Biotechnologie

Port Folio/Biotechnologie
Biotechnologie
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Definition
Bedeutung
Beispiel
Als Biotechnologie wird die Umsetzung von Erkenntnissen aus der Biologie und der
Biochemie in technische oder technisch nutzbare Elemente verstanden. In ihr werden
lebende Organismen für die Erzeugung von Produkten oder Dienstleistungen
verwendet.
Man unterscheidet zwischen:
 „Grüner“ Biotechnologie: bezieht sich auf Pflanzen, einschließlich ihrer
gentechnischen Veränderung
 „Roter“ Biotechnologie:
befasst sich mit der Herstellung von Medikamenten
und Diagnostika
 „Weiße“ Biotechnologie: darunter versteht man biotechnologisch - basierte
Produkte und Industrie-Prozesse – beispielsweise in
der Chemie - , Textil- oder Lebensmittelindustrie.
Die ersten Anwendungen der Biotechnologie durch den Menschen waren vermutlich
die Herstellung und Veredlung von Nahrungsmitteln, z.B. Brot, Wein und Bier
(alkoholische Gärung) mit Hilfe von Hefe seit über 5000 Jahren. Weitere Beispiele
sind Milchprodukte (Käse, Joghurt, Kefir etc.) oder Sauerkraut.
Gemeinsam mit weiteren Anwendungen wie der Abwasserreinigung oder dem
Kompostieren kann man diese Formen als konventionelle Biotechnologie
bezeichnen.
Diesem Bereich kann die moderne Biotechnologie gegenüber gestellt werden. Sie
zeichnet sich dadurch aus, dass sie vor allem mit Methoden der Gentechnik und der
Molekularbiologie arbeitet.
In den Bereich der Biotechnologie und angrenzender Arbeitsbereiche lassen sich
eine Reihe moderner Forschungszweige einordnen:
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Antikörpertechnologien
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Bioelektronik
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Gentherapie
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Klontechnologien (siehe Reproduktives Klonen und Therapeutisches Klonen)
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Kriminologische Anwendungen (siehe Genetischer Fingerabdruck)
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Pharmakogenomik
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Stammzelltherapie
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Gewebezüchtung
Britta Niederdorfer
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Ein Ziel der ökologischen Biotechnologie ist es, chemische Prozesse, die bei hohen
Temperaturen und unter großem Druck stattfinden, durch biotechnologische
Methoden nachhaltig zu ersetzen, die oft mittels Enzymen unter
Umgebungsbedingungen ablaufen. Dies geschieht in so genannten Bioreaktoren
oder Fermentern. Das sind Apparaturen, die in ihren Ausmaßen ohne weiteres so
groß wie ein Bus, aber auch so kompakt wie ein Fernseher sein können.
Bioreaktoren haben die Aufgabe, den in ihnen kultivierten Organismen einen
ökologisch optimalen Lebensraum zur Verfügung zu stellen. Dies geschieht unter
anderem mit speziell entwickelten Nährlösungen und Sensoren, die Umwelteinflüsse
wie Stickstoffgehalt und ph-Wert messen und auswerten.
Bei Organismen, welche in der Biotechnologie vorkommen, handelt es sich meist um
Pilze, Bakterien, Algen oder tierische Zellen, die gentechnisch verändert sein
können, um bestimmte Stoffe wie Arzneimittel oder Nahrungszusatzstoffe zu
synthetisieren.
 Alkoholische Gärung:
Bierbrauerei
Das Brauen von Bier oder bierartigen alkoholischen Getränken, ist ein
biotechnologisches Verfahren, das schon die alten Ägypter vor über 4000 Jahren
betrieben. Sie ließen zuckerhaltige Naturprodukte zu alkoholhaltigen Getränken
vergären. Die Ägypter wussten aber noch nicht, was in der Flüssigkeit während der
Gärzeit geschieht.
Gezielt konnten Wissenschaftler diese Verfahren erst anwenden, als sie um den
zellulären Aufbau der Organismen und deren Stoffwechselproduktionen wussten. Die
wissenschaftlichen Grundlagen dafür legte im vergangenen Jahrhundert der
französische Chemiker und Begründer der Mikrobiologie Louis Pasteur. Vor 140
Jahren wies er nach, dass Mikroorganismen für die Gärung verantwortlich sind.
Das technische Verfahren:
Voraussetzung dafür, dass überhaupt eine sogenannte alkoholische Gärung
stattfinden kann, ist das Vorhandensein von mikroskopisch kleinen, einkernigen
Pilzen: den Hefen. Während diese früher, als ihre Bedeutung noch nicht bekannt
war, zufällig aus der Luft in die Gärflüssigkeit gelangten, verwendet man heutzutage
Kulturhefen.
Der erste Arbeitsschritt bei der Bierherstellung ist das Mälzen (Malzbereitung).
Darunter versteht man die Vorbereitung des Braugetreides zum Brauen. Meist
verwendet man Sommergerste(selten auch Weizen) zum Brauen, da sie viel Stärke
enthält.
Als nächstes weicht man die Gerste ein und bringt sie so zum Keimen. Der Keimling
ernährt sich u.a. aus dem Eiweiß und der Stärke, die im Samenkorn vorhanden sind,
doch auch er kann die Stärke in dieser Form nicht direkt verwerten. Er bildet nun
verschiedene Enzyme, die die Bindungen in ihren Molekülen aufspaltet. Es
entstehen nun kleine Bruchstücke der Stärkemoleküle: Maltose und Glucose. Das
Britta Niederdorfer
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Eiweiß wird in für den Körper essentielle Aminosäuren umgebaut. Das so
gewonnene Malz(die gekeimte Gerste) wird nun getrocknet oder, wie es in der
Fachsprache heißt, gedarrt.
Dieses Malz wird, nachdem es zerkleinert wurde, mit Wasser bei 50-70C° zur
Maische angerührt, wobei der Stärkeabbau durch das bei der Keimung entstandene
Enzym Amylase fortgesetzt wird bis die restliche Stärke abgebaut ist. Maltose und
Glucose lösen sich bei diesem Vorgang im Wasser auf.
Hat die nun entstandene Bierwürze die gewünschte Konzentration erreicht, wird ihr
der zweite Urstoff, pulverisierter Hopfen, zugesetzt. Anschließend wird der Sudkessel
auf Kochtemperatur erhitzt. Die Bitterstoffe des Hopfens gehen in die Würze über.
Sie geben dem zukünftigen Bier seinen charakteristischen Geschmack und die
bakteriostatische Wirkung des Hopfens sorgt dafür, dass die Würze von da an
keimfrei ist. Nun wird die Würze gefiltert und abgekühlt, danach wird ihr Bierhefe
zugesetzt, die jetzt anfängt Malzzucker zu Alkohol(Ethanol) und Kohlendioxid zu
vergären. Nach abgeschlossener Gärung wird das Bier in große Lagertanks
gepumpt, wo es im Laufe mehrerer Wochen nachgärt und sich klärt.
Was geschieht während der Gärzeit in der Flüssigkeit?
Hefen sind einige der wenigen Mikroorganismen, die sowohl als Atmer1, wie auch als
Gärer² leben können.
Als Atmer gedeihen Hefen prächtig, sie bauen Zucker unter Zuhilfenahme von
Sauerstoff zu Essigsäure und weiter zu Kohlendioxid und Wasser um. Sie wachsen
und vermehren sich so zwar beträchtlich, produzieren jedoch nicht eine Spur von
Alkohol. Sorgt man jedoch dafür, dass die Sauerstoffzufuhr gestoppt wird, so schaltet
die Hefe ihren Stoffwechsel auf Gärung um, was aber für sie nur eine Art Notlösung
ist, um ihr Überleben für eine geraume Weile zu sichern. Sie wächst und vermehrt
sich während dieser Zeitspanne nicht und da Ethanol auch für die Hefe ein
gefährliches Zellgift ist, geht sie, sobald eine gewisse Konzentration erreicht ist an
ihrem eigens produzierten giftigen Stoffwechselprodukt zugrunde.
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Atmer sind Mikroorganismen, die für ihren Stoffwechsel Sauerstoff benötigen. Sie nehmen ihn und
die Nährstoffe aus ihrer Umgebung auf und bauen sie in ihrem Zytoplasma (= zähflüssige
Grundsubstanz der Zelle ) unter Kohlendioxidproduktion und Wasserproduktion ab. Der Vorteil dieses
Verfahrens ist u. a., dass für die gleiche Energieproduktion, im Vergleich zu Gärern, eine geringere
Menge an Nährstoffen verbraucht wird.
² Gärer nehmen aus ihrer Umgebung zwar keinen Sauerstoff, aber Nährstoffe auf. Diese wandeln sie
im Zytoplasma mithilfe von Enzymen zu energieärmeren, chemisch einfacher gebauten Stoffen um.
Die Energiedifferenz nutzen sie größtenteils als Stoffwechselenergie. Als Abfallprodukte entstehen
Gase und Gärungsprodukte, Wie z. B. Milchsäure, oder wie in diesem Fall Ethanol.
Hefe
Britta Niederdorfer
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Biotechnologie in der Medizin
 Insulinproduktion:
In der Natur: Die natürliche Insulinproduktion findet im Körper statt, genauer gesagt
in der Bauchspeicheldrüse. Insulin selbst ist ein Hormon, welches den Zuckergehalt
im Körper senkt, indem es den Abbau des Glycogens zu Glucose in der Leber
hemmt und deren Verwertung in den Körperzellen steigert.
In der Medizin: Wenn die Bauchspeicheldrüse beeinträchtigt ist, kann es zu einem
Insulinmangel kommen, man leidet an Diabetes. Früher spritzte man sich Insulin, das
von Rindern produziert wurde. Dies konnte jedoch zu unerwünschten
Nebenwirkungen ( z. B.: Schädigung der Niere ) führen.
Heute ist es der Medizin möglich künstliches Insulin herzustellen, das den Patienten
durch Tabletten oder Spritzen zugeführt wird. Insulin gentechnisch herzustellen ist
seit 1984 möglich.
Für die Produktion des gentechnischen Insulins sind Mikroorganismen, genauer
gesagt Bakterien, die Escherichia-coli-Bakterien, die normalerweise z. B. im
menschlichen Darm leben verantwortlich.
Der Gebrauch der Bakterien für diesen Zweck ist nur durch die Existenz von DNAVektoren möglich. Ein Beispiel für DNA-Vektoren sind die Plasmide, weil sie
zwischen den Bakterienzellen übertragbar sind.
Erster Schritt ist das Isolieren von Plasmiden und der menschlichen DNA. Dann
muss aus dem Plasmidring ein Stück herausgelöst werden, was mithilfe von
sogenannten Enzymscheren geschieht. Diese Enzymscheren
(Restriktionsendonucleasen) sind in der Lage DNA-Moleküle an ganz spezifischen,
definierten Stellen zu schneiden. Sie werden auch verwendet, um aus dem DNAMolekül das gewünschte Gen, hier das Insulin-Gen, zu isolieren.
Hat man nun den aufgeschnittenen Plasmidring und das Insulin-Gen isoliert, fügt
man beide Fragmente zusammen. Sie veranlassen, dass sich das Gen und der
Plasmidring, die exakt zusammenpassen, auch verbinden.
Das Plasmid dringt nun in eine Bakterie ein und mogelt das fremde Gen in das
Erbgut des Einzellers ein. Es bekommt jetzt den Befehl: Produziere Insulin! Doch
nicht nur diese Bakterie, sondern auch alle die von ihr abstammen, werden nun, den
ihnen eigentlich fremden Stoff, namens Insulin produzieren.
Quellen: www.lexikon-definition.de/Biotechnologie.html
http://www.n-tv.de/2428275.html
Britta Niederdorfer
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