BIOTECH VERSTEHEN
Die Biologie ist DIE am längsten entwickelte Produktions-Technologie auf diesem Planeten, die eigentliche BioRevolution steht uns erst bevor. Mehr im Biotech.Kolleg.
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BIOTECH = STRUKTUR, PROZESS & FUNKTION BIOLOGISCHER ORGANISMEN NUTZEN

Dies ist eine einfach verständliche Umschreibung von Biotechnologie, die das Wesentliche auf den Punkt bringen soll. Ansonsten hat sich die Fachwelt auf folgende von der Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (Organisation for Economic Co-operation and Development, OECD) erarbeitete Definition verständigt: "Die Anwendung von Wissenschaft und Technologie auf lebende Organismen sowie auf deren Bestandteile, Produkte und Modelle mit dem Ziel, lebende und nicht lebende Materialien für die Produktion von Wissen, Waren und Dienstleistungen zu verändern". 

Basis-Komponenten: ein Mini-Crashkurs

Biologische Organismen wie Menschen, Tiere, Pflanzen und viele Pilze bestehen aus Zellen100 000 000 000 000 Stück, das heißt 100 Billionen, sind es beim Menschen.

 

Zellen weisen geordnete Strukturen auf wie Zellkern, Membranen, Mitochondrien, Ribosomen, Vesikel, Mikrotubuli und viele andere. Über chemische, physikalische und informatorische Prozesse erfüllen diese Strukturen vielfältige Funktionen.

Bakterien sind Einzeller ohne Zellkern, ihre DNA liegt frei im Zytoplasma (flüssige Grund-Substanz einer Zelle) vor. Ihr Aufbau ist einfacher, so haben sie keine Mitochondrien. Die sonst dort statt findende Energie-Gewinnung erfolgt ebenfalls im Zytoplasma. Dafür benötigte Proteine werden auch in Ribosomen produziert.

 

Viren bestehen lediglich aus Erbinformation und einer Protein-Hülle. Es findet kein eigener Stoffwechsel statt,  sie können also nicht selbst "leben" und sind zur Vermehrung auf einen Wirt angewiesen. 

Zellen arbeiten wie eine Fabrik

 

In dieser gibt es etwa die Fertigung (Produktions-Straßen), Transport-Wege, ein Kraftwerk, das Management, Lager und Pforten. Entsprechende Funktionen erfüllen in Zellen die Strukturen: Ribosomen, endoplasmatisches Reticulum, Mitochondrien, der Zellkern, Vesikel und Poren. 

 

Im Zellkern findet sich die Erbinformation DNA, der universelle Bau- und Handlungsplan biologischer Organismen. Er wird in den Ribosomen in Proteine umgesetzt, die wiederum eine Vielzahl von Funktionen übernehmen, so im Stoffwechsel.

Roche Molecular Pathways Poster

Auszug

Der Stoffwechsel in Zellen und Bakterien ist ein hochkomplexer Prozess. In ausgeklügelten Regelkreisen verarbeitet er Informationen, er baut Stoffe (Moleküle) auf, um und ab und er setzt Energie um. Seit Millionen Jahren optimiert die Evolution diese Produktions-Technologie. Menschliche, tierische und pflanzliche Zellen sowie Pilze und Bakterien können damit eine Vielzahl von Produkten fabrizieren: von Lebensmitteln über reines Trinkwasser und Bioplastik bis zu Impfstoffen und Medikamenten. 

 

Das ist das Kernprinzip der Biotechnologie, die fermentative Produktion von Substanzen

Vom Bier brauen zum Produzieren von Medikamenten

Anwendung erfährt die Biotechnologie bereits seit mehr als 5.000 Jahren, also seit Zeiten weit vor Christus. Menschen nutzten Mikro-Organismen (Starter-Kulturen) oder deren Bestandteile für die biotechnische Herstellung von Brot, Essig, Wein und Bier. Heutzutage liefert die Biotechnologie zudem lebensrettende Therapien und Impfstoffe. Und in Zukunft wird sie einen wesentlichen Beitrag zum Klimaschutz beitragen können.

300 Jahre Wissenszuwachs als Basis der industriellen Nutzung

Früher war allerdings nicht bekannt, welche biochemischen Prozesse dabei ablaufen und welches Agens dahinter steht. Es handelte sich um ein überliefertes Handwerk.
Erst im 17. Jahrhundert beschrieben die Forscher Hooke und van Leeuwenhoek - der Erfinder des Mikroskops - pflanzliche und menschliche Zellen sowie Mikro-Organismen. Im Jahre 1697 veröffentlichte der deutsche Chemiker und Mediziner Stahl das Werk "Zymotechnia fundamentalis oder Allgemeine Grund-Erkänntniß der Gährungs-Kunst".

 

Es dauerte weitere 100 Jahre bis in Frankreich 1793 der Chemiker de Lavoisier erstmals die alkoholische Fermentation bzw. Gärung beobachtete und beschrieb. Knapp 50 Jahre danach wiesen in 1837 unabhängig voneinander die beiden deutschen Forscher Schwann und Kützing die Bedeutung von Hefe-Pilzen bei der alkoholischen Gärung nach. Den Grundstein der angewandten Mikrobiologie legte dann der berühmte französische Chemiker Pasteur mit seinen Entdeckungen ab Mitte des 19. Jahrhunderts.

Die ersten Fermentationen im industriellen Maßstab erfolgten ab Anfang des 20. Jahrhunderts zur Herstellung von Chemikalien wie Butanol, Aceton, Ethanol und Zitronensäure sowie zur Biomasse-Produktion von Bäcker- und Futterhefe. Während des Ersten Weltkrieges (1914-1918) ermöglichte die mikrobielle Fabrikation von Aceton und Glycerin (Rohstoffe für Sprengstoff) der Fermentations-Industrie einen ersten Auftrieb. 
 

Damit existiert diese Art Biotech-Industrie bereits seit mehr als 100 JahrenHeutzutage kommt eine hochtechnisierte Produktion von Bio-Pharmazeutika unter Reinraum-Bedingungen in modernen Fermentern (Metallkessel) hinzu, die auf den Fortschritten in der Molekular-Biologie fußt.

Mittlerweile gibt es auch zell-freie Fermentationen bzw. Produktionen, bei denen lediglich reaktive Zell-Bestandteile genutzt werden, zum Beispiel Enzyme. Dies sind Proteine, die als Katalysatoren bio-chemische Reaktionen beschleunigen. 

 

Verbesserte Medikamente? Plastikbecher aus nachwachsenden Rohstoffen? Umweltfreundlich gebleichte Jeans? Biologisch statt chemisch hergestellte Vitamine? Duftendes Erfrischungs-Spray? Bei 20 Grad wirkende Waschmittel-Enzyme? Ohne dass es Anwendern bewusst ist, ist das Biotechnologie im Alltag.

MOLEKULAR-BIOLOGIE & GENTECHNIK SIND WESENTLICH

Die Molekular-Biologie, das heißt, die Aufklärung grundlegender Strukturen und Mechanismen zur DNA sowie anderer wichtiger Zell-Komponenten und Abläufe auf molekularer Ebene hat das große Potenzial von Biotech noch enorm erhöht. Diese Ära begann vor fast 80 Jahren als in 1944 der US-Molekular-Biologe Avery feststellte, dass Desoxyribonukleinsäuren (DNS, im Englischen DNA von desoxyribonucleic acid) und nicht Proteine Träger der Erbinformation sind.
Das "Erbmaterial" an sich beschrieb 1869 allerdings bereits Miescher in Tübingen als "Nuklein" (von nucleus, lat. Kern) ohne Kenntnis der chemischen Zusammensetzung.

DNA und Proteine sind wesentliche Kräfte des Lebens

Die DNA-Aufklärung erfolgte 1953 basierend auf Röntgen-Strukturanalysen der britischen Chemikerin Franklin. So erstellten die ebenfalls britischen Forscher Watson & Crick das heute bekannte 3-dimensionale Strukturmodell der DNA-Doppelhelix.


DNA sieht aus wie eine verdrehte Strickleiter: seitliche "Stricke", die abwechselnd aus Zucker-Molekülen (Desoxyribose) und Phosphat-Gruppen bestehen sowie aus vier verschiedenen organischen Basen als Sprossen. Sie nennen sich Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin, oft abgekürzt als A, C, G und T. Zucker, Phosphat und Base bilden einen sich wiederholenden Baustein namens Nukleotid.

 

Das sind die Buchstaben des Lebens, die universell in allen Zellen (Mensch, Tier, Pflanze, Pilz und Bakterium) und sogar in Viren als Programm Baupläne für Proteine kodieren. Es ist vergleichbar mit einem Computer, der mit einem Binärcode - den Zuständen 1 (Strom ein) und 0 (Strom aus) - funktioniert bzw. entsprechenden Programmen, die aus 1 und 0 Kombinationen mit Informations-Gehalt bilden. 

 

In der Biologie besteht dieser Code sogar aus vier Variablen, Buchstaben aus denen sich Texte (Anweisungen) bilden lassen. Ein Virus hat gut drei Tausend, ein Bakterium rund drei Millionen und eine menschliche Zelle rund drei Milliarden Buchstaben in ihrem genetischen Programm.

 

Insgesamt trugen die rund 20 Jahre von Mitte der 1940er bis Mitte der 1960er stark bei zur Aufklärung vieler Grundlagen zu Struktur und Funktion von DNA und Proteinen. Darauf basiert die moderne Biotech mit zentralem Dogma DNA→RNA→Protein: vom DNA-Bauplan wird eine Kopie erstellt (Transkription), die sogenannte Boten-RNA (messenger RNA = mRNA, ribonucleic acid), die die Bauanleitung für die Proteine (auch Eiweiß genannt) aus dem Zellkern in deren Fabrikationsstätten, die Ribosomen, bringt. 1956 postulierten dieses wichtige Prinzip Crick & Gamov in den USA.

 

Eine weitere wichtige Aufklärung war die Translation: wie wird das auf die mRNA kopierte Programm in den Ribosomen in Proteine umgesetzt? Anfang bis Mitte der 1960er wurde das Modell des genetischen Codes aufgestellt, der Regeln festlegt, welche Basen-Abfolge (immer 3 = Triplett) für welchen Protein-Baustein kodiert. 

Bausteine der Proteine sind die Aminosäuren, die Ketten und aus denen 3-dimensionale Strukturen bilden. Die Abfolge der Buchstaben in der DNA (DNA Sequenz) bestimmt also die Abfolge von Aminosäure-Bausteinen in Proteinen (Protein-Sequenz).

 

Zum anderen klärte sich die Struktur der Transfer-RNA (tRNA). Sie trägt auf der einen Seite passende Codes zur mRNA und auf der Anderen hängt eine von 20 verschiedenen Aminosäuren aus denen Proteine aufgebaut sind. 

50 Jahre Gentechnik: vom Insulin zum mRNA-Impfstoff

Ab Mitte der 1960er bis Anfang der 1980er Jahre wurden in 15 Jahren grundlegende Gentechniken  erforscht und entwickelt, die das erste rekombinant hergestellte Bio-Pharmazeutikum ermöglichten, das Human-Insulin.

 

Insulin wurde davor in einem aufwändigen und teuren Verfahren aus der Bauchspeicheldrüse von Schlacht-Tieren isoliert - pro Diabetiker und Jahr waren bis zu 100 Schweine-Pankreas nötig. Ein Teil der mit tierischem Insulin behandelten Patienten zeigte gefährliche allergische Reaktionen. Um den Bedarf von 200 Milliarden Diabetikern weltweit (Zahlen von 2008) zu decken, stünde die Schlachtung von jährlich 20 Milliarden Schweinen an. Für die Fleischproduktion waren es zu dem Zeitpunkt etwa eine Milliarde weltweit.

 

Rekombinant heißt, dass das Gen für humanes Insulin in bakterielle Erbinformation eingeschleust wird mit der Folge, dass die Bakterien dann humanes Insulin produzieren. Rekombination ist ein natürlicher Vorgang in der Biologie und bedeutet die Bildung einer neuen Kombination der Gene im Verlauf von Zellteilungen. Rekombination und Mutation (Genveränderung) verursachen in der Natur die genetische Variabilität innerhalb von Populationen. Die gesamte Evolution beruht auf diesen Veränderungen bzw. Anpassungen.

Der Coup zur bakteriellen Produktion rekombinanten Insulins gelang erstmals 1978 in einer Arbeitsgruppe des City of Hope Medical Research Center in Pasadena, Kalifornien. Dies in Zusammenarbeit mit der in 1974 gegründeten Genentech, die der Riskokapital-Geber Swanson zusammen mit dem Biochemiker Boyer in San Francisco ins Leben rief. In den frühen 1970er-Jahren war Boyer Miterfinder der DNA-Rekombinations-Technik gewesen. Es war sicherlich von nicht unerheblicher Bedeutung, dass Swanson selbst studierter Chemiker war und anschließend ein Postgraduierten-Programm der BWL absolvierte. Danach ging er in das VC-Geschäft und brachte entsprechende Erfahrung in die Gründung ein. 

 

Die Entwicklung vom rekombinanten Insulin war ein hitziges Kopf-an-Kopf-Rennen verschiedener Forscher-Gruppen. Das Team um Genentech lag vorne und es gelang der jungen Firma eine Kooperation mit dem US-Pharma-Konzern Eli Lilly einzugehen. Dieser brachte dann 1982 das erste gentechnisch hergestellte Medikament namens Humulin auf den Markt.

Knapp 40 Jahre später, in 2020/21, führte der nutzbringende Einsatz von Gentechnik zur rasant schnellen Entwicklung eines mRNA-Impfstoffes gegen COVID-19

 

Die mRNA-Technologie unterscheidet sich trefflich vom klassischen Ansatz gentechnisch hergestellter Medikamente wie Insulin oder therapeutischer Antikörper. mRNA steht für messenger RNA, auf Deutsch ist es die Boten-RNA. Sie überträgt eine Botschaft, nämlich die Bauanleitung für Proteine, die grundsätzlich in der Erbinformation DNA wie eine Software festgelegt ist.

 

Als Übermittler der Original-Anleitung fungiert mRNA wie ein kopiertes Programm, das auf einen USB-Stick gezogen wurde, um an einem Rechner zu laufen. Der Rechner ist hier der menschliche Körper, der über die mRNA das Programm für die Protein-Produktion erhält, was die körpereigene Maschinerie dann in den Ribosomen umsetzt.

 

Der Mensch stellt damit selbst sein eigenes Medikament oder seinen eigenen Impfstoff (Teile der Virus-Hülle) her, der Umweg der gentechnischen Produktion in Bakterien oder Zellen in einem Fermenter entfällt. Lediglich die mRNA selbst bzw. ihre DNA-Vorstufe wird mithilfe von Zellkulturen fermentativ fabriziert.

KLEINES 1 MAL 1 DER GENTECHNIK & BIOREVOLUTION 

Gentechnik umfasst alle Methoden und Verfahren zur Identifikation, Isolation, Charakterisierung, Synthese, Veränderung und Übertragung von Erbmaterial bzw. der biochemischen Strukturen DNA und RNA. Seit fast 50 Jahren ermöglicht Gentechnik viele Neuerungen und Vorteile in der Medizin und Pharmazie, in der Produktion von (Fein-) Chemikalien und in der Umwelttechnik sowie in der Landwirtschaft. Risiken werden permanent erforscht, von den Gegnern aber leider oft einseitig dargestellt und mit Argumenten aus nicht-naturwissenschaftlichen Bereichen vermischt. Der Nutzen in den ersten beiden Bereichen (Rote und Weiße Gentechnik) wird heutzutage zumeist akzeptiert. Die Anwendung in der Pflanzenzüchtung, die sogenannte Grüne Gentechnik ist dagegen in Deutschland und auch in Europa sehr umstritten.
Hörenswert ist dazu der Vortrag der Nobelpreisträgerin Prof. Dr. Christiane Nüsslein-Volhard auf Einladung der Frankfurter Polytechnischen Gesellschaft.

Gentechnik realisiert Fortschritte für die Medizin, Chemie, Umwelt und Landwirtschaft

Den Anfang nahm die Gentechnik als vor fast 50 Jahren, 1973, die Forscher Cohen & Boyer in den USA erstmals Experimente zur Rekombination und Klonierung von DNA vornahmen. Sie nutzten Entdeckungen, die ab dem Jahre 1967 gemacht wurden: DNA-Ligasen ("DNA-Kleber"), Restriktions-Enzyme ("DNA-Scheren") sowie kompetente Zellen (DNA-aufnahmebereite Bakterien).

 

Mit der DNA-Rekombinations-Technik gelang es Cohen & Boyer, "fremde" Gene in das Plasmid eines Bakteriums einzubringen (Insertion) und die DNA-Sequenz des Plasmides damit abzuändern (Rekombination). Über das Vermehren der Bakterien vervielfältigt sich gleichzeitig das Plasmid bzw. das darin neu integrierte Gen (Klonierung). Plasmide sind DNA-Ringe, die in Bakterien natürlicherweise neben dem Haupt-Chromosom vorliegen. Gleichzeitig produziert das Bakterium das auf dem eingebrachten Gen kodierte Protein, Experten nennen das Protein-Expression.

 

Es ist somit möglich, eigentlich jedes Gen und damit Protein von Interesse von Bakterien produzieren zu lassen. Zu allererst fand dies Anwendung im medizinischen Bereich zum Ersatz von tierischem Insulin durch das mithilfe von Bakterien hergestellte menschliche Insulin. Ein absolutes Novum, seit 1982 menschliches Insulin in ausreichenden Mengen für Diabetiker zur Verfügung zu haben!
 

Weitere, in den frühen Jahren der Gentechnik rekombinant hergestellte körpereigene Proteine waren zum Beispiel: Wachstumshormon gegen Minderwuchs, Enzym zur Auflösung von Blutgerinnseln (Herzinfarkt-Therapie) oder Gerinnungs-Faktor VIII gegen Hämophilie. Später kam noch die Produktion von komplexer gebauten Proteinen, den menschlichen Antikörpern hinzu. Ohne Gentechnik wären diese nicht herstellbar! Aktuell sind in Deutschland über 300 Bio-Pharmazeutika zugelassen, die auf gentechnischem Wege hergestellt werden.

 

Neben der Produktion von (Fein)-Chemikalien wie zum Beispiel Lebensmittel-Zusatzstoffe oder Bio-Plastik lassen sich mittels Gentechnik auch Mikro-Organismen konstruieren, die Umwelt-Verschmutzungen beseitigen oder Kohlendioxid neutralisieren können. Auch ist die Produktion von Bio-Kraftstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen möglich. Ein weiteres wichtiges Feld ist die Anpassung von Pflanzen an widrige Wachstums-Bedingungen.

Über die klassische Gentechnik (DNA-Rekombination) hinaus ermöglicht weitere Forschung in der Molekular-Biologie bzw. in den modernen Biowissenschaften weitere Erkenntnisse bzw. Anwendungen wie: Molekular-Diagnostik (inklusive persönliche Genom-Analyse), personalisierte Medizin, Biosimilars, bispezifische und trifunktionale Antikörper, Genome Editing mit CRISPR/CaS, Gen-Therapien, Krebs-Immun-Therapien (u.a. mit CAR-T- und mRNA-Ansätzen) oder Stammzell-Therapien.

 

Und die Reise geht stets weiter. Wie dazu am Ball bleiben und eruieren, was wirklich innovativ ist? Sehen Sie sich bei Trends erkennen um!

Die BioRevolution: Omics, SynBio, Bioelektronik & Co

Das Beschäftigen mit Genen sowie anderer Körper-Stoffe und -Prozesse auf molekularer Basis erbringt den Gewinn weiterer Erkenntnisse zu Ursachen von Krankheiten, was die Medizin auf eine ganz neue Grundlage stellt: weg vom reinen Beschreiben und Systematisieren hin zum wirklichen biologischen Funktionieren oder auch Nicht-Funktionieren.
 

Im Fachjargon haben sich für einige dieser Forschungs-Felder Begriffe etabliert, die alle mit "-omics" enden: Epigenomics, Fluxomics, Genomics, Glycomics, Interactomics, Kinomics, Lipidomics, Metabolomics, Methylomics, Microbiomics, Proteomics, Spliceomics, Transcriptomics oder Variomics.

 

Insgesamt zielen diese Ansätze darauf, das gesamte zelluläre System besser zu verstehen, wofür auch der Begriff Systembiologie steht.

Die Synthetische Biologie (SynBio) geht über die klassische (Molekular)-Biologie hinaus. Sie nutzt Konstruktions-Prinzipien aus den Ingenieur-Wissenschaften zum Design biologischer Systeme: So ermöglichen bioinformatorische Methoden das Erstellen von Modellen zu Veränderungen und deren Auswirkungen, das Verwenden standardisierter Einzelteile (Module) soll die Vorhersagbarkeit der Resultate erhöhen. 

 

Ziel ist es, biologische Systeme mit maßgeschneiderten Funktionen herzustellen und zu nutzen. Darunter fallen Systeme, die Informationen verarbeiten, Chemikalien produzieren oder modifizieren, Materialien und Strukturen erzeugen und Energie generieren. Dies erfolgt über die Synthese von Genen und Genomen, das Design genetischer Schaltkreise und Stoffwechselwege sowie über das Konstruieren von Minimalzellen mit reduzierten Genom oder das Generieren von Protozellen. 

 

Es ist eine Art "Bio-Ingenieur-Arbeit", die die Disziplinen Chemie, Biotechnologie, Molekular-Biologie sowie Informations-Technologie und Ingenieur-Wissenschaften verbindet.

Diese Entwicklungen und weitere interessante Felder wie beispielsweise die Bioelektronik erlauben von einem Megatrend der BioRevolution zu sprechen, was auch den Aspekt der Biologisierung der Industrie umfasst. Die Evolution hat mit biologischen Prinzipien, in Kombination mit solchen aus der Chemie und Physik, eine hochoptimierte Technologie hervorgebracht. 

 

Viel Fachbegriffe und neue Denkschemata auf einmal? Biotech verstehen hat zum Ziel in dem Projekt Biotech.Kolleg dieses allgemein verständlich an interessierte Zielgruppen heranzutragen.
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