биотехнология

Biotechnology ( древнегреческий βίος Bios , немецкий , жизнь " , как синоним для биотехнологии и кратко , как Biotech ) является междисциплинарной наукой , которая имеет дело с использованием ферментов , клеток и целых организмов в технических приложениях , связанных. В задачи входит разработка новых или более эффективных процессов производства химических соединений и методов диагностики .

В биотехнологии используются результаты из многих областей, таких как микробиология , биохимия ( химия ), молекулярная биология , генетика , биоинформатика и инженерия с технологией процессов ( биопроцессная инженерия ). Основу составляют химические реакции , которые катализируются свободными ферментами или ферментами, присутствующими в клетках ( биокатализ или биоконверсия ). Биотехнология вносит важный вклад в процесс биологизации .

Классические биотехнологические приложения были разработаны тысячи лет назад, например: Б. Производство вина и пива на дрожжах и переработка молока в различные продукты с помощью определенных микроорганизмов или ферментов. Современная биотехнология все шире использует микробиологические знания и методы с 19 века, а с середины 20 века также молекулярно-биологическую , генную и генную инженерию . Это позволяет использовать производственные процессы для химических соединений, например Например, в качестве активного ингредиента для фармацевтических препаратов или в качестве базовых химикатов для химической промышленности , диагностических методов , биосенсоров , новых сортов растений для разработки и многого другого.

Биотехнические процессы можно использовать в самых разных областях. В некоторых случаях предпринимаются попытки отсортировать эти процессы по областям применения, например: B. Медицина ( красная биотехнология ), растения или сельское хозяйство ( зеленая биотехнология ) и промышленность ( белая биотехнология ). Иногда также проводится различие в зависимости от того, к каким живым существам применяются эти методы, например, в голубой биотехнологии или в желтой биотехнологии, которая относится к применению в морской жизни или насекомых.

история

На протяжении тысячелетий существовали биотехнические приложения, такие как Б. производство пива и вина . Биохимический фон был изначально во многом неясным. С развитием различных наук, таких как микробиология, в частности, в 19 веке, биотехнология получила научную обработку, то есть была разработана биотехнология. Были открыты оптимизированные или новые возможности биотехнического применения. Другими важными шагами были открытие дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК или ДНК) в 1950-х годах, растущее понимание ее важности и функции и последующее развитие лабораторных методов молекулярной биологии и генной инженерии .

Первые биотехнические приложения

Самые ранние применения биотехнологии, известные уже более 5000 лет, - производство хлеба , вина или пива ( алкогольное брожение ) с использованием грибов, принадлежащих дрожжам . Используя молочнокислые бактерии , можно также производить закваску ( кислый хлеб) и кисломолочные продукты, такие как сыр , йогурт , кислое молоко или кефир . Одним из первых биотехнологических применений помимо питания было дубление и окрашивание шкур с использованием фекалий и других материалов, содержащих ферменты, для изготовления кожи . Большая часть биотехнологии была основана на этих производственных процессах до средневековья, и примерно в 1650 году появился первый биотехнологический процесс производства уксуса .

Развитие микробиологии

Луи Пастер впервые выделил уксуснокислые бактерии и пивные дрожжи.

Современная биотехнология в основном основана на микробиологии , возникшей во второй половине XIX века. Прежде всего, разработка методов выращивания , чистая культура и стерилизации с помощью Луи Пастера заложила основы для исследования и применения ( прикладная микробиология ) от микроорганизмов . В 1867 году с помощью этих методов Пастеру удалось выделить уксуснокислые бактерии и пивные дрожжи . Примерно в 1890 году он и Роберт Кох разработали первые вакцины на основе изолированных патогенов и, таким образом, заложили основу медицинской биотехнологии . Японец Дзёкичи Такамине первым выделил единственный фермент для технического использования - альфа-амилазу . Несколько лет спустя немецкий химик Отто Рем использовал протеазы животных (ферменты, расщепляющие белок) из отходов скотобойни в качестве моющих и вспомогательных средств для производства кожи .

Биотехнология в ХХ веке

Крупномасштабное производство бутанола и ацетона путем ферментации бактерии Clostridium acetobutylicum было описано и разработано в 1916 году химиком, а позднее президентом Израиля Чарльзом Вейцманном . Это была первая разработка белой биотехнологии . Этот процесс использовался до середины 20 века, но затем был заменен более экономичным нефтехимическим синтезом из пропеновой фракции сырой нефти . Производство лимонной кислоты осуществлялось с 1920 года путем поверхностного брожения грибка Aspergillus niger . В 1957 году с помощью почвенной бактерии Corynebacterium glutamicum впервые была получена аминокислота глутаминовая кислота .

Александр Флеминг на почтовой марке

В 1928/29 году Александр Флеминг открыл первый медицинский антибиотик пенициллин в грибке Penicillium chrysogenum . В 1943 году антибиотик стрептомицин с последующим по Ваксман , Альберт Шац и Элизабет Bugie . В 1949 году производство стероидов было налажено в промышленных масштабах. В начале 1960-х годов биотехнологические протеазы были впервые добавлены к детергентам для удаления белковых пятен . В производстве сыра , то теленок сычужных был заменен на ренине производится в микроорганизмах с 1965 года . С 1970 г. амилазы и другие ферменты, расщепляющие крахмал, стали производиться биотехнологическими методами , с помощью которых z. B. кукурузный крахмал в так называемом «кукурузном сиропе с высоким содержанием фруктозы», т.е. кукурузный сироп , преобразованный и используемый в качестве заменителя тростникового сахара ( сахарозы ), z. Б. в производстве напитков может быть использован.

Современная биотехнология с 1970-х годов

Структурная модель участка двойной спирали ДНК (B-образной формы) с 20 парами оснований

Выяснение структуры ДНК

В 1953 году Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон прояснили структуру и функциональность дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Это заложило основу для развития современной генетики.

С 1970-х годов в лабораторных и аналитических технологиях произошел ряд центральных разработок. В 1972 году биологам Стэнли Н. Коэну и Герберту Бойеру удалось с помощью молекулярно-биологических методов провести первую рекомбинацию ДНК in vitro (изменение ДНК в пробирке ), а также получить плазмидные векторы в качестве инструмента для переноса ( вектор ) из генетического материала , например , Б. в бактериальных клетках.

Сезар Мильштейн и Жорж Кёлер впервые получили моноклональные антитела в 1975 году , которые являются важным инструментом в медицинской и биологической диагностике . С 1977 года рекомбинантные белки ( белки, первоначально полученные от других видов ) могут производиться в бактериях и производиться в более крупных масштабах. В 1982 году были созданы первые трансгенные культурные растения с генетически приобретенной устойчивостью к гербицидам, так что при проведении мероприятий по защите растений соответствующий гербицид щадил урожай. В том же году были созданы нокаутные мыши для медицинских исследований. С их помощью по крайней мере один ген инактивируется, чтобы понять и исследовать его функцию или функцию гомологичного гена у людей.

Секвенирование генома

В 1990 г. был запущен проект «Геном человека» , который до 2001 г. (или 2003 г. в предполагаемых стандартах) расшифровывал и секвенировал весь геном человека размером 3,2 × 10 9 пар оснований (п.н.) . Технология секвенирования основана непосредственно на полимеразной цепной реакции (ПЦР), разработанной в 1975 году , которая позволяет быстро и более чем в 100000 раз увеличить определенные последовательности ДНК и, следовательно, достаточные количества этой последовательности, например Б. для анализа предоставлен. Еще в 1996 г. был полностью выяснен геном хлебопекарных дрожжей ( Saccharomyces cerevisiae ) с 2 × 10 7 п.н. Благодаря быстрому развитию технологии секвенирования, другие геномы, такие как геномы плодовой мушки Drosophila melanogaster (2 × 10 8 п.н.), можно было секвенировать относительно быстро.

Определение последовательностей генома привело к созданию основанных на них областей дальнейших исследований, таких как транскриптомика , протеомика , метаболомика и системная биология, а также к увеличению их важности, например Б. биоинформатика .

Приложения генной инженерии

В 1995 году на рынок вышел первый трансгенный продукт - томат Flavr Savr, который был одобрен для продажи в США и Великобритании. Первые попытки генной терапии у людей были предприняты в 1996 году, а стволовые клетки человека были впервые размножены в культуре клеток в 1999 году . В том же году объем рынка рекомбинантно произведенных белков в фармацевтической промышленности впервые превысил 10 миллиардов долларов США. Клонировали овцы Долли родилась в 1998 году.

Недавно разработанные методы генной инженерии открыли новые возможности для развития биотехнологии, что привело к появлению молекулярной биотехнологии. Он является связующим звеном между молекулярной биологией и классической биотехнологией. Важными методами являются, например, Б. трансформация или трансдукция бактерий с помощью плазмид или вирусов . Определенные гены можно целенаправленно вводить в подходящие типы бактерий. Другие области применения молекулярной биотехнологии аналитические методы, например , для идентификации и последовательности из ДНК или РНК фрагментов.

Отрасли биотехнологии

Биотехнология - очень широкий термин. Поэтому он разделен на разные ветви согласно соответствующим областям применения. Некоторые из них пересекаются, так что это подразделение не всегда ясно. В некоторых случаях термины еще не установлены или определены иначе.

Разделение биотехнологии на разные отрасли
ветвь области применения
Зеленая биотехнология Использование в сельском хозяйстве ; Биотехнология растений
Красная биотехнология Использование в медицине и фармацевтике ; Медицинская биотехнология
Белая биотехнология Использование в промышленности ; Промышленная биотехнология
Серая биотехнология Использование в управлении отходами
Коричневая биотехнология Технические или экологические технологии z. Б. в защите почвы
Голубая биотехнология биотехнологическое использование морских ресурсов

Зеленый биотехнологии касается травяных приложений , таких. Б. для сельскохозяйственных целей. Красная Биотехнология является область медико-фармацевтическими приложения , такой. Б. Производство лекарств и средств диагностики. Белая биотехнология и промышленная биотехнология включает биотехнологический процесс производства, особенно для химических соединений в химической промышленности , а также процедур , в текстильном - или пищевой промышленности .

Разделение на синюю биотехнологию , которая связана с использованием организмов из моря, и серая биотехнология с биотехнологическими процессами в области управления отходами ( очистные сооружения , обеззараживание почв и т.п.) менее распространено .

Независимо от этой классификации, существует биотехнология, известная как обычная форма, которая занимается очисткой сточных вод , компостированием и другими подобными применениями.

Методы производства

Организмы

Бактерия Escherichia coli - один из наиболее часто используемых организмов в биотехнологии.

В современной биотехнологии теперь используются как бактерии, так и высшие организмы, такие как грибы , растения или клетки животных . Часто используемые организмы уже тщательно исследованы, например кишечная бактерия Escherichia coli или пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae . Хорошо изученные организмы часто используются в биотехнических целях, потому что они хорошо известны и уже разработаны методы их культивирования или генетических манипуляций. Простые организмы также можно генетически модифицировать с меньшими усилиями .

Все чаще в биотехнологии используются высшие организмы ( многоклеточные эукариоты ). Причиной этого является, например, способность вносить посттрансляционные изменения в белки, которые z. Б. не имеет места в бактериях. Примером этого является гликопротеин - гормон эритропоэтин , известный под аббревиатурой EPO как допинговые агенты . Однако эукариотические клетки растут медленнее, чем бактерии, и их труднее культивировать по другим причинам. В некоторых случаях фармацевтические растения , выращиваемые в поле, в теплице или в фотобиореакторе, могут быть альтернативой производству этих биофармацевтических препаратов .

Биореакторы

В частности, микроорганизмы можно культивировать в биореакторах или ферментерах . Это контейнеры, в которых условия регулируются и оптимизируются таким образом, чтобы культивируемые микроорганизмы производили желаемые вещества. В биореакторах различные параметры , такие как В. рН , температура , подача кислорода , азот питание , содержание глюкозы или настройки мешалок можно регулировать. Поскольку микроорганизмы, которые можно использовать, имеют очень разные требования, доступны очень разные типы ферментеров, такие как B. реакторы с мешалкой , петлевые реакторы , реакторы эрлифта , а также светопропускающие фотобиореакторы для выращивания фотосинтезирующих организмов (таких как водоросли и растения).

Приложения

См. Соответствующие абзацы в статьях: Белая биотехнология , Красная биотехнология , Зеленая биотехнология , Серая биотехнология и Синяя биотехнология.

Из-за разнообразия биотехнологий, многочисленные области применения и продукты связаны с ней или зависят от нее:

перспектива

Многие приложения биотехнологии основаны на хорошем понимании того, как работают организмы. С помощью новых методов и подходов, таких как B. секвенирование генома и связанные с ним области исследований, такие как протеомика, транскриптомика, метаболомика, биоинформатика и т. Д., Это понимание постоянно расширяется. Возможны все новые и новые медицинские применения. В белой биотехнологии некоторые химические соединения, например B. для фармацевтических целей или в качестве сырья для химической промышленности, и растения могут быть оптимизированы для определенных условий окружающей среды или их предполагаемого использования. Часто предыдущие применения могут быть заменены более предпочтительными биотехническими процессами, такими как. Б. экологически вредные химические производственные процессы в промышленности. Поэтому ожидается, что рост индустрии биотехнологий продолжится в будущем.

Смотри тоже

литература

  • Г. Фестель, Й. Кнолль, Х. Гётц, Х. Цинке: Влияние биотехнологии на производственные процессы в химической промышленности. В: Инженер-химик Технология . Том 76, 2004 г., стр. 307-312, DOI : 10.1002 / cite.200406155 .
  • Николаус Кнопффлер , Дагмар Шипански , Стефан Лоренц Зоргнер (ред.): Биотехнология человека как социальная проблема. Альбер Верлаг, Фрайбург i. Б. 2005, ISBN 3-495-48143-5 .
  • Бьорн Липпольд: Радуга биотехнологии . bionity.com .
  • Луитгард Маршалл: Промышленная биотехнология в 20 веке. Технологическая альтернатива или нишевая технология? В: Technikgeschichte, Vol. 66 (1999), H. 4, pp. 277-293.
  • К. Никсдорф, Д. Шиллинг, М. Хотц: Как можно злоупотреблять достижениями биотехнологии: Биологическое оружие. В кн . : Биология в наше время . Том 32, 2002, стр. 58-63.
  • Райнхард Реннеберг, Дарья Зюссбир: Биотехнология для начинающих . Spectrum Academic Publishing House, 2005, ISBN 3-8274-1538-1 .
  • Мозелио Шехтер, Джон Ингрэм, Фредерик К. Нейдхардт: Микроб: оригинал со средствами перевода . Spectrum Academic Publishing House, 2006, ISBN 3-8274-1798-8 .
  • Р. Ульбер, К. Соез: 5000 лет биотехнологии: от вина до пенициллина. В кн . : Химия в наше время . Том 38, 2004 г., стр. 172-180, DOI: 10.1002 / ciuz.200400295 .
  • Фолькарт Вильдермут : Биотехнология. Между научным прогрессом и этическими границами. Parthas Verlag, 2006, ISBN 3-86601-922-X .
  • Майкл Винк: Молекулярная биотехнология: концепции, методы и приложения , Wiley-VCH, Weinheim, 2011, ISBN 978-3527326556

веб ссылки

Викисловарь: Биотехнология  - объяснение значений, происхождение слов, синонимы, переводы

Индивидуальные доказательства

  1. а б в г Что такое биотехнология? Информационная страница BMBF. (biotechnologie.de , по состоянию на 22 февраля 2010 г.).
  2. а б в г биотехнология. Приоритет финансирования BMBF: Устойчивое органическое производство. Информационная страница партнера проекта Forschungszentrum Jülich. (www.fz-juelich.de ( Memento от 20 сентября 2005 года в Internet Archive ), доступ к 22 февраля 2010 года).
  3. Желтые биотехнологии. Проверено 3 марта 2017 года .
  4. ^ Чарльз Вейцманн: Производство ацетона и алкоголя бактериологическими процессами. Патент США 1315585 выдан в сентябре 1919 г.
  5. Мюнхенский технический университет (ТУМ): Молекулярная биотехнология , описание курса, по состоянию на 21 февраля 2010 г.
  6. П. Кафарски: Радужный кодекс биотехнологии . ХИМИЧЕСКИЙ. Вроцлавский университет, 2012.
  7. ^ Ева Л. Деккер, Ральф Рески : Биореакторы Moss, производящие улучшенные биофармацевтические препараты. В: Текущее мнение в области биотехнологии. Том 18, 2007, стр. 393-398. DOI: 10.1016 / j.copbio.2007.07.012 .
  8. Обзор биотехнологических компаний за 2009 г. ( памятная записка от 28 марта 2010 г. в Интернет-архиве ), информационная страница Федерального министерства образования и науки (BMBF), доступ осуществлен 22 февраля 2010 г.