Viren und Zellen Welche biologischen Agenzien werden genutzt

Viren und Zellen
ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder
Die Organisationsstufen biologischer Systeme am Beispiel der Pflanzen. Jede Stufe
symbolisiert ein Komplexitätsniveau. In der Biotechnologie interessieren wir uns für die
Bereiche von den Makromolekülen bis zur Organisationsstufe der Zellen.
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Welche biologischen Agenzien werden genutzt?
• Viren
• Bakterien
• Pilze
• Algen
• Pfanzliche Zellen
• Tierische Zellen
(animalische Zellen)
• Menschliche Zellen
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• Teile von Zellen: Organellen,
Enzyme, Antikörper, DNS etc.
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Grössenvergleich
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Mikrobielle Lebensformen (Mikroorgamismen)
• Plasmide und Viren sind keine selbstständigen Lebensformen
Plasmide («nackte DNS»)
Viren («verpackte DNS»)
• Prokaryonten:
Bakterien (inkl. Blaualgen)
• Eukaryonten:
Pilze
Protozoen
Algen
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einzelne Zellen von Pflanzen, Tieren und Mensch
• In der Biotechnologie ebenfalls genutzt (gehören nicht zu den Mikroorgansimen)
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Die 5 „Königreiche“ des Lebens
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Viren
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Wichtigste Charakteristika
– Keine selbstständigen Lebensformen: Sind für Vermehrung
auf lebende Zellen angewiesen
– Grösse: 10 bis 400 nm (Länge bis rund 2 µm)
– Kein eigener Stoffwechsel
– Enzyme teilweise vorhanden
– Erbsubstanz DNS oder RNS
– Hülle (Capsid) aus Capsomeren aufgebaut
– Wirtsspezifität
– Bakterienviren werden Phagen genannt
– Gentechnologie: Für den Gentransfer verwendbar
(„Genfähren“, „Vektoren“)
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Verschiedene
Formen von Viren
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Human Immunodeficiency Virus, HIV
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DNA-Viren
1250x10
730x15
300x18
130x25
Citrus-Tristeza
Rübenvergilbung
Kartoffel-Y-Mosaik
Tabakmosaik
Gerstenstreifenmosaik
Virusgruppe
2000x10
Tollwut
Grösse nm Symptom/Krankheit
Ausgewählte Viren
RNA-Viren
Virusgruppe
300x80
Mumps, Masern, Röteln
Adenoviren
Grippe (Typ A, B, C)
Harmlose Infekte mit Schnupfen,
Erbrechen, Durchfall
A-Gruppe: Enzephalomyelitis
Papovaviren
Arboviren
60-70
Pockenviren
150-220
B-Gruppe: Gelbfieber
Pflanzenviren
Tollwutviren
20-50
Echte Pocken (Variolavirus)
Kaninchenmyxotose
Kuhpocken, Vakzinia
Herpes simplex, Windpocken
x
100-150
Bronchialkatarrh
Nasen-/ Rachenentzündungen
750x5
20-30
40-55
T-Phagen
Stabförmige Phagen
Kugelphagen (P)
Papillome (Warzen)
Bindehautentzündung
200x70
9
10
70-85
170-270
140-380
Grösse nm Symptom/Krankheit
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Herpesviren
Myxoviren
20-30
Pappataci-Fieber
Picornaviren
80-120
20-25
Reoviren
20-35
Rhinoviren: Schnupfen
Bakterioviren
Enzephalomyokarditis-Virus
(Bakteriophagen)
MKS-Viren: Maul- und
Klauenseuche
Enteroviren: Polimyelitis, ECHO
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Biotechnologische Anwendungen von Viren
• Massenzüchtung
– Herstellung von Impfstoffen
– Herstellung von Diagnostika (Medizin)
• Gentechnologie, Gentherapie
– Verwendung für den Gentransfer (Vektor)
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• Schädlingsbekämpfung
– Verwendung als biologisches Gift
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Bakterien
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Einzeller
Grösse 0.5 bis 20 µm (Rekord: ca. 1 mm)
Kein Zellkern
Keine oder nur geringe interne Gliederung (Organellen,
Kompartimente)
Kein Cytoskelett
DNS ist ringförmiges Fadenmolekül
Unterschiede bei der Transskription und Translation im
Vergleich zu den Eukaryonten
Einfachere Kontrollsysteme zur Regulation der Genaktivität
im Vergleich zu den Eukaryonten
Vermehrung durch Teilung
Kurze Generationszeiten (Minuten)
Extrachromosomales Erbmaterial vorhanden: Plasmide
Zellwand mit Zellmenbran und Mureinschicht
• Wichtigste Charakteristika von Bakterien
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Bakterien auf der Nadelspitze
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Formen und Struktur von Prokaryonten
Grössenvergleich (s.
Massstäbe 1 µm) und
Formenvielfalt
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DNA
(Nukleoid)
Li = Lipidtropfen
N = Nukleoid
PHB = Polyhydroxybuttersäure
Pi = Pili
Pl = Plasmid
Po = Phosphatgranula
S = Schwefeleinschlüsse
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Zw = Zellwand
Cm = Zellmembran
Cp = Cytoplasma
Ge = Geissel
Gly = Glykogengranula
Ka = Kapsel
Rb = Ribosomen
Grundstruktur eines Bakteriums
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NZZ 21.4.1999
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Nachdem die NASA 1997 behauptet hatte in
einem Marsmeteoriten Mikroben in der Grösse
von 20 bis 50 nm gefunden zu haben, ging die
Diskussion los, wie klein denn ein
lebensfähiges Lebewesen(Bakterium) sein
könnte, unter der Annahme, dass die
Spielregeln der irdischen Biologie gelten. Ein
Escherichia coli enthält etwa 1000 Gene. Man
vermutet, dass etwa 400-500 zum Leben nötig
sind. In einer Kugel von 50 nm Durchmesser
würde dieses Genom bereits die Hälfte des
Volumens ausmachen. Ob der übrige Platz
reicht für alle Zellfunktionen? Seriöse
Wissenschaftler sind der Meinung, das
unterhalb 200 nm „nichts mehr läuft“ [Stand
des Wissens 1999].
Wie klein darfs den sein, bitte schön?
Das grösste Bakterium: Ein Exot unter Exoten
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NZZ 24.1.2001
Bakterien stellen eine wichtige Ressource dar
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Die Vielfalt der Bakterienarten, wahrscheinlich gibt es
Millionen von Arten, ist eine wichtige Ressource für Stoffe,
die in der Biotechnologie angewendet oder für nützliche
Zwecke hergestellt werden können.
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NZZ
30.6.1999
Bakterien sind Lebenskünstler
NZZ
20.3.1996
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Beispiele für technisch
interessante Bakterien
und deren Produkte
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Biotechnologische Anwendungen von Bakterien
• Klassiche Verfahren
– Sauerteig-Brot, Essig, Joghurt, Käse, Kefir
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• Moderne Verfahren
– Antibiotikaproduktion (Bacillus, Streptomyceten)
– Leaching-Verfahren zur Erzgewinnung (Thiobazillus)
– Umwelttechniken (Pseudomonaden, Mykobakterien,
Nocardien)
Methanproduktion (methanogene Bakterien)
Dextranproduktion (Verdickungsmittel: Leuconostoc)
Butanol-, Aceton-, Buttersäureproduktion (Clostridien)
Milchsäureproduktion (Laktobazillen)
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