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

BIOTECHNOLOGIE

Der Schlüssel zum 21. Jahrhundert?

Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004

Was ist Biotechnologie?…the application of scientific and engineering principles to the processing of materials by biological agents

(Definition OECD)


BiologieChemie

Technik

Biotechnologie


Biotechnologie heute

ROTE BT

BLAUE BT

WEISSE BT

GRÜNE BT

Awendungen als Alternative zur chemischen IndustrieBiotechnologie im Agrarsektor

Grundlagenforschung Identifizierung von

Meeresorganismen mit biotechnologischem Anwendungs-

potenzial

Anwendungen im Gesundheitswesen

http://www.solcomhouse.com/earth.jpg

Industrielle Prozesse, basierend auf biologischen Systemen,

zum Beispiel....

isolierten Enzymen

WEISSE

E

BIOTECHNOLOGI

ganzen ZellenPilze

BakterienHefen

nachwachsendenRohstoffenZellulose

Stärke

Pflanzliche Öle


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

> 1000 100-10000.03-0.330-30000

1-10%>10%

< 0.5 4-5

kontinuierlich batch


Chemikalien Bulk Fein

AUSWIRKUNG AUF DIE CHEMISCHE INDUSTRIE IN 2010

McKinsey Analyse: Auswirkungen der Biotechnologie auf die chemische Industrie

10%

20%

2010Zeit2000

Abhängig von...• Technologie Entwicklung• Welweite Nachfrage• Rohstoffpreise• Politische Rahmenbedingungen

2004


Welche Enzyme werden als Biokatalysatoren genutzt?

Straathof, A., Panke S., Schmid A. (2002) Curr. Opin. Biotechnol. 13, 548-556Faber, K. (2000) Biotransf. in Org. Synthesis, Springer 4th ed.

Oxidoreduktasen

Transferasen

Lyasen

Isomerasen

~ 5% 11%

Hydrolasen65% 45%

~ 5% 12%

25% 28%

~ 1% 4%

Ganze ZellenReduktion

Oxidation


Produkte

Straathof, A., Panke S., Schmid A. (2002) Curr. Opin. Biotechnol. 13, 548-556

Kohlenhydrate

FettsäurenSteroide

Amino-säuren

sec-AlkoholeNucleotide

chirale

achirale

Peptide /-lactam Antibiotika

Andere:

Nachhaltige Bioprozesse in der chemischen Industrie

Produkt Katalysator Unternehmen

SO42- Entfernung Sulfat-reduzierende

Mikrobe BudelZink

7-ACA D-Amino acid OxidaseGlutaryl Amidase

Biochemie

H2O2 Entfernung aus Textilien

Katalase Windel

Vitamin B2 Hefe BASF

Indigo Naphthalin Dioxygenase Gencore


Production von 7-ACA

WEISSE

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BIOTECHNOLOGI


7 – Amino – Cephalosporanic Acid

NH2

N

S

OO

OCOOH

Fakten


WEISSE

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BIOTECHNOLOGI

Prozessentwicklung von Hoechst, später gekauft und optimiert von Biochemie, NovartisGenericsGrund: Zusätzliche Steuer auf Sondermüll (Verbrennung)7-ACA spielt eine zentrale Rolle in der Synthese von semi-synthetischen CephalosporinenNachfrage: 2000 t pro Jahr

Synthese von 7-ACANH

N

S

ONH2

HOOC

OO

OCOOH

NH2

N

S

OO

OCOOH

NH

N

S

OO

O

OCOOH

HN SI

O

OSI

NH

N

S

OO

O

OCOOH

HOOC

NH

N

S

OO

HOOC

OO

OCOOH

D-AAO

spontan

Glutaryl amidase

N

Cl

HN

N

S

O

OCOOHO

SI

O

OSI

(ZnCPC)

TMSCI

T< 0oC PCl5

T< 0oCHydrolyse

7-ACA Prozess im Überblick


WEISSE

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BIOTECHNOLOGI

Enzymproduktion E. Coli; Trijonopsis variabilis

Enzym reinigung

Immobilisierung(Eupergit)

Batch Reaktor(10000L)

Produktkristallisation 2000 t a-1

Chemisches VerfahrenGebrauch von N,N–dimethylanilin, (CH3)3SiCl, PCl5 GIFTIGSchutzgasatmosphäreNiedrige Temperaturen <0oC hoher EnergieaufwandAufwendige AbluftreinigungAufwendige AbwasserreinigungSchwermetal Entsorgung (Verwendung von Zn-Salzen)


WEISSE

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BIOTECHNOLOGI

Biotechnologischer Prozess

Keine giftigen ChemikalienKeine Lösungsmittel (I)RaumtemperaturKeine zusätzliche Abwasser ReinigungStark reduzierte Abluftemissionen


WEISSE

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BIOTECHNOLOGI

Vergleich

WEISSE

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BIOTECHNOLOGI


Chemisch BT

Sondermüll (Verbrennung) 100 0.7Abwasser 100 90

Zinkabfall 100 0

Lösungsmittel (1) 0100 Lösungsmittel (2)

2.5100

Energie

80100

OECD 2001

Indigo

Indigofera tinctoria

Pseudomonas putida


Traditionell

Indigofera tinctoria

Indigofera Blätter

Fermentation (Gärung) Indoxyl

„Schlagen” der Fermentationsbrühe

Oxidation zum Indigo

Wasserunlösliche Paste

Reduktion imFärbesud = Küpe

Trocknen = Rück-oxidation zum Indigo Färben


http://www.klickkjb.muc.kobis.de/irgendwoinafrika/3_familieundernaehrung/reis.jpg

Chemisch

Früher Gewinnung von N-Phenylglycin aus Anilin u. Chloressigsäureheute durch Hydrolyse von Anilinoacetonitril

NH CH2 COOH

180-200oCKOH - NaOH

+NaNH2 Na+

+O2 Indigo

A. Baeyer 1878 (BASF)Heumannsches Verfahren (seit 1890)

NH

OH

Prozessentwicklung (I)Ensley, Ratzkin, Osslund, Simon, Wackett, Gibson; 1983, Science, 222:167-169

NH

COOH

NH2 NHTryptophanase

Naphthalen Dioxygenase

spontanNH

OH

NH

ONH

O

Luft


In rekombinatem E. Coli

NH

OH

OH

Prozessentwicklung (II)Niedrige Naphthalen Dioxygenase AktivitätIndol Konzentrationen >400mg L-1 sind toxisch durch Inaktivierung des Ferredoxin SystemsHohe Indirubin Konzentration Farbstoff zu rotIndol und Tryptophan als Ausgangsmaterial sind zu teuer

PROBLEME


ProzessentwicklungKonstruktion von besseren Plasmiden mit starken Promotorsequenzen Höhere Oxygenaseaktivität in E. coli.Klonierung der Ferredoxingene Höhere Konzentration in der ZelleSite Directed Mutagenesis der Ferredoxingene stabileres FerredoxinEinführen einer Isatin Hydrolase reduzierter Indirubin GehaltMetabolic Engeneering Glukose als Ausgangsmaterial billig


LÖSUNG

Indigo via moderner Biotechnologie

Bialy, Nat. Biotech. (1997) 15: 110

ERGEBNIS

GlukoseNH

COOH

NH2 NHTryptophanase

Naphthalen Dioxygenase

spontanNH

OH

NH

ONH

O

Luft


NH

OH

OH

Ergebniss

Genencor, USA


Biotechnologische Prozesse für den Umweltschutz

Indikatorsysteme, basierend auf enzym-katalysierten Reaktionen

Reinigung von kontaminierten Böden Wässern Luft durch Mikroorganismen


WEISSE

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BIOTECHNOLOGI

http://vfdb10.umsicht.fhg.de/bilder/bild-1001.jpg

Haut PigmentierungBlackfoot Krankheit

Äussere Symptome der Arsenicosis


Quelle: Alexander J.B. Zehnder & Jan Roelof van der Meer, EAWAGZusammenarbeit mit Sylvia Daunert, Universität von Kentucky

WEISSE

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BIOTECHNOLOGI

Verbreitung von Arsenbelastetem Grundwasser

Pakistan

3.6 n 11 Mio.?Vietnam

Nepal

LaosKambodia

ThailandSumatra

n naturala anthropogenicm mineral wastesmg L-1


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


WEISSE

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BIOTECHNOLOGI

ArsRAs(III)

Reportergen lacZ kodiert ß-Galaktosidase


Stammt aus dem lac-Operon von E.coliß-Galaktosidase spaltet X-Gal blaue Farbe

O

O

OH

OH

CH2OH

NH

Cl Br

OH

NH

Cl Br

OH

NH

NH

ClBr

ClBr

O

O

O

OH

OH

OH

CH2OH

OH

ß-Galactosidase

spontan

+

Entwicklung eines Arsenit Indikators

arsR lacZ

ArsR

LacZArsR

Aufgrund des Expressionsmechanismus der ars Gene, kommt es immer zu einer Hintergrundreaktion

0

12

24

62 µgL-1



arsR lacZArsR ArsR

arsR lacZ

ArsR ArsRAs(III) As(III)

LacZ

LacZLacZ

LacZ

‚AUS‘

‚AN‘

Reduktion der Hintergrundreaktion

Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004 Katja Otto, ETHZ, Institut für Biotechnologie21. Januar 2004


80 µgL-1

60 µgL-1

40 µgL-1

30 µgL-1

15 µgL-1

8 µgL-1

4 µgL-1

0 µgL-1

Fertiges Produkt

Einfach zu verwendenEinfach aufzubewahrenSehr empfindlich

Inkubations Temperatur: 30 oC Inkubationszeit: 30 min Farbentwicklung: 30 min



Lyophilisierte E. coli werden zusammen mit einer x-Gal Lösung auf die Testplättchen aufgebracht

Biologische Abluftreinigung (B-ALR)


Prof. Engesser, Uni Stuttgart

Ca. 15 bis 20 % aller industrieller Emissionen können durch biologische Verfahren gereinigt werden

CnHn+2: n-Hexan, n-HeptanEster: Ethylacetat, 1-Propylacetat, 2-PropylacetatEther: Methoxypropanol, EthoxypropanolKetone: Aceton, 2-ButanonAlkohole: Ethanol, 1-Propanol, 2-Propanol, 1-Butanol,

2-Butanol

Beispiel: Druckereiabluft

Der BiowäscherDer „klassische“ Biowäscher besteht aus der

Kombination zweier Verfahren:

Absorption von gasförmigenAbluftstoffen in einem Wäscher

Biologischer Abbau dieser Stoffe in einem Belebungstank

+



Funktionsschaubild

Belebungsbecken

Abluft

Reinluft



Think Big….

Sammlung Abluft

Belebungsbecken

BIOLOGISCHE

ABLUFTREINIGUNG


Füllkörper der Wascheinheit

Ein Aufwuchs von Mikroorganismen ist nicht beabsichtigt!

Polystyrolringe zur Oberflächenvergrösserung besserer Übergang der gasförmigen Abluftinhaltsstoffe in die Waschflüssigkeit



1010 bis 1011 Zellen pro ml (OD546 > 60)hohe morphologische Diversität

Pilzdichte: 107 bis 108 KBEvor allem Hefen und hyphenbildende Pilze



Abbau durch MOs im Belebungsbecken

Biotech E suuberi Sach?!

Verstopfung des Gitterrosts

Clogging der Packung



Voraussetzungen und Nachteile der BIO-ALR

Voraussetzungen:Abluft muss richtige Temperatur habenAbluft muss richtige Feuchte habenAbluft muss frei von Fetten und Stäuben sein

Nachteile / Probleme:Schlechtes Übergangsverhalten gas / flüssig bei einigen StoffenKeine Konvektion im Biofilm, nur DiffusionAufzucht stabiler BiozönosenClogging



VorteileHoher Wirkungsgrad bzgl. der erforderlichen Geruchsminderung.Dynamisches SystemGeringe BetriebskostenDurch den biologischen Abbau der Schadstoffe wird das Problem nicht von der Abluft in andere Kompartimente verlagertEs entstehen keine Sekundäremissionen



Grüne Biotechnologie

transgene Pflanzen mit Schädlings- oder Herbizidtoleranztransgene Pflanzen mit höheren ErträgenFunctional FoodNutraceuticals

N

GRÜ

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BIOTECHNOLOGI


Alle Anwendungen von Biotechno-logie im Agrarsektor

Weltweiter Anbau von GenTechPflanzen

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GRÜ

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BIOTECHNOLOGI


1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003

18 Länder ges.

0

70

60

5040

30

20

10

Mio

. Hek

t ar

Zunahme um 15% zw 2002 und 2003

IndustriestaatenEntwicklungsländer

ISAAA

Transgene Nutzpflanzen—ein kontroverses Thema

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GRÜ

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BIOTECHNOLOGI

Pro

Signifikante Ertragssteigerung Einsparungen von Anbaufläche

Schädlingsresistenzen Weniger Pestizide

National Center for Food & Agricultural Policy

Lösung des Ernährungsproblem der Dritten Welt


Medizinischer Nutzen

Unkontrollierten Ausbreitung Rückgang der genetischen VielfaltNegative 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

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GRÜ

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BIOTECHNOLOGI


Goldener Reis

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BIOTECHNOLOGI

Prof. Dr. Ingo Potrykus (re)Prof. Dr. Peter Beyer (li)


Ye, X., Al-Babili, S., Kloti, A., Zhang, J., Lucca, P., Beyer, P., Potrykus, I. (2000), Science, 287, 303

Motivation

N

GRÜ

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BIOTECHNOLOGI


Vitamin A Mangel

Xerophthalmie

Nachtblindheit

Wachstumsstörung

erhöhte Infektions

anfälligkeit

½ Mio Kindererblinden jährlich

1-2 Mio Kindersterben jährlich

500 000 MillionenMenschen sind weltweit betroffen

Vitamin A & Reis — keine Liebesbeziehung


N

GRÜ

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BIOTECHNOLOGI

Grundnahrungsmittel für 2 Milliarden Menschen

Kein Vitamin A im Endosperm

Hoher Fettsäure- gehalt in der Schale, wenig Vit. A

GGPP im Endosperm

http://www.klickkjb.muc.kobis.de/irgendwoinafrika/3_familieundernaehrung/reis.jpg

Synthese von Vitamin A

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GRÜ

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BIOTECHNOLOGI


-Carotin (C40)

GGPP (C20)Phytoen Synthase

Phytoen (C40)Phytoen Desaturase

-Carotin DesaturaseLycopen (C40) ß-Carotin

Lycopen Cyclase

Methode


+

psy & lyc Narcissus pseudonarcissus+ crtI Erwinia uredova

Golden rice 1.6 g g-1 -Carotin

Japonica Taipei 302

Status Quo (2001)

Konstruktion einer tropischen Golden Rice Sorte mit Hilfe der gleichen TechnologieErhöhung der -Carotin Produktion durch klassische SelektionSondierung sinnvoller Anbaugebiete Erhöhung der Akzeptanz in der Öffentlichkeit

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BIOTECHNOLOGI


Biotechnologie

Schlüssel

21. Jahrhundert?

Der

zum

Quellennachweishttp://www.europabio.orghttp://www.isaaa.orghttp://www.transgen.dehttp://www.degussa-foodingredients.dehttp://www.cato.com/biotech

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

http://www.ncfap.orghttp://www.oecd.orghttp://www.uni-stuttgart.de/siwa/alrhttp://www.eawag.ch

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