Grundlagen 1 ZEITREISE MEILENSTEINE DER BIOTECHNOLOGIE 1 1

Grundlagen | 1 ZEITREISE – MEILENSTEINE DER BIOTECHNOLOGIE 1 -1 Meilensteine der Biotechnologie am Zeitstrahl Pflanzenzüchtung durch Auslese ca. 3000 v. Chr. ca. 4000 v. Chr. Verwendung von Hefe für alk. Getränke 16. /17. Jahrhundert Hooke und Leuwenhoek bauen erste Edward Jenner wagt die erste Impfung (gegen Pocken) 1796 Friedrich Mischer isoliert als Erster die DNA 1886 Alexander Flemming entdeckt das Antibiotikum Penicillin 1928 James Watson und Francis Crick veröffentlichen die Struktur der DNA 1953 Ochoa, Nirenberg, Mattei und Khorana entschlüsseln den genetischen Code 1857 Louis Pasteur entdeckt ein Milchsäuregärungs-Bakterium 1909 Wilhelm L. Johanssen führt den Begriff „Gen“ ein 1944 Avery, Mc. Leod, Mc. Carty entdecken die Vererbungseigenschaften der DNA 1962 Werner Arber entdeckt die Restriktionsenzyme 1966 Sanger, Maxam, Gilbert DNA-Sequenzierung Genentech Inc. : Herstellung von Somatosin Mikroskope und beschreiben höhere Zellen und Bakterien 1972 Paul Berg nutzt Restriktionsenzyme 1977 Erste Zulassung für ein rekombinantes Medikament 1978 Genentech Inc. : Herstellung von Insulin 1982 Alec Jeffries: Genet. Fingerabdruck 1984 Kary B. Mullis: Polymerase-Kettenreaktion 1985 Start des Human Genom Projekts 1990 Entzifferung des menschlichen Erbguts abgeschlossen 1983 Erstmalige Erzeugung transgener Pflanzen 1986 Erster Freilandversuch transgener Tabak 1997 Sequenzierung des Genoms 2003 von E. coli 2005 Sequenzierung des Genoms der Reispflanze abgeschlossen Informationsserie – Biotechnologie

Grundlagen | 1 ZEITREISE – MEILENSTEINE DER BIOTECHNOLOGIE 1 -2 Prozess des Bierbrauens Gerste und Wasser Quellen in Wasser keimen lassen erhitzen 85 -100°C, Ende der Keimung zermahlen maischen, vermischen mit heißem Wasser 1 Liter Bier hergestellt aus: - 1, 3 g Hopfen - 1, 3 l Brauwasser - 180 g Braugerste - ca. 10 Milliarden Hefezellen Trennung fester und flüssiger Bestandteile Zugabe von Hopfen kochen der flüssigen Würze Jede Hefezelle enthält 16 Chromosomen und ca. 6. 000– 8. 000 Gene Zugabe von Hefe abfüllen lagern Informationsserie – Biotechnologie Überschüssige Hefe (Nahrungsmittel) vergären von Zucker zu Alkohol Sud abkühlen abfangen der Hopfendolden

Grundlagen | 1 ZEITREISE – MEILENSTEINE DER BIOTECHNOLOGIE 1 -3 Neukombination von DNA und Transformation von Bakterien Einfügen des neuen Fragments Plasmid DNAFragment Einschleusen in die Wirtszelle Neu kombiniertes Plasmid Bakterium Genom (DNA) Genetische Grundinformation Plasmid (DNA) Genetische Zusatzinformation Informationsserie – Biotechnologie Auslese Vermehrung Klone

Grundlagen | 1 ZEITREISE – MEILENSTEINE DER BIOTECHNOLOGIE 1 -4 Methoden der DNA-Sequenzierung gestern mit Hilfe von 2’, 3’-Didesoxynucleotiden Base DNA-Fragment in Lösung radioaktiv markiertes Phosphat 3’ –– GGCTAACGTA –– 5’ 5’ Primer-Zugabe aufteilen in vier Portionen 1 2 3 4 + DNA-Polymerase d. ATP* d. CTP d. GTP d. TTP dd. GTP CCGATTG “G” d. ATP* d. CTP d. GTP d. TTP dd. ATP CCGATTGCA “A” d. ATP* d. CTP d. GTP d. TTP dd. TTP CCGATTGCAT “T” d. ATP* d. CTP d. GTP d. TTP dd. CTP C CC CCGATTGC “C” “G” “A” “T” “C” T 3’ A C G T T A G C C 5’ Gelelektrophorese Informationsserie – Biotechnologie Röntgenfilm und Autoradiogramm

Grundlagen | 1 ZEITREISE – MEILENSTEINE DER BIOTECHNOLOGIE 1 -5 Methoden der DNA-Sequenzierung heute mit Hilfe von 2’, 3’-Didesoxynucleotiden Base DNA-Fragment in Lösung dd. NTP mit Fluoreszenz. Farbstoff markiert 3’ –– GGCTAACGTA –– 5’ 5’ Primer-Zugabe aufteilen in vier Portionen Kapillarelektrophorese 1 2 3 4 + DNA-Polymerase d. ATP* d. CTP d. GTP d. TTP dd. GTP CCGATTG “G” d. ATP* d. CTP d. GTP d. TTP dd. ATP CCGATTGCA “A” d. ATP* d. CTP d. GTP d. TTP dd. TTP CCGATTGCAT “T” + C Laserstrahl C G d. ATP* d. CTP d. GTP d. TTP dd. CTP A T T C CC CCGATTGC “C” G C - A T Kapillare Informationsserie – Biotechnologie Photodetektion

Grundlagen | 1 ZEITREISE – MEILENSTEINE DER BIOTECHNOLOGIE 1 -6 Restriktionsfragmentlängenpolymorphismen (RFLP) Variante 1 Restriktionsenzym Eco. RI schneidet nicht Variante 2 Restriktionsenzym Eco. RI schneidet GCCGCATTCTA CGGCGTAAGAT GCCGAATTCTA CGGCTTAAGAT GCCG CGGCTTAA AATTCTA GAT Größentrennung der Fragmente im Agarosegel Eco. RI ungeschnitten Abnehmende Fragmentgröße Eco. RI geschnitten 1 2 -1 2 homozygot heterozygot homozygot 2 homologe Chromosomen ohne Eco. RI-Schnittstelle 1 Chromosom mit Schnittstelle 1 Chromosom ohne Schnittstelle 2 homologe Chromosomen mit Eco. RI-Schnittstelle Informationsserie – Biotechnologie Phänotyp

Grundlagen | 1 ZEITREISE – MEILENSTEINE DER BIOTECHNOLOGIE 1 -7 Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) Schematische Darstellung des PCR-Zyklus 1. „Schmelzen“ des DNADoppelstrangs (Denaturierung) bei ca. 96°C 2. Primer-Anlagerung (Primerhybridisierung) bei ca. 68°C 1 2 3 3. DNA-Neusynthese ausgehend vom Primer (Elongation) bei ca. 72°C 4 4. Der erste Zyklus ist beendet 5 5. Vier PCR-Produkte nach 2. Zyklus 6 6. Acht PCR-Produkte nach 3. Zyklus Informationsserie – Biotechnologie

Grundlagen | 1 ZEITREISE – MEILENSTEINE DER BIOTECHNOLOGIE 1 -8 Genomprojekte: Einzelschritte und Erkenntnisse Forschungsgegenstand Genome von Viren, Bakterien, Pilzen, Tieren und Pflanzen • Bestimmung der Gesamtsequenz (Basenfolge) • Lokalisierung der Genorte • Erforschung der Genfunktionen Entzifferung der Basenabfolge eines Chromosomen vereinzeln Schneiden in große Fragmente A 1 A 2 Schneiden in mittlere Fragmente B 1 B 2 Erkenntnisse und Auswirkungen Verständnis von Erkrankungen des Menschen • Entwicklung neuer Ansätze in Vorbeugung, Diagnostik und Therapie Verständnis von Krankheitserregern • Entwicklung neuer Abwehrstrategien Verständnis von Wild- und Kulturpflanzen • Umsetzung der Erkenntnisse in die Pflanzenzüchtung Verständnis von evolutionsbiologischen Zusammenhängen • Fortschritte in der Grundlagenforschung Mittelgroßes Fragment kopieren Fragmente der Serie A und B überlappen sich a d A 1 A 2 b B 1 e c Kopie 1 an „A“ in kleinere Fragmente schneiden Kopie 2 an „B“ in kleinere Fragmente schneiden f B 2 Fragmentsammlungen A und B getrennt verwalten in „DNA-Bibliotheken“ b a c Bibliothek „A“ e d Bibliothek „B“ f Die Basenabfolge eines Fragments aus einer Bibliothek wird bestimmt und damit der überlappende Partner in der zweiten Bibliothek gesucht u. s. w. GGGGTTAATT a b ATTTGCCCGCGTTTAA e f TTTAAGCGATGGGGTT Informationsserie – Biotechnologie c

Grundlagen | 2 INDUSTRIELLE BIOTECHNOLOGIE – WAS IST DAS? 2 -1 Definition der Biotechnologie und Gentechnik Was ist Biotechnologie? Der interdisziplinäre* Ansatz, biologische Systeme zu erforschen und die gewonnenen Erkenntnisse praktisch anzuwenden * Hierzu zählen die Disziplinen der klassischen und modernen Biologie, Chemie, Physik, Verfahrenstechnik, Materialwissenschaften, Informatik etc. Informationsserie – Biotechnologie Was ist Gentechnik? Ein Teilgebiet der Biotechnologie: Alle Methoden und Verfahren zur Isolierung, Veränderung und Übertragung von Erbmaterial

Grundlagen | 2 INDUSTRIELLE BIOTECHNOLOGIE – WAS IST DAS? 2 -2 Vorteile der Biotechnologie für die Chemieproduktion Spezifität und Selektivität Lieferung des gewünschten Endprodukts ohne Weiterverarbeitung aus einer Vorstufe Stereoselektive Synthese chiraler („händische“) Substanzen (zum Beispiel D- und L-Aminosäuren): Effizienz und Umweltverträglichkeit • Keine Racemate • Keine aufwändigen Trennungsverfahren • Keine Verunreinigungen des Endprodukts • Benötigt werden nur kostengünstige Ausgangsstoffe wie Wasser, Zucker, Salze, Sauerstoff und Kohlendioxid Biotechnologische Produktionsprozesse finden überwiegend bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck statt. Dadurch… • kann Energie gespart werden. • können Kosten gesenkt werden. • können weniger Nebenprodukte und Abfallstoffe entstehen. Informationsserie – Biotechnologie

Grundlagen | 2 INDUSTRIELLE BIOTECHNOLOGIE – WAS IST DAS? 2 -3 Anwendungsbereiche der Biotechnologie und Beispiele Medizin Lebensmittel Diagnostik (z. B. PCR) Medikamente (z. B. Insulin) Impfstoffe (z. B. Hepatitis-Impfstoff) Materialien für Geweberekonstruktion (z. B. biochemische Schichten) Vitamine (z. B. Vitamin C) Enzyme (z. B. Pektinasen) Aromen (z. B. Vanillin) Landwirtschaft Futterzusatzmittel (z. B. Phytase) Nachwachsende Rohstoffe (z. B. Stärke) Nahrungsmittel Haushalt Wasch- und Reinigungsmittel (z. B. Proteasen) Textilien (z. B. Cellulasen) Geruchsstoppersprays (z. B. Cyclodextrine) Industrielle Biotechnologie Informationsserie – Biotechnologie

Methoden | 3 BIOLOGISCHE VERFAHREN – HELFER DER CHEMIE 3 -1 Biofabrik Zelle Informationsserie – Biotechnologie Polysomen Fertigung Mitochondrium Kraftwerk Endoplasmatisches Reticulum Werksstraße Vesikel Vorratsbehälter Zellkern Management Pore Werkstor

Methoden | 3 BIOLOGISCHE VERFAHREN – HELFER DER CHEMIE 3 -2 Vergleich Prokaryoten / Eukaryoten Bakterienzelle Zellwand Plasmamembran Ribosom Polysom Cytoplasma Genom Tierzelle Plasmamembran Ribosom Polysom Cytoplasma Mitochondrium Golgiapparat endoplasmatisches Reticulum Kernmembran Zellkern Plasmid Nucleolus 1 µm die Zellen im Größenvergleich Informationsserie – Biotechnologie 10 µm

Methoden | 3 BIOLOGISCHE VERFAHREN – HELFER DER CHEMIE 3 -3 Schritte vom Isolat zum Produktionsstamm Mutation Fusion Neukombination Vorrat an 1011 Genen (biologische Vielfalt) Neukombination mit einem Vektor Chemikalien oder Strahlen Basenaustausch Chromosomenkombination Selektion auf gewünschte Eigenschaften Überproduzent Informationsserie – Biotechnologie Zusatzgene

Methoden | 3 BIOLOGISCHE VERFAHREN – HELFER DER CHEMIE 3 -4 Die Microarray-Technik (1 – Vorbereitung) Vorbereitung des DNA-Chips Gen 1 Gen 2 Vorbereitung der Proben Probe A: Zellen vom kranken Menschen Gen 3 Probe B: Zellen vom gesunden Menschen genomische DNA PCR m. RNA Probe A 1 2 RNA-Isolierung m. RNA Probe B 3 c. DNA Probe A „Spotting“ von PCR-Proben als Template auf Glasträger Analyse Informationsserie – Biotechnologie Reverse Transkription und Markierung mit Fluoreszenzfarbstoffen c. DNA Probe B

Methoden | 3 BIOLOGISCHE VERFAHREN – HELFER DER CHEMIE 3 -5 Die Microarray-Technik (2 – Analyse) 1 2 3 Hybridisierung Probe A > B Scannen und Bildauswertung Probe B > A Probe A = B Datenanalyse Informationsserie – Biotechnologie

Methoden | 3 BIOLOGISCHE VERFAHREN – HELFER DER CHEMIE 3 -6 Fermentationsverfahren in der Übersicht Kolonie Stammkultur Schüttelkultur Rührkultur Vorfermenter Produktionsfermenter Oberflächenverfahren Submers-Verfahren Kontinuierlicher Betrieb Diskontinuierlicher Betrieb Aufguss-Verfahren 30 - 60 % frisches Medium Nährmedien Verbrauchtes Medium Mikroorganismen Produkt Informationsserie – Biotechnologie 1 x 30 - 60 % verbrauchtes Medium

Methoden | 3 BIOLOGISCHE VERFAHREN – HELFER DER CHEMIE 3 -7 Rührkesselfermenter und Festbettreaktor Rührkesselfermenter Festbettreaktor L-Produkt D-Substrat Sterile Nährlösung Rührwerk Abluft Dampf (Sterilisation) Temperatur. Regelung Enzym p. HRegelung Heiz-/ Kühlwasser Sterilfilter Sterile Luft Polarimeter Wärmetauscher Hohlfasermodul D, L-Substrat Prozessrechner Sterilfilter Signalleitung N-Acetyl-D, L-Methionin Informationsserie – Biotechnologie L-Aminosäure-Acylase L-Methionin + N-Acetyl-D-Methionin + Acetat

Methoden | 3 BIOLOGISCHE VERFAHREN – HELFER DER CHEMIE 3 -8 Sicherheitsstufen für gentechnische Arbeiten Risikogruppen (WHO) Sicherheitsstufen Sicherheits- Beschreibung stufe Gentechnische Arbeiten, bei denen nach dem Stand der Wissenschaft Viren Impfstämme Masernvirus HBV, HIV Pockenvirus Pilze Penicillium Camemberti Candida Histoplasma Milzbrand. Bakterien Sicherheits. Stufen/ Risikogruppen E. coli K 12 Salmonellen 1 2 Informationsserie – Biotechnologie 3 Zunehmendes Risiko S 1 nicht von einem Risiko – S 2 von einem geringen Risiko – S 3 von einem mäßigen Risiko S 4 von einem hohen Risiko (oder begründeten Verdacht eines hohen Risikos) für Mensch und Umwelt auszugehen ist 4

Methoden | 3 BIOLOGISCHE VERFAHREN – HELFER DER CHEMIE 3 -9 Transgene Pflanzen: Vom Labor bis zur Marktzulassung Stufen der Zulassung gentechnisch veränderter Pflanzen Steigende Zahl der zu untersuchenden Faktoren Umweltbeobachtung 10 -15 Jahre Anbau begleitendes Monitoring Freisetzung begleitende Sicherheitsforschung Experimentelle Sicherheitsforschung Genehmigung Freisetzung Labor/Gewächshaus Informationsserie – Biotechnologie Genehmigung Inverkehrbringen Freilandversuche Ende der befristeten Anbaugenehmigungen Landwirtschaftlicher Anbau Zeit

Produkte | 4 KLEINE MOLEKÜLE – GROSSE BEDEUTUNG 4 -1 Niedermolekulare Produkte der Biotechnologie (Beispiele) Stoffgruppe Chemikalie Vitamin B 12 (Cyanocobalamin) Vitamin C (Ascorbinsäure) Aminosäuren L-Glutaminsäure L-Lysin Carbonsäuren Zitronensäure Milchsäure Gluconsäure Alkohole Quelle: DECHEMA e. V. , November 2004 Informationsserie – Biotechnologie Bioethanol

Produkte | 4 KLEINE MOLEKÜLE – GROSSE BEDEUTUNG 4 -2 Anwendungen von Cystein und Cystin 2 x Cystein • Erhöhung des Gashaltevermögens von Backwaren • Verbesserung der Elastizität und der Knetfähigkeit der Teige • Abrundung und Verstärkung von Fleischund Röstaromen (Zusatz als künstliches Fleischaroma für vegetarische Lebensmittel) • Zusatz zu Diätzubereitungen, Futtermitteln, Arzneimitteln und Kosmetika Informationsserie – Biotechnologie Cystin • Mehlbehandlungsmittel zur Beschleunigung der Mehlreifung • Abrundung und Verstärkung von Fleischund Röstaromen • Zusatz zu Diätzubereitungen, Futtermitteln, Arzneimitteln und Kosmetika

Produkte | 4 KLEINE MOLEKÜLE – GROSSE BEDEUTUNG 4 -3 Die Verfahren der Vitamin B 2 -Synthese Klassische Methode: Chemischer Prozess Glukose K-Arabonat Moderne Methode: Biotechnologischer Prozess Biomasse Vorteile Ribonolacton Ca-Arabonat Ribose Ca-Ribonat Ribitylxylidin Vitamin B 2 Informationsserie – Biotechnologie Vitamin B 2 • Deutlich gesteigerte Produktionsmenge • 40 % weniger Produktionskosten • 30 % weniger CO 2 Ausstoß • 60 % weniger Rohstoffverbrauch • 95 % weniger Abfallprodukte

Produkte | 4 KLEINE MOLEKÜLE – GROSSE BEDEUTUNG 4 -4 Arten und Strukturen der Cyclodextrine Arten von Cyclodextrinen Schematische Darstellung des molekularen Aufbaus der Cyclodextrine Hydrophober Hohlraum Hydrophob: C-H und C-O zeigen nach innen Hydrophil: O-H zeigt nach außen Hydrophile Hülle Informationsserie – Biotechnologie

Produkte | 4 KLEINE MOLEKÜLE – GROSSE BEDEUTUNG 4 -5 Gleichgewichtsreaktion bei der Cyclodextrin-Synthese Gasphase GGas Cyclodextrin-Herstellungsverfahren Flüssigkeit (wässrige Phase) Ggelöst fest/flüssig Gungelöst Komplexbildung CDgelöst Komplexdissoziation CDungelöst G = Gastmolekül + CD = Cyclodextrinmolekül [G-CD] = Komplex Informationsserie – Biotechnologie [G-CD]gelöst [G-CD]ungelöst Entfernung aus dem Gleichgewicht

Produkte | 4 KLEINE MOLEKÜLE – GROSSE BEDEUTUNG 4 -6 Anwendungen von Cyclodextrinen Krankenpflege Nahrungsmittel Pharmazie Haushalt Landwirtschaft Textilien Biozide Verpackungsmaterial Duftstoffe Chemische Synthesen Informationsserie – Biotechnologie Natürliche Heilmittel

Produkte | 5 TECHNISCHE ENZYME – MEISTER DER KATALYSE 5 -1 Enzyme in der Lebensmittelherstellung Biotechnologisch hergestellte Enzyme (Beispiele) Enzym Wirkung Anwendung β-Galactosidase Wandelt den Zucker Lactose in Lactulose um Zuckerspezialitäten für den Pharma-, Lebensmittel- und Tierfuttersektor Aminopeptidasen Spalten einzelne Aminosäuren von bestimmten Proteinen ab Änderung des Aromaprofils von Käse, Fleisch und Gewürzen Cellulasen Spalten das pflanzliche Polysaccharid Zellulose Getränke- und Spirituosenherstellung (z. B. Heraus- lösen von Gerbsäure aus Traubenschalen) Glucose-Isomerase Wandelt Traubenzucker (Glukose) in Fruchtzucker (Fruktose) um Herstellung von Fruktosesirup als Süßmittel für Limonade und Colagetränke Hexoseoxydase (HOX) Wandelt eine Vielzahl von Zuckern (z. B. D-Glukose, D-Galaktose Maltose, Laktose) in Laktone und Wasserstoffperoxid um z. B. Backindustrie (Steigerung der Teigstabilität, Volumenvergrößerung bei Brot) Laccase Wandelt Phenole in Chinone und Wasser um, wobei Sauerstoff verbraucht wird z. B. in Produkten zur Atemerfrischung (Pfefferminz, Kaugummi): die gebildeten Chinone reagieren in der Mundhöhle mit geruchsbildenden Schwefelverbindungen und neutralisieren diese Pektinesterasen Spalten eine bestimmte Bindung in der pflanzlichen Gerüstsubstanz Pektin z. B. in der Saftherstellung zur Entfernung von Trübstoffen oder Erhöhung der Saftausbeute Informationsserie – Biotechnologie

Produkte | 5 TECHNISCHE ENZYME – MEISTER DER KATALYSE 5 -2 Enzyme in der Textil- und Waschmittelindustrie Biotechnologisch hergestellte Enzyme (Beispiele) Enzym Wirkung Anwendung Proteasen Spaltung von Proteinen Gegen Ei-, Blut-, Milch- und Spinatflecken Lipasen Spaltung von Fetten Gegen Verschmutzungen durch Salatöl, Bratenfett, Kragenfett (Talg) und Kosmetika Cellulasen Spaltung des pflanzlichen Polysaccharids Zellulose Anwendung beim „Biostoning“ von „stonewashed“ Jeans: Entfernung von Baumwollfusseln, Konservierung der Glätte und Farbe von Textilien Amylasen Spaltung des pflanzlichen Polysaccharids Stärke Gegen Flecken von Kartoffelbrei, Schokolade oder Pudding Informationsserie – Biotechnologie

Produkte | 6 PHARMAWIRKSTOFFE – HEUTE UND MORGEN 6 -1 Vorteile rekombinanter Medikamente Neue Behandlungsstrategien (z. B. monoklonale Antikörper) Bessere Verfügbarkeit (z. B. Erythropoietin) Vermindertes Infektionsrisiko (z. B. Faktor VIII) Höhere Wirksamkeit und geringere Nebenwirkungen (z. B. Gewebe-Plasminogenaktivator) Umweltverträgliche und wirtschaftliche Produktion (z. B. Insulin) Informationsserie – Biotechnologie

Produkte | 6 PHARMAWIRKSTOFFE – HEUTE UND MORGEN 6 -2 Die wichtigsten rekombinanten Medikamente Substanz Anwendung Therapeutische Antikörper Proteinwirkstoffe Basiliximab Verhinderung der Abstoßungsreaktion nach Nierentransplantationen Infliximab Morbus Crohn Rituximab Non-Hodgkin-Lymphom Trastuzumab Brustkrebs Substanz Anwendung Erythropoietin Anämie (Blutarmut) Faktor VIII Hämophilie (Bluterkrankheit) Gewebeplasminogenaktivator (t. PA) Blutgerinnsel bei Herzinfarkt Humaninsulin Diabetes mellitus Typ I Interferon alpha Viruserkrankungen, Tumortherapie Kolonien stimulierender Faktor für Granulozyten (G-CSF) Leukämie, Krebsbehandlung Interferon beta 1 a, b Multiple Sklerose Hepatitis-B-Antigen Vorbeugung gegen Hepatitis Somatotropin Hormonell bedingter Kleinwuchs Diphterietoxin Vorbeugung von Lungen- infektionen bei Kindern Informationsserie – Biotechnologie Impfstoffe

Produkte | 6 PHARMAWIRKSTOFFE – HEUTE UND MORGEN 6 -3 Struktur und Wirkung von gentechnisch verändertem t-PA NH 2 COOH Gewebe-Plasminogenaktivator Rekombinanter Gewebe-Plasminogenaktivator • Wirkstoff löst Blutgerinnsel auf, Verabreichung bei akutem Herzinfarkt • Bessere Wirkung bei geringeren Konzentrationen • Kurze Verabreichungsdauer bei längerer Verweilzeit im Körper Informationsserie – Biotechnologie

Produkte | 6 PHARMAWIRKSTOFFE – HEUTE UND MORGEN 6 -4 Struktur und Wirkung von Trastuzumab Normale Zelle Tumorzelle Molekülmodell von Trastuzumab (ein monoklonaler Antikörper) HER 2 -Gen Genamplifikation Überexpression HER 2 -Protein des HER 2 -Gens (10 - bis 100 -fach) Zelloberfläche mit extrazellulären Regionen des HER 2 -Proteins Quelle: Roche Informationsserie – Biotechnologie Trastuzumab • Hemmung der Zellteilung bindet selektiv an die extrazelluläre Region des HER 2 -Proteins • Zerstörung der Krebszelle durch das Immunsystem

Produkte | 6 PHARMAWIRKSTOFFE – HEUTE UND MORGEN 6 -5 Immunologischer Nachweis des Vogelgrippe-Erregers H 5 N 1 ELISA (Enzyme Linked Immuno-Sorbent Assay) Zugabe der zu untersuchenden Probe Mikrotiterplatte (beschichtet mit anti-H 5 N 1 -Antikörper) Bindung des Virusproteins an den oberflächengebundenen Antikörper 1 Waschen Entfernen ungebundener Proteine Zugabe eines enzymgekoppelten Anti-H 5 N 1 - Antikörpers 2 Bindung des Antikörpers 2 an das H 5 N 1 -Protein, anschließend 1 x Waschen Informationsserie – Biotechnologie Zugabe von Farbreagenz (farblos) Farbreaktion durch Enzym am zweiten Antikörper

Produkte | 6 PHARMAWIRKSTOFFE – HEUTE UND MORGEN 6 -6 Aufbau und Wirkung von Neuraminidasehemmern Grippevirus 1. Grippeviren gelangen in die Atemwege 2. Sie heften sich mit Hilfe des Hämagglutinins an die Schleimhautzellen an und dringen in diese ein. Hämagglutinin 3. Die Viren nützen die Zellen zur Vermehrung. 4. Der Neraminidasehemmer blockiert die Neuraminidase, die das Ablösen des Virus von der Zelle ermöglicht. Neuraminidase Schleimhautzelle Neuraminidasehemmer Aufbau eines Neuraminidasehemmers Informationsserie – Biotechnologie

Produkte | 6 PHARMAWIRKSTOFFE – HEUTE UND MORGEN 6 -7 Phasen der Impfstoffentwicklung Grundlagenforschung und Entwicklung (2 bis 4 Jahre) Klinische Prüfung in drei Phasen (5 bis 7 Jahre) Identifikation der Substanz als geeigneter Wirkstoffkandidat Sicherheit Präklinik Testsysteme, Versuche an Labortieren Phase I <100 freiwillige Teilnehmer Informationsserie – Biotechnologie Sicherheit und Immunantwort Phase II >100 freiwillige Teilnehmer Behördliche Registrierung und Zulassung (1, 5 Jahre) Sicherheit, Immunantwort und Wirksamkeit Phase III >1. 000 freiwillige Teilnehmer

Ausblick | 7 VON BAKTERIEN ZU BIOABBAUBAREN KUNSTSTOFFEN 7 -1 Anwendungen mikrobieller Polymere Polymeranreicherung Polymer-Granula Polymer-Moleküle in Form von Körnchen (Granula) Medizin Biologisch resorbierbares Nahtmaterial Bakterien Landwirtschaft Mulchfolien isolieren reinigen Gebrauchsgüter Kompostierbare Tragetüten Automobil Elektro Bauwesen Informationsserie – Biotechnologie

Ausblick | 8 DIE PFLANZE ALS BIOFABRIK 8 -1 Anwendungen der Pflanzenbiotechnologie Proteine für die Human- und Tiermedizin in Pflanzen „Molecular Pharming“ z. B. Enzyme für die Diagnostik, Impfstoffe, Blutproteine, therapeutische Antikörper Optimierte Nutzpflanzen für die industrielle Stoffproduktion z. B. veränderte Öl-/Fettsäurezusammensetzung, Verringerung des Ligninanteils in Holz für die Papierindustrie, Bildung von Biopolymeren oder Enzymen Verbesserte Inhaltsstoffe in Futterpflanzen z. B. leichtere Verdaubarkeit, Erhöhung des Anteils essenzieller Aminosäuren Informationsserie – Biotechnologie Verbesserte Eigenschaften von Pflanzen für den Abbau von Umweltschadstoffen in belasteten Böden Verbesserte Inhaltsstoffe in Nahrungspflanzen z. B. gesündere Fettsäurezusammensetzung, geringeres Allergiepotenzial

Ausblick | 8 DIE PFLANZE ALS BIOFABRIK 8 -2 Chemische Stärkemodifikation und Amylopektinkartoffel Jodfärbung der Amyloplasten Verzweigtes Amylopektin. Kartoffel Stärkemolekül (Ausschnitt) Verzweigung Konventionelle Kartoffel Verlängerung Lineare, helikale Amylose Jod lagert sich in „Schlaufen“ des Amylose-Moleküls ein Informationsserie – Biotechnologie

Ausblick | 9 BIOTECHNOLOGIE UND MEER 9 -1 Anwendungen der marinen Biotechnologie Antibiotika Virostatika z. B. Wirkstoffe aus Cyanobakterium Lyngbya majuscula z. B. Herpesmittel aus Schwämmen Krebsmedikamente Lebensmittelzusatzstoffe z. B. Leukämie-Wirkstoff aus dem Mittelmeerschwamm Ircinia fasciculata z. B. β-Carotin aus der australischen Meeresalge Dunaliella salina Zusatzstoffe für Kosmetika Robuste Industrie-Enzyme z. B. Schwamm-Kollagen z. B. aus „hitzeliebenden“ (thermophilen) Bakterien Informationsserie – Biotechnologie