Arbeitsblatt 1 / Seite 1 ARBEITSBLATT 1

1 GRUNDLAGEN: ZEITREISE – MEILENSTEINE DER BIOTECHNOLOGIE _________________________________________________________________________________ Hintergrundinformation für Aufgaben 1 und 2: Die Biotechnologie nutzt Erkenntnisse aus der Biologie und der Biochemie und setzt diese bei industriellen Verfahren ein. Beispiele für die besonderen Entwicklungen der Biotechnologie im Lauf der Geschichte Die Geschichte der Biotechnologie beginnt bereits um 4000 vor Christus: Der Mensch begann Hefe für die Herstellung von Brot und Wein einzusetzen. Etwa 3000 vor Christus begann man in Peru, die Kartoffel als Hauptnahrungspflanze unter anderem nach Wachstum, Größe und Geschmack durch Auslese und Kultivierung zu verbessern. Nach diesem Prinzip funktioniert Pflanzenzüchtung noch heute. Im 16./17. Jahrhundert bauten Hooke und Leuwenhoek die ersten Mikroskope und beschrieben höhere Zellen und Bakterien. 1796 nahm der englische Mediziner Edward Jenner die erste Impfung der Geschichte vor. Nach Jahren akribischer Beobachtung impfte er einen Jungen gegen Pocken. 1857 entdeckte Louis Pasteur das für die Milchsäuregärung verantwortliche Bakterium. Er erfand auch die so genannte Pasteurisierung. Dabei werden Lebensmittel kurzzeitig erhitzt und so ein Großteil der darin enthaltenen Keime abgetötet. Die Vererbungslehre tritt auf den Plan 1859 veröffentlichte Charles Darwin sein Buch „Über die Entstehung der Arten“. Eine Kernaussage darin ist, dass Mutation und Selektion die entscheidenden Kräfte der Evolution bilden. 1865 beginnt Gregor Mendel seine Studien zur Vererbung. Sie bilden auch heute noch die Grundlage für gezielte Pflanzenzüchtung und Tierzucht. 1886 isolierte Friedrich Miescher erstmals die Erbsubstanz DNA aus weißen Blutkörperchen und beschrieb ihre chemischen Eigenschaften. 1909 führte Wilhelm L. Johanssen erstmals den Begriff „Gen“ ein. Der Begriff stand für die von Gregor Mendel definierten elterlichen Eigenschaften, die von den Eltern an die Nachkommen weitergegeben bzw. über Generationen hinweg neu kombiniert werden. 1928 entdeckte der britische Bakteriologe Alexander Fleming das Antibiotikum Penicillin. Heute dienen zahlreiche Antibiotika in der Medizin, in der Landwirtschaft und in der biologischen Grundlagen-forschung zur Selektion gentechnisch veränderter Organismen. 1944 erkannten Oswald Avery, Colin McLeod und Maclyn McCarty, dass die DNA für die Übertragung vererbbarer Eigenschaften verantwortlich ist. Der Grundstein für die Gentechnik war gelegt.

Arbeitsblatt 1 / Seite 2 Die Gentechnik schreitet voran 1953 klärten James Watson und Francis Crick die Struktur der DNA auf. 1962 entdeckte Werner Arber die Restriktionsenzyme als Werkzeuge der Gentechnik. 1966 entschlüsselten Severo Ochoa, Marshall W. Nirenberg, Heinrich Mattei und Har Gobind Khorana den genetischen Code. 1972 wendete Paul Berg die Restriktionsenzyme Arbers gentechnisch an. Er stellte mittels Restriktion und Ligation das erste rekombinante DNA-Molekül her. 1973 erzeugten Herbert Boyer und Stanley Cohen mit Paul Bergs Technik neu kombinierte DNA und brachten diese erstmals in das Bakterium Escherichia coli ein. 1977 stellten Frederick Sanger, Allan Maxam und Walter Gilbert Methoden zur Bestimmung der DNA-Sequenz, d. h. der Nukleotid-Abfolge in einem DNA-Molekül, vor. 1983 erzeugten vier internationale Forschergruppen die ersten gentechnisch veränderten Pflanzen (Tabak, Petunie und Sonnenblume). 1984 entwickelte Alec Jeffries den „genetischen Fingerabdruck“ auf Basis von Restriktionsfragment-längenpolymorphismen (RFLP). Der genetische Fingerabdruck wurde 1988 in Großbritannien erstmals in einem Gerichtsverfahren angewendet. 1985 etablierte Kary B. Mullis die Polymerase-Kettenreaktion (PCR). Mit diesem Verfahren werden gewünschte DNA-Abschnitte vervielfältigt. Der Einsatz der PCR hat die Anwendungsmöglichkeiten des genetischen Fingerabdrucks enorm erweitert und seine Empfindlichkeit stark erhöht. Das Zeitalter der Genomforschung 1990 startete das Human Genome Project. 2003 sind 99,9 % der menschlichen DNA-Sequenz bekannt. Auf ihnen liegen etwa 25.000 Gene. Unter einem Genom versteht man die Gesamtheit aller Erbinformationen eines Organismus. Genomforscher arbeiten weltweit parallel auch an der Sequenzierung (Entzifferung) zahlreicher weiterer Genome von Tieren, Pflanzen und Mikroorganismen. Dazu zählt das Ringchromosom des Bakteriums Escherichia coli K12, dessen vollständige Basenfolge im Jahr 1997 veröffentlicht wurde. Das Zeitalter der Proteomforschung An das Genomzeitalter schloss sich das Zeitalter des Proteoms an. Unter einem Proteom versteht man das Ensemble aller exprimierten (gebildeten) Proteine einer Zelle unter definierten Umweltbedingungen. Auf internationaler Ebene befasst sich die Human Proteome Organisation (HUPO) mit diesem wichtigen Thema. Sie wurde im Februar 2001 gegründet und setzt sich aus nationalen Proteom-forschungsgesellschaften und staatlichen sowie öffentlichen Forschungseinrichtungen und Industriepartnern zusammen. HUPO fördert die Entwicklung und Bekanntheit der Proteomforschung und unterstützt die Zusammenarbeit ihrer Mitglieder und anderer Initiativen.

Arbeitsblatt 1 / Seite 3 Das Zeitalter der Systembiologie Heute betrachtet die Wissenschaft das Genom, das Proteom und die Gesamtheit aller Stoffwechselprodukte (Metabolom) in einem ganzheitlichen Ansatz. Diese so genannte Systembiologie eröffnet weit reichende Einblicke in die Komplexität von Lebensvorgängen und ermöglicht neuartige biotechnologische Verfahren. Aufgabe 1 Ordnen Sie dem Namen des Forschers jeweils die richtige Entdeckung oder Erfindung durch Ziehen einer Verbindungslinie zu.

Aufgabe 2 Nennen Sie die wichtigsten wissenschaftlichen Arbeiten und Erkenntnisse, die zur gezielten Veränderung von Erbmaterial führten. Stellen Sie diese grafisch in einer Zeitleiste dar und begründen Sie die Zeitabstände in der Abfolge der Ereignisse.

Arbeitsblatt 1 / Seite 4 Aufgabe 3 Vergleichen Sie anhand des Schaubildes die beiden Verfahren, mit denen charakteristische DNA-Fragmente für die Erstellung eines „genetischen Fingerabdrucks“ erzeugt werden.

Arbeitsblatt 1 / Seite 5 Aufgabe 4 Begründen Sie anhand des folgenden Textes, warum Genomforschung auch noch im Zeitalter der „Proteomics“ betrieben wird. Das Zeitalter der Genomforschung 1990 startete das Human Genome Project. 2003 sind 99,9 % der menschlichen DNA-Sequenz bekannt. Auf ihnen liegen etwa 25.000 Gene. Unter einem Genom versteht man die Gesamtheit aller Erbinformationen eines Organismus. Genomforscher arbeiten weltweit parallel auch an der Sequenzierung (Entzifferung) zahlreicher weiterer Genome von Tieren, Pflanzen und Mikroorganismen. Dazu zählt das Ringchromosom des Bakteriums Escherichia coli K12, dessen vollständige Basenfolge im Jahr 1997 veröffentlicht wurde. Das Zeitalter der Proteomforschung An das Genomzeitalter schloss sich das Zeitalter des Proteoms an. Unter einem Proteom versteht man das Ensemble aller exprimierten (gebildeten) Proteine einer Zelle unter definierten Umweltbedingungen. Auf internationaler Ebene befasst sich die Human Proteome Organisation (HUPO) mit diesem wichtigen Thema. Sie wurde im Februar 2001 gegründet und setzt sich aus nationalen Proteom-forschungsgesellschaften und staatlichen sowie öffentlichen Forschungseinrichtungen und Industriepartnern zusammen. HUPO fördert die Entwicklung und Bekanntheit der Proteinforschung und unterstützt die Zusammenarbeit ihrer Mitglieder und anderer Initiativen.

Arbeitsblatt 2 / Seite 1 ARBEITSBLATT 2

2 GRUNDLAGEN: INDUSTRIELLE BIOTECHNOLOGIE – WAS IST DAS? _________________________________________________________________________________ Aufgabe 1 Definieren Sie die Begriffe „Biotechnologie“ und „Gentechnik“. Erklären Sie, warum die Gentechnik als ein Teilgebiet der Biotechnologie angesehen wird. Aufgabe 2 Ordnen Sie die folgenden Anwendungsbereiche und biotechnologischen Produkte im richtigen Zusammenhang in die Tabelle ein.

Arbeitsblatt 2 / Seite 2 Hilfestellung: Rote Biotechnologie: Anwendungen in Medizin und Pharmazie Grüne Biotechnologie: Anwendungen in Landwirtschaft und Lebensmittelproduktion Weiße Biotechnologie: Industrielle Anwendung biotechnologischer Methoden und Verfahren. Die industrielle Biotechnologie ist in allen oben genannten Bereichen anzusiedeln. Graue Biotechnologie: Anwendungen in Umwelttechnik (zum Beispiel die Reinigung von Abluft und Abwässern) Blaue Biotechnologie: Nutzung von Inhaltsstoffen und biochemischen Leistungen von marinen Organismen (Meeresorganismen) Aufgabe 3 Vergleichen Sie klassisch-chemische Herstellungsverfahren mit der biotechnologischen Produktion. Berücksichtigen Sie hierbei, dass enzymatische Katalyse unter physiologischen Bedingungen stattfindet und dabei schneller und spezifischer abläuft. Bewerten Sie beide Verfahren im Hinblick auf die Aspekte Wirtschaftlichkeit (Effizienz) und Nachhaltigkeit (Ressourcenschonung, Umweltschutz). Hilfestellung: Die chemische Herstellung von Vitamin B2 erfolgte in einem Mehrschrittprozess, während die biotechnologische Produktion in einem einzigen Syntheseschritt stattfindet. Für beide Verfahren ergibt sich folgende Ökobilanz: Quelle: http://www.transgen.de/pdf/downloads/uba_biotechnische-verfahren.pdf

Arbeitsblatt 2 / Seite 3

Arbeitsblatt 2 / Seite 3 Legende für rechte Spalte: Höherer Wert: Schwarze Zahl mit Fettdruck im weißen Kasten Umweltentlastung durch biotechnische Verfahren: Weiße Zahl mit Fettdruck im dunklen Kasten Mehrbelastung durch biotechnische Verfahren: Schwarze Zahl mit Fettdruck im beigen Kasten Irrelevante Differenz der Umweltbelastungen: Zahl ohne Fettdruck im weißen Kasten

Arbeitsblatt 3 / Seite 1 ARBEITSBLATT 3

3 METHODEN: BIOLOGISCHE VERFAHREN – HELFER DER CHEMIE _________________________________________________________________________________ Aufgabe 1 Das folgende Kreuzworträtsel enthält aus dem Unterricht bekannte, zell- und mikrobiologische Fachbegriffe.

Arbeitsblatt 3 / Seite 2

Aufgabe 2 Beschreiben Sie anhand der folgenden Abbildung den Unterschied zwischen Prokaryoten und Eukaryoten hinsichtlich des Zellaufbaus und erklären Sie mithilfe Ihres Wissens über den Fluss der genetischen Information in beiden Systemen, warum Eukaryoten für die Produktion bestimmter Proteine besser geeignet sind als Prokaryoten.

Aufgabe 3 Entwickeln Sie eine Hypothese, wie ein therapeutisch wirksames Eiweiß in Pflanzen gebildet werden kann und skizzieren Sie die Schritte, die bis zu dessen Gewinnung für den medizinischen Einsatz notwendig sind. Recherchieren Sie hierzu im Internet (z. B. auf www.transgen.de und www.biosicherheit.de).

Arbeitsblatt 3 / Seite 3 Aufgabe 4 Erklären Sie anhand der nachstehenden Abbildungen die Funktionsweise eines DNA-Chips. Erläutern Sie, warum dieses Verfahren nicht nur zeigt, dass ein Gen aktiv ist sondern auch wie stark es transkribiert wird.

Arbeitsblatt 4 / Seite 1 ARBEITSBLATT 4

4 PRODUKTE: KLEINE MOLEKÜLE – GROSSE BEDEUTUNG _________________________________________________________________________________ Hilfestellung: Cystein: Eine Aminosäure, die in Fingernägeln wie auch in Frühstücksbrötchen vorkommt. Sie zählt zu den 20 Aminosäuren, aus denen Eiweißstoffe zusammengesetzt sind. Was Brötchen und Dauerwellen gemeinsam haben (Quelle: VCI-Forum Biotechnologie, M. Bushold 2008) Cystein ist eine der wichtigsten Aminosäuren des Strukturproteins Keratin. Keratin ist der Hauptbestandteil unserer Haare und Nägel. Durch den hohen Anteil an Cystein werden die Faserproteine über Disulfidbrücken quervernetzt und sind somit sehr stabil und reißfest. Cystein kann auch als Reduktionsmittel bei einer Dauerwelle eingesetzt werden. Die Haare werden, je nach gewünschter Lockengröße, auf Wickler gedreht und mit einem cysteinhaltigen Wellmittel benetzt. Dabei werden die Disulfidbrücken, die das Keratin stabilisieren, gelöst.

Abb. 1: Reaktion von Cystein mit den Disulfidbrücken des Keratins Um die Disulfidbrücken dann an neuen Positionen zu fixieren, wird das Haar im Anschluss mit einem Oxidationsmittel behandelt. (Quelle: http://chids.online.uni-marburg.de/dachs/expvortr/644/Haardateien/Dauerwelle3.htm) Auch das Klebereiweiß im Weizenmehl enthält viel Cystein. Kommen nun bei der Teigherstellung die Schwefelwasserstoffgruppen des Klebereiweißes zusammen, so bilden sie Disulfidbrücken aus und es entsteht ein dreidimensionales Netzwerk, das die quellende Stärke und Gasblasen einschließt.

Arbeitsblatt 4 / Seite 2 Cystein ist auch der Grundbaustein des schleimlösenden Medikaments Acetylcystein. Die reduktive Wirkung des Cysteins setzt die Viskosität des Schleims (besteht aus Proteinen) herab und erleichtert so seinen Abtransport. Herstellung des Cysteins Früher wurde Cystein im industriellen Maßstab aus tierischen Haaren, Federn, Hufen und Schweineborsten mit Hilfe von Salzsäure hergestellt. Das Verfahren war aufwändig und umweltbelastend. Heute kann auf tierisches Material als Quelle gänzlich verzichtet werden – man gewinnt Cystein aus einem gentechnisch optimierten Escherichia coli-Bakterium.

Abb. 2: Biotechnische Herstellung von Cystein (Quelle: Wacker Chemicals; www.chemie-macht-zukunft.de) Aufgabe 1 Erläutern Sie anhand der Reaktionsgleichung (Abbildung 1) ausführlich die chemischen Vorgänge, die bei einer Dauerwellenbehandlung zu Locken in normalerweise glatten Haaren führen.

Arbeitsblatt 4 / Seite 3 Aufgabe 2 Vergleichen Sie das Klebereiweiß des Weizenmehls mit dem Keratin der Haare. Erklären Sie die Wirkung des Cysteins als Backzutat. Aufgabe 3 Stellen Sie eine Hypothese auf, mit der Sie die mögliche Wirkung des Cysteins als Medikament (z. B. zur Schleimlösung) erklären können. Recherchieren Sie im Internet nach schleimlösenden Mitteln bei Bronchialerkrankungen und überprüfen Sie so ihre Hypothese. Aufgabe 4 Erläutern Sie das herkömmliche Verfahren zur Cystein-Herstellung und vergleichen Sie es mit dem biotechnischen Herstellungsverfahren (Abbildung 2).

Arbeitsblatt 5 / Seite 1 ARBEITSBLATT 5

5 PRODUKTE: TECHNISCHE ENZYME – MEISTER DER KATALYSE _________________________________________________________________________________ Hilfestellung: Enzyme sind die Biokatalysatoren der Zelle. Sie ermöglichen und beschleunigen biochemische Reaktionen, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Jedes Enzym hat ein charakteristisches pH- und Temperaturoptimum, auch die Stabilität von Enzymen ist temperaturabhängig. Die Mehrzahl industriell genutzter Enzyme stammt aus Mikroorganismen, da mikrobielle Enzyme in der Regel stabiler sind als ihre entsprechenden „Verwandten“, die in Tieren oder Pflanzen vorkommen. Besonders robuste Enzyme können aus extremophilen Mikroorganismen (Archaebakterien) gewonnen werden, die z. B. in heißen Quellen vorkommen. Aufgabe 1 Beschreiben Sie das folgende Schaubild (Stabilitätsoptimum einer Waschmittelprotease) und erklären Sie den Zusammenhang zwischen Enzymstabilität und pH-Wert beziehungsweise Temperatur.

Abb. 1: Stabilitätsoptimum einer Waschmittelprotease

Arbeitsblatt 5 / Seite 2 Aufgabe 2 Gelatine besteht aus langen Ketten des Proteins Kollagen, die nach Erwärmen in Wasser durch Bildung eines dichten Netzwerks ein Gel bilden. Waschmittelproteasen lösen Gelatine auf, weil sie das Protein Kollagen spalten. Planen Sie ein Experiment, mit dem Sie die Temperaturabhängigkeit der Enzymaktivität von Proteasen in Vollwaschmittel beweisen können. Aufgabe 3 Das folgende Suchsel enthält die Namen von Enzymen und Produkten, die mit Ihrer Hilfe verarbeitet oder hergestellt werden. Umranden Sie die gefundenen Begriffe (hochkant, waagerecht und diagonal).

Arbeitsblatt 6 / Seite 1 ARBEITSBLATT 6

6 PRODUKTE: PHARMAWIRKSTOFFE – HEUTE UND MORGEN _________________________________________________________________________________ Aufgabe 1 Die zwei wichtigsten Verfahren für den Nachweis einer Virusinfektion sind die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) und der so genannte ELISA, ein immunologisches Nachweisverfahren. Beschreiben Sie das ELISA-Verfahren anhand des folgenden Schaubildes.

Aufgabe 2 Im Zusammenhang mit der Influenza A/H1N1 („Mexiko-Grippe“) teilten Gesundheitsexperten der Bevölkerung mit, dass bereits vor der Verfügbarkeit eines Impfstoffs so genannte Neuraminidasehemmer in einem Zeitraum bis 48 Stunden nach dem Auftreten der ersten Symptome den Krankheitsverlauf der Grippe mildern können. Recherchieren und erklären Sie die Funktionsweise dieser Wirkstoffklasse. Aufgabe 3 Recherchieren Sie im Internet, wie viele gentechnologisch hergestellte Präparate in Deutschland zugelassen sind und in welche Anwendungsbereiche man diese einteilen kann. (Quellen z. B. www.dib.org, http://www.vfa.de/vfa-bio-de/vb-index.html)

Arbeitsblatt 7 / Seite 1 ARBEITSBLATT 7

7 AUSBLICK: VON BAKTERIEN ZU BIOABBAUBAREN KUNSTSTOFFEN _________________________________________________________________________________ Aufgabe 1 Pflanzen und Bakterien sind in der Lage Polymere herzustellen. Lesen Sie die folgenden Artikel genau durch. Markieren Sie im Text Schlüsselbegriffe. Fassen Sie mit eigenen Worten die Kernaussagen der Texte kurz zusammen. Text 1 (punktuell gekürzt aus: http://www.bio-pro.de/biopolymere/artikelliste_biopolymere/index.html?lang=de&artikelid=/artikel/01374/index.html) Mit Bakterien zum besseren Kunststoff

Nylon aus Bakterien, Hightech-Kunststoffe aus dem Bioreaktor – der Cluster Biopolymere/Biowerkstoffe will die Bio- mit der Kunststofftechnologie verknüpfen und damit klassischen Industriefeldern wie Chemie, Fahrzeugbau, Textiltechnik, Verpackungs- oder Medizintechnik einen Innovationsschub verpassen. Für die Biotechnologie als Technologie-Aufsteiger tun sich neue Arbeitsfelder auf.

Die Idee liegt nahe: Chitin im Insektenpanzer, Stärke in der Kartoffel, Glykogen im Muskel, Zellulose in Pflanzenfasern – biologische Polymere sind fast so alt wie die Natur selbst. Aber auch Kunststoffe, wie sie im Alltag massenhaft vorkommen, sind nichts anderes als Polymere, aufgebaut aus einfachen Grundbausteinen. Warum sollen biologische Systeme, wie zum Beispiel Mikroorganismen, daher nicht auch zur Kunststoffproduktion eingesetzt werden können?

Biotechnologie wird Teil der Wertschöpfung Im Cluster Biopolymere/Biowerkstoffe, mit dem die BIOPRO Baden-Württemberg GmbH beim Wettbewerb „BioIndustrie 2021“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) erfolgreich war, wird diese Frage weitergedacht. 60 Unternehmen und 35 Forschungseinrichtungen haben sich im Cluster zusammengeschlossen. Im Mittelpunkt des Interesses stehen biotechnologische Verfahren, mit denen die vielfältigen Polymere, die die Medizintechnik-, Kunststoff-, Textil- und Automobilindustrie einsetzt, hergestellt werden können. Handelsübliche Kunststoffe haben zwei Dinge gemeinsam: Sie sind aus Einzelbausteinen, so genannten Monomeren, aufgebaut, und für ihre Herstellung wird in der Regel Erdöl verwendet. „Das sind gute Voraussetzungen, um biotechnologische Prozesse in die Wertschöpfungskette der kunststoffverarbeitenden Industrie einzugliedern“, sagt Dr. Ralf Kindervater, Geschäftsführer der BIOPRO Baden-Württemberg GmbH.

Veränderungen sind Chancen Herausforderungen, wie der steigende Erdölpreis oder die Diskussion um Kohlendioxid und Klimawandel, erhöhen den Innovationsdruck auf die Wirtschaft. In solchen Konstellationen liegt eine Chance: Sie ebnen neuen Verfahren den Weg. Die Basisbausteine für Polymere könnten zum Beispiel mit biotechnologischen Methoden hergestellt werden. Als Produktionshelfer kommen Mikroorganismen in Frage. Ihr Repertoire an biochemischen Prozessen ist groß und sie können in Bioreaktoren schnell vermehrt werden. Selbst einfache Organismen beherrschen mehrere hundert verschiedene Reaktionen, die von Enzymen unterstützt werden. Letztendlich liegt in den Enzymen das Geheimnis des technologischen Potenzials von Bakterien, Pilzen und höheren Zellen – ganz gleich, ob es sich um die eher simpel gebauten Mikroorganismen oder um die komplex organisierten Säugerzellen handelt, die zum Beispiel im Menschen billionenfach vorkommen.

Arbeitsblatt 7 / Seite 2 Mathematik des Stoffwechsels Alle höheren Zellen und alle Mikroorganismen bauen mit Hilfe ihrer Enzyme sowohl einfache als auch hochmolekulare (bio-)chemische Verbindungen auf. Dazu benötigen sie im Allgemeinen lediglich einige Nährstoffe, zum Beispiel Kohlenstoff und Stickstoff, mit denen sie ihre Grundversorgung sichern. Das Stoffwechselgeschehen ist jedoch ein kompliziertes Netz aus vielen Einzelreaktionen, die sowohl sequenziell als auch parallel ablaufen. In einer einzigen Zelle eines Menschen geschehen in jeder Sekunde über 100.000 biochemische Reaktionen. Der Stoffwechsel und somit das Produktionsverhalten von Mikroorganismen und höheren Zellen kann von außen beeinflusst werden. Es ist ein Dickicht aus Parametern, das die Biotechnologen dazu durchdringen müssen: Nährstoffkonzentrationen, pH-Wert, Konzentrationen von Stoffwechselabfällen, Stoffübergänge aus dem Nährmedium in die Mikroorganismen und umgekehrt, aber auch Einflussgrößen wie Belüftung, Durchmischung der Kultur und die Auswahl des geeigneten Organismus nehmen Einfluss auf den Produktionserfolg und die Wirtschaftlichkeit eines bioverfahrenstechnischen Prozesses. Bei Escherichia coli zum Beispiel, ein Darmbakterium und beliebtes Untersuchungsobjekt der Mikrobiologie, werden rund 260 Stoffwechselreaktionen allein dadurch beeinflusst, dass an Stelle von Glukose Succinat als Basisnährstoff eingesetzt wird.

Cluster als ideale Struktur Der Stoffwechsel eines Organismus ist also der Dreh- und Angelpunkt in der biologischen Wertstoffproduktion. Sollen seine artspezifischen Eigenschaften charakterisiert werden, kommt der Systembiologie besondere Bedeutung zu. Die Systembiologie verfolgt die Idee, biologische Prozesse mit mathematischen Methoden zu beschreiben und zu simulieren. Sie analysiert quasi die technischen Daten einzelner Stoffwechselreaktionen, aus denen dann die Besonderheiten ganzer Stoffwechselwege abgeleitet werden. Mit diesen Informationen ist es möglich, durch geschickte Auswahl von Nährstoffen und anderen Parametern die Stoffströme in der Zelle so zu leiten, dass ein Mikroorganismus eine gewünschte chemische Verbindung stärker produziert als zuvor. Ergänzt um Erkenntnisse und Techniken aus der Molekulargenetik nähern sich Biotechnologen so dem maßgeschneiderten Stoffwechsel. Metabolic modelling und metabolic engineering werden Realität und mit ihnen die zellbasierte Biofabrik nach Kundenwunsch. „Die Aufgabe besteht zunächst darin, die Stellschrauben des Stoffwechsels zu identifizieren, anschließend müssen geeignete Kulturbedingungen definiert und Aufbereitungsprozesse für die gewünschten Monomere etabliert werden“, sagt Kindervater und betont: „Das sind Aufgaben mit stark interdisziplinärem Charakter, für deren Lösung ein Cluster ideal ist.“

Gewachsenes Umfeld aus Wissenschaft und Technologie Aus der Analyse des technologischen und wissenschaftlichen Umfelds in Baden-Württemberg ergab sich, dass die weiße Biotechnologie, die Systembiologie, die Polymerchemie und die Bioverfahrens-technik im Südwesten sehr gut entwickelt sind. „In Freiburg, Stuttgart, Ulm, Hohenheim und Karlsruhe wird bereits seit zehn Jahren an den Schnittstellen von Bioverfahrenstechnik und Polymerchemie geforscht“, berichtet Kindervater. Ursprünglich wurden dort unter anderem biologisch abbaubare Polymere entwickelt. Heute kann das dabei gewonnene biotechnologische Wissen über Fermentation, Mikrobiologie und Polymerchemie auch im Hinblick auf die Produktion von Bausteinen für Biopolymere und Biokunststoffe genutzt werden. Welche klassischen Branchen könnten von solchen Entwicklungen profitieren? „Ich sehe hier eine ganze Reihe an Gewinnern“, erklärt Kindervater. „Zum Beispiel Automotive, Bauchemie, Verpackung, Textiltechnik oder Medizintechnik.“ Entsprechend bunt ist die Palette der Industriepartner im Cluster. Beteiligt sind unter anderem die Firmen Bosch, Fischer, BASF und Daimler.

Arbeitsblatt 7 / Seite 3

Der Cluster verfolgt zwei Strategien Die Kunststoffbranche kennt im Wesentlichen drei Kunststoffgruppen:

1.) Massenkunststoffe wie Polyäthylen, Polypropylen, Polystyrol oder Polyvinylchlorid (PVC) für Flaschen, Folien, Verpackungen, Behälter oder Bauteile ohne besondere Anforderungen

2.) Technische Kunststoffe wie Nylon, Teflon

3.) Hochleistungskunststoffe für Medizin, Raumfahrt und andere Hightech-Branchen

Aus dieser Systematik ergeben sich zwei strategische Optionen für den Cluster. Kindervater: „Mit den Massenkunststoffen, die billig aus Abfällen der Erdölindustrie hergestellt werden, können die Biopolymere nicht konkurrieren. Für den Cluster folgt daraus, dass wir für technische Kunststoffe und Hochleistungskunststoffe Alternativen aus Biopolymeren schaffen und, als weiteres Ziel, Biopolymere mit neuartigen Eigenschaften entwickeln müssen. In der Limitierung der klassischen Erdölchemie liegen aus meiner Sicht die Chancen der Biopolymere.“

Bekanntes besser machen Bessere Polymere durch den Einsatz von Biotechnologie – der Gedanke führt gut 70 Jahre zurück zu einem der erfolgreichsten Massenprodukte der Polymerchemie. Wallace Carothers stellte 1935 erstmals das Nylon, ein Polyamid, her. Zunächst arbeitete er an einer Variante, die aufgrund ihrer chemischen Struktur als 5,10-Nylon bezeichnet wird. Dieser Nylon-Typ hat zwar wesentlich bessere Eigenschaften als die Spielarten 6-Nylon und 6,6-Nylon, die später entwickelt wurden, aber seine Herstellung war zu teuer. Die Zeiten ändern sich: Dank des biotechnologischen Fortschritts wird es in naher Zukunft möglich sein, das Hightech-Nylon des 5,10-Typs wirtschaftlich zu produzieren. Oft kann man mit neuen Technologien selbst die guten alten Errungenschaften noch besser machen. Der Cluster Biopolymere/Biowerkstoffe arbeitet daran. © BIOPRO Baden-Württemberg GmbH 07.04.2008 Text 2 (Quelle: http://www.biosicherheit.de/de/kartoffel/inhaltsstoffe/675.doku.html) Kunststoff aus der Knolle In einem Freilandversuch der Universität Rostock werden Methoden entwickelt, mit denen die Sicherheit gentechnisch veränderter Pflanzen der 2. und 3. Generation lange vor einer möglichen Markteinführung eingeschätzt werden kann. Ein Prototyp für solche Pflanzen ist u.a. eine Kartoffel, die gentechnisch so verändert wurde, dass sie in Knollen und Blättern Cyanophycin bildet, woraus ein biologisch abbaubarer Kunststoff gewonnen werden kann. Zwei aktuelle Projekte der Sicherheitsforschung beschäftigen sich mit den möglichen Umweltauswirkungen der Cyanophycin-Kartoffel. Cyanophycin ist ein Protein, das von Cyanobakterien (Blaualgen) und einigen anderen Bakterien gebildet wird. Sie nutzen es zur Speicherung u.a. von Stickstoff. Ein Bestandteil von Cyanophycin ist Polyaspartat, das als biologisch abbaubarer Kunststoff genutzt werden kann. Polyaspartat bindet Calcium und kann deshalb z.B. in Waschmitteln als Wasserenthärter Verwendung finden. Es ist möglich, solche biologisch abbaubaren Polymere (Biopolymere) in Pflanzen herstellen zu lassen, die Pflanze also als eine Art Bioreaktor einzusetzen. Pflanzen könnten so als nachwachsende Rohstoffe Ersatzstoffe liefern für Kunststoffe auf Erdölbasis, die biologisch nicht abbaubar sind wie etwa Polyacrylate aus Acrylsäure. Polyaspartat kann auch durch chemische Synthese gewonnen werden, wird aber bislang nur in geringen Mengen produziert. Es ist besser biologisch abbaubar als vergleichbare Polyacrylate, aber nicht vollständig abbaubar wie das in Cyanophycin gebildete Polyaspartat.

Arbeitsblatt 7 / Seite 4 Cyanophycin hat noch einen weiteren wertvollen Bestandteil: die Aminosäure Arginin, die z. B. als Futterzusatz die Gesundheit der Tiere verbessert und den Stickstoffanteil im Harn verringert. Außer der Produktion in Pflanzen ist es auch möglich Cyanophycin biotechnologisch in Bioreaktoren (Fermenter) mit Hilfe von Bakterien oder Zellkulturen herzustellen. Dabei werden aber nicht Cyanobakterien eingesetzt, sondern z.B. gentechnisch veränderte E.coli-Bakterien. Ein Vorteil der Produktion in Pflanzen gegenüber der Fermenterproduktion ist, dass Cyanophycin als "Beiprodukt" kostengünstig hergestellt werden könnte. Kartoffeln, die für die Stärkeerzeugung angebaut werden, könnten gleichzeitig Cyanophycin liefern. Es würden keine zusätzlichen Flächen benötigt.

Langjährige Forschung Die Herstellung von Cyanophycin mit Hilfe von Pflanzen ist schon seit einigen Jahren ein Forschungsthema. In einem vom Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV) geförderten Verbundprojekt haben Wissenschaftler der Universitäten Rostock, Berlin, Bielefeld und Tübingen die Cyanophycin-Kartoffel entwickelt und im Gewächshaus eingehend untersucht. In die Kartoffel wurde ein Gen aus dem Cyanobakterium Thermosynechoccus elongatus übertragen, wodurch ein spezielles Enzym - eine Cyanophycin-Synthetase - gebildet wird. Dieses Enzym sorgt dafür, dass aus den Aminosäuren Aspartat und Arginin in der Kartoffelpflanze Cyanophycin gebildet wird.Dabei wird aus Aspartat und Arginin das langkettige Molekül Polyaspartat mit Argininresten. Die Kartoffeln wurden in langjährigen Versuchen so optimiert, dass große Mengen Cyanophycin in den Knollen produziert werden können, ohne die Fitness der Pflanzen zu beeinträchtigen. Die Forschung beschäftigt sich auch mit möglichen Verfahren, das gebildete Cyanophycin kostengünstig aus der Kartoffel herauszulösen. Die Versuche zeigen, dass schon mit einfachen Verfahren bis zu achtzig Prozent reines Cyanophycin als weißes Pulver herausgelöst werden können. Der Anteil an der Trockenmasse der Kartoffeln liegt bei beachtlichen sechs Prozent.

Freilandversuche Nun wird im Freiland an der Kartoffel beispielhaft getestet, inwieweit sich Pflanzen als sichere Produktionssysteme für Bio-Kunststoffe einsetzen lassen. Dabei geht es darum, zu prüfen, ob die Freilandbedingungen die Produktion beeinflussen und ob es Effekte auf Nicht-Zielorganismen gibt. Die Knollen werden auch für Fütterungsversuche genutzt, um potenzielle allergene oder toxische Effekte zu prüfen. Es sollen sowohl Kartoffeln getestet werden, die in allen Pflanzenteilen Cyanophycin produzieren, als auch solche, die es nur in den Knollen bilden. Auch zwei vom BMBF geförderte Forschungsprojekte beschäftigen sich mit der Cyanophycin-Kartoffel. In einem der Projekte wird untersucht, ob sich Eigenschaften der Kartoffel durch die gentechnische Veränderung unbeabsichtigt verändern. Wenn sie etwa weniger frostempfindlich ist, könnten auf dem Feld verbleibende Kartoffeln besser überwintern. Außerdem überprüfen die Wissenschaftler, ob der Verrottungsprozess anders verläuft. In einem weiteren Projekt geht es um den mikrobiellen Abbau der auf dem Feld verbleibenden Pflanzenreste im Boden sowie mögliche Veränderungen in der Gemeinschaft der Mikroorganismen. Das Bundesamt für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit (BVL) erteilte im Juni 2006 die Genehmigung für die Freisetzung von 2006-2008 unter vorsorglichen Auflagen. So musste die Versuchsfläche im Abstand von mindestens 150 Metern zu anderen Kartoffeln angelegt werden. Damit Wildtiere keine Kartoffeln fressen oder verschleppen, war ein Zaun zu errichten. Nach Beendigung des Versuches muss das Feld nach Kartoffeln abgesucht werden, die evtl. überdauert haben. Inzwischen sind für die kommenden Jahre bis 2012 weitere Freisetzungsanträge gestellt. © www.biosicherheit.de, 04.03.2009 Aufgabe 2 Begründen Sie, warum die Produktion von Polymeren in Pflanzen gegenüber der in Mikroorganismen Vorteile haben kann.

Arbeitsblatt 8 / Seite 1 ARBEITSBLATT 8

8 AUSBLICK: DIE PFLANZE ALS BIOFABRIK _________________________________________________________________________________ Aufgabe 1 Die moderne Pflanzenzüchtung zielt darauf ab, die Qualität und Resistenz von Nutzpflanzen zu erhalten bzw. zu verbessern. Leiten Sie aus diesen beiden Kriterien jeweils drei Zielsetzungen der Pflanzenbiotechnologie ab. Aufgabe 2 Planen Sie einen experimentellen Nachweis dafür, dass transgene Amylose-freie Kartoffeln keine Amylose enthalten und führen Sie dieses Experiment anhand herkömmlicher Kartoffeln im Unterricht durch. Erklären Sie den Zusammenhang zwischen der chemischen Struktur von Kartoffelstärke und dem Ergebnis des Nachweisverfahrens.

Arbeitsblatt 8 / Seite 2 Aufgabe 3 Diskutieren Sie in Ihrem Kurs das Anwendungsbeispiel der Amylose-freien Kartoffel hinsichtlich der folgenden Aspekte:

• Wirtschaftlicher Nutzen • Anwendung als Lebens- und Futtermittel • Auskreuzung neu eingebrachter genetischer Eigenschaften

Beziehen Sie in Ihre Diskussion die Zulassungshistorie und aktuelle politische Entscheidungslage mit ein (siehe Tagesmedien und www.biosicherheit.de).

Arbeitsblatt 9 / Seite 1 ARBEITSBLATT 9

9 AUSBLICK: BIOTECHNOLOGIE UND MEER _________________________________________________________________________________ Aufgabe 1 Nennen Sie anhand des folgenden Textes die Forschungsaktivitäten der Meeresbiotechnologie und geben Sie die möglichen Produkte wieder (Quelle: Institut für marine Biotechnologie e. V., IMAB, Greifswald). Die Anpassung mariner Mikroorganismen an ganz unterschiedliche extreme Umweltbedingungen (niedrige Temperatur, hoher Druck, Nährstoffmangel, hoher Salzgehalt u. a.) hat Naturstoffe (Enzyme und niedermolekulare bioaktive Verbindungen) hervorgebracht, die für verschiedene Zweige der biotechnologischen und pharmazeutischen Industrie von hochgradiger Relevanz sind. Tätigkeitsfelder des IMaB: • Screening, Isolierung und Strukturaufklärung von biologisch aktiven Verbindungen aus marinen

Mikroorganismen, besonders aus Cyanobakterien und marinen Pilzen, für Pharmazie, Medizin und Veterinärmedizin

• Screening, Klonierung und Expression von kälteadaptierten Enzymen aus marinen Mikroorganismen aus der Arktis, Antarktis und der Tiefsee für die Lebensmittelindustrie und die Molekularbiologie

• Funktionelle Genomanalyse mariner Bakterien Aufgabe 2 Erklären Sie den Vorteil von Industrieenzymen, die aus Organismen gewonnen werden, welche an niedrige Umgebungstemperaturen angepasst sind.

Arbeitsblatt 9 / Seite 2 Aufgabe 3 Finden Sie die richtigen Begriffe aus der Welt der Meeresbiotechnologie und ihrer Produkte.