Biotechnologiew [von *bio –, griech. technē = Kunstfertigkeit, logos = Kunde], anwendungsorientiertes Teilgebiet der Biologie, das neben Erkenntnissen und Methoden der Mikrobiologie, Genetik und Biochemie auch solche der technischen Chemie und der Verfahrenstechnik einschließt. Mit dem Wort "Technologie" wird die Lehre von der Umsetzung von Rohstoffen in Fertigprodukte bezeichnet; dementsprechend schließt die Bezeichnung "Biotechnologie" die Beteiligung von biologischen Katalysatoren (Biokatalysator) an derartigen Umsetzungen ein. Die "European Federation of Biotechnology" definiert die Biotechnologie als "Integrierte Anwendung von Natur- und Ingenieurwissenschaften mit dem Ziel, Organismen, Zellen, Teile daraus und molekulare Analoge technisch zu nutzen" (1989). Molekulare Analoge der Biokatalysatoren können unter Anwendung der Methoden der Gentechnologie, die auch als molekulare Biotechnologie bezeichnet wird, hergestellt werden. Der Name "Biotechnologie" wurde Ende der fünfziger Jahre geprägt und bezog sich in erster Linie auf die Nutzung von Mikroorganismen ( vgl. Tab. ), unter anderem Bakterien, Hefen und anderen Pilzen sowie Algen. In der Folgezeit wurde jedoch auch auf Zellkulturen pflanzlichen und tierischen Ursprungs zurückgegriffen. Angrenzende Gebiete sind die Landwirtschaft sowie die Entwicklung und Herstellung von Apparaten für medizinische oder – im weiteren Sinne – für biologische Zwecke (biomedizinische Technik, Biotechnik).
Geschichte der Biotechnologie: Im wesentlichen bedingt durch die rasanten Fortschritte in der Gentechnologie, hat sich die Biotechnologie in den zurückliegenden drei bis zwei Jahrzehnten zu einem der volkswirtschaftlich wichtigsten Innovations- und Wachstumsbereiche entwickelt. Sie gehört damit zu den Schlüsseltechnologien für die Erschließung zukunftsweisender Marktpositionen. Trotz der Fortschritte der modernen Biotechnologie sollte jedoch nicht vergessen werden, daß die Nutzung zahlreicher, auch heute noch bedeutender biotechnologischer Prozesse weit in die Anfänge der menschlichen Geschichte zurückverfolgt werden kann ( vgl. Tab. ). In erster Linie handelt es sich dabei um Prozesse, die zunächst unbewußt im Rahmen der Haltbarmachung, Veredlung und Gewinnung von Nahrungs- und Genußmitteln zum Tragen kamen (Konservierung). Hierzu gehören die Herstellung von alkoholischen Getränken (alkoholische Gärung, Bier, Wein), von Produkten aus angesäuerter Milch (Säuerung, Sauermilchprodukte, Käse), die Essigbereitung (Essigsäure, Essigsäurebakterien) sowie die Säuerung von Brotteig (Brot, Sauerteig). Erst kürzlich (1998) wurden Hinweise dafür erbracht, daß Indigo, das bereits von den alten Ägyptern und darüber hinaus bis in das Mittelalter hinein zur Blaufärbung von Textilien verwendet wurde, nach Reduktion der in Pflanzen (Färberpflanzen) vorkommenden unlöslichen Form durch Clostridien in eine lösliche und damit in eine für die Färberei einsetzbare Form überführt wurde. Der Zugang zur Identifikation der an zahlreichen biotechnologisch interessanten Umsetzungen beteiligten Lebewesen wurde jedoch erst frei, als es A. van Leeuwenhoek um 1680 erstmals gelang, mit Hilfe selbstgefertigter einfacher Mikroskope auch solche Lebewesen sichtbar zu machen, die mit dem bloßen Auge nicht erkennbar sind (Mikroorganismen). Im 19. Jahrhundert wurde besonders durch die Untersuchungen von L. Pasteur deutlich, daß die Gärung ein Prozeß ist, der auf Aktivitäten von Mikroorganismen zurückgeht, und daß unterschiedliche Mikroorganismen auch unterschiedliche Gärungsprodukte bilden können. E. Buchner gelang es nachzuweisen, daß Hefen über Enzyme verfügen, die als Katalysatoren bei der alkoholischen Gärung dienen. Gegen Ende des 19. und zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden zunächst in England und dann auch in verschiedenen europäischen Großtädten erste Kläranlagen zur Reinigung kommunaler Abwässer (Abwasser) eingerichtet. C. Weizmann nutzte 1915/1916 Gärprozesse zur Produktion von Aceton und Butanol (Buttersäure-Butanol-Aceton-Gärung), die für die Herstellung von Sprengstoff, Lacken und Synthesekautschuk genutzt wurden. Seit 1919 gibt es Produktionsanlagen für die Gewinnung von Citronensäure aus Kulturen des Pilzes Aspergillus. Hiermit war ein drastischer Rückgang im Anbau von Zitronen für die Getränkeindustrie verbunden. Mit der Entdeckung von Penicillinen (Antibiotika) durch A. Fleming (1928) und deren Einführung in die Therapie von Infektionskrankheiten in den 40iger Jahren begann die Ära des Einsatzes von Antibiotika zur Krankheitsbekämpfung. In den 50iger Jahren wurde erfolgreich 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 Manipulation des Erbguts wurde die Phase der molekularen Biotechnologie eingeleitet – mit all ihren wissenschaftlichen und wirtschaftlichen, aber auch ethischen Konsequenzen (Bioethik, Gentechnologie). Neben der gezielten Optimierung von Biokatalysatoren ergaben sich damit neue Wege zur Konstruktion von Organismen (gentechnisch veränderter Organismus), die zur Produktion selbst solcher Substanzen genutzt werden können, für die ihnen unter natürlichen Bedingungen die genetischen Informationen fehlen. Hierzu zählt neben dem Einsatz von Mikroorganismen zunehmend auch der Einsatz von pflanzlichen und tierischen Zellen zur Produktion von artfremden Proteinen wie z. B. Antikörpern, Blutgerinnungsfaktoren (Blutgerinnung), Enzymen, Hormonen oder von Impfstoffen (aktive Immunisierung). Schließlich lassen sich mit den Methoden der Gentechnologie auch Veränderungen in den Produkten selbst durchführen, wodurch ein geplantes Design der Biomoleküle möglich wird. Entsprechend lassen sich Moleküle entwerfen und anschließend produzieren, die in der Natur nicht vorkommen (drug design, molecular modeling, protein design, protein engineering, Protein-Werkstoffe).
Biotechnologiemarkt ( vgl. Abb. ). Der Marktwert biotechnologisch gewonnener Produkte liegt nach vorsichtigen Schätzungen in der Größenordnung zwischen 75 bis 100 Milliarden DM pro Jahr. Andere Schätzungen gingen bereits 1990 von einem jährlichen Umsatz biotechnologischer Produkte in Höhe von 400 Milliarden DM aus. Solche Unterschiede sind damit zu erklären, daß einerseits unterschiedliche Produkte in die Kalkulationen einbezogen werden und andererseits der Wert eines biotechnologischen Schrittes im Rahmen des gesamten Produktionsprozesses ( vgl. Abb. ) oft schwer abzuschätzen ist. Der überwiegende Anteil des Biotechnologiemarktes entfällt auf das Gesundheitswesen, unter anderem auf die Produktion von Aminosäuren, Antibiotika, verschiedenen Blutproteinen wie Antikörpern und Blutgerinnungsfaktoren, Enzymen, Hormonen, Immunsuppressiva, Impfstoffen, Cytokinen, wie Interferonen und Interleukinen, oder Steroiden sowie auf die Lebensmittelindustrie, unter anderem zur Herstellung und Verwendung von Aminosäuren, Citronensäure, Enzymen, Lebensmittelzusatzstoffen wie Aromastoffen, Geschmacksverstärkern und Konservierungsstoffen, und schließlich zur Herstellung alkoholischer Getränke wie Bier, Wein und Sekt ( vgl. Tab. ). In weiterem Zusammenhang mit dem Gesundheitswesen steht die Schädlingsbekämpfung, wie z. B. die Bekämpfung von Stechmücken im Larvenstadium, aber auch die Bekämpfung der Larven verschiedener Käfer, anderer Zweiflügler und Schmetterlinge durch das Toxin aus Bacillus thuringiensis und dessen Unterarten. Gene für das Toxin sind bereits auf Pflanzen übertragen worden, so daß diese transgenen Pflanzen gegenüber ihren Schadinsekten Resistenz entwickeln können. Ebenfalls mit dem Ziel der Schädlingsbekämpfung lassen sich auch Baculoviren zur Bekämpfung verschiedenster Schadinsekten einsetzen. Da Baculoviren die Insekten relativ langsam abtöten, werden in die virale DNA fremde Gene eingebracht, deren Produkte für die Insekten entweder toxisch sind oder aber als Hormone den normalen Entwicklungszyklus der Insekten stören (biologische Schädlingsbekämpfung, biotechnische Schädlingsbekämpfung). Im Rahmen der Verknappung der herkömmlichen fossilen Energieträger (fossile Brennstoffe) ist die biotechnologische Nutzung erneuerbarer Energieträger von zentralem Interesse für die Energiewirtschaft. In diesem Rahmen werden bereits in großem Maßstab biologische Abfälle für die Methanbildung (anaerobe Nahrungskette, Bioenergie, Biogas, methanbildende Bakterien) herangezogen. In einigen Ländern, z. B. in Brasilien oder in den USA, in denen stärkehaltige Rohstoffe für die alkoholische Gärung billig und in größeren Mengen verfügbar sind, wird auch Bioalkohol (Biokraftstoffe, Bio-Öl) als erneuerbarer Energieträger genutzt. Prinzipiell möglich, bislang aber noch unwirtschaftlich, ist schließlich die biologische Erzeugung von Wasserstoff unter Nutzung der Sonnenenergie (photobiologische Wasserstoffbildung). Die Verknappung von Rohstoffen ist ein weiterer Grund dafür, biotechnologische Prozesse für eine effizientere Ausbeute wirtschaftlich zunächst weniger interessanter Ressourcen (Rohstoffquellen) einzusetzen. In einigen Ländern wird im großen Umfang die mikrobielle Laugung (engl.: leaching) besonders von kupferhaltigen Armerzen durch schwefeloxidierende Bakterien der Gattung Thiobacillus durchgeführt. Solche schwefeloxidierende Bakterien lassen sich auch einsetzen, um schwefelhaltige Kohlevorkommen zu entschwefeln und damit in eine umweltverträglichere Form zu überführen. Vielversprechend sind Ansätze, geeignete Bakterien bzw. deren Produkte wie Zuckerpolymere (Biopolymere) oder oberflächenaktive Stoffe (Biodetergentien, Tenside) zum wirksameren Herauslösen von Erdöl aus weniger leicht zugänglichen Lagerstätten zu nutzen (tertiäre Erdölförderung). Biologisch abbaubare Thermoplaste (bei höheren Temperaturen formbare Plastikmaterialien; abbaubare Kunststoffe, Biokunststoffe, Kunststoffe) wie Poly-β-hydroxybuttersäure und andere Polyhydroxyalkanoate können direkt über den Reservestoffwechsel von Bakterien oder auch aus Pflanzen nach Übertragung der entsprechenden bakteriellen Gene gewonnen werden. Weitere mikrobiell produzierte Grundsubstanzen für die Herstellung biologisch abbaubarer plastischer Polymere sind die Milchsäure sowie cis-Dihydroxycyclohexadien oder mikrobiell hydroxylierte Aromaten wie Bisphenyl. Die Bedeutung solcher Plastikmaterialien ist in dem erweiterten Rahmen der Umweltbiotechnologie zu sehen. In dieses Gebiet fallen Maßnahmen wie die Abwasserreinigung, die Bereinigung von Bodenverschmutzungen sowie die Entsorgung umweltschädlicher oder gar giftiger Abfälle (Abfall) aus Industrie, Landwirtschaft oder militärischen Anlagen (Bioremediation, Gifte, Schadstoffe). Neben natürlichen Populationen von Mikroorganismen kommen hierfür auch Organismen in Frage, die durch genetische Manipulation entstanden sind. Bei der Produktion organischer Rohstoffe für die chemisch-pharmazeutische Industrie, die Nahrungsmittelproduktion sowie für therapeutische Zwecke stehen biotechnologische Verfahren oft in starker Konkurrenz zu den rein chemischen Synthesen. In verschiedenen Fällen sind die biotechnologischen Methoden zur Erzeugung von organischen Säuren, Lösungsmitteln und Aminosäuren komplett ausgearbeitet worden; sie werden jedoch nicht eingesetzt, weil die chemischen Verfahren preisgünstiger sind. Da die Kosten der chemischen Synthesen weitgehend vom Rohölpreis abhängig sind, kann davon ausgegangen werden, daß biotechnologische Verfahren in dem Maße an Interesse gewinnen, in dem entweder der Rohölpreis steigt oder die Rohölförderung abnimmt. Eine Reihe von pharmazeutisch wichtigen Präparaten, wie Aminosäuren ( vgl. Infobox ), Steroide oder Ascorbinsäure, wird durch Biotransformation, häufig auch in Kombination mit chemischen Synthesen, gewonnen. Um dem Proteinbedürfnis des Menschen direkt oder über die Anzucht von Masttieren zu begegnen, wurde in den 1960er Jahren verstärkt daran gearbeitet, die Biomasse von Bakterien, Hefen und anderen Pilzen sowie Algen als Proteinquellen zu nutzen. Die Bez. Einzellerprotein (engl.: single cell protein, SCP) hebt diese Proteine aus Mikroorganismen gegenüber Produkten aus pflanzlichen und tierischen Organismen ab. Zunächst wurden Methoden ausgearbeitet, um die Mikroorganismen in Massen auf der Basis von Paraffinen, die bei der Raffinerie von Erdöl billig anfallen, zu kultivieren. 1973 führte die Erdölkrise aber dazu, daß die SCP-Produktion von Paraffinen auf Methylalkohol als Substrat umgestellt wurde. Abgesehen von der daraus resultierenden Unabhängigkeit von der jeweiligen Erdölförderung kann Methylalkohol billig aus Erdgas hergestellt werden. Letztendlich konnte sich SCP jedoch nicht gegenüber den deutlich billigeren pflanzlichen Proteinen, z. B. aus der Sojabohne, behaupten. Die Ausarbeitung von Verfahren zur Gewinnung von SCP hat jedoch wesentliche Impulse für die Entwicklung von Bioreaktoren und Fermentationsverfahren geliefert (Bioverfahrenstechnik, Fermentation, mikrobielles Wachstum). Anstelle von intakten Zellen werden in der Biotechnologie als Biokatalysatoren vielfach auch isolierte Enzyme verwendet. Je nach Qualität, Reinigungsgrad und Kosten unterscheidet man zwischen Industrie-Enzymen, analytischen Enzymen und klinischen Enzymen. Für bestimmte Anwendungsbereiche, wie den Einsatz unter alkalischen Bedingungen oder bei erhöhten Temperaturen (Waschmittelindustrie), können Enzymproteine mit Hilfe von Methoden der Gentechnologie durch den Austausch empfindlicher Aminosäuren modifiziert und dadurch stabilisiert werden. Um einem Aktivitätsverlust bei längerer Lagerung der Enzymproteine entgegenzuwirken, können lösliche Enzyme mit Hilfe verschiedener Methoden immobilisiert und auf diese Weise ebenfalls stabilisiert werden (Immobilisierung). Der größte Bedarf an Industrie-Enzymen besteht in der Waschmittel- und Stärkeindustrie. Weitere Bereiche, in denen Industrie-Enzyme eingesetzt werden, sind die Milchwirtschaft, Brennereien, die Fruchtsaftindustrie sowie Industriezweige wie die Gerberei, Brauerei und Bäckerei (Amylasen, Proteasen, Pektinasen, Labferment).
Gegenüber der synthetischen Chemie können die Produktionsverfahren in der Biotechnologie eine Reihe von Vorteilen aufweisen. Hierzu gehören: die relativ geringe Toxizität, verbunden mit der biologischen Abbaubarkeit der anfallenden Abfallstoffe; Kultur- und Produktionsverfahren bei mittleren Temperaturen (30–35°C) und damit geringer Energieverbrauch; auf der anderen Seite aber auch die Möglichkeit, die Prozeßabläufe unter Nutzung thermophiler Organismen oder deren Enzyme bei höheren Temperaturen zu beschleunigen; Wasser als Reaktionsmedium; vielfach kostengünstige Ausgangsstoffe, z. B. mit geringem Aufwand zu produzierende Biomasse, Abfälle oder Nebenprodukte aus anderen Produktionsverfahren; oft relativ einfache Biosynthesen solcher Substanzen, die mit chemischen Methoden umständlicher zugänglich sind, im Falle der Synthesen von Aminosäuren und Steroiden z. B. aufgrund der erforderlichen Stereospezifität; oft sehr hohe Ausbeute.

J.O.

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Biotechnologie

GeschichtL>cher Überblick

ca. 6000 v. Chr.: Säuerung von Lebensmitteln; alkoholische Gärung von Pflanzensäften
ca. 3000 v. Chr.: Sauerteig, Bierherstellung; Indigo als Färbemittel
ca. 2000 v. Chr.: Kultivierung der Weinreben
ca. 1700 v. Chr.: erste Brauverordnungen
ca. 800 v. Chr.: Destillation
(China)
ca. 300 v. Chr.: Essig aus Wein
ca. 250 n. Chr.: Weinbau in Deutschland
um 1200: Alkoholdestillation (Weingeist, in Europa)
1400: Weinessigproduktion (Orleans)
1680: Entdeckung der Mikroorganismen (A. van Leeuwenhoek)
1818: Beschreibung der Hefegärung (Erxleben)
1857: Beschreibung der
Milchsäuregärung
(L. Pasteur)
1879: Entdeckung der Essigbakterien (E.C. Hansen)
1881: Herstellung von Milchsäure durch Gärung
1897: Beschreibung von Gärungsenzymen in Hefe
(E. Buchner)
ab Ende 19.Jh.: erste kommunale Anlagen zur Abwasserreinigung
1912: Reaktionsschema zur alkoholischen Gärung
(C. Neuberg)
1915/1916: Herstellung von Aceton/Butanol durch Gärung (Weizmann); Herstellung von Glycerin durch Gärung (Connstein, Lüdecke)
ab ca. 1920: Citronensäureproduktion mit Aspergillus
1928–1929: Beschreibung der antibiotischen Wirkung von Penicillin (A. Fleming)
1941–1944: chemische Struktur und Einsatz von Penicillin
1943/1944: Identifikation von DNA als Erbmaterial (O.T. Avery); Entdeckung von Streptomycin (S.A. Waksman)
1949: Submersverfahren zur biologischen Essigproduktion
ab ca. 1949: Vitamin B₁₂ aus Mikroorganismen
1953: Struktur und Replikation der DNA (J.D. Watson und F.H.C. Crick)
1955/1960: Submersverfahren zur biologischen Citronensäureproduktion
1957: Aminosäuren (Glutaminsäure) aus Bakterien (Kinoshita)
1960: Enzyme in der Waschmittelindustrie
1962/1966: Aufklärung der Proteinbiosynthese
1963: Regulation der Genexpression (F. Jacob und J.L. Monod)
1965: Rennin (Labferment) aus Mikroorganismen zur Caseinfällung (Käse)
1972: Restriktionsendonucleasen zur sequenzspezifischen DNA-Schneidung
1972/1973: Rekombination von DNA, Plasmidvektoren (Cohen und Boyer)
1977: Säugerhormone aus Coli-Bakterien
1978: chemische Synthese eines Gens (H.G. Khorana)
1979: großtechnische Produktion von Einzellerprotein
1982: Vermarktung von Insulin aus Coli-Bakterien
1986: verbreitete Nutzung des Bacillus-Toxins gegen Insekten
ca. 1974 bis heute: transgene Organismen zur Erzeugung von Enzymen, Arzneimitteln, Resistenzen, Proteinen, Polymeren u. a. Bioprodukten

Biotechnologie Prinzipielle Schritte der biotechnologischen Produktion