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Kompaktlexikon der Biologie: Biotechnologie

Biotechnologie, die Anwendung biologischer Leistungen in der industriellen Produktion und in anderen technischen Prozessen. Nach der Definition der Europäischen Föderation für Biotechnologie ist B. die integrierte Anwendung von Mikrobiologie, Biochemie, Molekulargenetik und Verfahrenstechnologie mit dem Ziel, das Potenzial von Mikroorganismen, Zell- und Gewebekulturen sowie Teile davon (z.B. Enzyme) technisch zu nutzen.

Der Name Biotechnologie wurde Ende der fünfziger Jahre geprägt und bezog sich in erster Linie auf die kommerzielle Nutzung von Mikroorganismen, u.a. Bakterien, Hefen, Pilzen sowie Algen. In der Folgezeit wurden in der B. jedoch auch Zellkulturen pflanzlichen und tierischen Ursprungs verwendet (z.B. für Arzneimittel und Impfseren). Heute werden in fast allen Bereichen der B. auch gentechnische Verfahren angewendet. Der Begriff B. wird daher heute häufig synonym mit Gentechnik verwendet.

Geschichte. Viele biotechnologische Verfahren sind Jahrhunderte alt, beispielsweise die Verwendung von Mikroorganismen zur Herstellung von Wein, Essig und Käse ( vgl. Tab. ). Ein wichtiger Schritt bei der Identifizierung der an diesen biotechnologischen Umsetzungen beteiligten Organismen war die Entdeckung von Bakterien- und Hefezellen mit Hilfe einfacher Mikroskope (A. von Leeuwenhoek, 1683). Im 19. Jh. machte L. Pasteur die Entdeckung, dass die Gärung auf die Aktivität von Mikroorganismen zurückgeht und dass unterschiedliche Mikroorganismen auch unterschiedliche Gärungsprodukte bilden können. E. Buchner wies die Existenz von Enzymen in Hefen nach. C. Weizmann nutzte 1915/1916 Gärprozesse zur Produktion von Aceton und Butanol (Buttersäure-Butanol-Aceton-Gärung). Seit 1919 gibt es Produktionsanlagen für die Gewinnung von Citronensäure aus Kulturen des Pilzes Aspergillus. Im Jahr 1928 wurde das Penicillin entdeckt (A. Fleming) und ab 1941 in großem Maßstab hergestellt. In den 1950er-Jahren wurde damit begonnen, eine Reihe von Aminosäuren, Vitaminen und Enzymen mit Hilfe von biotechnologischen Verfahren zu produzieren. 1972 wurden erste Experimente mit rekombinierter DNA (Rekombination) durchgeführt. Außerdem wurden Methoden zur Fusion ganzer Zellen (Zellfusion) und somit zur Kombination kompletter Genome entwickelt. Mit diesen Möglichkeiten zur gezielten Veränderung des Erbgutes wurde die Phase der molekularen B. eingeleitet (Gentechnik) – mit all ihren wissenschaftlichen, wirtschaftlichen, aber auch ethischen Konsequenzen (transgene Pflanzen, transgene Tiere). Neben der gezielten Optimierung von Biokatalysatoren ergaben sich damit neue Wege zur Konstruktion neuer Organismen.

Einsatzmöglichkeiten der Biotechnologie. Die meisten Produkte der B. werden im medizinischen Bereich und in der Lebensmittelindustrie eingesetzt ( vgl. Tab. ). Im medizinischen Bereich gehören zu diesen Produkten u.a. Aminosäuren (Glutaminsäure, Asparginsäure, Phenylalanin, Lysin), Antibiotika, verschiedene Blutproteine wie Antikörper und Blutgerinnungsfaktoren (Bluterkrankheit), Enzyme, Hormone (Insulin), Vitamine (Vitamin B12, Riboflavin), Immunsuppressiva, Impfstoffe, Cytokine und Steroide. In der Lebensmittelindustrie nutzt man die B. zur Herstellung von Aminosäuren, Citronensäure, Enzymen, Lebensmittelzusatzstoffen und zur Herstellung alkoholischer Getränke wie Bier, Wein und Sekt. Zu den biotechnologisch hergestellten Industriechemikalien gehören Ethanol, Butanol, Glycerin, Essigsäure und Farbstoffe. In der Schädlingsbekämpfung wird die B. eingesetzt bei der Bekämpfung von Stechmücken im Larvenstadium. In der Landwirtschaft ist ein wichtiges, aber auch umstrittenes Anwendungsgebiet die Schädlingsbekämpfung durch Toxine des Bakteriums Bacillus thuringiensis (Bt-Toxin). Mit Hilfe der Gentechnik wurden transgene Pflanzen entwickelt, die das Bt-Toxin im Spross produzieren. Die B. hat aber auch große Bedeutung für den Umweltbereich: An der Abwasserreinigung (Kläranlage) sind im Wesentlichen Mikroorganismen beteiligt, z.B. Acinetobacter spec. bei der biologischen Phosphateliminierung und Pseudomonas spec. bei der Denitrifikation. Für die Abluftreinigung (Biofilter) und die Bodensanierung werden ebenfalls spezifische Mikroorganismen eingesetzt.

Biotechnologische Produktionsverfahren. Die Massenproduktion von Mikroorganismen (industrielle Mikroorganismen) läuft jeweils nach dem gleichen Grundprinzip ab. Im ersten Schritt werden leistungsfähige Mikroorganismenstämme selektiert, die sich durch eine hohe Ausbeute der jeweiligen Substanz auszeichnen. Durch Mutation und Rekombination werden die Stämme genetisch verändert. In großen (100 m3 und mehr) Bioreaktoren oder Produktionsfermentern (Fermenter), die ein Nährmedium enthalten, werden die Mikroorganismen vermehrt und anschließend die entstandenen Stoffwechselprodukte aufbereitet. Zellkulturen von Pflanzen und Tieren werden auf geeigneten Nährböden oder in Nährlösungen kultiviert.



Biotechnologie: Geschichte der Biotechnologie



Biotechnologie: Biotechnologisch wichtige Mikroorganismen

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  • Die Autoren

Redaktion:
Dipl.-Biol. Elke Brechner (Projektleitung)
Dr. Barbara Dinkelaker
Dr. Daniel Dreesmann

Wissenschaftliche Fachberater:
Professor Dr. Helmut König, Institut für Mikrobiologie und Weinforschung, Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Professor Dr. Siegbert Melzer, Institut für Pflanzenwissenschaften, ETH Zürich
Professor Dr. Walter Sudhaus, Institut für Zoologie, Freie Universität Berlin
Professor Dr. Wilfried Wichard, Institut für Biologie und ihre Didaktik, Universität zu Köln

Essayautoren:
Thomas Birus, Kulmbach (Der globale Mensch und seine Ernährung)
Dr. Daniel Dreesmann, Köln (Grün ist die Hoffnung - durch oder für Gentechpflanzen?)
Inke Drossé, Neubiberg (Tierquälerei in der Landwirtschaft)
Professor Manfred Dzieyk, Karlsruhe (Reproduktionsmedizin - Glück bringende Fortschritte oder unzulässige Eingriffe?)
Professor Dr. Gerhard Eisenbeis, Mainz (Lichtverschmutzung und ihre fatalen Folgen für Tiere)
Dr. Oliver Larbolette, Freiburg (Allergien auf dem Vormarsch)
Dr. Theres Lüthi, Zürich (Die Forschung an embryonalen Stammzellen)
Professor Dr. Wilfried Wichard, Köln (Bernsteinforschung)

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