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) Biologie Chemie Biotechnologie Technik 21. Januar 2004 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie

Anwendungen im Gesundheitswesen Biotechnologie im Agrarsektor Biotechnologie heute WEISSE BT GRÜNE BT Grundlagenforschung Identifizierung von Meeresorganismen mit biotechnologischem Anwendungs-potenzial Awendungen als Alternative zur chemischen Industrie Anwendungen im Gesundheitswesen Biotechnologie im Agrarsektor BLAUE BT ROTE BT 21. Januar 2004 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie

E B I O T C H N L G Bakterien Hefen W E I S Pilze Pflanzliche Öle Industrielle Prozesse, basierend auf biologischen Systemen, zum Beispiel.... E B I O T C H N L G ganzen Zellen Bakterien Hefen W E I S Pilze isolierten Enzymen Pflanzliche Öle nachwachsenden Rohstoffen Zellulose Stärke 21. Januar 2004 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie

Parameter für biotechnologische Prozesse B.Hauer, BASF Parameter für biotechnologische Prozesse Chemikalien Bulk Fein Produktionsvol. [t a-1] Raum-Zeit Ausbeute [Mol Produkt L-1 d-1] Produkt Konzentrationen Biokatalysator Kosten / kg P Prozess > 1000 100-1000 0.03-0.3 30-30000 1-10% >10% < 0.5  4-5 kontinuierlich batch Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

AUSWIRKUNG AUF DIE CHEMISCHE INDUSTRIE IN 2010 Abhängig von... Technologie Entwicklung Welweite Nachfrage Rohstoffpreise Politische Rahmenbedingungen 2004 20% 10% 2000 2010 Zeit McKinsey Analyse: Auswirkungen der Biotechnologie auf die chemische Industrie Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

Welche Enzyme werden als Biokatalysatoren genutzt? Oxidoreduktasen Oxidation 25% 28% Ganze Zellen Transferasen ~ 5% 11% Reduktion ~ 1% 4% Hydrolasen 65% 45% Isomerasen ~ 5% 12% Lyasen Straathof, A., Panke S., Schmid A. (2002) Curr. Opin. Biotechnol. 13, 548-556 Faber, K. (2000) Biotransf. in Org. Synthesis, Springer 4th ed. Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

Produkte Kohlenhydrate achirale Andere: chirale Fettsäuren Nucleotide Steroide Amino- säuren sec-Alkohole Nucleotide chirale achirale Peptide / -lactam Antibiotika Andere: Straathof, A., Panke S., Schmid A. (2002) Curr. Opin. Biotechnol. 13, 548-556

Nachhaltige Bioprozesse in der chemischen Industrie Produkt Katalysator Unternehmen SO42- Entfernung Sulfat-reduzierende Mikrobe BudelZink 7-ACA D-Amino acid Oxidase Glutaryl Amidase Biochemie H2O2 Entfernung aus Textilien Katalase Windel Vitamin B2 Hefe BASF Indigo Naphthalin Dioxygenase Gencore Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

Production von 7-ACA B I O W T E I C S H N L G 7 – Amino – Cephalosporanic Acid Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

Fakten E B I O T C H N L G 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 W E I S Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

Synthese von 7-ACA (ZnCPC) D-AAO TMSCI T< 0oC PCl5 spontan Hydrolyse Glutaryl amidase

7-ACA Prozess im Überblick T C H N L G Enzymproduktion E. Coli; Trijonopsis variabilis Enzym reinigung W E I S Batch Reaktor (10000L) Immobilisierung (Eupergit) Produktkristallisation 2000 t a-1 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

Chemisches Verfahren E B I O T C H N L G 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) W E I S Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

Biotechnologischer Prozess Keine giftigen Chemikalien Keine Lösungsmittel (I) Raumtemperatur Keine zusätzliche Abwasser Reinigung Stark reduzierte Abluftemissionen W E I S Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

Vergleich OECD 2001 B BT Chemisch I O W T Sondermüll (Verbrennung) E 100 0.7 Abwasser 100 90 Lösungsmittel (1) 100 Lösungsmittel (2) 2.5 100 Energie 80 100 Zinkabfall 100 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

Indigo Indigofera tinctoria Pseudomonas putida Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

Traditionell Indigofera Fermentation Indoxyl Blätter (Gärung)     Traditionell Indigofera Blätter Fermentation (Gärung) Indoxyl Oxidation zum Indigo „Schlagen” der Fermentationsbrühe Wasserunlösliche Paste Reduktion im Färbesud = Küpe Trocknen = Rück- oxidation zum Indigo Färben Indigofera tinctoria Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

Chemisch A. Baeyer 1878 (BASF) Heumannsches Verfahren (seit 1890) +NaNH2 Na+ 180-200oC KOH - NaOH Früher Gewinnung von N-Phenylglycin aus Anilin u. Chloressigsäure heute durch Hydrolyse von Anilinoacetonitril +O2 Indigo

Prozessentwicklung (I) Ensley, Ratzkin, Osslund, Simon, Wackett, Gibson; 1983, Science, 222:167-169 Prozessentwicklung (I) Tryptophanase In rekombinatem E. Coli Naphthalen Dioxygenase Luft spontan Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

Prozessentwicklung (II) PROBLEME 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 21. Januar 2004

Prozessentwicklung LÖSUNG 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 21. Januar 2004

Indigo via moderner Biotechnologie Bialy, Nat. Biotech. (1997) 15: 110 Indigo via moderner Biotechnologie ERGEBNIS Glukose Tryptophanase Naphthalen Dioxygenase Luft spontan Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

Ergebniss Genencor, USA Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

Biotechnologische Prozesse für den Umweltschutz Indikatorsysteme, basierend auf enzym-katalysierten Reaktionen Reinigung von kontaminierten Böden Wässern Luft durch Mikroorganismen E B I O T C H N L G W E I S Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

Äussere Symptome der Arsenicosis B I O T C H N L G W E I S 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 21. Januar 2004

Verbreitung von Arsen belastetem Grundwasser Pakistan 3.6 n 11 Mio.? Vietnam Nepal Laos Kambodia Thailand Sumatra n natural a anthropogenic m mineral wastes mg L-1 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

Arsenresistenz in Prokaryonten Quelle: Prof. Alexander J.B. Zehnder, EAWAG Arsenresistenz in Prokaryonten E B I O T C H N L G arsA As(III) ArsC As(V) ArsAB Bakterienzelle arsR arsD arsB arsC W E I S As(III) ArsR Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

Reportergen lacZ kodiert ß-Galaktosidase Stammt aus dem lac-Operon von E.coli ß-Galaktosidase spaltet X-Gal  blaue Farbe ß-Galactosidase spontan + Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

Entwicklung eines Arsenit Indikators Quelle: Prof. Alexander J.B. Zehnder, EAWAG Entwicklung eines Arsenit Indikators ArsR LacZ 12 ArsR arsR lacZ 24 Aufgrund des Expressionsmechanismus der ars Gene, kommt es immer zu einer Hintergrundreaktion 62 µgL-1 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

Reduktion der Hintergrundreaktion Quelle: Prof. Alexander J.B. Zehnder, EAWAG Reduktion der Hintergrundreaktion ‚AUS‘ arsR lacZ ArsR ArsR LacZ ‚AN‘ arsR lacZ As(III) ArsR ArsR As(III) LacZ LacZ LacZ Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

Fertiges Produkt Lyophilisierte E. coli werden 15 µgL-1 80 µgL-1 Quelle: Prof. Alexander J.B. Zehnder, EAWAG Fertiges Produkt 80 µgL-1 60 µgL-1 40 µgL-1 30 µgL-1 15 µgL-1 8 µgL-1 4 µgL-1 0 µgL-1 Lyophilisierte E. coli werden zusammen mit einer x-Gal Lösung auf die Testplättchen aufgebracht Einfach zu verwenden Einfach aufzubewahren Sehr empfindlich Inkubations Temperatur: 30 oC Inkubationszeit: 30 min Farbentwicklung: 30 min Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

Biologische Abluftreinigung (B-ALR) 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 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

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 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

Funktionsschaubild Reinluft Abluft Belebungsbecken Prof. Engesser, Uni Stuttgart Funktionsschaubild Abluft Reinluft Belebungsbecken

Think Big…. ABLUFTREINIGUNG BIOLOGISCHE Sammlung Abluft Prof. Engesser, Uni Stuttgart Think Big…. ABLUFTREINIGUNG BIOLOGISCHE Sammlung Abluft Belebungsbecken Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

Füllkörper der Wascheinheit Prof. Engesser, Uni Stuttgart Füllkörper der Wascheinheit Polystyrolringe zur Oberflächenvergrösserung  besserer Übergang der gasförmigen Abluftinhaltsstoffe in die Waschflüssigkeit Dem Publikum einen Beispiel-Füllkörper zeigen! Ein Aufwuchs von Mikroorganismen ist nicht beabsichtigt! Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

Abbau durch MOs im Belebungsbecken 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 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

Biotech  E suuberi Sach?! Prof. Engesser, Uni Stuttgart Biotech  E suuberi Sach?! Clogging der Packung Verstopfung des Gitterrosts Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

Voraussetzungen und Nachteile der BIO-ALR 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 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

Vorteile Hoher Wirkungsgrad bzgl. der erforderlichen Geruchsminderung. 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 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

Grüne Biotechnologie Alle Anwendungen von Biotechno-logie im Agrarsektor E B I O T C H N L G N G R Ü E transgene Pflanzen mit Schädlings- oder Herbizidtoleranz transgene Pflanzen mit höheren Erträgen Functional Food Nutraceuticals Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

Weltweiter Anbau von GenTechPflanzen ISAAA Weltweiter Anbau von GenTechPflanzen E B I O T C H N L G 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 18 Länder ges. 70 60 50 40 30 20 10 Mio. Hektar Zunahme um 15% zw 2002 und 2003 Industriestaaten Entwicklungsländer N G R Ü E Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

Transgene Nutzpflanzen— ein kontroverses Thema National Center for Food & Agricultural Policy Transgene Nutzpflanzen— ein kontroverses Thema E B I O T C H N L G Pro Medizinischer Nutzen N G R Ü E Schädlingsresistenzen  Weniger Pestizide Lösung des Ernährungsproblem der Dritten Welt Signifikante Ertragssteigerung  Einsparungen von Anbaufläche Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

Transgene Nutzpflanzen— ein kontroverses Thema B I O T C H N L G Contra Unkontrollierten Ausbreitung  Rückgang der genetischen Vielfalt Negative Auswirkungen auf das Ökosystem N G R Ü E Unkontrollierter Gentransfer  Entstehug von resistenten Schädlingen Angst vor negativen Auswirkungen auf den Menschen (z.B. Allergien) Deklarierungsproblematik  Mangelnde Akzeptanz beim Endverbraucher Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

Goldener Reis B I O G T R Ü C N H E N L G E Prof. Dr. Ingo Potrykus (re) Prof. Dr. Peter Beyer (li) N G R Ü E 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 21. Januar 2004

Menschen sind weltweit betroffen Motivation E B I O T C H N L G ½ Mio Kinder erblinden jährlich 1-2 Mio Kinder sterben jährlich N G R Ü E erhöhte Infektions anfälligkeit Vitamin A Mangel Nacht blindheit Xero phthalmie Wachstums störung 500 000 Millionen Menschen sind weltweit betroffen Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

Vitamin A & Reis — keine Liebesbeziehung Grundnahrungsmittel für 2 Milliarden Menschen E B I O T C H N L G N G R Ü E Hoher Fettsäure- gehalt in der Schale, wenig Vit. A Kein Vitamin A im Endosperm GGPP im Endosperm Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

Synthese von Vitamin A GGPP (C20) Phytoen Synthase Phytoen (C40) Phytoen Desaturase -Carotin Desaturase Lycopen (C40) ß-Carotin Lycopen Cyclase E B I O T C H N L G N G R Ü E -Carotin (C40) Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

Methode + psy & lyc Narcissus pseudonarcissus + crtI Erwinia uredova Golden rice 1.6 g g-1 -Carotin Japonica Taipei 302 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

Status Quo (2001) E B I O T C H N L G 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 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie 21. Januar 2004

Biotechnologie Der Schlüssel zum 21. Jahrhundert?

Quellennachweis http://www.europabio.orghttp://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