Biotechnologie_Abbildungen
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Grundlagen | 1 ZEITREISE – MEILENSTEINE DER BIOTECHNOLOGIE 1-1 Meilensteine der Biotechnologie am Zeitstrahl Pflanzenzüchtung durch Auslese ca. 3000 v. Chr. ca. 4000 v. Chr. Verwendung von Hefe für alk. Getränke 16./17. Jahrhundert Hooke und Leuwenhoek bauen erste Edward Jenner wagt die erste Impfung (gegen Pocken) 1796 Friedrich Mischer isoliert als Erster die DNA 1886 Alexander Flemming entdeckt das Antibiotikum Penicillin 1928 James Watson und Francis Crick veröffentlichen die Struktur der DNA Ochoa, Nirenberg, Mattei und Khorana entschlüsseln den genetischen Code 1857 Louis Pasteur entdeckt ein Milchsäuregärungs-Bakterium 1909 Wilhelm L. Johanssen führt den Begriff „Gen“ ein 1944 Avery, McLeod, McCarty entdecken 1953 die Vererbungseigenschaften der DNA 1962 Werner Arber entdeckt die Restriktionsenzyme 1966 Sanger, Maxam, Gilbert DNA-Sequenzierung Genentech Inc.: Herstellung von Somatosin Mikroskope und beschreiben höhere Zellen und Bakterien 1972 Paul Berg nutzt Restriktionsenzyme 1977 Erste Zulassung für ein rekombinantes Medikament 1978 Genentech Inc.: Herstellung von Insulin 1982 Alec Jeffries: Genet. Fingerabdruck 1984 Kary B. Mullis: Polymerase-Kettenreaktion 1985 Start des Human Genom Projekts 1990 Entzifferung des menschlichen Erbguts abgeschlossen 1983 Erstmalige Erzeugung transgener Pflanzen 1986 Erster Freilandversuch transgener Tabak 1997 Sequenzierung des Genoms 2003 von E. coli 2005 Sequenzierung des Genoms der Reispflanze abgeschlossen Informationsserie – Biotechnologie Grundlagen | 1 ZEITREISE – MEILENSTEINE DER BIOTECHNOLOGIE 1-2 Prozess des Bierbrauens Gerste und Wasser Quellen in Wasser keimen lassen erhitzen 85-100°C, Ende der Keimung zermahlen maischen, vermischen mit heißem Wasser 1 Liter Bier Trennung fester und flüssiger Bestandteile Zugabe von Hopfen hergestellt aus: - 1,3 g Hopfen - 1,3 l Brauwasser - 180 g Braugerste - ca. 10 Milliarden Hefezellen kochen der flüssigen Würze Jede Hefezelle enthält 16 Chromosomen und ca. 6.000–8.000 Gene Zugabe von Hefe abfüllen lagern Überschüssige Hefe (Nahrungsmittel) Informationsserie – Biotechnologie vergären von Zucker zu Alkohol Sud abkühlen abfangen der Hopfendolden Grundlagen | 1 ZEITREISE – MEILENSTEINE DER BIOTECHNOLOGIE 1-3 Neukombination von DNA und Transformation von Bakterien Einfügen des neuen Fragments Plasmid DNAFragment Einschleusen in die Wirtszelle Neu kombiniertes Plasmid Bakterium Genom (DNA) Genetische Grundinformation Plasmid (DNA) Genetische Zusatzinformation Informationsserie – Biotechnologie Auslese Vermehrung Klone Grundlagen | 1 ZEITREISE – MEILENSTEINE DER BIOTECHNOLOGIE 1-4 Methoden der DNA-Sequenzierung gestern mit Hilfe von 2’, 3’-Didesoxynucleotiden Base DNA-Fragment in Lösung radioaktiv markiertes Phosphat 3’ –– GGCTAACGTA –– 5’ 5’ Primer-Zugabe aufteilen in vier Portionen 1 2 3 4 + DNA-Polymerase dATP* dCTP dGTP dTTP ddGTP CCG CCGATTG “G” dATP* dCTP dGTP dTTP ddATP CCGA CCGATTGCA “A” dATP* dCTP dGTP dTTP ddTTP CCGAT CCGATT CCGATTGCAT “T” dATP* dCTP dGTP dTTP ddCTP C CC CCGATTGC “C” “G” “A” “T” “C” T 3’ A C G T T A G C C 5’ Gelelektrophorese Informationsserie – Biotechnologie Röntgenfilm und Autoradiogramm Grundlagen | 1 ZEITREISE – MEILENSTEINE DER BIOTECHNOLOGIE 1-5 Methoden der DNA-Sequenzierung heute mit Hilfe von 2’, 3’-Didesoxynucleotiden Base DNA-Fragment in Lösung ddNTP mit FluoreszenzFarbstoff markiert 3’ –– GGCTAACGTA –– 5’ 5’ Primer-Zugabe aufteilen in vier Portionen Kapillarelektrophorese 1 2 3 + C Laserstrahl C 4 + DNA-Polymerase G dATP* dCTP dGTP dTTP ddGTP CCG CCGATTG “G” dATP* dCTP dGTP dTTP ddATP CCGA CCGATTGCA “A” dATP* dCTP dGTP dTTP ddTTP CCGAT CCGATT CCGATTGCAT “T” dATP* dCTP dGTP dTTP ddCTP A T T C CC CCGATTGC G C A “C” - T Kapillare Informationsserie – Biotechnologie Photodetektion Grundlagen | 1 ZEITREISE – MEILENSTEINE DER BIOTECHNOLOGIE 1-6 Restriktionsfragmentlängenpolymorphismen (RFLP) Variante 1 Restriktionsenzym EcoRI schneidet nicht Variante 2 Restriktionsenzym EcoRI schneidet GCCGCATTCTA CGGCGTAAGAT GCCGAATTCTA CGGCTTAAGAT GCCG CGGCTTAA AATTCTA GAT Größentrennung der Fragmente im Agarosegel EcoRI ungeschnitten Abnehmende Fragmentgröße EcoRI geschnitten 1 2-1 2 homozygot heterozygot homozygot 2 homologe Chromosomen ohne EcoRI-Schnittstelle 1 Chromosom mit Schnittstelle 1 Chromosom ohne Schnittstelle 2 homologe Chromosomen mit EcoRI-Schnittstelle Informationsserie – Biotechnologie Phänotyp Grundlagen | 1 ZEITREISE – MEILENSTEINE DER BIOTECHNOLOGIE 1-7 Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) Schematische Darstellung des PCR-Zyklus 1. „Schmelzen“ des DNADoppelstrangs (Denaturierung) bei ca. 96°C 2. Primer-Anlagerung (Primerhybridisierung) bei ca. 68°C 1 2 3 3. DNA-Neusynthese ausgehend vom Primer (Elongation) bei ca. 72°C 4 4. Der erste Zyklus ist beendet 5 5. Vier PCR-Produkte nach 2. Zyklus 6 6. Acht PCR-Produkte nach 3. Zyklus Informationsserie – Biotechnologie Grundlagen | 1 ZEITREISE – MEILENSTEINE DER BIOTECHNOLOGIE 1-8 Genomprojekte: Einzelschritte und Erkenntnisse Forschungsgegenstand Genome von Viren, Bakterien, Pilzen, Tieren und Pflanzen • Bestimmung der Gesamtsequenz (Basenfolge) • Lokalisierung der Genorte • Erforschung der Genfunktionen Entzifferung der Basenabfolge eines Chromosoms Chromosomen vereinzeln Schneiden in große Fragmente A1 A2 Schneiden in mittlere Fragmente B1 B2 Erkenntnisse und Auswirkungen Mittelgroßes Fragment kopieren A1 A2 Verständnis von Erkrankungen des Menschen • Entwicklung neuer Ansätze in Vorbeugung, Diagnostik und Therapie Fragmente der Serie A und B überlappen sich Verständnis von Krankheitserregern • Entwicklung neuer Abwehrstrategien Fragmentsammlungen A und B getrennt verwalten in „DNA-Bibliotheken“ a b d e B1 Verständnis von evolutionsbiologischen Zusammenhängen • Fortschritte in der Grundlagenforschung Kopie 1 an „A“ in kleinere Fragmente schneiden Kopie 2 an „B“ in kleinere Fragmente schneiden f B2 b a Verständnis von Wild- und Kulturpflanzen • Umsetzung der Erkenntnisse in die Pflanzenzüchtung c c Bibliothek „A“ e d Bibliothek „B“ f Die Basenabfolge eines Fragments aus einer Bibliothek wird bestimmt und damit der überlappende Partner in der zweiten Bibliothek gesucht u. s. w. GGGGTTAATT a b ATTTGCCCGCGCGCGTTTAATTTAA e f TTTAATTTAAGCGATGGATGGGGTT Informationsserie – Biotechnologie c Grundlagen | 2 INDUSTRIELLE BIOTECHNOLOGIE – WAS IST DAS? 2-1 Definition der Biotechnologie und Gentechnik Was ist Biotechnologie? Der interdisziplinäre* Ansatz, biologische Systeme zu erforschen und die gewonnenen Erkenntnisse praktisch anzuwenden * Hierzu zählen die Disziplinen der klassischen und modernen Biologie, Chemie, Physik, Verfahrenstechnik, Materialwissenschaften, Informatik etc. Informationsserie – Biotechnologie Was ist Gentechnik? Ein Teilgebiet der Biotechnologie: Alle Methoden und Verfahren zur Isolierung,Veränderung und Übertragung von Erbmaterial Grundlagen | 2 INDUSTRIELLE BIOTECHNOLOGIE – WAS IST DAS? 2-2 Vorteile der Biotechnologie für die Chemieproduktion Spezifität und Selektivität Lieferung des gewünschten Endprodukts ohne Weiterverarbeitung aus einer Vorstufe Stereoselektive Synthese chiraler („händische“) Substanzen (zum Beispiel D- und L-Aminosäuren): • Keine Racemate • Keine aufwändigen Trennungsverfahren • Keine Verunreinigungen des Endprodukts Effizienz und Umweltverträglichkeit • Benötigt werden nur kostengünstige Ausgangsstoffe wie Wasser, Zucker, Salze, Sauerstoff und Kohlendioxid Biotechnologische Produktionsprozesse finden überwiegend bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck statt. Dadurch… • kann Energie gespart werden. • können Kosten gesenkt werden. • können weniger Nebenprodukte und Abfallstoffe entstehen. Informationsserie – Biotechnologie Grundlagen | 2 INDUSTRIELLE BIOTECHNOLOGIE – WAS IST DAS? 2-3 Anwendungsbereiche der Biotechnologie und Beispiele Medizin Lebensmittel Diagnostik (z. B. PCR) Medikamente (z. B. Insulin) Impfstoffe (z. B. Hepatitis-Impfstoff) Materialien für Geweberekonstruktion (z. B. biochemische Schichten) Vitamine (z. B. Vitamin C) Enzyme (z. B. Pektinasen) Aromen (z. B. Vanillin) Landwirtschaft Futterzusatzmittel (z. B. Phytase) Nachwachsende Rohstoffe (z. B. Stärke) Nahrungsmittel Haushalt Wasch- und Reinigungsmittel (z. B. Proteasen) Textilien (z. B. Cellulasen) Geruchsstoppersprays (z. B. Cyclodextrine) Industrielle Biotechnologie Informationsserie – Biotechnologie Methoden | 3 BIOLOGISCHE VERFAHREN – HELFER DER CHEMIE 3-1 Biofabrik Zelle Informationsserie – Biotechnologie Polysomen Fertigung Mitochondrium Kraftwerk Endoplasmatisches Reticulum Werksstraße Vesikel Vorratsbehälter Zellkern Management Pore Werkstor Methoden | 3 BIOLOGISCHE VERFAHREN – HELFER DER CHEMIE 3-2 Vergleich Prokaryoten / Eukaryoten Bakterienzelle Zellwand Plasmamembran Ribosom Polysom Cytoplasma Tierzelle Plasmamembran Ribosom Polysom Cytoplasma Mitochondrium Golgiapparat endoplasmatisches Reticulum Kernmembran Zellkern Nucleolus Genom Plasmid 1 µm die Zellen im Größenvergleich Informationsserie – Biotechnologie 10 µm Methoden | 3 BIOLOGISCHE VERFAHREN – HELFER DER CHEMIE 3-3 Schritte vom Isolat zum Produktionsstamm Mutation Fusion Vorrat an 1011 Genen (biologische Vielfalt) Neukombination mit einem Vektor Chemikalien oder Strahlen Basenaustausch Chromosomenkombination Selektion auf gewünschte Eigenschaften Überproduzent Informationsserie – Biotechnologie Neukombination Zusatzgene Methoden | 3 BIOLOGISCHE VERFAHREN – HELFER DER CHEMIE 3-4 Die Microarray-Technik (1 – Vorbereitung) Vorbereitung des DNA-Chips Gen 1 Gen 2 Vorbereitung der Proben Probe A: Zellen vom kranken Menschen Gen 3 Probe B: Zellen vom gesunden Menschen genomische DNA PCR mRNA Probe A 1 2 RNA-Isolierung mRNA Probe B 3 cDNA Probe A „Spotting“ von PCR-Proben als Template auf Glasträger Analyse Informationsserie – Biotechnologie Reverse Transkription und Markierung mit Fluoreszenzfarbstoffen cDNA Probe B Methoden | 3 BIOLOGISCHE VERFAHREN – HELFER DER CHEMIE 3-5 Die Microarray-Technik (2 – Analyse) 1 2 3 Hybridisierung Probe A > B Scannen und Bildauswertung Probe B > A Probe A = B Datenanalyse Informationsserie – Biotechnologie Methoden | 3 BIOLOGISCHE VERFAHREN – HELFER DER CHEMIE 3-6 Fermentationsverfahren in der Übersicht Kolonie Stammkultur Schüttelkultur Rührkultur Vorfermenter Produktionsfermenter Oberflächenverfahren Submers-Verfahren Kontinuierlicher Betrieb Diskontinuierlicher Betrieb Aufguss-Verfahren 30 - 60 % frisches Medium Nährmedien Verbrauchtes Medium Mikroorganismen Produkt Informationsserie – Biotechnologie 1x 30 - 60 % verbrauchtes Medium Methoden | 3 BIOLOGISCHE VERFAHREN – HELFER DER CHEMIE 3-7 Rührkesselfermenter und Festbettreaktor Rührkesselfermenter Festbettreaktor L-Produkt D-Substrat Sterile Nährlösung Rührwerk Abluft Sterilfilter Enzym Dampf (Sterilisation) TemperaturRegelung pHRegelung Heiz-/ Kühlwasser Polarimeter Wärmetauscher Hohlfasermodul D,L-Substrat Heiz-/ Kühlwasser Sterile Luft Prozessrechner Sterilfilter Signalleitung L-Aminosäure-Acylase N-Acetyl-D,L-Methionin Informationsserie – Biotechnologie L-Methionin + N-Acetyl-D-Methionin + Acetat Methoden | 3 BIOLOGISCHE VERFAHREN – HELFER DER CHEMIE 3-8 Sicherheitsstufen für gentechnische Arbeiten Risikogruppen (WHO) Sicherheitsstufen Sicherheits- Beschreibung stufe Gentechnische Arbeiten, bei denen nach dem Stand der Wissenschaft Viren Pilze Bakterien SicherheitsStufen/ Risikogruppen Impfstämme Masernvirus Penicillium Camemberti Candida E. coli K 12 Salmonellen 1 2 Informationsserie – Biotechnologie HBV, HIV Pockenvirus Histoplasma – MilzbrandBakterien – 3 Zunehmendes Risiko 4 S1 nicht von einem Risiko S2 von einem geringen Risiko S3 von einem mäßigen Risiko S4 von einem hohen Risiko (oder begründeten Verdacht eines hohen Risikos) für Mensch und Umwelt auszugehen ist Methoden | 3 BIOLOGISCHE VERFAHREN – HELFER DER CHEMIE 3-9 Transgene Pflanzen: Vom Labor bis zur Marktzulassung Stufen der Zulassung gentechnisch veränderter Pflanzen Steigende Zahl der zu untersuchenden Faktoren Umweltbeobachtung 10-15 Jahre Anbau begleitendes Monitoring Freisetzung begleitende Sicherheitsforschung Experimentelle Sicherheitsforschung Genehmigung Freisetzung Labor/Gewächshaus Informationsserie – Biotechnologie Genehmigung Inverkehrbringen Freilandversuche Ende der befristeten Anbaugenehmigungen Landwirtschaftlicher Anbau Zeit Produkte | 4 KLEINE MOLEKÜLE – GROSSE BEDEUTUNG 4-1 Niedermolekulare Produkte der Biotechnologie (Beispiele) Stoffgruppe Chemikalie Vitamine Vitamin B12 (Cyanocobalamin) Vitamin C (Ascorbinsäure) Aminosäuren L-Glutaminsäure L-Lysin Carbonsäuren Zitronensäure Milchsäure Gluconsäure Alkohole Quelle: DECHEMA e.V., November 2004 Informationsserie – Biotechnologie Bioethanol Produkte | 4 KLEINE MOLEKÜLE – GROSSE BEDEUTUNG 4-2 Anwendungen von Cystein und Cystin 2 x Cystein • Erhöhung des Gashaltevermögens von Backwaren • Verbesserung der Elastizität und der Knetfähigkeit der Teige • Abrundung und Verstärkung von Fleischund Röstaromen (Zusatz als künstliches Fleischaroma für vegetarische Lebensmittel) • Zusatz zu Diätzubereitungen, Futtermitteln, Arzneimitteln und Kosmetika Informationsserie – Biotechnologie Cystin • Mehlbehandlungsmittel zur Beschleunigung der Mehlreifung • Abrundung und Verstärkung von Fleischund Röstaromen • Zusatz zu Diätzubereitungen, Futtermitteln, Arzneimitteln und Kosmetika Produkte | 4 KLEINE MOLEKÜLE – GROSSE BEDEUTUNG 4-3 Die Verfahren der Vitamin B2-Synthese Klassische Methode: Chemischer Prozess Glukose K-Arabonat Moderne Methode: Biotechnologischer Prozess Biomasse Vorteile Ribonolacton Ca-Arabonat Ribose Ca-Ribonat Ribitylxylidin Vitamin B2 Informationsserie – Biotechnologie Vitamin B2 • Deutlich gesteigerte Produktionsmenge • 40 % weniger Produktionskosten • 30 % weniger CO2Ausstoß • 60 % weniger Rohstoffverbrauch • 95 % weniger Abfallprodukte Produkte | 4 KLEINE MOLEKÜLE – GROSSE BEDEUTUNG 4-4 Arten und Strukturen der Cyclodextrine Arten von Cyclodextrinen Schematische Darstellung des molekularen Aufbaus der Cyclodextrine Hydrophober Hohlraum Hydrophob: C-H und C-O zeigen nach innen Hydrophil: O-H zeigt nach außen Hydrophile Hülle Informationsserie – Biotechnologie Produkte | 4 KLEINE MOLEKÜLE – GROSSE BEDEUTUNG 4-5 Gleichgewichtsreaktion bei der Cyclodextrin-Synthese Gasphase GGas Cyclodextrin-Herstellungsverfahren Komplexbildung Flüssigkeit (wässrige Phase) Ggelöst fest/flüssig Gungelöst CDgelöst [G-CD]gelöst Komplexdissoziation CDungelöst G = Gastmolekül + CD = Cyclodextrinmolekül [G-CD] = Komplex Informationsserie – Biotechnologie [G-CD]ungelöst Entfernung aus dem Gleichgewicht Produkte | 4 KLEINE MOLEKÜLE – GROSSE BEDEUTUNG 4-6 Anwendungen von Cyclodextrinen Krankenpflege Nahrungsmittel Pharmazie Haushalt Landwirtschaft Textilien Biozide Verpackungsmaterial Duftstoffe Chemische Synthesen Informationsserie – Biotechnologie Natürliche Heilmittel Produkte | 5 TECHNISCHE ENZYME – MEISTER DER KATALYSE 5-1 Enzyme in der Lebensmittelherstellung Biotechnologisch hergestellte Enzyme (Beispiele) Enzym Wirkung Anwendung β-Galactosidase Wandelt den Zucker Lactose in Lactulose um Zuckerspezialitäten für den Pharma-, Lebensmittel- und Tierfuttersektor Aminopeptidasen Spalten einzelne Aminosäuren von bestimmten Proteinen ab Änderung des Aromaprofils von Käse, Fleisch und Gewürzen Cellulasen Spalten das pflanzliche Polysaccharid Zellulose Getränke- und Spirituosenherstellung (z. B. Herauslösen von Gerbsäure aus Traubenschalen) Glucose-Isomerase Wandelt Traubenzucker (Glukose) in Fruchtzucker (Fruktose) um Herstellung von Fruktosesirup als Süßmittel für Limonade und Colagetränke Hexoseoxydase (HOX) Wandelt eine Vielzahl von Zuckern (z. B. D-Glukose, D-Galaktose Maltose, Laktose) in Laktone und Wasserstoffperoxid um z. B. Backindustrie (Steigerung der Teigstabilität, Volumenvergrößerung bei Brot) Laccase Wandelt Phenole in Chinone und Wasser um, wobei Sauerstoff verbraucht wird z. B. in Produkten zur Atemerfrischung (Pfefferminz, Kaugummi): die gebildeten Chinone reagieren in der Mundhöhle mit geruchsbildenden Schwefelverbindungen und neutralisieren diese Pektinesterasen Spalten eine bestimmte Bindung in der pflanzlichen Gerüstsubstanz Pektin z. B. in der Saftherstellung zur Entfernung von Trübstoffen oder Erhöhung der Saftausbeute Informationsserie – Biotechnologie Produkte | 5 TECHNISCHE ENZYME – MEISTER DER KATALYSE 5-2 Enzyme in der Textil- und Waschmittelindustrie Biotechnologisch hergestellte Enzyme (Beispiele) Enzym Wirkung Anwendung Proteasen Spaltung von Proteinen Gegen Ei-, Blut-, Milch- und Spinatflecken Lipasen Spaltung von Fetten Gegen Verschmutzungen durch Salatöl, Bratenfett, Kragenfett (Talg) und Kosmetika Cellulasen Spaltung des pflanzlichen Polysaccharids Zellulose Anwendung beim „Biostoning“ von „stonewashed“ Jeans: Entfernung von Baumwollfusseln, Konservierung der Glätte und Farbe von Textilien Amylasen Spaltung des pflanzlichen Polysaccharids Stärke Gegen Flecken von Kartoffelbrei, Schokolade oder Pudding Informationsserie – Biotechnologie Produkte | 6 PHARMAWIRKSTOFFE – HEUTE UND MORGEN 6-1 Vorteile rekombinanter Medikamente Neue Behandlungsstrategien (z. B. monoklonale Antikörper) Bessere Verfügbarkeit (z. B. Erythropoietin) Vermindertes Infektionsrisiko (z. B. Faktor VIII) Höhere Wirksamkeit und geringere Nebenwirkungen (z. B. Gewebe-Plasminogenaktivator) Umweltverträgliche und wirtschaftliche Produktion (z. B. Insulin) Informationsserie – Biotechnologie Produkte | 6 PHARMAWIRKSTOFFE – HEUTE UND MORGEN 6-2 Die wichtigsten rekombinanten Medikamente Substanz Anwendung Proteinwirkstoffe Substanz Anwendung Therapeutische Antikörper Erythropoietin Anämie (Blutarmut) Basiliximab Verhinderung der Abstoßungsreaktion nach Nierentransplantationen Faktor VIII Hämophilie (Bluterkrankheit) Gewebeplasminogenaktivator (tPA) Blutgerinnsel bei Herzinfarkt Infliximab Morbus Crohn Rituximab Non-Hodgkin-Lymphom Humaninsulin Diabetes mellitus Typ I Trastuzumab Brustkrebs Interferon alpha Viruserkrankungen, Tumortherapie Kolonien stimulierender Faktor für Granulozyten (G-CSF) Leukämie, Krebsbehandlung Substanz Anwendung Interferon beta 1a,b Multiple Sklerose Hepatitis-B-Antigen Vorbeugung gegen Hepatitis Somatotropin Hormonell bedingter Kleinwuchs Diphterietoxin Vorbeugung von Lungeninfektionen bei Kindern Informationsserie – Biotechnologie Impfstoffe Produkte | 6 PHARMAWIRKSTOFFE – HEUTE UND MORGEN 6-3 Struktur und Wirkung von gentechnisch verändertem t-PA NH2 NH2 COOH COOH Gewebe-Plasminogenaktivator Rekombinanter Gewebe-Plasminogenaktivator • Wirkstoff löst Blutgerinnsel auf, Verabreichung bei akutem Herzinfarkt • Bessere Wirkung bei geringeren Konzentrationen • Kurze Verabreichungsdauer bei längerer Verweilzeit im Körper Informationsserie – Biotechnologie Produkte | 6 PHARMAWIRKSTOFFE – HEUTE UND MORGEN 6-4 Struktur und Wirkung von Trastuzumab Normale Zelle Tumorzelle Molekülmodell von Trastuzumab (ein monoklonaler Antikörper) HER2-Gen Genamplifikation Überexpression HER2-Protein des HER2-Gens (10- bis 100-fach) Zelloberfläche mit extrazellulären Regionen des HER2-Proteins Quelle: Roche Informationsserie – Biotechnologie Trastuzumab • Hemmung der Zellteilung bindet selektiv an die extrazelluläre Region des HER2-Proteins • Zerstörung der Krebszelle durch das Immunsystem Produkte | 6 PHARMAWIRKSTOFFE – HEUTE UND MORGEN 6-5 Immunologischer Nachweis des Vogelgrippe-Erregers H5N1 ELISA (Enzyme Linked Immuno-Sorbent Assay) Zugabe der zu untersuchenden Probe Mikrotiterplatte (beschichtet mit anti-H5N1-Antikörper) Bindung des Virusproteins an den oberflächengebundenen Antikörper 1 Waschen Entfernen ungebundener Proteine Zugabe eines enzymgekoppelten Anti-H5N1Antikörpers 2 Bindung des Antikörpers 2 an das H5N1-Protein, anschließend 1x Waschen Informationsserie – Biotechnologie Zugabe von Farbreagenz (farblos) Farbreaktion durch Enzym am zweiten Antikörper Produkte | 6 PHARMAWIRKSTOFFE – HEUTE UND MORGEN 6-6 Aufbau und Wirkung von Neuraminidasehemmern Grippevirus 1. Grippeviren gelangen in die Atemwege 2. Sie heften sich mit Hilfe des Hämagglutinins an die Schleimhautzellen an und dringen in diese ein. Hämagglutinin 3. Die Viren nützen die Zellen zur Vermehrung. 4. Der Neraminidasehemmer blockiert die Neuraminidase, die das Ablösen des Virus von der Zelle ermöglicht. Neuraminidase Schleimhautzelle Neuraminidasehemmer Aufbau eines Neuraminidasehemmers Informationsserie – Biotechnologie Produkte | 6 PHARMAWIRKSTOFFE – HEUTE UND MORGEN 6-7 Phasen der Impfstoffentwicklung Grundlagenforschung und Entwicklung (2 bis 4 Jahre) Klinische Prüfung in drei Phasen (5 bis 7 Jahre) Identifikation der Substanz als geeigneter Wirkstoffkandidat Sicherheit Präklinik Testsysteme, Versuche an Labortieren Phase I <100 freiwillige Teilnehmer Informationsserie – Biotechnologie Sicherheit und Immunantwort Phase II >100 freiwillige Teilnehmer Behördliche Registrierung und Zulassung (1,5 Jahre) Sicherheit, Immunantwort und Wirksamkeit Phase III >1.000 freiwillige Teilnehmer Ausblick | 7 VON BAKTERIEN ZU BIOABBAUBAREN KUNSTSTOFFEN 7-1 Anwendungen mikrobieller Polymere Polymeranreicherung Polymer-Granula Polymer-Moleküle in Form von Körnchen (Granula) Medizin Biologisch resorbierbares Nahtmaterial Bakterien Landwirtschaft Mulchfolien isolieren reinigen Gebrauchsgüter Kompostierbare Tragetüten Automobil Elektro Bauwesen Informationsserie – Biotechnologie Ausblick | 8 DIE PFLANZE ALS BIOFABRIK 8-1 Anwendungen der Pflanzenbiotechnologie Proteine für die Human- und Tiermedizin in Pflanzen „Molecular Pharming“ z. B. Enzyme für die Diagnostik, Impfstoffe, Blutproteine, therapeutische Antikörper Optimierte Nutzpflanzen für die industrielle Stoffproduktion z. B. veränderte Öl-/Fettsäurezusammensetzung, Verringerung des Ligninanteils in Holz für die Papierindustrie, Bildung von Biopolymeren oder Enzymen Verbesserte Eigenschaften von Pflanzen für den Abbau von Umweltschadstoffen in belasteten Böden Verbesserte Inhaltsstoffe in Futterpflanzen Verbesserte Inhaltsstoffe in Nahrungspflanzen z. B. leichtere Verdaubarkeit, Erhöhung des Anteils essenzieller Aminosäuren z. B. gesündere Fettsäurezusammensetzung, geringeres Allergiepotenzial Informationsserie – Biotechnologie Ausblick | 8 DIE PFLANZE ALS BIOFABRIK 8-2 Chemische Stärkemodifikation und Amylopektinkartoffel Jodfärbung der Amyloplasten Verzweigtes Amylopektin AmylopektinKartoffel Stärkemolekül (Ausschnitt) Verzweigung Konventionelle Kartoffel Verlängerung Lineare, helikale Amylose Jod lagert sich in „Schlaufen“ des Amylose-Moleküls ein Informationsserie – Biotechnologie Ausblick | 9 BIOTECHNOLOGIE UND MEER 9-1 Anwendungen der marinen Biotechnologie Antibiotika Virostatika z. B. Wirkstoffe aus Cyanobakterium Lyngbya majuscula z. B. Herpesmittel aus Schwämmen Krebsmedikamente Lebensmittelzusatzstoffe z. B. Leukämie-Wirkstoff aus dem Mittelmeerschwamm Ircinia fasciculata z. B. β-Carotin aus der australischen Meeresalge Dunaliella salina Zusatzstoffe für Kosmetika Robuste Industrie-Enzyme z. B. Schwamm-Kollagen z. B. aus „hitzeliebenden“ (thermophilen) Bakterien Informationsserie – Biotechnologie
