biotechnologie

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