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BIOTECHNOLOGIE Der Schlüssel zum 21. Jahrhundert? 21. Januar 2004 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Was ist Biotechnologie? …the application of scientific and engineering principles to the processing of materials by biological agents (Definition OECD) Chemie Biotech nologie Biologie Technik 21. Januar 2004 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Biotechnologie heute WEISSE BT Grundlagenforschung GRÜNE BT Identifizierung von Anwendungen im zur Awendungen als Alternative Biotechnologie im Agrarsektor Meeresorganismen mit Gesundheitswesen chemischen Industrie BLAUE BT biotechnologischem Anwendungspotenzial ROTE BT 21. Januar 2004 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Industrielle Prozesse, basierend auf biologischen Systemen, zum Beispiel.... W E I S S E B I O T E C H N O L O G I E 21. Januar 2004 ganzen Zellen Bakterien Hefen Pilze isolierten Enzymen Pflanzliche Öle Zellulose Stärke nachwachsenden Rohstoffen Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie B.Hauer, BASF Parameter für biotechnologische Prozesse Chemikalien Produktionsvol. [t a-1] Raum-Zeit Ausbeute [Mol Produkt L-1 d-1] Produkt Konzentrationen Prozess Biokatalysator Kosten / kg P 21. Januar 2004 Bulk Fein > 1000 100-1000 30-30000 0.03-0.3 >10% kontinuierlich < 0.5 1-10% batch 4-5 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie AUSWIRKUNG AUF DIE CHEMISCHE INDUSTRIE IN 2010 Abhängig von... 2004 • Technologie Entwicklung 20% • Welweite Nachfrage • Rohstoffpreise 10% 2000 • Politische Rahmenbedingungen Zeit 2010 McKinsey Analyse: Auswirkungen der Biotechnologie auf die chemische Industrie 21. Januar 2004 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Welche Enzyme werden als Biokatalysatoren genutzt? Oxidation 25% 28% Ganze Zellen Reduktion ~ 1% 4% Isomerasen ~ 5% 12% Lyasen Oxidoreduktasen Transferasen ~ 5% 11% Hydrolasen 65% 45% Straathof, A., Panke S., Schmid A. (2002) Curr. Opin. Biotechnol. 13, 548-556 Faber, K. (2000) Biotransf. in Org. Synthesis, Springer 4th ed. 21. Januar 2004 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Produkte Andere: achirale chirale Kohlenhydrate Fettsäuren Nucleotide Steroide sec-Alkohole Aminosäuren Peptide / -lactam Antibiotika Straathof, A., Panke S., Schmid A. (2002) Curr. Opin. Biotechnol. 13, 548-556 Nachhaltige Bioprozesse in der chemischen Industrie Produkt SO42- Entfernung 7-ACA Katalysator Unternehmen Sulfat-reduzierende Mikrobe D-Amino acid Oxidase Glutaryl Amidase BudelZink Biochemie H2O2 Entfernung aus Textilien Katalase Windel Vitamin B2 Hefe BASF Indigo Naphthalin Dioxygenase Gencore 21. Januar 2004 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Production von 7-ACA B I W O T E E I C S H S N E O L O G I E 21. Januar 2004 S H2N N O O COOH O 7 – Amino – Cephalosporanic Acid Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Fakten B I W O T E E I C S H S N E O L O G I E 21. Januar 2004 Prozessentwicklung von Hoechst, später gekauft und optimiert von Biochemie, NovartisGenerics Grund: Zusätzliche Steuer auf Sondermüll (Verbrennung) 7-ACA spielt eine zentrale Rolle in der Synthese von semisynthetischen Cephalosporinen Nachfrage: 2000 t pro Jahr Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Synthese von 7-ACA H N HOOC (ZnCPC) SI HN N O D-AAO O COOH TMSCI H N O O NH2 S O S SI O O N H N HOOC O S O COOH T< 0oC HN O O O O O PCl5 COOH O spontan SI O N S SI Cl O N N O HOOC O COOH T< 0oC Hydrolyse H N O O S N O O H2N COOH S N O O COOH O Glutaryl amidase O 7-ACA Prozess im Überblick B I W O T E E I C S H S N E O L O G I E 21. Januar 2004 Enzymproduktion E. Coli; Trijonopsis variabilis Batch Reaktor (10000L) Enzym reinigung Immobilisierung (Eupergit) Produktkristallisation 2000 t a-1 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Chemisches Verfahren B I W O T E E I C S H S N E O L O G I E 21. Januar 2004 Gebrauch von N,N–dimethylanilin, (CH3)3SiCl, PCl5 GIFTIG Schutzgasatmosphäre Niedrige Temperaturen <0oC hoher Energieaufwand Aufwendige Abluftreinigung Aufwendige Abwasserreinigung Schwermetal Entsorgung (Verwendung von Zn-Salzen) Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Biotechnologischer Proze B I W O T E E I C S H S N E O L O G I E 21. Januar 2004 Keine giftigen Chemikalien Keine Lösungsmittel (I) Raumtemperatur Keine zusätzliche Abwasser Reinigung Stark reduzierte Abluftemissionen Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie OECD 2001 Vergleich B I W O T E E I C S H S N E O L O G I E 21. Januar 2004 Chemisch BT Sondermüll (Verbrennung) 100 0.7 Abwasser 100 90 Lösungsmittel (1) 100 0 Lösungsmittel (2) 100 2.5 Energie 100 80 Zinkabfall 100 0 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Indigo Indigofera tinctoria Pseudomonas putida 21. Januar 2004 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Traditionell Indigofera Blätter Fermentation (Gärung) Oxidation zum Indigo „Schlagen” der Fermentationsbrühe Wasserunlösliche Paste Indigofera tinctoria 21. Januar 2004 Indoxyl Reduktion im Färbesud = Küpe Trocknen = Rückoxidation zum Indigo Färben Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Chemisch A. Baeyer 1878 (BASF) Heumannsches Verfahren (seit 1890) NH CH2 COOH +NaNH2 H N Na+ 180-200oC KOH - NaOH Früher Gewinnung von N-Phenylglycin aus Anilin u. Chloressigsäure heute durch Hydrolyse von Anilinoacetonitril OH +O2 Indigo Ensley, Ratzkin, Osslund, Simon, Wackett, Gibson; 1983, Science, 222:167-169 Prozessentwicklung (I) COOH N H NH2 Tryptophanase In rekombinatem E. Coli N H Naphthalen Dioxygenase OH Luft O N H 21. Januar 2004 H N N H OH spontan N H OH O Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Prozessentwicklung (II) P R O B L E M E 21. Januar 2004 Niedrige Naphthalen Dioxygenase Aktivität Indol Konzentrationen >400mg L-1 sind toxisch durch Inaktivierung des Ferredoxin Systems Hohe Indirubin Konzentration Farbstoff zu rot Indol und Tryptophan als Ausgangsmaterial sind zu teuer Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Prozessentwicklung L Ö S U N G 21. Januar 2004 Konstruktion von besseren Plasmiden mit starken Promotorsequenzen Höhere Oxygenaseaktivität in E. coli. Klonierung der Ferredoxingene Höhere Konzentration in der Zelle Site Directed Mutagenesis der Ferredoxingene stabileres Ferredoxin Einführen einer Isatin Hydrolase reduzierter Indirubin Gehalt Metabolic Engeneering Glukose als Ausgangsmaterial billig Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Bialy, Nat. Biotech. (1997) 15: 110 Indigo via moderner Biotechnologie E R G E B N I S Glukose N H NH2 Tryptophanase N H Naphthalen Dioxygenase OH Luft O N H 21. Januar 2004 COOH H N N H OH spontan N H OH O Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Ergebniss Genencor, USA 21. Januar 2004 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Biotechnologische Prozesse für den Umweltschutz B I W O T E E I C S H S N E O L O G I E 21. Januar 2004 Indikatorsysteme, basierend auf enzym-katalysierten Reaktionen Reinigung von kontaminierten Böden Wässern Luft durch Mikroorganismen Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Äussere Symptome der Arsenicosis B I W O T E E I C S H S N E O L O G I E 21. Januar 2004 Blackfoot Krankheit Haut Pigmentierung Quelle: Alexander J.B. Zehnder & Jan Roelof van der Meer, EAWAG Zusammenarbeit mit Sylvia Daunert, Universität von Kentucky Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Verbreitung von Arsen belastetem Grundwasser Vietnam 3.6 n 11 Mio.? Nepa l Pakistan Laos Kambodia mg L-1 21. Januar 2004 Thailand Sumatra n natural a anthropogenic m mineral wastes Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Quelle: Prof. Alexander J.B. Zehnder, EAWAG Arsenresistenz in Prokaryonten B I W O T E E I C S H S N E O L O G I E 21. Januar 2004 As(III) ArsAB ArsC As(V) As(III) As(III) arsR ArsR arsD As(III) arsA arsB arsC Bakterienzelle Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Reportergen lacZ kodiert ß-Galaktosidase Stammt aus dem lac-Operon von E.coli ß-Galaktosidase spaltet X-Gal blaue Farbe CH OH 2 H N CH2OH HO HO O O Cl O OH H N Br HO OH H N Br 21. Januar 2004 OH + OH OH Cl O O Cl Cl Br Br N H Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Quelle: Prof. Alexander J.B. Zehnder, EAWAG Entwicklung eines Arsenit Indikators 0 ArsR LacZ 12 arsR 24 62 µgL-1 21. Januar 2004 lacZ ArsR Aufgrund des Expressionsmechanismus der ars Gene, kommt es immer zu einer Hintergrundreaktion Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Quelle: Prof. Alexander J.B. Zehnder, EAWAG Reduktion der Hintergrundreaktion ‚AUS‘ arsR ArsR ‚AN‘ lacZ ArsR arsR LacZ lacZ As(III) As(III) ArsR ArsR LacZ LacZ LacZ 21. Januar 2004 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Quelle: Prof. Alexander J.B. Zehnder, EAWAG Fertiges Produkt Lyophilisierte E. coli werden zusammen mit einer x-Gal Lösung auf die Testplättchen aufgebracht Einfach zu verwenden Einfach aufzubewahren Sehr empfindlich µgL-1 15 µgL-1 60 µgL-1 8 µgL-1 40 µgL-1 4 µgL-1 30 µgL-1 0 µgL-1 80 Inkubations Temperatur: 30 oC Inkubationszeit: 30 min Farbentwicklung: 30 min 21. Januar 2004 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Prof. Engesser, Uni Stuttgart Biologische Abluftreinigung (B-ALR) Ca. 15 bis 20 % aller industrieller Emissionen können durch biologische Verfahren gereinigt werden Beispiel: Druckereiabluft CnHn+2: n-Hexan, n-Heptan Ester: Ethylacetat, 1-Propylacetat, 2-Propylacetat Ether: Methoxypropanol, Ethoxypropanol Ketone: Aceton, 2-Butanon Alkohole: Ethanol, 1-Propanol, 2-Propanol, 1-Butanol, 2-Butanol 21. Januar 2004 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Prof. Engesser, Uni Stuttgart Der Biowäscher Der „klassische“ Biowäscher besteht aus der Kombination zweier Verfahren: Absorption von gasförmigen Abluftstoffen in einem Wäscher + Biologischer Abbau dieser Stoffe in einem Belebungstank 21. Januar 2004 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Prof. Engesser, Uni Stuttgart Funktionsschaubild Reinluft Abluft Belebungsbecken Prof. Engesser, Uni Stuttgart B I O L O G I S C H E A B L U F T R E I N I G U N G 21. Januar 2004 Think Big…. Sammlung Abluft Belebungs becken Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Prof. Engesser, Uni Stuttgart Füllkörper der Wascheinheit Polystyrolringe zur Oberflächenvergrösserung besserer Übergang der gasförmigen Abluftinhaltsstoffe in die Waschflüssigkeit Ein Aufwuchs von Mikroorganismen ist nicht beabsichtigt! 21. Januar 2004 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Prof. Engesser, Uni Stuttgart Abbau durch MOs im Belebungsbecken 1010 bis 1011 Zellen pro ml (OD546 > 60) hohe morphologische Diversität Pilzdichte: 107 bis 108 KBE vor allem Hefen und hyphenbildende Pilze 21. Januar 2004 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Prof. Engesser, Uni Stuttgart Biotech E suuberi Sach?! Clogging der Packung Verstopfung des Gitterrosts 21. Januar 2004 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Prof. Engesser, Uni Stuttgart Voraussetzungen und Nachteile der BIO-ALR Voraussetzungen: Abluft muss richtige Temperatur haben Abluft muss richtige Feuchte haben Abluft muss frei von Fetten und Stäuben sein Nachteile / Probleme: Schlechtes Übergangsverhalten gas / flüssig bei einigen Stoffen Keine Konvektion im Biofilm, nur Diffusion Aufzucht stabiler Biozönosen Clogging 21. Januar 2004 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Prof. Engesser, Uni Stuttgart Vorteile Hoher Wirkungsgrad bzgl. der erforderlichen Geruchsminderung. Dynamisches System Geringe Betriebskosten Durch den biologischen Abbau der Schadstoffe wird das Problem nicht von der Abluft in andere Kompartimente verlagert Es entstehen keine Sekundäremissionen 21. Januar 2004 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Grüne Biotechnologie G R Ü N E B I O T E C H N O L O G I E 21. Januar 2004 Alle Anwendungen von Biotechnologie im Agrarsektor transgene Pflanzen mit Schädlingsoder Herbizidtoleranz transgene Pflanzen mit höheren Erträgen Functional Food Nutraceuticals Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie ISAAA Weltweiter Anbau von GenTechPflanzen G R Ü N E B I O T E C H N O L O G I E 21. Januar 2004 18 Länder ges. Industriestaaten Entwicklungsländer 70 60 50 40 30 20 10 0 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 Zunahme um 15% zw 2002 und 2003 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie National Center for Food & Agricultural Policy Transgene Nutzpflanzen— ein kontroverses Thema G R Ü N E B I O T E C H N O L O G I E 21. Januar 2004 Pro Medizinischer Nutzen Schädlingsresistenzen Weniger Pestizide Lösung des Ernährungsproblem der Dritten Welt Signifikante Ertragssteigerung Einsparungen von Anbaufläche Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Transgene Nutzpflanzen— ein kontroverses Thema G R Ü N E B Unkontrollierten Ausbreitung I Contra Rückgang der genetischen Vielfalt O Negative Auswirkungen auf das T E Ökosystem C Unkontrollierter Gentransfer Entstehug H N von resistenten Schädlingen O Angst vor negativen Auswirkungen auf den L Menschen (z.B. Allergien) O G Deklarierungsproblematik I E Mangelnde Akzeptanz beim Endverbraucher 21. Januar 2004 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Goldener Reis G R Ü N E B I O T E C H N O L O G I E 21. Januar 2004 Prof. Dr. Ingo Potrykus (re) Prof. Dr. Peter Beyer (li) Ye, X., Al-Babili, S., Kloti, A., Zhang, J., Lucca, P., Beyer, P., Potrykus, I. (2000), Science, 287, 303 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Motivation G R Ü N E B ½ Mio Kinder 1-2 Mio Kinder I sterben jährlich O erblinden jährlich T E erhöhte C Vitamin A Nacht Infektions H Mangel N blindheit anfälligkeit O L Xero Wachstums O phthalmie störung G I 500 000 Millionen E Menschen sind weltweit betroffen 21. Januar 2004 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Vitamin A & Reis — keine Liebesbeziehung G R Ü N E B I O T E C H N O L O G I E 21. Januar 2004 Grundnahrungsmittel für 2 Milliarden Menschen Hoher Fettsäuregehalt in der Schale, wenig Vit. A Kein Vitamin A im Endosperm GGPP im Endosperm Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Synthese von Vitamin A G R Ü N E B I O T E C H N O L O G I E 21. Januar 2004 GGPP (C20) Phytoen Synthase Phytoen (C40) Phytoen Desaturase -Carotin (C40) -Carotin Desaturase ß-Carotin Lycopen (C40) Lycopen Cyclase Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Methode psy & lyc Narcissus pseudonarcissus + crtI Erwinia uredova + Japonica Taipei 302 Golden rice 1.6 g g-1 -Carotin 21. Januar 2004 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Status Quo G R Ü N E B I O T E C H N O L O G I E 21. Januar 2004 (2001) Konstruktion einer tropischen Golden Rice Sorte mit Hilfe der gleichen Technologie Erhöhung der -Carotin Produktion durch klassische Selektion Sondierung sinnvoller Anbaugebiete Erhöhung der Akzeptanz in der Öffentlichkeit Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie Biotechnologie Der Schlüssel zum 21. Jahrhundert? Quellennachweis http://www.europabio.org http://www.isaaa.org http://www.transgen.de http://www.degussa-foodingredients.de http://www.cato.com/biotech http://www.ncfap.org http://www.oecd.org http://www.uni-stuttgart.de/siwa/alr http://www.eawag.ch A. Liese, K. Seelbach, C.Wandrey, (2000) Industrial biotransformations, Wiley-VCH, Weinheim The Application of Biotechnology to Industrial Sustainability (2001), OECD
