Was ist Biotechnologie?

Verständnis der Biotechnologie

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1. Biotechnologie

Biotechnologie ist ein Teilgebiet der Biologie, welches Erkenntnissen und Methoden der Mikrobiologie, Genetik, Biochemie, Molekularbiologie, Immu- nologie, Virologie, Zellbiologie technischen Chemie, Umwelttechnik und Ver- fahrenstechnik einschließt. Die "European Federation of Biotechnology" definiert Biotechnologie als "Integrierte Anwendung von Natur- und Ingenieurwissenschaften mit dem Ziel, Organismen, Zellen, und Teile daraus technisch zu nutzen". Es geht somit um die Anwendung von Wissenschaft und Technik auf lebenden Organismen und Teilen von ihnen, sowie um Produkte oder Modelle von ihnen zwecks Ver- änderung von lebender oder nichtlebender Materie. Dies geschied zur Erwei- terung des Wissensstandes, zur Herstellung von Gütern und zur Bereitstellung von Dienstleistungen. Unter Biotechnologie versteht man u.a. die Nutzung von Zellbestandteilen, Zellen und Organismen für Produktionszwecke, für das Erbringen von Dienst- leistungen oder für Forschung und Entwicklung. Die Biotechnologie soll effekti- vere Therapien der individualisierten Medizin ermöglichen. Sie soll auch zur Optimierung von industriellen Prozessen und zur Anpassung der Landwirtschaft an den Klimawandel beitragen. Neue Einsatzgebiete auf- grund wissenschaftlicher Durchbrüche sind die rasante Leistungssteigerung der Genom-Sequenzierung und neue Werkzeuge wie die CRISPR-Cas-Methode zur Genom-Editierung. Die Anwendungen sind in den Bereichen Analyse, Diag- nostik, Gentherapie, und Krebstherapie sowie in der Nutzung von induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS) zu finden

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Grundlagen zur

Biotechnologie

Die CRISPR/Cas-Methode beruht auf einem bakteriellen Abwehrmechanismus gegen Viren (CRISPR). Die Forscher*innen adaptierten das System und reduzierten es auf zwei Komponenten und zwar auf eine flexibel programmierbare Zielvorrichtung auf RNA-Basis die zu schneidende Stelle im Erbgut vorgibt, und eine molekulare Schere, die Endonuklease Cas9, die den Schnitt vornimmt. Soll ein neues Gen in das Erbgut eingeschleust werden, muss zusätzlich zu diesen beiden Komponenten eine Vorlage des neuen DNA-Abschnitts in die Zielzelle eingebracht werden. Das hoch präzise Verfahren CRISPR/Cas kann alle Arten von Genmodifikationen vornehmen. Das Verfahren ist schnell, günstig und einfach anzuwenden.

c. Weiße Biotechnologie (Industrielle Biotechnologie)

Die industrielle Biotechnologie beschäftigt sich damit Produktionsverfah- ren so auszurichten, dass Ressourcen geschont und die Umwelt geschützt wird. Hier geht es neben der auf Mikroorganismen bauende Lebensmittel- herstellung, um die Anpassung der Produktion von Chemikalien, Arznei- mittel, Reinigungsmitteln oder um die Veredelung von Papier, Leder oder Textilien. So soll zukünftig zunehmend die Gewinnung und das Recycling von Metal- len durch Bakterien und Mikroben erfolgen. Sie werden einen wichtigen Beitrag für die Versorgung mit Metallen und seltenen Erden leisten. Die tief im Gestein lebenden Bakterien, können biotechnologisch genutzt werden, um vom konventionellen Bergbau auf das Biomining umzustel- len. Dabei werden Metalle nicht mehr in Hochöfen oder durch den Einsatz von schädlichen Chemikalien gewonnen. Das zermahlene Erz wird von einer bakterienhaltigen Lösung umspült und die Bakterien lösen die Metalle aus dem Erz. Aus der Flüssigkeit werden dann die Metalle gewonnen und weiterverarbeitet. Heute werden bei ca. 25 Prozent des weltweiten Kupfer- und bei ca. 10 Prozent des Goldabbaus biotechnologische Bergbauverfah- ren eingesetzt. Besonders seltene Erden werden ein bedeutender zukünf- tiger Einsatzbereich für das Biomining sein. Insbesondere vor dem Hintergrund, dass es nur wenige Lagerstätten sel- tener Erden mit einem Erzgehalt gibt, bei dem sich ein Abbau mit konven- tionellen Methoden rechnet. Durch Biominingverfahren können Lager- stätten wirtschaftlich erschlossen werden. Auch die in Elektronikabfällen, wie alte Computer, Mobiltelefone, oder TVs enthaltenen Rohstoffe kön- nen mithilfe von Bakterien wirtschaftlich und umweltschonend wieder in die Kreislaufwirtschaft eingespeist werden.

d. Graue Biotechnologie (Umweltbiotechnologie)

Die Graue Biotechnologie (Umweltbiotechnologie) umfasst alle biotech- nologischen Verfahren zur Aufbereitung von Trinkwasser, Reinigung von Abwasser, Müllrecycling, Sanierung kontaminierter Böden, Abluft- und Abgasreinigung, Recycling von Produkten und der Entfernung von Schwer- metallen, Kohlenwasserstoffen und Stoffen, die die Biosphäre verschlech- tern. Zweck ist die Nachhaltigkeit mit neuen Mittel in der Biotechnologie zu sichern. Dazu werden Mikroorganismen gentechnisch angepasst. Die Veränderung der Mikroorganismen erfolgt dabei analog zur Roten, Grünen, Weißen oder Blauen Biotechnologie. Es werden mit chemischen und enzymatischen Methoden Mutanten der Mikroorganismen erzeugt, die Unterschiede in der Aminosäureabfolge zeigen. Danach werden im Screening-Verfahren verbesserte Proteinva- rianten gesucht. Bei jeder Evolutionsrunde werden bei einer Spezies Enzymvariante gesucht, die nutzbare Eigenschaften haben. Das zugehö- rige Gen der gefundenen Variante ist der Ausgangspunkt für die nächste gelenkte Evolutionsrunde. Diese Vorgänge werden in iterativen Zyklen wiederholt bis die angestrebten Verbesserungen für die Aufgaben erreicht sind. Die Anwendungen der Grauen Biotechnologie sind die Bodensanierung, Abwasserbeseitigung und Behandlung von Abfällen. Der Einsatz von Organismen zur Beseitigung von Verunreinigungen und Schadstoffen wird dabei als Bioremediation bezeichnet. Anwendungen sind der Abbau von Ölverschmutzungen, die Reinigung von Abraumhalden mit radioakti- ven Abfällen, die Beseitigung von Giftstoffen wie DDT, Dioxinen oder TNT, Schwermetallen, Lösungsmitteln und Kunststoffen. Durch die industrielle Nutzung von mineralischen Ressourcen reichern sich Schadstoffe in be- trächtlichem Umfang auch in der Biosphäre an.

e. Schwarze Biotechnologie

Die schwarze Biotechnologie umfasst biologischen Waffen. Es werden krankheitserregende, bösartige und resistente Mikroorganismen unter- sucht, um diese in biologische Waffen zu verwandeln oder um schädliche Effekte entgegenzuwirken.

f. Blaue Biotechnologie (Maritime Biotechnologie)

Die Anwendung der Biotechnologie auf Lebewesen aus dem Meer wird als Blaue Biotechnologie bezeichnet. Die Blaue Biotechnologie zielt nicht auf den Anwendungsbereich, sondern auf die Herkunft der Produkte ab. Dabei werden insbesondere Bakterien die sich für technische Prozesse verwenden lassen als mögliche Quelle für biologische Substanzen gese- hen. Zur Gewinnung der Proben und Erkundung der Tiefsee werden u.a. Tauchroboter genutzt. Die Optimierung der Mikroorganismen erfolgt dann analog der weißen, roten oder grünen Biotechnologie, nur ist die Qualität des Ausgangsmaterials durch die Vielfalt der Meeresorganismen reichhaltiger. Das Nutzungspotential der Blauen Biotechnologie ist hoch, weil Marine Mikroben sich den unterschiedlichsten Umweltbedingungen anpassen konnten und heute unter dem Eis der Antarktis ebenso zu Hause sind wie an den glühend heißen Schloten der Tiefseevulkane. 90 Prozent der marinen Organismen leben bei unter vier Grad Celsius.

b. Rote Biotechnologie (Medizin)

Die rote (medizinische Biotechnologie), beschäftigt sich mit der Entwick- lung therapeutischer und diagnostischer Verfahren wie medizinische Diagnostik, die personalisierte Medizin, die Arzneimittelherstellung und die Gentherapie. Erfahre mehr über rote Biotechnologie

a. Grüne Biotechnologie (Landwirtschaft / Nahrung)

Die Grüne Biotechnologie befasst sich mit Pflanzen. Sie bedient sich Methoden der Biochemie, Systembiologie, Mikrobiologie, Molekular- biologie und Verfahrenstechnik, um Nutzpflanzen zu verändern, Inhalts- stoffe (Phytochemikalien, Sekundärmetabolite) sowie Fasern zu gewin- nen und um pflanzliche Enzyme bzw. Wirkprinzipien (Bionik) für neue Anwendungsbereiche zu erschließen. Wie in vielen Bereichen der Biotechnologie sind die Übergänge zu den anderen Zweigen der Biotechnologie fließend. Pflanzliche Zellen oder Enzyme werden zur Produktion industrieller Stoffe (weiße Biotechno- logie) oder von Medikamenten (rote Biotechnologie oder Pharmazeu- tische Biotechnologie) genutzt. Berührungspunkt zur grauen oder braunen Biotechnologie gibt es bei der Entgiftung von Böden (Phytoremediation) oder bei Pflanzen die als Umweltsensoren geeignet sind. Erfahre mehr über grüne Biotechnologie

2. Anwendungsbereichen

Rote Biotechnologie

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Grüne Biotechnologie

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Maritime Biotechnologie

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Kleidungsindustrie

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Historisch belegt ist die Kupfergewinnung der Spanier im 18. Jahrhundert am Fluss Rio Tinto durch mikrobielle Laugung sulfidischer Kupfererze. Seit der Entdeckung der Rolle der Eisen- und Schwefel-oxidierenden Bak- terien bei der Erzlaugung 1940 wurde wegen immer knapper werdender Metallvorkom- men der Prozess des Biomining (oder Bioleaching, genauer: mikrobielle Erzlau- gung) näher untersucht, aufgeklärt und technisch eingesetzt.

Die Biochemie (von griechisch βιο-χημεία bio-chēmeia, „die Chemie des Lebens“) oder Biologische Chemie, früher auch Physiologische Chemie genannt, ist die Lehre von chemischen Vorgängen in Lebewesen, dem Stoffwechsel. Chemie, Biologie und Medizin sind in der Biochemie eng miteinander verzahnt. Die Aufklärung und Heilung von Stoffwechselkrankheiten, z. B. Hormonmangel (z. B. Diabetes) und Vitaminmangel wurden durch die Biochemie möglich.

Gentechnisch produzierte Wirkstoffe wie Insulin, Impfstoffe, Interferon, Wachstumshormone oder Blutgerinnungsfaktoren gehören heute zum Standard. Viele neue gentechnisch hergestellte Wirkstoffe sind in der Entwicklung.

Wasser

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Schadstoffe

Zur Verwirklichung ihrer Aufgaben im Umweltbereich benötigt die Graue Biotechnologie häufig Mikroorganismen, die über eine sehr spezielle Eigenschaft verfügen (wie zum Beispiel die Fähigkeit, einen Stoff abzubauen, der für die meisten Lebewesen giftig ist). Wann immer möglich, werden Organismen verwendet, die diese Eigenschaft natürlicherweise bereits besitzen.

Zellen des Bacillus anthracis (Milzbrand - Anthrax) Von Photo Credit: Content Providers(s): CDC - Dieses Medium stammt aus der Public Health Image Library (PHIL), mit der Iden- tifikationsnummer #2226 der Centers for Disease Control and Prevention, Gemeinfrei Wikimedia

Mikrografie mit vielen verschiedenen durchsichtigen Süßwassermikroorganismen

Weiße Gentechnik

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Grundlagen zur

Biotechnologie

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1. Biotechnologie

Biotechnologie ist ein Teilgebiet der Biologie, wel- ches Erkenntnissen und Methoden der Mikrobio- logie, Genetik, Biochemie, Molekularbiologie, Immunologie, Virologie, Zellbiologie technischen Chemie, Umwelttechnik und Verfahrenstechnik einschließt. Die "European Federation of Biotechnology" defi- niert Biotechnologie als "Integrierte Anwendung von Natur- und Ingenieurwissenschaften mit dem Ziel, Organismen, Zellen, und Teile daraus technisch zu nutzen". Es geht somit um die Anwendung von Wissenschaft und Technik auf lebenden Organismen und Teilen von ihnen, sowie um Produkte oder Mo- delle von ihnen zwecks Veränderung von lebender oder nichtlebender Materie. Dies geschied zur Er- weiterung des Wissensstandes, zur Herstellung von Gütern und zur Bereitstellung von Dienstleistungen. Unter Biotechnologie versteht man u.a. die Nutzung von Zellbestandteilen, Zellen und Organismen für Produktionszwecke, für das Erbringen von Dienst- leistungen oder für Forschung und Entwicklung. Die Biotechnologie soll effektivere Therapien der indivi- dualisierten Medizin ermöglichen. Sie soll auch zur Optimierung von industriellen Prozessen und zur Anpassung der Landwirtschaft an den Klimawandel beitragen. Neue Einsatzgebiete aufgrund wissenschaftlicher Durchbrüche sind die rasante Leistungssteigerung der Genom-Sequen- zierung und neue Werkzeuge wie die CRISPR-Cas- Methode  zur Genom-Editierung. Die Anwendun- gen sind in den Bereichen Analyse, Diagnostik, Gen- therapie, und Krebstherapie sowie in der Nutzung von induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS) zu finden

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c. Weiße Biotechnologie (Industrielle

Biotechnologie)

Die industrielle Biotechnologie beschäftigt sich damit Produktionsverfahren so auszurichten, dass Ressourcen geschont und die Umwelt geschützt wird. Hier geht es neben der auf Mikroorganismen bauende Lebensmittelher- stellung, um die Anpassung der Produktion von Chemikalien, Arzneimittel, Reinigungsmitteln oder um die Veredelung von Papier, Leder oder Textilien. So soll zukünftig zunehmend die Gewinnung und das Recycling von Metallen durch Bakte- rien und Mikroben erfolgen. Sie werden einen wichtigen Beitrag für die Versorgung mit Metallen und seltenen Erden leisten. Die tief im Gestein lebenden Bakterien, können bio- technologisch genutzt werden, um vom kon- ventionellen Bergbau auf das Biomining umzu- stellen. Dabei werden Metalle nicht mehr in Hochöfen oder durch den Einsatz von schädli- chen Chemikalien gewonnen. Das zermahlene Erz wird von einer bakterienhaltigen Lösung umspült und die Bakterien lösen die Metalle aus dem Erz. Aus der Flüssigkeit werden dann die Metalle gewonnen und weiterverarbeitet. Heute werden bei ca. 25 Prozent des weltwei- ten Kupfer- und bei ca. 10 Prozent des Goldab- baus biotechnologische Bergbauverfahren eingesetzt. Besonders seltene Erden werden ein bedeutender zukünftiger Einsatzbereich für das Biomining sein. Insbesondere vor dem Hintergrund, dass es nur wenige Lagerstätten seltener Erden mit einem Erzgehalt gibt, bei dem sich ein Abbau mit kon- ventionellen Methoden rechnet. Durch Biomi- ningverfahren können Lagerstätten wirtschaft- lich erschlossen werden. Auch die in Elektronik- abfällen, wie alte Computer, Mobiltelefone, oder TVs enthaltenen Rohstoffe können mit- hilfe von Bakterien wirtschaftlich und umwelt- schonend wieder in die Kreislaufwirtschaft eingespeist werden.

d. Graue Biotechnologie

(Umweltbiotechnologie)

Die Graue Biotechnologie (Umweltbiotechno- logie) umfasst alle biotechnologischen Verfah- ren zur Aufbereitung von Trinkwasser, Reini- gung von Abwasser, Müllrecycling, Sanierung kontaminierter Böden, Abluft- und Abgasreini- gung, Recycling von Produkten und der Ent- fernung von Schwermetallen, Kohlenwasser- stoffen und Stoffen, die die Biosphäre verschlechtern. Zweck ist die Nachhaltigkeit mit neuen Mittel in der Biotechnologie zu sichern. Dazu werden Mikroorganismen gentechnisch angepasst. Die Veränderung der Mikroorganis- men erfolgt dabei analog zur Roten, Grünen, Weißen oder Blauen Biotechnologie. Es werden mit chemischen und enzymatischen Methoden Mutanten der Mikroorganismen er- zeugt, die Unterschiede in der Aminosäureab- folge zeigen. Danach werden im Screening-Ver- fahren verbesserte Proteinvarianten gesucht. Bei jeder Evolutionsrunde werden bei einer Spezies Enzymvariante gesucht, die nutzbare Eigenschaften haben. Das zugehörige Gen der gefundenen Variante ist der Ausgangspunkt für die nächste gelenkte Evolutionsrunde. Diese Vorgänge werden in iterativen Zyklen wieder- holt bis die angestrebten Verbesserungen für die Aufgaben erreicht sind. Die Anwendungen der Grauen Biotechnologie sind die Bodensanierung, Abwasserbeseitigung und Behandlung von Abfällen. Der Einsatz von Organismen zur Beseitigung von Verunreinigun- gen und Schadstoffen wird dabei als Bioreme- diation bezeichnet. Anwendungen sind der Abbau von Ölverschmutzungen, die Reinigung von Abraumhalden mit radioaktiven Abfällen, die Beseitigung von Giftstoffen wie DDT, Dio- xinen oder TNT, Schwermetallen, Lösungsmit- teln und Kunststoffen. Durch die industrielle Nutzung von mineralischen Ressourcen reichern sich Schadstoffe in beträchtlichem Umfang auch in der Biosphäre an.