Was ist Biotechnologie?
Die Biotechnologie ist eine interdisziplinäre Wissenschaft (d.h. viele wissenschaftliche Zweige, wie z.B. Mikrobiologie oder Ingenieurswissenschaften, fließen zusammen), die sich mit der Nutzung von Enzymen, Zellen und ganzen Organismen in technischen Anwendungen beschäftigt.
Kernelement biotechnologischer Verfahren ist die Biokatalyse. Erst seit ca. 100 Jahren ist die Biokatalyse im Fokus der Wissenschaft. Der Stoffwechselweg bei jedem Organismus – Pflanze, Tier oder Mensch – wird von Enzymen durchgeführt. In jedem Organismus gibt es meist viele tausend unterschiedliche Enzyme. Enzyme setzen die Aktivierungsenergie herab und beschleunigen dabei Stoffumwandlungen. Durch die Untersuchungen des deutschen Chemikers E. Buchner (1896) mit zellfreien Extrakten von Hefe, die in der Lage waren, aus Glucose Ethanol zu synthetisieren, wurde bewiesen, dass Enzyme auch außerhalb lebender Zellen ihre katalytische Funktion ausüben können.
Dies eröffnete zahlreiche interessante Entwicklungsmöglichkeiten. Der Einsatz technischer Biokatalyse (Bierbrauerei, Sojasauceherstellung etc.) war zwar schon seit Jahrtausenden bekannt, aber hat, angetrieben von der Entwicklung von Waschmitteln, seit den 60er Jahren einen enorme Dynamik bekommen. Mehr als 20 meist mikrobielle Enzyme werden derzeit industriell in größerem Maßstab eingesetzt.
Die wichtigste Eigenschaft von Enzymen ist ihre Spezifität. Dazu kommen noch tausende Enzyme die in Analytik und Bioprozesstechnik verwendet werden. Die Kosten von Enzymen sind dramatisch gesunken, sodass heute niemand mehr den Einsatz von Enzymen zu scheuen braucht. Typische Anwendungen von Enzymen wären beispielsweise Amylasen zur Stärkeverzuckerung, Pectinase zur Fruchtsaftherstellung, Lipasen und Proteinasen bei Waschmitteln, aber auch moderne Anwendungen wie DNA Polymerase bei PCR Tests. Enzyme werden in 6 Klassen eingeteilt, Oxidoreduktase, Transferaen, Hydroloase, Lyasen, Isomerasen und Ligasen.
Enzym Lipase
Enzym Katalase
Enzym DNA-Polymerase
Im Batch Verfahren wird ein Kulturmedium beimpft, und eine definierte Reaktionszeit kultiviert. Im Fed-Batch-Verfahren wird nachdosiert, im kontinuierlichen Verfahren wird permanent zudosiert und abgezogen. Eine große Bedeutung im fermentativen Verfahren hat auch die Aufreinigung der Endprodukte, das Downstream Processing.
Historische Meilensteine
Zu den historischen Meilensteinen in der Biotechnologie zählen sicherlich die mikrobiologischen Arbeiten von Luis Pasteur und Robert Koch in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts.
Weiters die Aufklärung der DNA-Struktur in der Mitte des 20. Jahrhunderts und fortschreitende molekularbiologische Entwicklungen wie die CRISPR/Cas Methodik deren Entwickler 2020 den Nobelpreis für Chemie erhielten.