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BIOTECHNOLOGIE Der Schlüssel zum 21. Jahrhundert? Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004.

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1 BIOTECHNOLOGIE Der Schlüssel zum 21. Jahrhundert? Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004

2 Was ist Biotechnologie? …the application of scientific and engineering principles to the processing of materials by biological agents (Definition OECD) Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004 Biologie Chemie Technik Biotech nologie

3 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004 Biotechnologie heute ROTE BT BLAUE BT WEISSE BT GRÜNE BT Awendungen als Alternative zur chemischen Industrie Biotechnologie im Agrarsektor Grundlagenforschung Identifizierung von Meeresorganismen mit biotechnologischem Anwendungs- potenzial Anwendungen im Gesundheitswesen

4 Industrielle Prozesse, basierend auf biologischen Systemen, zum Beispiel.... isolierten Enzymen W E I S S E E B I O T E C H N O L O G I ganzen Zellen Pilze Bakterien Hefen nachwachsenden Rohstoffen Zellulose Stärke Pflanzliche Öle Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004

5 Parameter für biotechnologische Prozesse B.Hauer, BASF Produktionsvol. [t a -1 ] Raum-Zeit Ausbeute [Mol Produkt L -1 d -1 ] Produkt Konzentrationen Biokatalysator Kosten / kg P Prozess > % >10% < 0.5  4-5  kontinuierlich batch Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004 Chemikalien Bulk Fein

6 AUSWIRKUNG AUF DIE CHEMISCHE INDUSTRIE IN 2010 McKinsey Analyse: Auswirkungen der Biotechnologie auf die chemische Industrie 10% 20% 2010 Zeit 2000 Abhängig von... Technologie Entwicklung Welweite Nachfrage Rohstoffpreise Politische Rahmenbedingungen 2004 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004

7 Welche Enzyme werden als Biokatalysatoren genutzt? Straathof, A., Panke S., Schmid A. (2002) Curr. Opin. Biotechnol. 13, Faber, K. (2000) Biotransf. in Org. Synthesis, Springer 4th ed. Oxidoreduktasen Transferasen Lyasen Isomerasen ~ 5% 11% Hydrolasen 65% 45% ~ 5% 12% 25% 28% ~ 1% 4% Ganze Zellen Reduktion Oxidation Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004

8 Produkte Straathof, A., Panke S., Schmid A. (2002) Curr. Opin. Biotechnol. 13, Kohlenhydrate Fettsäuren Steroide Amino- säuren sec-Alkohole Nucleotide chirale achirale Peptide / -lactam Antibiotika Andere:

9 Nachhaltige Bioprozesse in der chemischen Industrie Produkt KatalysatorUnternehmen SO 4 2- Entfernung Sulfat-reduzierende Mikrobe BudelZink 7-ACA D-Amino acid Oxidase Glutaryl Amidase Biochemie H 2 O 2 Entfernung aus Textilien Katalase Windel Vitamin B 2 Hefe BASF Indigo Naphthalin Dioxygenase Gencore Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004

10 Production von 7-ACA W E I S S E E B I O T E C H N O L O G I Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar – Amino – Cephalosporanic Acid

11 Fakten Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004 W E I S S E E B I O T E C H N O L O G I 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 semi- synthetischen Cephalosporinen Nachfrage:  2000 t pro Jahr

12 Synthese von 7-ACA D-AAO spontan Glutaryl amidase (ZnCPC) TMSCI T< 0 o C PCl 5 T< 0 o C Hydrolyse

13 7-ACA Prozess im Überblick Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004 W E I S S E E B I O T E C H N O L O G I Enzymproduktion E. Coli; Trijonopsis variabilis Enzym reinigung Immobilisierung (Eupergit) Batch Reaktor (10000L) Produktkristallisation 2000 t a -1

14 Chemisches Verfahren Gebrauch von N,N–dimethylanilin, (CH 3 ) 3 SiCl, PCl 5  GIFTIG Schutzgasatmosphäre Niedrige Temperaturen <0 o C  hoher Energieaufwand Aufwendige Abluftreinigung Aufwendige Abwasserreinigung Schwermetal Entsorgung (Verwendung von Zn-Salzen) Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004 W E I S S E E B I O T E C H N O L O G I

15 Biotechnologischer Prozess Keine giftigen Chemikalien Keine Lösungsmittel (I) Raumtemperatur Keine zusätzliche Abwasser Reinigung Stark reduzierte Abluftemissionen Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004 W E I S S E E B I O T E C H N O L O G I

16 Vergleich W E I S S E E B I O T E C H N O L O G I Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004 Chemisch BT Sondermüll (Verbrennung) Abwasser Zinkabfall Lösungsmittel (1) Lösungsmittel (2) Energie OECD 2001

17 Indigo Indigofera tinctoria Pseudomonas putida Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004

18 Traditionell Indigofera tinctoria Indigofera Blätter Fermentation (Gärung) Indoxyl „Schlagen” der Fermentationsbrühe Oxidation zum Indigo Wasserunlösliche Paste Reduktion im Färbesud = Küpe Trocknen = Rück- oxidation zum Indigo Färben Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004

19 Chemisch Früher Gewinnung von N-Phenylglycin aus Anilin u. Chloressigsäure heute durch Hydrolyse von Anilinoacetonitril o C KOH - NaOH +NaNH 2 Na + +O 2 Indigo A. Baeyer 1878 (BASF) Heumannsches Verfahren (seit 1890)

20 Prozessentwicklung (I) Ensley, Ratzkin, Osslund, Simon, Wackett, Gibson; 1983, Science, 222: Tryptophanase Naphthalen Dioxygenase spontan Luft Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004 In rekombinatem E. Coli

21 Prozessentwicklung (II) 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 PROBLEMEPROBLEME Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004

22 Prozessentwicklung 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 Biotechnologie21. Januar 2004 LÖSUNGLÖSUNG

23 Indigo via moderner Biotechnologie Bialy, Nat. Biotech. (1997) 15: 110 ERGEBNISERGEBNIS Glukose Tryptophanase Naphthalen Dioxygenase spontan Luft Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004

24 Ergebniss Genencor, USA Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004

25 Biotechnologische Prozesse für den Umweltschutz Indikatorsysteme, basierend auf enzym-katalysierten Reaktionen Reinigung von kontaminierten Böden Wässern Luft durch Mikroorganismen Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004 W E I S S E E B I O T E C H N O L O G I

26 Haut Pigmentierung Blackfoot Krankheit Äussere Symptome der Arsenicosis Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004 Quelle: Alexander J.B. Zehnder & Jan Roelof van der Meer, EAWAG Zusammenarbeit mit Sylvia Daunert, Universität von Kentucky W E I S S E E B I O T E C H N O L O G I

27 Verbreitung von Arsen belastetem Grundwasser Pakistan 3.6 n 11 Mio.? Vietnam Nepa l Laos Kambodia Thailand Sumatra nnatural aanthropogenic mmineral wastes mg L -1 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004

28 Arsenresistenz in Prokaryonten arsA As(III) ArsC As(V) ArsAB As(III) Bakterienzelle As(III) arsR arsD arsB arsC Quelle: Prof. Alexander J.B. Zehnder, EAWAG Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004 W E I S S E E B I O T E C H N O L O G I ArsR As(III)

29 Reportergen lacZ kodiert ß-Galaktosidase Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004 Stammt aus dem lac-Operon von E.coli ß-Galaktosidase spaltet X-Gal  blaue Farbe ß-Galactosidase spontan +

30 Entwicklung eines Arsenit Indikators arsR lacZ ArsR LacZ ArsR Aufgrund des Expressionsmechanismus der ars Gene, kommt es immer zu einer Hintergrundreaktion µgL -1 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004 Quelle: Prof. Alexander J.B. Zehnder, EAWAG

31 arsR lacZ ArsR arsR lacZ ArsR As(III) LacZ ‚AUS‘ ‚AN‘ Reduktion der Hintergrundreaktion Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004 Quelle: Prof. Alexander J.B. Zehnder, EAWAG

32 80 µgL µgL µgL µgL µgL -1 8 µgL -1 4 µgL -1 0 µgL -1 Fertiges Produkt Einfach zu verwenden Einfach aufzubewahren Sehr empfindlich Inkubations Temperatur: 30 o C Inkubationszeit: 30 min Farbentwicklung: 30 min Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004 Quelle: Prof. Alexander J.B. Zehnder, EAWAG Lyophilisierte E. coli werden zusammen mit einer x-Gal Lösung auf die Testplättchen aufgebracht

33 Biologische Abluftreinigung (B-ALR) Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004 Prof. Engesser, Uni Stuttgart Ca. 15 bis 20 % aller industrieller Emissionen können durch biologische Verfahren gereinigt werden C n H n+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 Beispiel: Druckereiabluft

34 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 + Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004 Prof. Engesser, Uni Stuttgart

35 Funktionsschaubild Belebungsbecken Abluft Reinluft Prof. Engesser, Uni Stuttgart

36 Think Big…. Sammlung Abluft Belebungs becken BIOLOGISCHEBIOLOGISCHE ABLUFTREINIGUNGABLUFTREINIGUNG Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004

37 Füllkörper der Wascheinheit Ein Aufwuchs von Mikroorganismen ist nicht beabsichtigt! Polystyrolringe zur Oberflächenvergrösserung  besserer Übergang der gasförmigen Abluftinhaltsstoffe in die Waschflüssigkeit Prof. Engesser, Uni Stuttgart Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004

38 10 10 bis Zellen pro ml (OD 546 > 60) hohe morphologische Diversität Pilzdichte: 10 7 bis 10 8 KBE vor allem Hefen und hyphenbildende Pilze Prof. Engesser, Uni Stuttgart Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004 Abbau durch MOs im Belebungsbecken

39 Biotech  E suuberi Sach?! Verstopfung des Gitterrosts Clogging der Packung Prof. Engesser, Uni Stuttgart Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004

40 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 Prof. Engesser, Uni Stuttgart Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004

41 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 Prof. Engesser, Uni Stuttgart Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004

42 Grüne Biotechnologie transgene Pflanzen mit Schädlings- oder Herbizidtoleranz transgene Pflanzen mit höheren Erträgen Functional Food Nutraceuticals N G R Ü E E B I O T E C H N O L O G I Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004 Alle Anwendungen von Biotechno- logie im Agrarsektor

43 Weltweiter Anbau von GenTechPflanzen N G R Ü E E B I O T E C H N O L O G I Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar Länder ges Mio. Hektar Zunahme um 15% zw 2002 und 2003 Industriestaaten Entwicklungsländer ISAAA

44 Transgene Nutzpflanzen— ein kontroverses Thema N G R Ü E E B I O T E C H N O L O G I Pro Signifikante Ertragssteigerung  Einsparungen von Anbaufläche Schädlingsresistenzen  Weniger Pestizide National Center for Food & Agricultural Policy Lösung des Ernährungsproblem der Dritten Welt Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004 Medizinischer Nutzen

45 Unkontrollierten Ausbreitung  Rückgang der genetischen Vielfalt Negative Auswirkungen auf das Ökosystem Contra Angst vor negativen Auswirkungen auf den Menschen (z.B. Allergien) Deklarierungsproblematik Unkontrollierter Gentransfer  Entstehug von resistenten Schädlingen  Mangelnde Akzeptanz beim Endverbraucher Transgene Nutzpflanzen— ein kontroverses Thema N G R Ü E E B I O T E C H N O L O G I Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004

46 Goldener Reis N G R Ü E E B I O T E C H N O L O G I Prof. Dr. Ingo Potrykus (re) Prof. Dr. Peter Beyer (li) Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004 Ye, X., Al-Babili, S., Kloti, A., Zhang, J., Lucca, P., Beyer, P., Potrykus, I. (2000), Science, 287, 303

47 Motivation N G R Ü E E B I O T E C H N O L O G I Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004 Vitamin A Mangel Xero phthalmie Nacht blindheit Wachstums störung erhöhte Infektions anfälligkeit ½ Mio Kinder erblinden jährlich 1-2 Mio Kinder sterben jährlich Millionen Menschen sind weltweit betroffen

48 Vitamin A & Reis — keine Liebesbeziehung Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004 N G R Ü E E B I O T E C H N O L O G I Grundnahrungsmittel für 2 Milliarden Menschen Kein Vitamin A im Endosperm Hoher Fettsäure- gehalt in der Schale, wenig Vit. A GGPP im Endosperm

49 Synthese von Vitamin A N G R Ü E E B I O T E C H N O L O G I Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004 -Carotin (C 40 ) GGPP (C 20 ) Phytoen Synthase Phytoen (C 40 ) Phytoen Desaturase -Carotin Desaturase Lycopen (C 40 ) ß-Carotin Lycopen Cyclase

50 Methode Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar psy & lyc Narcissus pseudonarcissus + crtI Erwinia uredova Golden rice 1.6 g g -1 -Carotin Japonica Taipei 302

51 Status Quo (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 N G R Ü E E B I O T E C H N O L O G I Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004

52 Biotechnologie Schlüssel 21. Jahrhundert? Der zum

53 Quellennachweis A. Liese, K. Seelbach, C.Wandrey, (2000) Industrial biotransformations, Wiley-VCH, Weinheim The Application of Biotechnology to Industrial Sustainability (2001), OECD


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