Was man in der Biologie so macht

21. September 2010 von Sebastian Reusch in Allgemein

Hallo WissensLogs, hallo Mitblogger und hallo Wissenschaftsinteressierte,

Ich heiße Sebastian und bin der Neue hier. Meinen alten Blog "Enkapsis" werde ich hier unter dem gleichen Namen weiterführen und hoffe, interessante Einblicke in die Life Sciences und aus der aktuellen Forschung zu liefern. Als Start habe ich gleich mal einen Artikel aus meinem alten Blog mitgebracht, der aufzeigen soll, was in der Biologie so alles gemacht wird. Los geht´s!

Immobilisierung von Zellen und Enzymen

Hierbei handelt es sich um die Optimierung verschiedenster technischer Prozesse, wie die Herstellung von Antibiotika oder z.B. auch Asparaginsäure, das als Ausgangsstoff vieler organisch-chemischer Verbindungen gilt und u.a. als Aspartam als Süßstoff verwendet wird. Weiterhin stehen im Fokus die Gewinnung essentieller L-Aminosäuren, die bei Krankheit zugeführt werden müssen und mit Hilfe des immobilisierten Enzyms Aminoacyclase in Bioreaktoren durch Racemisierung gewonnen werden. Aminosäuren sind die essentiellen Bausteine der Proteine und sind für den Körper unerläßlich, aber nur in der L-Form, da sie nur so verwertet werden können. Es handelt sich dabei um eine bestimmte räumlichen Anordnung von Atomen und Atomgruppen um eines oder mehrere Stereozentren. Neben der Fruktose- und Bierproduktion für die Lebensmittelindustrie dient die Immobilisierung u.a. auch der Spaltung von Lactose durch das immobilisierte Enzym Lactase, das in Milch gegeben wird um die Verträglichkeit von Milch bei Menschen mit Lactasemangel zu verbessern.

Ein interessanter Fakt zur Lasctoseintoleranz ist, dass die halbe Weltbevölkerung sie besitzt, da Milchtrinken nämlichen im früheren Zeitalter nicht “normal” war und so führten Mutationen vor ca. 7500 Jahren in den Genen erst dazu, dass Menschen die Milch überhaupt normal verdauen konnten. Dies besagt zumindest ein Studie aus 2009 (The Origins of Lactase Persistence in Europe).

Die Immobilisierung von Zellen und Enzymen zählt neben den klassischen Fermentationsverfahren (Milchsäuregärung, alkoholische Gärung, Essigsäuregärung) zur “modernen” Fermentation, die sich dadurch auszeichnet, dass sie susbtratspezifischer und stereospezifischer ist, als auch eine höhere Aktivität der eingesetzten Enzyme gewährleistet. Im Grunde genommen handelt es sich dabei um Prozesse, bei denen Biokatalysatoren durch chemische oder physikalische Methoden in ihrer Beweglichkeit (ähnlich wie beim Tissue engineering) eingeschränkt worden sind. So lassen sich die oben beschrieben Vorgänge der Produktion verbessern und weiterentwickeln.

Tissue Engineering

In der regenerativen Medizin spielt das Tissue Engineering eine wichtige Rolle, da es sich dabei um das „Züchten“ von Zellen und Geweben außerhalb des Organismus handelt, um damit die Gewebefunktion des Organsimus z.B. nach einem Unfall wiederherzustellen zu können. Dafür kann man die dreidimensionale Zellkultur verwenden in der sich Zellen, genau wie im Körper, in alle Richtungen ausbreiten und teilen können, um so eine Organ-ähnliche Struktur zu bilden. Bisher ist es aber nur möglich künstliche Organe herzustellen, indem Organ-ähnliche Gerüste mit Zellen besiedelt werden, da bisher der komplette "Mechanismus" noch nicht bekannt ist, der Zellen die  Information zur Bildung einer 3-dimensionalen Struktur bereitstellt. Weiterführend können aber so Heilungsprozesse verbessert und beschleunigt und zukünftig hoffentlich sogar dem unzureichenden Spendeangebot von menschlichen Organen entgegenwirkt werden. Zu unterscheiden ist dabei aber zwischen einer Xeno- und einer Allotransplantation: Bei der Xenotransplantation handelt es sich um die Übertragung von Zellen, Geweben und Organen von einer Spezies zur anderen, z.B. von einem Schwein zum Menschen. Die Allotransplantation ist hingegen die Übertragung zwischen zwei genetisch verschiedenen Individuen der gleichen Art, daher vom einen Menschen zum anderen.

Ein Zweig des Tissue Engineerings ist die Immobilisierung von Zellen, die oben schon besprochen wurde, aber auch hier eine spezifische Anwendung findet: Hierbei handelt es sich um eine Einschränkung der Beweglichkeit von Zellen durch eine Matrix, die die Zellen aber in ihrer Funktionalität nicht beschränken. Das Prinzip ist einfach: Man schliesst die funktionstüchtigen Zellen in einer Kugel ein, die aus einem elastischen, stabilen und nährstoffdurchlässigen Substanz besteht, z.B. Alginat, ein Stoff der in der Zellwand von Algen vorkommt. So kann man z.B. verkapselte insulinproduzierende Zellen einem an Diabetes mellitus erkranktem Patienten implantieren, um eine konstante Menge des Hormons im Körper zu gewährleisten. Dies scheint sinnvoll, da die Weltgesundheitsorganisation die Zahl der Diabetes-Kranken weltweit auf 220 Millionen Menschen schätzt und die orale Aufnahme von Insulin oder Insulinspritzen dem Krankheitsverlauf nur unzureichend entgegenwirkt. Durch solche immunisolierten Transplantate wären aber auch andere endokrine Krankheiten wie Hämophilie, Parkinson, Alzheimer etc. besser behandelbar und würden somit die Lebensqualität der betroffenen Menschen deutlich erhöhen.

Elektrische Feldeffekte in biologischen Systemen

Die Manipulation von Zellen mit Hilfe von elektrischen Feldern bietet eine weitläufige Anwendung in der Biotechnologie, Biomedizin und Biophysik, da so Zellen gezielt manipuliert und modifiziert werden können. So werden gepulste elektrische Felder zur Einschleussung von fremden Molekülen wie Plasmide mittels Elektropermeabilisierung bzw. -transfektion genutzt. Dies hilft bestimmte DNA-Abschnitte und deren Genprodukte in geeigneten Untersuchungssystemen zu analysieren. So kann man z.B. herausfinden was für eine Funktion ein bestimmtes Protein besitzt. In Kombination mit elektrischen Wechselfeldern ist es zudem möglich durch den Prozess der Elektrofusion Zellhybride herzustellen und Zellen nicht-invasiv zu bewegen und separieren. Die berührungslose Positionierung und Vermessung physikalischer und elektrischer Eigenschaften von Zellen lassen sich durch moderne biophysikalische Verfahren, wie z.B. Elektrorotation und -deformation oder Dielektrophorese realisieren. Mit der Elektrofusion ist es möglich, zwei oder mehrere Zellen miteinander zu verschmelzen wodurch Hybridomzellen gewonnen werden können, die monoklonale Antikörper produzieren und daher hochspezifisch sind. All diese Prozesse finden auf Mikrostrukturen statt, daher auf sehr kleinen Bauteilen, die eine genaue Analyse der Zellen zulassen, indem diese in einem kontrolliertem System bewegt und gesteuert werden können. Bekannt sollte das “Lab-on-a-chip” sein, sogenannte Biochips auf denen verschiedenste Reaktionen und Nachweise zu realisieren sind, z.B. der Nachweis von Krebszellen oder auch von bestimmten Proteinen im Blut.

Ökobiotechnologie

Dieses Gebiet beschäftigt sich mit dem Stoff- und Flüssigkeitsaustausch von Zellen mit ihrer Umgebung, der durch Konzentrationsgradienten und osmotischen und hydrostatischen Druck angetrieben wird. Zelluläre Wassertransportgrößen sind von entscheidender Bedeutung für den Wasserhaushalt von Pflanzengeweben und -organen. Sie kontrollieren neben anderen Parametern die Wasseraufnahme in die Wurzel, den Wassertransport im Blatt sowie die Anpassung von Pflanzen an veränderte Umweltbedingungen. Solche Parameter können mit Hilfe einer Druckmeßsonde bestimmt werden, wodurch die Bewässerung gezüchteter Nutzpflanzen verbessert bzw. angepasst werden und somit Wasser gespart werden kann, da es sich dabei um einen schwindenden Rohstoff handelt. Dies betrifft vor allem trockene Regionen in denen der bereits vorhandene Wassermangel die Landwirtschaft stark beeinträchtigt.

Bioreaktoren

Bioreaktoren spielen eine wichtige Rolle, da es mit ihnen möglich ist Zellen, Mikroorganismen, Viren und Pilze in einer konstant angepassten Umgebung zu halten um so deren Stoffwechselprodukte zu erhalten, die man für medizinische und biologische Zwecke verwenden kann. Wichtig dabei ist es, die Entwicklungsbedingungen für Mikroorganismen und Zellkulturen zu wissen, da diese einem gewissen Substratanspruch an organischen und anorganische Susbtanzen, sowie an Salzen und Vitaminen unterliegen. Andere wichtige Faktoren sind pH-Wert, Sauerstoffgehalt, Temperatur, etc. Die Produktion von biotechnischen Produkten unterliegt daher einem komplexen Zusammenwirken mehrerer Faktoren, wodurch je nach Charakteristiken verschiedene Reaktoren und Betriebe in Anspruch genommen werden. So gibt es z.B. Submersreaktoren mit verschiedenen Rührertypen oder auch Oberflächenreaktoren, die je nach Wunsch im kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Betrieb arbeiten. Ein wichtiges Beispiel stellt die Zitronensäure-Fermentation dar. Das sogenannte Citrat kann biotechnologisch mit Hilfe eines Submersreaktors gewonnen werden und dient dann u.a. in der Lebensmittelindustrie als Konservierungsmittel.

Umweltanalytik

Dieses Gebiet beschäftigt sich mit der Thematik des Abwassers und Kläranlagen, sowie der Produktion von Biogas das in Blockheizkraftwerken verbrannt und in Wärme und Strom umgewandelt werden kann. Der Wasserverbrauch in Deutschland z.B. liegt bei 125 Liter pro Tag und Einwohner, wobei nur 2 bis 3 Liter zum Trinken und Kochen verwendet werden. Das restliche Wasser fällt sozusagen als Abfall an und muss in verschiedenen Stufen gereinigt werden, um Verschmutzungen von Flüssen und Seen und zur Entstehung von Seuchen vorzubeugen. Dies findet in den Kläranlagen statt und unterliegt einem mehrstufigen Prozess in dem sich Ammonifikation, Denitrifikation, Phosphorelimination, etc. abwechseln. Ein wichtiger Faktor stellt der biologische Sauerstoffbedarf (BSB) dar, der zur Reinigung von Abwasser benötigt wird und stark von der Abbaubarkeit der organischen Verschmutzungen des Abwassers abhängt. Kläranlagen sind meistens mit Biogasanlagen verbunden, da diese die Biomasse bei der Reinigung von Wasser abwerfen, die zur Gewinnung von Biogas gebraucht werden

Aufreinigung und Charakterisierung porenformender Proteine

Das Hauptaugenmerk von Zellmembranen gilt heutzutage der molekularen Zusammensetzung und der Funktion der einzelnen Komponenten in der Membran wie Lipide und Proteine, welche für ihre biologische Funktion verantwortlich sind. So dienen Membranproteine im Wesentlichen als Ort des Transportes von Ionen und anderen Substraten. Die Matrix von fluiden Membranen ist aus Lipiden in Form einer Lipiddoppelschicht aufgebaut. Hauptvertreter sind Phospholipide, die in wässriger Umgebung dazu neigen Aggregate zu bilden wie Bilayer oder Vesikel. Man kann so mit ihnen die Matrix biologischer Membranen nachahmen und sie als kontrolliertes System für die Untersuchung von Transportvorgängen heranziehen. Somit ist es u.a. möglich Porine, also porenbildene Proteine gram-negativer Bakterien, zu untersuchen und zu charakterisieren. Das Studium von Porinen ist deswegen wichtig, da hydrophile Substanzen wie Antibiotika auf ihrem Weg in das Zellinnere die Porine durchqueren müssen. Das beste Antibiotikum, das nicht durch die Poren der Bakterienmembran passt, wird unwirksam sein. Ein anderer Aspekt sind porenbildende Toxine aus Bakterien, die ihre toxische Wirkung im Zellinneren entfalten und an künstlichen Lipidmembranen untersucht werden können indem deren Transport über die Cytoplasmamembran betrachtet wird.

Biotechnologie allgemein

Da die Biotechnologie ein weitläufiger Begriff ist, kann man sie in folgende Teilgebiete aufteilen, unter denen man sich dann schon etwas genauer vorstellen kann, was dort an Forschung betrieben wird:

  • Weiße Biotechnologie: Auch industrielle Biotechnologie genannt, in der durch Bioverfahrenstechnik sämtliche industrielle Prozesse verfeinert werden.
  • Rote Biotechnologie: Herstellung von Arzneimitteln und Entwicklung/Optimierung von Therapien
  • Grüne Biotechnologie: Beschäftigt sich ausschließlich mit dem Organismus Pflanze und findet daher die Anwendung in der Landwirtschaft, z.B. Verbesserung der Nutzpflanzen oder Gewinnung von bestimmten pflanzlichen Inhaltsstoffen.
  • Gelbe Biotechnologie: Anwendung im Bereich von Lebensmitteln, z.B. in der Herstellung von Wein und Bier.
  • Graue Biotechnologie: Anwendungen im Bereich des Umweltschutzes, d.h. Abwasserreinigung und Biogasgewinnung.
  • Blaue Biotechnologie: Gewinnung von biotechnologischen Produkte aus dem Meer, z.B. neue Antibiotika.

Dies ist nur ein Bruchteil der biologischen Forschungsfelder, es gibt aber noch viel mehr zu entdecken und zu wissen. Wenn man sich allein einmal überlegt, dass eine durchschnittliche naturwissenschaftliche Doktorarbeit 3-4 Jahre Zeit in Anspruch nimmt, wird allmählich klar, dass man immer dazulernen kann.

 

 

 


8 Kommentare zu “Was man in der Biologie so macht”

  1. Attilaeier Antworten | Permalink

    Kurz und knapp erklaert, sehr gut. Viel Erfolg auf Wissenslogs!

  2. Sören Schewe Antworten | Permalink

    Schön!

    Na dann ein herzliches Willkommen in unseren Reihen. Freut mich, dass Du jetzt auch dazu gehörst!

  3. Elmar Diederichs Antworten | Permalink

    Sebastian: welcome

    Welcome to the blog! :-)

    Zwar verstehe ich nichts von Biologie, aber ich werde sicher mitlesen, um daran ein bißchen was zu verbessern.

    Gibt es deinen alten blog noch, oder hast du ihn eingestampft?

  4. Joe Dramiga Antworten | Permalink

    Biotechnologie

    Hallo Sebastian!

    Herzlich Willkommen bei Wissenslogs! (Unglaublich wie viele Biologen sich hier tummeln)

    Da hast Du Dir mit der Biotechnologie einiges vorgenommen. Ich werde auf jeden Fall öfters bei deinem Blog vorbeischauen um mich über die neuesten Entwicklungen auf dem Laufenden zu halten.

  5. Gunnar Antworten | Permalink

    Herzlich Willkommen!

    Das freut mich aber, dass du hier jetzt auch eintrudelst!

  6. Sebastian Reusch Antworten | Permalink

    Danke

    @all: Vielen herzlichen Dank!
    @Martin: Auch dir ein herzliches Willkommen!

  7. Sebastian Reusch Antworten | Permalink

    Alter Blog

    @Elmar: Habe glatt vergessen, deine Frage zu beantworten...Ich weiss noch nicht genau, was ich mit dem alten Blog machen werde. Bisher steht er noch, aber ich denke, dass ich ihn löschen werde. Schliesslich kostet der Erhalt Geld und das kann ich mir ja eigentlich sparen.

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