sogenannten Nukleotiden, sind, welche durch Phosphodiesterbindungen verbunden sind.

PCR (Polymerase-Kettenreaktion)

Ein Verfahren zur Herstellung einer großen Anzahl von Kopien eines bestimmten DNA-Fragments (Amplifikation), selbst wenn nur eine minimale Ausgangsmenge vorhanden ist.

Gen

Ein kurzer Abschnitt der DNA, der dem Körper die Anweisung gibt, ein bestimmtes Protein zu produzieren. Es gibt ungefähr 30.000 Gene in jeder Zelle des menschlichen Körpers.

Klon

Eine Gruppe genetisch identischer Individuen, die von einer einzigen Person durch Mechanismen der asexuellen Fortpflanzung abstammen.

Palindrome (DNA)

Ein Segment doppelsträngiger DNA, bei dem die Basensequenz der beiden Stränge eine Rotationssymmetrie aufweist.

Mikrobieller Metabolismus und Klassifikation

Mikrobieller Metabolismus: Die Gesamtheit der Prozesse, durch die ein Organismus Energie und Nährstoffe (z. B. Kohlenstoff) gewinnt, die er zum Leben und zur Vermehrung benötigt.

Klassifikation des Stoffwechsels

1. Nach Kohlenstoffquelle (Aufbau der Zellmasse):

• Autotrophe: Kohlenstoff wird aus Kohlendioxid (CO₂) gewonnen.
• Heterotrophe: Kohlenstoff wird aus organischen Substanzen gewonnen.

2. Nach Quelle der Reduktionsäquivalente (für Energie und Biosynthese):

• Lithotrophe: Reduktionsäquivalente stammen aus anorganischen Verbindungen.
• Organotrophe: Reduktionsäquivalente werden aus organischen Verbindungen gewonnen.

3. Nach Energiequelle (zum Leben und Wachsen):

• Chemotrophe: Die Energie wird aus chemischen Verbindungen gewonnen.
• Phototrophe: Die Energie wird aus Licht gewonnen.

Enzyme und Enzymkinetik

Enzyme: Protein-Moleküle, die chemische Reaktionen in lebendem Gewebe erleichtern und beschleunigen, indem sie die Aktivierungsenergie der Reaktion senken.

• Enzymatische Reaktionsrate: Die Abhängigkeit der Konzentration von Substrat oder Produkt von der Zeit.
• Klassen von Enzymen (EC-Klassifikation): Oxidoreduktasen, Transferasen, Hydrolasen, Isomerasen, Ligasen, Lyasen.
• Beeinflussende Faktoren: Inhibitor-Anwesenheit, Substratkonzentration, Substratverarmung, Inaktivierung.

Wichtige Modelle der Enzymkinetik

• Michaelis-Menten-Theorie: Beschreibt die Reaktionsgeschwindigkeit vieler enzymatischer Reaktionen.
• Lineweaver-Burk-Diagramm: Wird zur Berechnung der kinetischen Parameter eines Enzyms verwendet.

Mikrobielles Wachstum und Bioreaktoren

Die Mikrobielle Wachstumskurve

1. Lag-Phase (Anpassungsphase): Die Mikroorganismen passen sich an die Umgebung an.
2. Exponentielle Phase (Log-Phase): Die Zellen wachsen und vermehren sich schnell.
3. Stationäre Phase: Das exponentielle Wachstum stoppt, da essentielle Nährstoffe aufgebraucht sind. Es gibt keine Nettozunahme oder -abnahme der Zellzahl oder -masse.

Bioreaktoren und Fermentation

Bioreaktoren: Gefäße, in denen biochemische Reaktionen ablaufen, die den Substratverbrauch, die Bildung von Biomasse und die Erzeugung von Stoffwechselprodukten steuern.

Typen von Bioreaktoren:

• Batch- oder diskontinuierlicher Betrieb: Die Charge wird zu einem bestimmten Zeitpunkt beendet.
• Kontinuierlicher Betrieb: Konstante Zugabe von Nährstoffen und Entfernung des Produkts.

Fermentation: Ein kataboler Prozess der unvollständigen Oxidation, bei dem organische Substanzen als Endprodukte entstehen. Ein biochemischer Prozess, der Biokatalyse nutzt.

Weitere Anwendungsbereiche und Zellorganisation

Anwendungsbereiche der Biotechnologie (Beispiele)

• Säureaufschluss: (Tiere)
• Alkalische Aufschlussverfahren: (Insekten, Wirbellose)
• Transgenik: Austausch von Genen zwischen verschiedenen Arten.
• Beispiel: Tomaten mit Anthocyanen.

Zelluläre Organisation

• Vielzeller: Pflanzen und Tiere.
• Einzeller (Eukaryoten): Algen, Protozoen, Pilze.
• Mikroorganismen: Bakterien, Viren.

DNA und RNA

DNA (Desoxyribonukleinsäure)

Das Kernstück der eukaryotischen Zelle. Bildet Doppelhelices, kodiert die Information für Proteine und enthält Desoxyribose.

RNA (Ribonukleinsäure)

Befindet sich hauptsächlich im Zytoplasma. Es gibt drei Hauptarten (mRNA, tRNA, rRNA). Sie ist weniger stabil als DNA.