bioteknologi

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning

Bioteknologi ( oldgræsk βίος bíos , tysk 'liv' ; også som et synonym for bioteknologi og kort som bioteknologi ) er en tværfaglig videnskab, der beskæftiger sig med brugen af enzymer , celler og hele organismer i tekniske anvendelser . Målene omfatter udvikling af nye eller mere effektive processer til fremstilling af kemiske forbindelser og diagnostiske metoder. [1] [2]

Inden for bioteknologi bruges fund fra mange områder, såsom mikrobiologi , biokemi ( kemi ), molekylærbiologi , genetik , bioinformatik og teknik med procesteknik ( bioprocess engineering ). [2] Grundlaget dannes ved kemiske reaktioner , der katalyseres af frie enzymer eller enzymer, der er til stede i celler ( biokatalyse eller biokonvertering ). Bioteknologi yder vigtige bidrag til processen med biologisering .

Klassiske bioteknologiske applikationer blev udviklet for tusinder af år siden, som f.eks B. fremstilling af vin og øl med gær og forarbejdning af mælk til forskellige fødevarer ved hjælp af visse mikroorganismer eller enzymer. [2] Siden 1800 -tallet har moderne bioteknologi i stigende grad tyet til mikrobiologisk og siden midten af ​​1900 -tallet også til molekylærbiologisk , genteknisk og genteknisk viden og metoder. Dette gør det muligt at anvende fremstillingsprocesser for kemiske forbindelser, f.eks. B. som en aktiv ingrediens i lægemiddelindustrien eller som et grundlæggende kemikalie for den kemiske industri til at udvikle diagnostiske metoder, biosensorer , nye plantesorter og andre. [1] [2]

Biotekniske processer kan bruges på mange forskellige måder på en lang række områder. I nogle tilfælde forsøger man at sortere disse processer efter anvendelsesområder, som f.eks B. Medicin ( rød bioteknologi ), planter eller landbrug ( grøn bioteknologi ) og industri ( hvid bioteknologi ). [1] Nogle gange skelnes der også efter, hvilke organismer metoderne anvendes på, f.eks. I blå bioteknologi eller gul bioteknologi [3] , der henviser til anvendelser i marine organismer eller insekter.

historie

Der har været biotekniske anvendelser i tusinder af år, som f.eks B. produktion af øl og vin . Den biokemiske baggrund var oprindeligt stort set uklar. Med fremskridt inden for forskellige videnskaber, især mikrobiologi i det 19. århundrede, blev bioteknologi videnskabeligt behandlet, dvs. bioteknologi blev udviklet. Der blev åbnet op for optimerede eller nye biotekniske anvendelsesmuligheder. Yderligere vigtige trin var opdagelsen af deoxyribonukleinsyre (DNA eller DNA) i 1950'erne, den stigende forståelse af dets betydning og funktionalitet og den efterfølgende udvikling af molekylærbiologiske og gentekniske laboratoriemetoder.

Første biotekniske anvendelser

De ældste anvendelser af bioteknologi, som har været kendt i over 5000 år, er produktion af brød , vin eller øl ( alkoholisk gæring ) ved hjælp af gær, som er en svamp . Ved at bruge mælkesyrebakterier kunne der også produceres surdej ( surdej ) og surmælksprodukter som ost , yoghurt , surmælk eller kefir . En af de tidligste biotekniske anvendelser bortset fra ernæring var garvning og farvning af huder ved hjælp af afføring og andre enzymholdige materialer til fremstilling af læder . Store dele af bioteknologien var baseret på disse produktionsprocesser indtil middelalderen, og omkring 1650 opstod den første bioteknologiske proces til produktion af eddike .

Udvikling af mikrobiologi

Louis Pasteur isolerede eddikesyrebakterier og ølgær for første gang.

Moderne bioteknologi er hovedsageligt baseret på mikrobiologi , der opstod i anden halvdel af 1800 -tallet. Frem for alt lagde udviklingen af dyrkningsmetoder , ren kultur og sterilisering af Louis Pasteur grundlaget for undersøgelse og anvendelse ( anvendt mikrobiologi ) af mikroorganismer . I 1867 var Pasteur i stand til at isolere eddikesyrebakterier og ølgær ved hjælp af disse metoder. Omkring 1890 udviklede han og Robert Koch de første vaccinationer på basis af isolerede patogener og lagde dermed grundlaget for medicinsk bioteknologi . Den japanske Jōkichi Takamine var den første til at isolere et enkelt enzym til teknisk brug, alfa-amylase . Et par år senere brugte den tyske kemiker Otto Röhm animalske proteaser (proteinnedbrydende enzymer) fra slagteriaffald som vaskemidler og hjælpestoffer til læderproduktion .

Bioteknologi i det 20. århundrede

Den store produktion af butanol og acetone ved gæring af bakterien Clostridium acetobutylicum blev beskrevet og udviklet i 1916 af kemikeren og senere Israels præsident Charles Weizmann . [4] Det var den første udvikling af hvid bioteknologi . Processen blev brugt indtil midten af ​​det 20. århundrede, men derefter erstattet af den mere økonomiske petrokemiske syntese fra propenfraktionen af råolie . Citronsyre blev produceret fra 1920 og fremefter ved overfladefermentering af Aspergillus nigersvamp . I 1957 blev aminosyren glutaminsyre først produceret ved hjælp af jordbakterien Corynebacterium glutamicum .

Alexander Fleming på frimærke

I 1928/29 opdagede Alexander Fleming det første medicinsk anvendte antibiotikum penicillin i svampen Penicillium chrysogenum . I 1943 antibiotika streptomycin efterfulgt af Selman Waksman , Albert Schatz og Elizabeth Bugie . I 1949 blev produktionen af steroider implementeret i industriel skala. I begyndelsen af ​​1960'erne blev bioteknologisk afledte proteaser føjet til vaskemidler for første gang for at fjerne proteinpletter . I osteproduktionen er kalven løbe blevet erstattet af rennin produceret i mikroorganismer siden 1965. Fra 1970 kunne amylaser og andre stivelsesopdelende enzymer produceres bioteknologisk, hvormed z. B. majsstivelse i den såkaldte "majssirup med høj fruktose", så majssirup , omdannet og brugt som erstatning for rørsukker ( saccharose ), z. B. i drikkevareproduktion kunne bruges.

Moderne bioteknologi siden 1970'erne

Strukturel model af et snit fra DNA-dobbeltspiralen (B-form) med 20 baseparringer

Opklaring af DNA -strukturen

I 1953 præciserede Francis Crick og James Watson strukturen og funktionaliteten af deoxyribonukleinsyre (DNA). Dette lagde grundlaget for udviklingen af ​​moderne genetik.

Siden 1970'erne har der været en række centrale udviklinger inden for laboratorie- og analyseteknologi. I 1972 brugte f.eks. Biologerne Stanley N. Cohen og Herbert Boyer molekylærbiologiske metoder til at opnå den første in vitro rekombination af DNA (ændring af DNA i reagensglas ) samt produktion af plasmidvektorer som et værktøj til overførsel (en vektor ) af genetisk materiale , f.eks. B. i bakterieceller.

César Milstein og Georges Köhler producerede første gang monoklonale antistoffer i 1975, som er et vigtigt redskab inden for medicinsk og biologisk diagnostik . Siden 1977 kan rekombinante proteiner ( proteiner oprindeligt afledt af andre arter ) fremstilles i bakterier og produceres i større skala. I 1982 blev de første transgene afgrødeplanter med genetisk erhvervet herbicidresistens genereret, så når plantebeskyttelsesforanstaltninger det korrekte herbicid skåner afgrøden. I samme år blev knock-out mus skabt til medicinsk forskning. Med dem inaktiveres mindst ét ​​gen for at forstå og undersøge dets funktion eller funktionen af ​​det homologe gen hos mennesker.

Genom sekvensering

I 1990, at lancerede Human Genome Project , som indtil 2001 (eller 2003 de tilsigtede standarder) hele det humane genom tydet på 3,2 × 10 9 basepar (bp) og sekventeret var. Sekventeringsteknologien er direkte baseret på polymerasekædereaktionen (PCR) udviklet i 1975, hvilket muliggør en hurtig og mere end 100.000 gange stigning i visse DNA-sekvenser og dermed tilstrækkelige mængder af denne sekvens, f.eks. B. til analyse stillet til rådighed. Allerede i 1996 blev bagergæren ( Saccharomyces cerevisiae ) med 2 × 10 7 bp fuldstændig belyst som det første genom. På grund af den hurtige udvikling af sekventeringsteknologi, andre genomer, såsom den for bananfluen Drosophila melanogaster (2 × 10 8 bp) kunne sekventeres relativt hurtigt.

Bestemmelsen af ​​genom -sekvenser førte til etablering af yderligere forskningsområder baseret herpå, såsom transkriptomik , proteomik , metabolomik og systembiologi og til en stigning i betydning, f.eks. B. bioinformatik .

Anvendelser af genteknologi

I 1995 kom det første transgene produkt, Flavr Savr -tomaten, på markedet og blev godkendt til salg i USA og Storbritannien. De første forsøg på genterapi hos mennesker blev foretaget i 1996, og humane stamceller blev først formeret i cellekultur i 1999. I samme år oversteg markedsmængden af ​​rekombinant producerede proteiner i medicinalindustrien for første gang værdien af ​​10 milliarder dollars. Det klonede får Dolly blev født i 1998.

De nyudviklede genteknologiske metoder åbnede nye udviklingsmuligheder for bioteknologi, hvilket førte til fremkomsten af ​​molekylær bioteknologi. Det danner grænsefladen mellem molekylærbiologi og klassisk bioteknologi. Vigtige teknikker er f.eks. B. transformation eller transduktion af bakterier ved hjælp af plasmider eller vira . Visse gener kan indføres i egnede typer af bakterier på en målrettet måde. Yderligere anvendelsesområder for molekylær bioteknologi er analytiske metoder, for eksempel til identifikation og sekventering af DNA- eller RNA -fragmenter. [5]

Filialer inden for bioteknologi

Bioteknologi er et meget bredt begreb. Det er derfor opdelt i forskellige grene i henhold til de respektive anvendelsesområder. Nogle af disse overlapper hinanden, så denne underinddeling ikke altid er klar. I nogle tilfælde er vilkårene endnu ikke etableret eller defineret forskelligt.

Opdeling af bioteknologi i forskellige grene [6]
afdeling anvendelsesområder
Grøn bioteknologi Anvendelse i landbruget ; Plantebioteknologi
Rød bioteknologi Anvendelse inden for medicin og lægemidler ; Medicinsk bioteknologi
Hvid bioteknologi Anvendelse i industrien ; Industriel bioteknologi
Grå bioteknologi Anvendelse i affaldshåndtering
Brun bioteknologi Teknisk eller miljøteknologi z. B. i jordbeskyttelse
Blå bioteknologi bioteknologisk anvendelse af havressourcer

Grøn bioteknologi vedrører plantebaserede applikationer, f.eks. B. til landbrugsformål. Rød bioteknologi er området for medicinsk-farmaceutiske applikationer, som f.eks B. fremstilling af medicin og diagnostik. Hvid bioteknologi eller industriel bioteknologi omfatter bioteknologiske fremstillingsprocesser, især for kemiske forbindelser i den kemiske industri , men også processer i tekstil- eller fødevareindustrien . [1]

Opdelingerne i områderne blå bioteknologi , der omhandler brugen af ​​organismer fra havet, og grå bioteknologi med bioteknologiske processer inden for affaldshåndtering ( rensningsanlæg , dekontaminering af jordbund og lignende) er mindre almindelige.

Uanset denne klassificering er der bioteknologi kendt som den konventionelle form, der omhandler spildevandsrensning , kompostering og andre lignende applikationer.

Produktionsmetoder

Organismer

Bakterien Escherichia coli er en af ​​de mest anvendte organismer inden for bioteknologi.

I moderne bioteknologi bruges både bakterier og højere organismer som svampe , planter eller dyreceller nu. Ofte anvendte organismer er ofte allerede blevet grundigt undersøgt, såsom tarmbakterien Escherichia coli eller bagergæren Saccharomyces cerevisiae . Velundersøgte organismer bruges ofte til bioteknologiske anvendelser, fordi de er velkendte, og metoder til deres dyrkning eller genetisk manipulation er allerede blevet udviklet. Enkle organismer kan også genetisk modificeres med mindre indsats.

I stigende grad bruges også højere organismer ( flercellede eukaryoter ) i bioteknologi. Årsagen til dette er for eksempel evnen til at foretage posttranslationelle ændringer af proteiner, der z. B. finder ikke sted i bakterier. Et eksempel på dette er glycoprotein hormon erythropoietin , kendt som et doteringsmiddel med forkortelsen EPO. Imidlertid vokser eukaryote celler langsommere end bakterier og er sværere at dyrke af andre årsager. I nogle tilfælde kan farmaceutiske planter , der dyrkes på marken, i drivhuset eller i fotobioreaktoren være et alternativ til produktionen af ​​disse biofarmaka . [7]

Bioreaktorer

Især mikroorganismer kan dyrkes i bioreaktorer eller fermentatorer . Det er beholdere, hvor betingelserne styres og optimeres, så de dyrkede mikroorganismer producerer de ønskede stoffer. I bioreaktorer er forskellige parametre , som f.eks B. pH , temperatur , iltforsyning , nitrogentilførsel , glucoseindhold eller omrørerindstillinger kan reguleres. Da de mikroorganismer, der kan bruges, har meget forskellige krav, er der meget forskellige typer fermentorer tilgængelige, som f.eks B. omrørte tankreaktorer , loop -reaktorer , airlift -reaktorer samt gennemskinnelige fotobioreaktorer til dyrkning af fotosyntetiske organismer (såsom alger og planter).

Ansøgninger

Se tilsvarende afsnit i artiklerne: Hvid bioteknologi , rød bioteknologi , grøn bioteknologi , grå bioteknologi og blå bioteknologi

På grund af mangfoldigheden i bioteknologi er mange anvendelsesområder og produkter knyttet til eller afhængige af det:

perspektiv

Mange anvendelser af bioteknologi er baseret på en god forståelse af, hvordan organismer fungerer. Gennem nye metoder og tilgange, som f.eks B. genom -sekventering og beslægtede forskningsområder som proteomik, transkriptomik, metabolomik, bioinformatik osv., Udvides denne forståelse konstant. Flere og flere medicinske anvendelser er mulige.I hvid bioteknologi er visse kemiske forbindelser, f.eks. B. til farmaceutiske formål eller som råvare til den kemiske industri, og planter kan optimeres til visse miljøforhold eller deres tilsigtede anvendelse. Ofte kan tidligere applikationer erstattes af mere fordelagtige biotekniske processer, som f.eks. B. miljøskadelige kemiske fremstillingsprocesser i industrien. Det forventes derfor, at væksten i bioteknologiindustrien fortsætter i fremtiden. [8.]

Se også

litteratur

  • G. Festel, J. Knöll, H. Götz, H. Zinke: Bioteknologiens indflydelse på produktionsprocesser i den kemiske industri. I: Kemisk ingeniørteknologi . Bind 76, 2004, s. 307-312, doi: 10.1002 / cite.200406155 .
  • Nikolaus Knoepffler , Dagmar Schipanski , Stefan Lorenz Sorgner (red.): Menneskelig bioteknologi som en social udfordring. Alber Verlag, Freiburg i. B. 2005, ISBN 3-495-48143-5 .
  • Björn Lippold: Bioteknologiens regnbue . bionity.com .
  • Luitgard Marschall: Industriel bioteknologi i det 20. århundrede. Teknologisk alternativ eller niche -teknologi? I: Technikgeschichte, bind 66 (1999), H. 4, s. 277-293.
  • K. Nixdorff, D. Schilling, M. Hotz: Hvordan fremskridt inden for bioteknologi kan misbruges: Biovåben. I: Biologi i vor tid . Bind 32, 2002, s. 58-63.
  • Reinhard Renneberg, Darja Süßbier: Bioteknologi for begyndere . Spectrum Academic Publishing House, 2005, ISBN 3-8274-1538-1 .
  • Moselio Schaechter, John Ingraham, Frederick C. Neidhardt: Mikro: Originalen med oversættelseshjælpemidler . Spectrum Academic Publishing House, 2006, ISBN 3-8274-1798-8 .
  • R. Ulber, K. Soyez: 5000 års bioteknologi: Fra vin til penicillin. I: Kemi i vor tid . Bind 38, 2004, s. 172-180, doi: 10.1002 / ciuz.200400295 .
  • Volkart Wildermuth : Bioteknologi. Mellem videnskabelige fremskridt og etiske grænser. Parthas Verlag, 2006, ISBN 3-86601-922-X .
  • Michael Wink: Molecular Biotechnology: Concepts, Methods and Applications , Wiley-VCH, Weinheim, 2011, ISBN 978-3527326556

Weblinks

Wiktionary: Bioteknologi - forklaringer på betydninger, ordoprindelse, synonymer, oversættelser

Individuelle beviser

  1. a b c d Hvad er bioteknologi? Informationsside for BMBF. (biotechnologie.de , åbnet den 22. februar 2010).
  2. a b c d bioteknologi. Finansieringsprioritet for BMBF: Bæredygtig økologisk produktion. Informationsside for projektpartneren Forschungszentrum Jülich. (www.fz-juelich.de ( Memento fra 20. september 2005 i internetarkivet ), åbnet den 22. februar 2010).
  3. Gul bioteknologi. Hentet 3. marts 2017 .
  4. ^ Charles Weizmann: Produktion af aceton og alkohol ved bakteriologiske processer. US patent 1.315.585 udstedt september 1919.
  5. ^ Teknisk universitet i München (TUM): Molekylær bioteknologi , beskrivelse af forløbet, adgang til 21. februar 2010.
  6. P. Kafarski: Rainbow Code of Biotechnology . KEMISK. Wroclaw University, 2012.
  7. ^ Eva L. Decker, Ralf Reski : Mosebioreaktorer, der producerer forbedrede biofarmaka. I: Aktuel udtalelse i bioteknologi. Bind 18, 2007, s. 393-398. doi: 10.1016 / j.copbio.2007.07.012 .
  8. ^ Bioteknologisk virksomhedsundersøgelse 2009 ( Memento fra 28. marts 2010 i internetarkivet ), informationsside for forbundsministeriet for uddannelse og forskning (BMBF), åbnet den 22. februar 2010.