Biotechnologie

Dickete bei der Käseherstellung ⓘ

Moosbioreaktor ⓘ

Die Biotechnologie (altgriechisch βίος bíos, deutsch ‚Leben‘; auch als Synonym zu Biotechnik und kurz als Biotech) ist eine interdisziplinäre Wissenschaft, die sich mit der Nutzung von Enzymen, Zellen und ganzen Organismen in technischen Anwendungen beschäftigt. Ziele sind u. a. die Entwicklung neuer oder effizienterer Verfahren zur Herstellung chemischer Verbindungen und von Diagnosemethoden. ⓘ

In der Biotechnologie werden Erkenntnisse aus vielen Bereichen, wie vor allem Mikrobiologie, Biochemie (Chemie), Molekularbiologie, Genetik, Bioinformatik und den Ingenieurwissenschaften mit der Verfahrenstechnik (Bioverfahrenstechnik) genutzt. Die Grundlage bilden chemische Reaktionen, die von freien oder in Zellen vorliegenden Enzymen katalysiert werden (Biokatalyse oder Biokonversion). Die Biotechnologie leistet wichtige Beiträge für den Prozess der Biologisierung. ⓘ

Klassische biotechnologische Anwendungen wurden bereits vor Jahrtausenden entwickelt, wie z. B. die Herstellung von Wein und Bier mit Hefen und die Verarbeitung von Milch zu verschiedenen Lebensmitteln mithilfe bestimmter Mikroorganismen oder Enzyme. Die moderne Biotechnologie greift seit dem 19. Jahrhundert zunehmend auf mikrobiologische und seit Mitte des 20. Jahrhunderts auch auf molekularbiologische, genetische bzw. gentechnische Erkenntnisse und Methoden zurück. Dadurch ist es möglich, Herstellungsverfahren für chemische Verbindungen, z. B. als Wirkstoff für die Pharmazeutik oder als Grundchemikalie für die chemische Industrie, Diagnosemethoden, Biosensoren, neue Pflanzensorten und anderes zu entwickeln. ⓘ

Biotechnische Verfahren können vielfältig in unterschiedlichsten Bereichen angewendet werden. Teilweise wird versucht, diese Verfahren nach Anwendungsbereichen zu sortieren, wie z. B. Medizin (Rote Biotechnologie), Pflanzen bzw. Landwirtschaft (Grüne Biotechnologie) und Industrie (Weiße Biotechnologie). Teilweise wird auch danach unterschieden, auf welche Lebewesen die Methoden angewendet werden, wie etwa in der Blauen Biotechnologie oder gelben Biotechnologie, die sich auf Anwendungen bei Meereslebewesen bzw. Insekten bezieht. ⓘ

Eine Rosenpflanze, die als Zellen in einer Gewebekultur gezüchtet wurde ⓘ

Biotechnologie ist "die Integration von Natur- und Ingenieurwissenschaften mit dem Ziel der Nutzung von Organismen, Zellen, Teilen davon und molekularen Analoga für Produkte und Dienstleistungen". Der Begriff Biotechnologie wurde erstmals 1919 von Károly Ereky verwendet und bezeichnet die Herstellung von Produkten aus Rohstoffen mit Hilfe von lebenden Organismen. ⓘ

Definition

Der Begriff Biotechnologie umfasst eine breite Palette von Verfahren zur Veränderung lebender Organismen für menschliche Zwecke, die auf die Domestizierung von Tieren, die Kultivierung von Pflanzen und deren "Verbesserung" durch Züchtungsprogramme mit künstlicher Selektion und Hybridisierung zurückgehen. Der moderne Gebrauch umfasst auch die Gentechnik sowie die Zell- und Gewebekulturtechnik. Die American Chemical Society definiert Biotechnologie als die Anwendung von biologischen Organismen, Systemen oder Prozessen durch verschiedene Industriezweige, um mehr über die Wissenschaft des Lebens zu erfahren und den Wert von Materialien und Organismen wie Arzneimitteln, Nutzpflanzen und Nutztieren zu verbessern. Laut der European Federation of Biotechnology ist die Biotechnologie die Integration von Naturwissenschaften und Organismen, Zellen, Teilen davon und molekularen Analoga für Produkte und Dienstleistungen. Die Biotechnologie basiert auf den biologischen Grundlagenwissenschaften (z. B. Molekularbiologie, Biochemie, Zellbiologie, Embryologie, Genetik, Mikrobiologie) und bietet umgekehrt Methoden zur Unterstützung und Durchführung der biologischen Grundlagenforschung. ⓘ

Biotechnologie ist die Forschung und Entwicklung im Labor unter Einsatz der Bioinformatik zur Erforschung, Gewinnung, Nutzung und Produktion von lebenden Organismen und Biomassequellen mit Hilfe der Bioverfahrenstechnik, wobei Produkte mit hohem Mehrwert geplant (z. B. durch Biosynthese reproduziert), vorhergesagt, formuliert, entwickelt und hergestellt werden können, und vermarktet werden können, um nachhaltig zu wirtschaften (damit sich die Anfangsinvestitionen in Forschung und Entwicklung rentieren) und um dauerhafte Patentrechte zu erlangen (um Exklusivrechte für den Vertrieb zu erhalten und um im Vorfeld nationale und internationale Genehmigungen für die Ergebnisse von Tier- und Menschenversuchen zu erhalten, insbesondere im pharmazeutischen Bereich der Biotechnologie, um unentdeckte Nebenwirkungen oder Sicherheitsbedenken bei der Verwendung der Produkte zu vermeiden). Die Nutzung von biologischen Prozessen, Organismen oder Systemen zur Herstellung von Produkten, die das Leben der Menschen verbessern sollen, wird als Biotechnologie bezeichnet. ⓘ

Im Gegensatz dazu wird das Bioengineering im Allgemeinen als ein verwandtes Gebiet betrachtet, das stärker auf höhere Systemansätze (nicht unbedingt auf die direkte Veränderung oder Verwendung biologischer Materialien) für die Interaktion mit und die Nutzung von Lebewesen ausgerichtet ist. Bioengineering ist die Anwendung der Prinzipien der Ingenieur- und Naturwissenschaften auf Gewebe, Zellen und Moleküle. Dies kann als die Nutzung von Wissen aus der Arbeit mit und Manipulation von Biologie betrachtet werden, um ein Ergebnis zu erzielen, das die Funktionen von Pflanzen und Tieren verbessern kann. In diesem Zusammenhang ist die Biomedizintechnik ein sich überschneidendes Gebiet, das sich häufig auf die Biotechnologie (nach verschiedenen Definitionen) stützt und diese anwendet, insbesondere in bestimmten Teilbereichen der Biomedizin- oder Chemietechnik wie der Gewebezüchtung, der biopharmazeutischen Technik und der Gentechnik. ⓘ

Geschichte

Das Bierbrauen war eine frühe Anwendung der Biotechnologie. ⓘ

Auch wenn es nicht das ist, was einem normalerweise als erstes in den Sinn kommt, so fallen doch viele Formen der vom Menschen betriebenen Landwirtschaft eindeutig unter die weit gefasste Definition des Begriffs "Nutzung eines biotechnologischen Systems zur Herstellung von Produkten". In der Tat kann der Anbau von Pflanzen als das früheste biotechnologische Unternehmen angesehen werden. ⓘ

Man geht davon aus, dass die Landwirtschaft seit der neolithischen Revolution die vorherrschende Form der Nahrungsmittelerzeugung war. Mit Hilfe der frühen Biotechnologie selektierten und züchteten die ersten Bauern die am besten geeigneten Pflanzen mit den höchsten Erträgen, um genügend Nahrung für eine wachsende Bevölkerung zu produzieren. Als die Kulturen und Felder immer größer und schwieriger zu pflegen wurden, entdeckte man, dass bestimmte Organismen und ihre Nebenprodukte wirksam düngen, Stickstoff zurückführen und Schädlinge bekämpfen konnten. Im Laufe der Geschichte der Landwirtschaft haben die Landwirte versehentlich die Genetik ihrer Pflanzen verändert, indem sie sie in neue Umgebungen einführten und mit anderen Pflanzen züchteten - eine der ersten Formen der Biotechnologie. ⓘ

Diese Verfahren wurden auch bei der frühen Biergärung angewandt. Diese Verfahren wurden bereits im frühen Mesopotamien, in Ägypten, China und Indien eingeführt und verwenden noch immer dieselben grundlegenden biologischen Methoden. Beim Bierbrauen wird die Stärke des Getreides mit Hilfe von Malz (das Enzyme enthält) in Zucker umgewandelt, der dann durch die Zugabe bestimmter Hefen zu Bier verarbeitet wird. Bei diesem Prozess werden die Kohlenhydrate in den Körnern in Alkohole, wie z. B. Ethanol, umgewandelt. Später entwickelten andere Kulturen den Prozess der Milchsäuregärung, durch den andere konservierte Lebensmittel wie Sojasauce hergestellt wurden. Die Fermentation wurde in dieser Zeit auch zur Herstellung von Sauerteigbrot verwendet. Obwohl der Prozess der Fermentation erst durch die Arbeit von Louis Pasteur im Jahr 1857 vollständig verstanden wurde, ist dies die erste Anwendung der Biotechnologie zur Umwandlung einer Nahrungsquelle in eine andere Form. ⓘ

Vor Charles Darwin hatten Tier- und Pflanzenwissenschaftler bereits selektive Züchtung betrieben. Darwin ergänzte diese Arbeiten durch seine wissenschaftlichen Beobachtungen über die Fähigkeit der Wissenschaft, Arten zu verändern. Diese Berichte trugen zu Darwins Theorie der natürlichen Selektion bei. ⓘ

Seit Tausenden von Jahren nutzt der Mensch die selektive Züchtung, um die Produktion von Nutzpflanzen und -tieren zu verbessern und sie als Nahrungsmittel zu verwenden. Bei der selektiven Züchtung werden Organismen mit erwünschten Eigenschaften gepaart, um Nachkommen mit denselben Merkmalen zu erzeugen. Diese Technik wurde zum Beispiel bei Mais angewandt, um die größten und süßesten Pflanzen zu erzeugen. ⓘ

Zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts gewannen Wissenschaftler ein besseres Verständnis der Mikrobiologie und erforschten Möglichkeiten zur Herstellung bestimmter Produkte. Im Jahr 1917 setzte Chaim Weizmann erstmals eine mikrobiologische Reinkultur in einem industriellen Prozess ein, nämlich bei der Herstellung von Maisstärke mit Clostridium acetobutylicum, um Aceton zu produzieren, das Großbritannien im Ersten Weltkrieg dringend zur Herstellung von Sprengstoff benötigte. ⓘ

Die Biotechnologie hat auch zur Entwicklung von Antibiotika geführt. Im Jahr 1928 entdeckte Alexander Fleming den Schimmelpilz Penicillium. Seine Arbeit führte zur Reinigung der von diesem Schimmelpilz gebildeten antibiotischen Verbindung durch Howard Florey, Ernst Boris Chain und Norman Heatley - zu dem, was wir heute als Penicillin kennen. Im Jahr 1940 wurde Penicillin für die medizinische Verwendung zur Behandlung bakterieller Infektionen beim Menschen verfügbar. ⓘ

Der Bereich der modernen Biotechnologie gilt im Allgemeinen als Geburtsstunde des Jahres 1971, als Paul Berg (Stanford) mit seinen Experimenten zum Gen-Splicing erste Erfolge erzielte. Herbert W. Boyer (Univ. Calif. in San Francisco) und Stanley N. Cohen (Stanford) entwickelten die neue Technologie 1972 entscheidend weiter, indem sie genetisches Material in ein Bakterium übertrugen, so dass das importierte Material reproduziert werden konnte. Die kommerziellen Möglichkeiten der Biotechnologieindustrie wurden am 16. Juni 1980 erheblich erweitert, als der Oberste Gerichtshof der Vereinigten Staaten im Fall Diamond gegen Chakrabarty entschied, dass ein genetisch veränderter Mikroorganismus patentiert werden kann. Der in Indien geborene Ananda Chakrabarty, der für General Electric arbeitete, hatte ein Bakterium (der Gattung Pseudomonas) verändert, das in der Lage war, Rohöl abzubauen, und das er bei der Behandlung von Ölunfällen einsetzen wollte. (Bei Chakrabartys Arbeit handelte es sich nicht um Genmanipulation, sondern um den Transfer ganzer Organellen zwischen Stämmen des Pseudomonas-Bakteriums). ⓘ

Der MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) wurde 1959 von Mohamed M. Atalla und Dawon Kahng erfunden. Zwei Jahre später, 1962, erfanden Leland C. Clark und Champ Lyons den ersten Biosensor. Später wurden Biosensor-MOSFETs entwickelt, die seither in großem Umfang zur Messung physikalischer, chemischer, biologischer und umweltbezogener Parameter eingesetzt werden. Der erste BioFET war der ionenempfindliche Feldeffekttransistor (ISFET), der 1970 von Piet Bergveld erfunden wurde. Es handelt sich dabei um eine besondere Art von MOSFET, bei dem das Metallgate durch eine ionenempfindliche Membran, eine Elektrolytlösung und eine Referenzelektrode ersetzt wird. Der ISFET wird häufig in biomedizinischen Anwendungen eingesetzt, z. B. zum Nachweis von DNA-Hybridisierung, zum Nachweis von Biomarkern im Blut, zum Nachweis von Antikörpern, zur Glukosemessung, zur pH-Messung und in der Gentechnik. ⓘ

Bis Mitte der 1980er Jahre wurden weitere BioFETs entwickelt, darunter der Gassensor-FET (GASFET), der Drucksensor-FET (PRESSFET), der chemische Feldeffekttransistor (ChemFET), der Referenz-ISFET (REFET), der enzymmodifizierte FET (ENFET) und der immunologisch modifizierte FET (IMFET). Anfang der 2000er Jahre wurden BioFETs wie der DNA-Feldeffekttransistor (DNAFET), der Gen-modifizierte FET (GenFET) und der Zellpotenzial-BioFET (CPFET) entwickelt. ⓘ

Ein Faktor, der den Erfolg des Biotechnologiesektors beeinflusst, ist die weltweit verbesserte Gesetzgebung zum Schutz des geistigen Eigentums - und dessen Durchsetzung - sowie die verstärkte Nachfrage nach medizinischen und pharmazeutischen Produkten, um der alternden und kränkelnden US-Bevölkerung zu begegnen. ⓘ

Die steigende Nachfrage nach Biokraftstoffen dürfte sich positiv auf den Biotechnologiesektor auswirken, da das Energieministerium schätzt, dass die Verwendung von Ethanol den Verbrauch von aus Erdöl gewonnenen Kraftstoffen in den USA bis zum Jahr 2030 um bis zu 30 % senken könnte. Der Biotechnologiesektor hat es der US-Landwirtschaft ermöglicht, ihr Angebot an Mais und Sojabohnen - den wichtigsten Rohstoffen für Biokraftstoffe - durch die Entwicklung von gentechnisch verändertem Saatgut, das gegen Schädlinge und Trockenheit resistent ist, rasch zu steigern. Durch die Erhöhung der landwirtschaftlichen Produktivität steigert die Biotechnologie die Biokraftstoffproduktion. ⓘ

Alexander Fleming auf einer Briefmarke ⓘ

1928/29 entdeckte Alexander Fleming im Pilz Penicillium chrysogenum das erste medizinisch verwendete Antibiotikum Penicillin. 1943 folgte das Antibiotikum Streptomycin durch Selman Waksman, Albert Schatz und Elizabeth Bugie. Im Jahr 1949 wurde die Herstellung von Steroiden in industriellem Maßstab umgesetzt. Anfang der 1960er-Jahre wurden Waschmitteln erstmals biotechnisch gewonnene Proteasen zur Entfernung von Eiweißflecken zugesetzt. In der Käseherstellung kann das Kälberlab seit 1965 durch das in Mikroorganismen hergestellte Rennin ersetzt werden. Ab 1970 konnten biotechnisch Amylasen und andere stärkespaltende Enzyme hergestellt werden, mit denen z. B. Maisstärke in den sogenannten „high-fructose corn syrup“, also Maissirup, umgewandelt und als Ersatz für Rohrzucker (Saccharose), z. B. in der Getränkeherstellung, verwendet werden konnte. ⓘ

1953 klärten Francis Crick und James Watson die Struktur und Funktionsweise der Desoxyribonucleinsäure (DNA) auf. Damit wurde der Grundstein für die Entwicklung der modernen Genetik gelegt. ⓘ

Seit den 1970er-Jahren kam es zu einer Reihe zentraler Entwicklungen in der Labor- und Analysetechnik. So gelang 1972 den Biologen Stanley N. Cohen und Herbert Boyer mit molekularbiologischen Methoden die erste In-vitro-Rekombination von DNA (Veränderung von DNA im Reagenzglas), sowie die Herstellung von Plasmidvektoren als Werkzeug zur Übertragung (ein Vektor) von Erbgut, z. B. in Bakterienzellen. ⓘ

César Milstein und Georges Köhler stellten 1975 erstmals monoklonale Antikörper her, die ein wichtiges Hilfsmittel in der medizinischen und biologischen Diagnostik darstellen. Seit 1977 können rekombinante Proteine (ursprünglich aus anderen Arten stammende Proteine) in Bakterien hergestellt und in größerem Maßstab produziert werden. Im Jahr 1982 wurden erste transgene Nutzpflanzen mit einer gentechnisch erworbenen Herbizidresistenz erzeugt, sodass bei Pflanzenschutzmaßnahmen das entsprechende Herbizid die Nutzpflanze verschont. Im selben Jahr gelang die Erzeugung von Knock-out-Mäusen für die medizinische Forschung. Bei ihnen ist zumindest ein Gen inaktiviert, um dessen Funktion bzw. die Funktion des homologen Gens beim Menschen zu verstehen und zu untersuchen. ⓘ

Bereits seit Jahrtausenden gibt es biotechnische Anwendungen, wie z. B. die Herstellung von Bier und Wein. Die biochemischen Hintergründe waren zunächst weitestgehend ungeklärt. Mit den Fortschritten in verschiedenen Wissenschaften, wie vor allem der Mikrobiologie im 19. Jahrhundert, wurde die Biotechnik wissenschaftlich bearbeitet, also die Biotechnologie entwickelt. So wurden optimierte oder neue biotechnische Anwendungsmöglichkeiten erschlossen. Weitere wichtige Schritte waren die Entdeckung der Desoxyribonucleinsäure (DNA oder DNS) in den 1950er-Jahren, das zunehmende Verständnis ihrer Bedeutung und Funktionsweise und die anschließende Entwicklung molekularbiologischer und gentechnischer Labormethoden. ⓘ

Erste biotechnische Anwendungen

Die ältesten Anwendungen der Biotechnik, die schon seit über 5000 Jahren bekannt sind, sind die Herstellung von Brot, Wein oder Bier (alkoholische Gärung) mithilfe der zu den Pilzen gehörenden Hefe. Durch die Nutzung von Milchsäurebakterien konnten zudem Sauerteig (gesäuertes Brot) und Sauermilchprodukte wie Käse, Joghurt, Sauermilch oder Kefir hergestellt werden. Eine der frühesten biotechnischen Anwendungen abseits der Ernährung waren Gerberei und Beize von Häuten mittels Kot und anderen enzymhaltigen Materialien zu Leder. Auf diese Produktionsverfahren bauten große Teile der Biotechnik bis in das Mittelalter auf, um 1650 entstand ein erstes biotechnisches Verfahren zur Essigherstellung. ⓘ

Entwicklung der Mikrobiologie

Louis Pasteur isolierte erstmals Essigsäurebakterien und Bierhefen. ⓘ

Moderne Biotechnologie basiert wesentlich auf der Mikrobiologie, die in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts entstand. Vor allem die Entwicklung von Kultivierungsmethoden, der Reinkultur und der Sterilisation durch Louis Pasteur legten Grundsteine zur Untersuchung und Anwendung (Angewandte Mikrobiologie) von Mikroorganismen. Im Jahre 1867 konnte Pasteur mit diesen Methoden Essigsäurebakterien und Bierhefen isolieren. Um 1890 entwickelten er und Robert Koch erste Impfungen auf der Basis isolierter Krankheitserreger und setzten damit die Grundlage für die Medizinische Biotechnologie. Der Japaner Jōkichi Takamine isolierte als erster ein einzelnes Enzym für die technische Verwendung, die Alpha-Amylase. Wenige Jahre später nutzte der deutsche Chemiker Otto Röhm tierische Proteasen (eiweißabbauende Enzyme) aus Schlachtabfällen als Waschmittel und Hilfsstoffe für die Lederherstellung. ⓘ

Moderne Biotechnologie seit den 1970er-Jahren

Strukturmodell eines Ausschnitts aus der DNA-Doppelhelix (B-Form) mit 20 Basenpaarungen ⓘ

Genomsequenzierungen

Im Jahr 1990 startete das Humangenomprojekt, in dem bis 2001 (bzw. 2003 in den angestrebten Maßstäben) das gesamte menschliche Genom von 3,2 × 10⁹ Basenpaaren (bp) entschlüsselt und sequenziert wurde. Die Sequenziertechnik basiert direkt auf der 1975 entwickelten Polymerase-Kettenreaktion (PCR), die eine schnelle und mehr als 100.000-fache Vermehrung bestimmter DNA-Sequenzen ermöglicht und so ausreichende Mengen dieser Sequenz, z. B. für Analysen, zur Verfügung stellte. Bereits 1996 war als erstes Genom das der Bäckerhefe (Saccharomyces cerevisiae) mit 2 × 10⁷ bp vollständig aufgeklärt. Durch die rasante Weiterentwicklung der Sequenziertechnik konnten weitere Genome, wie im Jahr 1999 das der Taufliege Drosophila melanogaster (2 × 10⁸ bp), relativ schnell sequenziert werden. ⓘ

Die Bestimmung von Genomsequenzen führte zur Etablierung weiterer, darauf basierender Forschungsgebiete, wie der Transkriptomik, Proteomik, Metabolomik und der Systembiologie und zu einer Bedeutungszunahme, z. B. der Bioinformatik. ⓘ

Beispiele

Die Biotechnologie findet in vier großen Industriebereichen Anwendung: im Gesundheitswesen (Medizin), im Pflanzenbau und in der Landwirtschaft, in der industriellen Nutzung von Pflanzen und anderen Produkten (z. B. biologisch abbaubare Kunststoffe, Pflanzenöl, Biokraftstoffe) und im Umweltschutz. ⓘ

Eine Anwendung der Biotechnologie ist beispielsweise der gezielte Einsatz von Mikroorganismen für die Herstellung von Bioprodukten (z. B. Bier und Milchprodukte). Ein weiteres Beispiel ist die Verwendung natürlich vorkommender Bakterien in der Bergbauindustrie zur Biolaugung. Die Biotechnologie wird auch für das Recycling, die Behandlung von Abfällen, die Sanierung von durch industrielle Aktivitäten kontaminierten Standorten (Bioremediation) und die Herstellung biologischer Waffen eingesetzt. ⓘ

Eine Reihe von abgeleiteten Begriffen wurde geprägt, um verschiedene Zweige der Biotechnologie zu bezeichnen, zum Beispiel:

• Die Bioinformatik (auch "goldene Biotechnologie" genannt) ist ein interdisziplinäres Gebiet, das biologische Probleme mit Hilfe von Computertechniken angeht und die schnelle Organisation sowie Analyse biologischer Daten ermöglicht. Das Gebiet kann auch als "computergestützte Biologie" bezeichnet werden und lässt sich wie folgt definieren: "Konzeptualisierung der Biologie in Form von Molekülen und anschließende Anwendung von Informatiktechniken zum Verständnis und zur Organisation der mit diesen Molekülen verbundenen Informationen in großem Maßstab". Die Bioinformatik spielt eine Schlüsselrolle in verschiedenen Bereichen wie der funktionellen Genomik, der strukturellen Genomik und der Proteomik und ist ein wichtiger Bestandteil der Biotechnologie und der pharmazeutischen Industrie.
• Die blaue Biotechnologie basiert auf der Nutzung von Meeresressourcen zur Herstellung von Produkten und industriellen Anwendungen. Dieser Zweig der Biotechnologie wird am häufigsten in der Raffinerie- und Verbrennungsindustrie eingesetzt, vor allem bei der Herstellung von Bioölen mit photosynthetischen Mikroalgen.
• Die grüne Biotechnologie ist die auf landwirtschaftliche Prozesse angewandte Biotechnologie. Ein Beispiel ist die Selektion und Domestizierung von Pflanzen durch Mikrovermehrung. Ein weiteres Beispiel ist die Entwicklung transgener Pflanzen, die in bestimmten Umgebungen in Gegenwart (oder Abwesenheit) von Chemikalien wachsen. Eine Hoffnung ist, dass die grüne Biotechnologie umweltfreundlichere Lösungen hervorbringt als die traditionelle industrielle Landwirtschaft. Ein Beispiel dafür ist die Entwicklung einer Pflanze, die ein Pestizid exprimiert und damit die Anwendung von Pestiziden von außen überflüssig macht. Ein Beispiel hierfür wäre der Bt-Mais. Ob solche Produkte der grünen Biotechnologie letztendlich umweltfreundlicher sind oder nicht, ist ein Thema, über das viel diskutiert wird. Sie wird gemeinhin als die nächste Phase der grünen Revolution betrachtet, die als Plattform zur Beseitigung des Hungers in der Welt angesehen werden kann, indem Technologien eingesetzt werden, die die Erzeugung von fruchtbareren und gegenüber biotischem und abiotischem Stress widerstandsfähigeren Pflanzen ermöglichen und die Anwendung umweltfreundlicher Düngemittel und den Einsatz von Biopestiziden gewährleisten, wobei der Schwerpunkt auf der Entwicklung der Landwirtschaft liegt. Andererseits werden bei einigen Anwendungen der grünen Biotechnologie Mikroorganismen zur Reinigung und Reduzierung von Abfällen eingesetzt.
• Die rote Biotechnologie ist die Anwendung der Biotechnologie in der medizinischen und pharmazeutischen Industrie sowie in der Gesundheitspflege. In diesem Bereich geht es um die Herstellung von Impfstoffen und Antibiotika, regenerative Therapien, die Schaffung künstlicher Organe und neue Diagnosen von Krankheiten. Außerdem geht es um die Entwicklung von Hormonen, Stammzellen, Antikörpern, siRNA und diagnostischen Tests.
• Die weiße Biotechnologie, auch als industrielle Biotechnologie bezeichnet, ist die Anwendung der Biotechnologie auf industrielle Prozesse. Ein Beispiel ist die Entwicklung eines Organismus, der eine nützliche Chemikalie produziert. Ein anderes Beispiel ist die Verwendung von Enzymen als industrielle Katalysatoren, um entweder wertvolle Chemikalien herzustellen oder gefährliche/verschmutzende Chemikalien zu zerstören. Die weiße Biotechnologie verbraucht in der Regel weniger Ressourcen als herkömmliche Verfahren zur Herstellung von Industriegütern.
• Die "gelbe Biotechnologie" bezieht sich auf den Einsatz der Biotechnologie in der Lebensmittelproduktion (Lebensmittelindustrie), z. B. bei der Herstellung von Wein (Weinherstellung), Käse (Käseherstellung) und Bier (Bierbrauen) durch Gärung. Der Begriff wird auch für die Anwendung der Biotechnologie auf Insekten verwendet. Dazu gehören biotechnologische Ansätze zur Bekämpfung von Schadinsekten, die Charakterisierung und Nutzung von Wirkstoffen oder Genen von Insekten für die Forschung oder die Anwendung in Landwirtschaft und Medizin sowie verschiedene andere Ansätze.
• Die graue Biotechnologie ist auf Umweltanwendungen ausgerichtet und konzentriert sich auf die Erhaltung der biologischen Vielfalt und die Beseitigung von Schadstoffen.
• Die braune Biotechnologie bezieht sich auf die Bewirtschaftung von Trockengebieten und Wüsten. Eine Anwendung ist die Entwicklung von verbessertem Saatgut, das den extremen Umweltbedingungen in Trockengebieten widersteht, was mit der Innovation, der Entwicklung von landwirtschaftlichen Techniken und der Bewirtschaftung von Ressourcen zusammenhängt.
• Die violette Biotechnologie steht im Zusammenhang mit rechtlichen, ethischen und philosophischen Fragen rund um die Biotechnologie.
• Dunkle Biotechnologie ist die Farbe, die mit Bioterrorismus oder biologischen Waffen und biologischer Kriegsführung assoziiert wird, bei der Mikroorganismen und Toxine eingesetzt werden, um Krankheiten und Tod bei Menschen, Vieh und Nutzpflanzen zu verursachen. ⓘ

Medizin

In der Medizin findet die moderne Biotechnologie zahlreiche Anwendungen in Bereichen wie der Entdeckung und Herstellung von Arzneimitteln, Pharmakogenomik und Gentests (oder genetisches Screening). ⓘ

DNA-Mikroarray-Chip - einige können bis zu einer Million Bluttests auf einmal durchführen ⓘ

Pharmakogenomik (eine Kombination aus Pharmakologie und Genomik) ist die Technologie, die analysiert, wie sich die genetische Ausstattung auf die Reaktion einer Person auf Medikamente auswirkt. Forscher auf diesem Gebiet untersuchen den Einfluss genetischer Variationen auf das Ansprechen von Patienten auf Arzneimittel, indem sie die Genexpression oder Einzelnukleotid-Polymorphismen mit der Wirksamkeit oder Toxizität eines Arzneimittels in Beziehung setzen. Ziel der Pharmakogenomik ist es, rationale Mittel zur Optimierung der Arzneimitteltherapie unter Berücksichtigung des Genotyps des Patienten zu entwickeln, um eine maximale Wirksamkeit bei minimalen unerwünschten Wirkungen zu gewährleisten. Solche Ansätze versprechen das Aufkommen einer "personalisierten Medizin", bei der Medikamente und Medikamentenkombinationen für die einzigartige genetische Konstitution jedes Einzelnen optimiert werden. ⓘ

Computergeneriertes Bild von Insulin-Hexameren, das die dreifache Symmetrie, die Zinkionen, die es zusammenhalten, und die Histidinreste, die an der Zinkbindung beteiligt sind, hervorhebt ⓘ

Die Biotechnologie hat zur Entdeckung und Herstellung herkömmlicher pharmazeutischer Arzneimittel mit kleinen Molekülen sowie von Arzneimitteln beigetragen, die ein Produkt der Biotechnologie sind - Biopharmazeutika. Mit Hilfe der modernen Biotechnologie lassen sich bestehende Arzneimittel relativ einfach und kostengünstig herstellen. Die ersten gentechnisch hergestellten Produkte waren Arzneimittel zur Behandlung menschlicher Krankheiten. So entwickelte Genentech 1978 synthetisches, humanisiertes Insulin, indem es sein Gen mit einem in das Bakterium Escherichia coli eingeführten Plasmidvektor verband. Insulin, das häufig zur Behandlung von Diabetes eingesetzt wird, wurde zuvor aus der Bauchspeicheldrüse von Schlachttieren (Rindern oder Schweinen) extrahiert. Die gentechnisch veränderten Bakterien sind in der Lage, große Mengen synthetischen Humaninsulins zu relativ geringen Kosten zu produzieren. Die Biotechnologie hat auch neue Therapeutika wie die Gentherapie ermöglicht. Die Anwendung der Biotechnologie in der Grundlagenforschung (z. B. durch das Humangenomprojekt) hat auch unser Verständnis der Biologie dramatisch verbessert, und mit dem zunehmenden wissenschaftlichen Wissen über die Biologie normaler und krankhafter Organismen hat sich auch unsere Fähigkeit verbessert, neue Medikamente zur Behandlung bisher unheilbarer Krankheiten zu entwickeln. ⓘ

Gentests ermöglichen die genetische Diagnose von Anfälligkeiten für Erbkrankheiten und können auch verwendet werden, um die Abstammung eines Kindes (genetische Mutter und Vater) oder ganz allgemein die Abstammung einer Person zu bestimmen. Neben der Untersuchung der Chromosomen bis hin zu den einzelnen Genen umfassen Gentests im weiteren Sinne auch biochemische Untersuchungen auf das mögliche Vorhandensein von Erbkrankheiten oder mutierten Formen von Genen, die mit einem erhöhten Risiko für die Entwicklung genetischer Störungen verbunden sind. Mit Gentests werden Veränderungen in Chromosomen, Genen oder Proteinen festgestellt. Meistens werden die Tests eingesetzt, um Veränderungen festzustellen, die mit Erbkrankheiten in Verbindung stehen. Die Ergebnisse eines Gentests können einen Verdacht auf eine genetische Erkrankung bestätigen oder ausschließen oder dazu beitragen, das Risiko einer Person zu bestimmen, eine genetische Störung zu entwickeln oder weiterzugeben. Im Jahr 2011 waren mehrere hundert Gentests im Einsatz. Da Gentests ethische oder psychologische Probleme aufwerfen können, werden Gentests häufig von einer genetischen Beratung begleitet. ⓘ

Landwirtschaft

Gentechnisch veränderte Pflanzen ("GV-Pflanzen" oder "Biotech-Pflanzen") sind Pflanzen, die in der Landwirtschaft verwendet werden und deren DNA mit gentechnischen Verfahren verändert wurde. In den meisten Fällen besteht das Hauptziel darin, eine neue Eigenschaft einzuführen, die in der Art nicht natürlich vorkommt. Biotechnologieunternehmen können zur künftigen Ernährungssicherheit beitragen, indem sie die Ernährung und Lebensfähigkeit der städtischen Landwirtschaft verbessern. Außerdem fördert der Schutz der Rechte an geistigem Eigentum Investitionen des Privatsektors in die Agrobiotechnologie. ⓘ

Beispiele für Nahrungsmittelpflanzen sind die Resistenz gegen bestimmte Schädlinge, Krankheiten und belastende Umweltbedingungen, die Resistenz gegen chemische Behandlungen (z. B. Herbizidresistenz), die Verringerung des Verderbs oder die Verbesserung des Nährstoffprofils der Pflanze. Beispiele für Non-Food-Kulturen sind die Produktion von pharmazeutischen Wirkstoffen, Biokraftstoffen und anderen industriell nutzbaren Gütern sowie die Bioremediation. ⓘ

Die Landwirte haben die GVO-Technologie weitgehend übernommen. Zwischen 1996 und 2011 hat sich die Gesamtanbaufläche für gentechnisch veränderte Pflanzen um das 94-fache vergrößert, von 17.000 Quadratkilometern (4.200.000 Acres) auf 1.600.000 km² (395 Millionen Acres). Im Jahr 2010 wurden 10 % der weltweiten Anbauflächen mit gentechnisch veränderten Pflanzen bepflanzt. Im Jahr 2011 wurden 11 verschiedene transgene Pflanzen auf 395 Millionen Acres (160 Millionen Hektar) in 29 Ländern wie den USA, Brasilien, Argentinien, Indien, Kanada, China, Paraguay, Pakistan, Südafrika, Uruguay, Bolivien, Australien, Philippinen, Myanmar, Burkina Faso, Mexiko und Spanien kommerziell angebaut. ⓘ

Gentechnisch veränderte Lebensmittel sind Lebensmittel, die aus Organismen hergestellt werden, in deren DNA mit Hilfe gentechnischer Verfahren bestimmte Veränderungen eingeführt wurden. Diese Techniken haben die Einführung neuer Pflanzeneigenschaften sowie eine weitaus größere Kontrolle über die genetische Struktur eines Lebensmittels ermöglicht, als dies zuvor durch Methoden wie selektive Züchtung und Mutationszüchtung möglich war. Der kommerzielle Verkauf von gentechnisch veränderten Lebensmitteln begann 1994, als Calgene seine Flavr Savr-Tomate mit verzögerter Reifung erstmals auf den Markt brachte. Bislang konzentrierten sich die meisten gentechnischen Veränderungen bei Lebensmitteln auf die von den Landwirten stark nachgefragten Nutzpflanzen wie Soja, Mais, Raps und Baumwollsamenöl. Diese wurden so verändert, dass sie resistent gegen Krankheitserreger und Herbizide sind und ein besseres Nährstoffprofil aufweisen. Auch gentechnisch veränderte Nutztiere wurden versuchsweise entwickelt; im November 2013 war noch keines auf dem Markt erhältlich, aber 2015 hat die FDA den ersten gentechnisch veränderten Lachs für die kommerzielle Produktion und den Verzehr zugelassen. ⓘ

Es besteht ein wissenschaftlicher Konsens darüber, dass die derzeit verfügbaren Lebensmittel aus gentechnisch veränderten Pflanzen kein größeres Risiko für die menschliche Gesundheit darstellen als herkömmliche Lebensmittel, dass aber jedes gentechnisch veränderte Lebensmittel vor seiner Einführung von Fall zu Fall getestet werden muss. Dennoch ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Öffentlichkeit gentechnisch veränderte Lebensmittel als sicher ansieht, viel geringer als bei Wissenschaftlern. Der rechtliche und regulatorische Status von gentechnisch veränderten Lebensmitteln ist von Land zu Land unterschiedlich: In einigen Ländern sind sie verboten oder eingeschränkt, während sie in anderen mit sehr unterschiedlichen Regelungen zugelassen sind. ⓘ

Gentechnisch veränderte Pflanzen bieten auch eine Reihe von ökologischen Vorteilen, wenn sie nicht im Übermaß verwendet werden. Die Gegner haben jedoch aus verschiedenen Gründen Einwände gegen gentechnisch veränderte Pflanzen erhoben, u. a. aus Gründen des Umweltschutzes, der Sicherheit von aus gentechnisch veränderten Pflanzen hergestellten Lebensmitteln, der Notwendigkeit von gentechnisch veränderten Pflanzen zur Deckung des weltweiten Nahrungsmittelbedarfs und aus wirtschaftlichen Gründen, die sich aus der Tatsache ergeben, dass diese Organismen dem Recht auf geistiges Eigentum unterliegen. ⓘ

Industrielle

Die industrielle Biotechnologie (vor allem in Europa als weiße Biotechnologie bekannt) ist die Anwendung der Biotechnologie für industrielle Zwecke, einschließlich der industriellen Fermentation. Sie umfasst die Verwendung von Zellen wie Mikroorganismen oder Zellbestandteilen wie Enzymen, um industriell nutzbare Produkte in Bereichen wie Chemie, Lebens- und Futtermittel, Waschmittel, Papier und Zellstoff, Textilien und Biokraftstoffe herzustellen. In den letzten Jahrzehnten wurden erhebliche Fortschritte bei der Entwicklung gentechnisch veränderter Organismen (GVO) erzielt, die die Vielfalt der Anwendungen und die wirtschaftliche Lebensfähigkeit der industriellen Biotechnologie verbessern. Durch die Verwendung nachwachsender Rohstoffe zur Herstellung einer Vielzahl von Chemikalien und Kraftstoffen trägt die industrielle Biotechnologie aktiv zur Verringerung der Treibhausgasemissionen und zur Abkehr von einer auf Petrochemie basierenden Wirtschaft bei. ⓘ

Die synthetische Biologie gilt als einer der wesentlichen Eckpfeiler der industriellen Biotechnologie, da sie einen finanziellen und nachhaltigen Beitrag zum Produktionssektor leistet. Gemeinsam spielen Biotechnologie und synthetische Biologie eine entscheidende Rolle bei der Herstellung kosteneffizienter Produkte mit naturfreundlichen Eigenschaften, indem sie auf biobasierte Produktion statt auf fossile Produktion setzen. Mit Hilfe der synthetischen Biologie können Modellmikroorganismen wie Escherichia coli durch Genom-Editierung so verändert werden, dass sie besser in der Lage sind, biobasierte Produkte wie Arzneimittel und Biokraftstoffe herzustellen. So könnten beispielsweise E. coli und Saccharomyces cerevisiae in einem Konsortium als industrielle Mikroben zur Herstellung von Vorstufen des Chemotherapeutikums Paclitaxel eingesetzt werden, indem das Metabolic Engineering in einem Co-Kultur-Ansatz angewendet wird, um die Vorteile der beiden Mikroben zu nutzen. ⓘ

Ein weiteres Beispiel für Anwendungen der synthetischen Biologie in der industriellen Biotechnologie ist das Re-Engineering der Stoffwechselwege von E. coli durch CRISPR- und CRISPRi-Systeme zur Herstellung einer Chemikalie namens 1,4-Butandiol, die in der Faserherstellung verwendet wird. Zur Herstellung von 1,4-Butandiol verändern die Autoren die Stoffwechselregulierung von Escherichia coli mit CRISPR, um eine Punktmutation im gltA-Gen, den Knock-out des sad-Gens und den Knock-in von sechs Genen (cat1, sucD, 4hbd, cat2, bld und bdh) zu induzieren. Mit dem CRISPRi-System wurden die drei konkurrierenden Gene (gabD, ybgC und tesB), die den Biosyntheseweg von 1,4-Butandiol beeinflussen, ausgeschaltet. Infolgedessen stieg der Ertrag von 1,4-Butandiol deutlich von 0,9 auf 1,8 g/L. ⓘ

Umwelt

Die Umweltbiotechnologie umfasst verschiedene Disziplinen, die eine wesentliche Rolle bei der Verringerung von Umweltabfällen und der Bereitstellung umweltfreundlicher Prozesse spielen, wie z. B. Biofiltration und biologischer Abbau. Die Umwelt kann durch Biotechnologien sowohl positiv als auch negativ beeinflusst werden. Vallero und andere haben argumentiert, dass der Unterschied zwischen nützlicher Biotechnologie (z. B. Bioremediation zur Beseitigung eines Ölteppichs oder eines Lecks in einer gefährlichen Chemikalie) und den nachteiligen Auswirkungen biotechnologischer Unternehmen (z. B. Übertragung von genetischem Material aus transgenen Organismen auf wilde Stämme) als Anwendungen bzw. Auswirkungen betrachtet werden kann. Die Beseitigung von Umweltabfällen ist ein Beispiel für eine Anwendung der Umweltbiotechnologie, während der Verlust der biologischen Vielfalt oder der Verlust der Eindämmung einer schädlichen Mikrobe Beispiele für die Umweltauswirkungen der Biotechnologie sind. ⓘ

Regulierung

Die Regulierung der Gentechnik betrifft die Ansätze der Regierungen zur Bewertung und zum Umgang mit den Risiken, die mit dem Einsatz der Gentechnik verbunden sind, sowie die Entwicklung und Freisetzung gentechnisch veränderter Organismen (GVO), einschließlich gentechnisch veränderter Nutzpflanzen und gentechnisch veränderter Fische. Es gibt Unterschiede in der Regulierung von GVO zwischen den einzelnen Ländern, wobei einige der deutlichsten Unterschiede zwischen den USA und Europa zu verzeichnen sind. Je nach Verwendungszweck der gentechnisch veränderten Produkte sind die Vorschriften in den einzelnen Ländern unterschiedlich. So wird beispielsweise eine Kulturpflanze, die nicht zur Verwendung als Lebensmittel bestimmt ist, im Allgemeinen nicht von den für die Lebensmittelsicherheit zuständigen Behörden geprüft. Die Europäische Union unterscheidet zwischen der Zulassung für den Anbau innerhalb der EU und der Zulassung für die Einfuhr und Verarbeitung. Während nur wenige GVO für den Anbau in der EU zugelassen sind, wurde eine Reihe von GVO für die Einfuhr und Verarbeitung zugelassen. Der Anbau von GVO hat eine Debatte über die Koexistenz von gentechnisch veränderten und nicht gentechnisch veränderten Nutzpflanzen ausgelöst. Je nach den Koexistenzbestimmungen gibt es unterschiedliche Anreize für den Anbau von GVO-Kulturen. ⓘ

Lernen

1988 führte das National Institute of General Medical Sciences (National Institutes of Health) (NIGMS) auf Anregung des US-Kongresses einen Finanzierungsmechanismus für die Ausbildung in der Biotechnologie ein. Landesweit bewerben sich Universitäten um diese Mittel, um Biotechnologie-Ausbildungsprogramme (BTPs) einzurichten. Jeder erfolgreiche Antrag wird in der Regel für fünf Jahre finanziert und muss dann im Rahmen eines Auswahlverfahrens erneuert werden. Die Doktoranden wiederum bewerben sich um die Aufnahme in ein BTP; wenn sie angenommen werden, erhalten sie während ihrer Doktorarbeit zwei oder drei Jahre lang ein Stipendium, Studiengebühren und Unterstützung bei der Krankenversicherung. Neunzehn Einrichtungen bieten vom NIGMS unterstützte BTPs an. Biotechnologie-Ausbildung wird auch auf der Ebene des Grundstudiums und an Volkshochschulen angeboten. ⓘ

Produktionsmethoden

Organismen

Das Bakterium Escherichia coli stellt einen der am häufigsten genutzten Organismen der Biotechnologie dar. ⓘ

In der modernen Biotechnik werden mittlerweile sowohl Bakterien als auch höhere Organismen wie Pilze, Pflanzen oder tierische Zellen verwendet. Häufig eingesetzte Organismen sind oft bereits genau erforscht, wie etwa das Darmbakterium Escherichia coli oder die Backhefe Saccharomyces cerevisiae. Gut erforschte Organismen werden häufig für biotechnische Anwendungen eingesetzt, weil sie gut bekannt sind und bereits Methoden zu ihrer Kultivierung oder auch gentechnischen Manipulation entwickelt wurden. Einfache Organismen können zudem mit geringerem Aufwand genetisch modifiziert werden. ⓘ

Zunehmend werden auch höhere Organismen (mehrzellige Eukaryoten) in der Biotechnik verwendet. Grund hierfür ist etwa die Fähigkeit, posttranslationale Veränderungen an Proteinen vorzunehmen, die z. B. bei Bakterien nicht stattfinden. Ein Beispiel dafür ist das Glykoprotein-Hormon Erythropoetin, unter der Abkürzung EPO als Dopingmittel bekannt. Allerdings wachsen eukaryotische Zellen langsamer als Bakterien und sind auch aus anderen Gründen schwieriger zu kultivieren. Teilweise können Pharmapflanzen, die im Feld, im Gewächshaus oder im Photobioreaktor kultiviert werden, eine Alternative zur Herstellung dieser Biopharmazeutika sein. ⓘ

Bioreaktoren

Vor allem Mikroorganismen können in Bioreaktoren oder auch Fermentern kultiviert werden. Dies sind Behälter, in denen die Bedingungen so gesteuert und optimiert werden, sodass die kultivierten Mikroorganismen gewünschte Stoffe produzieren. In Bioreaktoren können verschiedene Parameter, wie z. B. pH-Wert, Temperatur, Sauerstoffzufuhr, Stickstoffzufuhr, Glukosegehalt oder Rührereinstellungen geregelt werden. Da die einsetzbaren Mikroorganismen sehr unterschiedliche Ansprüche haben, stehen sehr unterschiedliche Fermentertypen zur Verfügung, wie z. B. Rührkesselreaktoren, Schlaufenreaktoren, Airliftreaktoren, sowie lichtdurchlässige Photobioreaktoren zur Kultivierung von Photosynthese-Organismen (etwa Algen und Pflanzen). ⓘ