Inhaltsverzeichnis

Vorwort V

Autorenverzeichnis XXV

Abkürzungen X X l X

Farbtafel XXXIX

Teil I Grundlagen der Zell- und Molekularbiologie 1

1 Die Zelle ist die Grundeinheit des Lebens 3 M. Wink

2 Aufbau und Funktion der zellulären Makromoleküle 3 M.Wink

2.1 Aufbau und Funktion der Zucker 9 2.2 Struktur der Membranlipide 11 2.3 Aufbau und Funktion der Proteine 17 2.4 Aufbau von Nucleotiden und Nucleinsäuren (DNA und RNA) 29

Struktur und Funktion der Zelle 39 M. Wink Aufbau der Eukaryotenzelle 40 Aufbau und Funktion der Cytoplasmarnembran 40 Membranperrneabilität 42 Transportvorgänge an Biornembranen 44 Rezeptoren und Signaltransduktion an der Biomembran 48 Das Endomembransystem der Eukaryotenzelle 53 Mitochondrien und Chloroplasten 56 Cytoplasma 63 Cytoskelett 65 Zellwände 69 Aufbau von Bakterien 69 Aufbau von Viren 71 Differenzierung der Zellen 73

X I lnhaltsverzei~hnis

4 Biosynthese und Funktion der Makromoleküle

(DNA, RNA und Proteine) 77 M. Wink

4.1 Genome, Chromosomen und Replikation 77 4.1.1 Genomgröge 78 4.1.2 Aufbau und Funktion der Chromosomen 83 4.1.3 Mitose und Meiose 86 4.1.4 Replikation 89 4.1.5 Mutationen und Reparaturmechanismen 91 4.2 Transkription: Vom Gen zum Protein 9G

4.3 Proteinbiosynthese (Translation) 102

5 Verteilung der Proteine in der Zelle (Protein Sorting) 109 M. Wink

5.1 Import und Export von Proteinen über die Kernpore 11 1 5.2 Import von Proteinen in Mitochondrien und Chloroplasten 112 5.3 Proteintransport in das Endoplasmatische Reticulum 114 5.4 Vesikeltransport vom ER via Golgi-Apparat

zur Cytoplasmamembran 1i6

6 Diversität der Organismen 121 M. Wink

6.1 Prokaryoten 121 6.2 Eukaryoten 122 6.3 Weiterführende Literatur für Kap. 1-41 126

Teil II Standardmethoden der Molekularen Biotechnologie 125

Isolierung und Reinigung von Proteinen 129 T. Wieland, S. Lutz Einleitung 129 Herstellung eines proteinhaltigen Extrakts 131 Gelelektrophoretische Trennmethoden 132 Das elektrophoretische Prinzip 132 Native Gelelektrophorese 133 Diskontinuierliche Natriumdodecylsulfat-Polyacrylamid-Gelelektrophorese (SDS-PAGE) 133 Zweidimensionale (2D)-Gelelektrophorese, Isoelektrische Fokussierung (IEF) 135 Detektion von Proteinen in Gelen 135 Präzipitationsmethoden 136 Säulenchromatographische Methoden 137 Allgemein verwendbare Trennprinzipien 237 Größenausschluss-Chromatographie(Gelatration) 137 Hydrophobe Interaktionschromatographie(HIC) 140 Ionenaustausch-Chromatographie 1.40

Inhaltsverzeichnis XII Chromatographie an Hydroxylapatit 142 Gruppenspezifische Trennprinzipien 142 Chromatographie an Protein A oder Protein G 143 Chromatographie an Cibacron Blue (Blaugel) 143 Chromatographie an Lektinen 143 Chromatographie an Heparin 144 Reinigung von rekombinanten Fusionsproteinen 144 Chromatographie an Chelatbildnem 145 Chromatographie an Glutathion-Matrices 145 Beispiele 146 Beispiel 1: Aufreinigung der Nucleosiddiphosphat-Kinase aus dem Cytosol der Stäbchenzellen der Rinderretina 146 Beispiel 2: Reinigung von rekombinantem His6-RGS16 nach Expression in E. coli 148 Weiterführende Literatur 149

Peptid- und Proteinanalytik mit Elektrospray-Tandem-Massenspektrometrie 151 A. Schlosser, W D. k h m a n n Einleitung 151 Prinzip der Massenspektrometrie 151 Massenpräzision, Auflösung und Isotopenverteilung 152 Prinzip der Elektrospray-Ionisation 153 Tandem-Massenspektrometer 155 Massenanalysatoren 155 Triple-Quadrupol 155 Ionenfalle (Paul-Falle) 156 Q-TOF 157 Q-FT-ICR 157 Sequenzierung von Peptiden mittels MS/MS 158 Proteinidentifizierung mittels MS/MS-Daten und Proteindatenbanken 159 Datenbanksuche mit Sequenzdaten 159 Datenbanksuche mit MS/MS-Rohdaten I60 Molekülmassenbestimmung von Proteinen 161 Analyse kovalenter Proteinmodifikationen 1G3 weiterführende Literatur 165

Isolierung von DNA und RNA 167 H. Weiher, R. Zwacka, I. Herr Einführung 167 DNA-Isoliemng 168 RNA-Isolierung 171 Messenger-RNA (rnRNA)-Anreicherung 171 Weitedührende Literatur 171

Chromatographie und Elektrophorese von Nucleinsäuren 173

H. Weiher, R. Zwacka, I. Herr Einführung 173 Chromatographische Trennung von Nucleinsäuren 173 Elektrophorese 174 Agarose-Gelelektrophorese - Submarine-Technik 175 Pulsed-Field-Agarose-Gelelektrophorese 176 Polyacrylamid-Gelelektrophorese(PAGE) 176 Weiterführende Literatur 176

Hybridisierung von Nucleinsäuren 177 H. Weiher, R. Zwacka, I. Herr Bedeutung der Basenpaarung 177 Experimentelle Hybridisation, kinetische und thermodynamische Kontrolle 178 Analysetechniken 178 Klondetektion, Southem-Blot, Northem-Blot und Gendiagnose 178 Expressions-Screening 181 In situ-Hybridisation 181 Weiterführende Literatur 183

Enzyme zur Modifikation von Nucleinsäuren 185

I. Herr, H. Weiher, R. Zwacka Restriktionsenzyrne (Restriktionsendonucleasen) 185 Ligasen 187 Methylasen 188 DNA-Polymerasen 189 Nucleasen 190 T4-Polynucleotid-Kinase 291 Calf Intestinal Phosphatase 191 Weiterführende Literatur 192

Polymerase-Kettenreaktion (PCR) 193 A. Mohr, H. Weiher, I. Herr, R. Zwacka Einleitung 193 Techniken 194 Standard-PCR 194 RT-PCR 196 Quantitative/Real-Time-PCR 196 Rapid Amplification of cDNA Ends (RACE) 199 Anwendungsgebiete 199 Genomanalyse 199 Klonierungsmethode I 99 Expressionsstudien 200 Weiterführende Literatur 200

I lnhaltsverzeichnis Xlll

Sequenzierung von DNA 201 R. Zwacka, A. Mohr, I. Herr, H. Weiher Einleitung 201 DNA-Sequenzierungsmethoden 202 Chemische Sequenzierungsmethode (Maxam-GilberbMethode) 202 Enzymatische Sequenzierung (Sanger-Methode) 203 Strategien für die Sequenziemng des humanen Genoms 205 Praktische Bedeutung der DNA-Sequenzierung 205 Weiterführende Literatur 206

Klonierungsverfahren 207 T. Wieland, S. Lutz Einleitung 207 Herstellung rekombinanter Vektoren 208 Das Insert 208 Der Vektor 212 Essenzielle Bestandteile von Vektoren 213 Der bakterielle Replikationsursprung (ongin ofreplication, ori) 213 Die Antibiotikaresistenz 213 Der Polylinker 213 Klonieren mit Rekombinationssystemen 214 Weitere Bestandteile von Vektoren für prokaryotische Expressionssysteme 215 Der Promotor 215 Die Ribosomenbindungsstelle 21 6 Die Terminationssequenz 216 Die Fusionssequenz 217 Weitere Bestandteile eukaryotischer Expressionsvektoren 217 Eukaryotische Expressionsvektoren für Hefen 218 Eukaryotische Expressionsvektoren für Säugerzellen 219

Virale Expressionssysteme für Säugerzellen 223 Nonvirale Einbringung heterologer DNA in Wirtsorganismen (Trans- formation, Transfektion) 226 Transformation von Prokaryoten 226 Transformation von Hefezellen 227 Transfektion von Säugerzellen 227 Weiterführende Literatur 228

Expression rekombinanter Proteine 229 T Wieland, S. Lutz Einleitung 229 Expression von rekombinanten Proteinen in Wirtsorganismen 230 Expression in E. coli 233 Expression in Hefen 236 Expression in Insektenzellen 239

XIV I Inhaltsverzeichnis

Expression mithilfe rekombinanter Baculoviren 239 Expression von Proteinen in stabil transfizierten Insektenzellen 241 Expression von Proteinen in Säugerzellen 242 Expression in zellfreien Systemen 243 Expression von Proteinen in Reticuiocytenlysaten 244 Proteinexpression mit E. coli-Extrakten 244 Weiterführende Literatur 245

Patch-ClampTechnik 247 R. Kraft, S. Patt Biologische Membranen und Ionenkanäle 247 Physikalische Grundlagen der Patch-Clamp-Technik 248 Patch-Clamp-Konfigurationen 249 Heterologe Expressionssysterne und Schnittpräparate 253 Weiterführende Literatur 254

Zellzyklusmessungen 255 S. Wöljl, A. Kitanovic Untersuchung des Zellzyklus 255 Experimentelle Analyse des Zellzyklus 258 Herstellung synchroner Zellkulturen von Saccharomyces cerevisiae 258 Zentrifugale Elutriation 258 Zellzykius-Arrest mit Alpha-Faktor 259 Nachweis der Zeilzyklusstadien 260 Knospungsindex 260 Fluoreszenzfarbung des Kerns 260 Weiterführende Literatur 265

~ikroskopischeTechniken 267 G. Fricker Lichtrnikroskopie 267 Phasenkontrastmikroskopie 268 Dunkelfeldmikroskopie 269 Polarisations- und Interferenzmikroskopie 269 Fluoreszenzmikroskopie 270 Konfokale Fluoreszenzmikroskopie 272 Elektronenmikroskopie 273

Laseranwendungen 277 M. Vogel, R. Fink Laserprinzip 277 Eigenschaften der Laserstrahlung 279 Aufbau und Lasertypen 280 Anwendungen 281 Konfokal- und Multiphotonenmikroskopie 281

Inhaltsverzeichnis XVI Optische Pinzette 282 Laser-Mikrodissektion 284

Teil III Schwerpunktthemen der Molekularen Biotechnologie 285

Genomik 287 M. Frohme, St. Wiemann Einleitung 287 Technologieentwicklung in der Sequenzierung 290 Sequenziertechnologien 290 Biochemie 290 Apparate 293 Software und Informatik fUr die Sequenzierung 294 Genomsequenzierung 296 Kartierung 296 Restriction Mapping und Restriction Fingerprinting 301 BAC-End-Sequenzierung 302 Genetische Kartierung 303 Radiation Hybrid-Mapping 304 HAPPY-Mapping 305 Kartierung durch Hybridisierung 305 STS, ESTs, SNPs und Sequenzlängen-Polymorphismen (AFLP, RAPD) 309 FISH, Fibre Fish, Optical Mapping und CGH 311 Zeitachse der Genomsequenzierung 3 12 Genom-Sequenzierungsstrategien 314 Konventioneller Ansatz - Random-Shotgun-Strategie 316 Die WhoIe-Genome-Shotgun-Strategie3 16 Die Sequenzierung des menschlichen Genoms 3 19 Ausblick der Genomsequenzierung 320 cDNA-Projekte 321 cDNAs repräsentieren mRNA der Zelle 321 Die Herstellung von cDNA-Bibliotheken 323 EST-Projekte zur Genidentifizierung 327 Was ist ein EST? 327 IMAGE-Konsortium - CGAP 331 UniGene 331 Voll-Länge-Projekte zur Herstellung von Ressourcen für die Funktionelle Genomik 333 WeiterfUhrende Literatur 336

Funktiondle Genomik 339 M.Frohme, St. Wiemann Einfiihrung 339 Die Identifikation und Analyse einzelner Gene 342

XVI InhaltsvemeicI Positional Cloning 343 Gene Trap 346 DNA-RNA-in-situ-Hybridisierung347 Tissue-Arrays 348 Die Untersuchung transkriptioneller Aktivität 349 SAGE 351 Subtraktive Hybndisierung 352 RNA-Fingerprinting 357 Array-basierende Techniken 358 Makroarrays 362 Mikroarrays 364 Globale und spezifische Arrays 367 Spezifität und Sensitivität 368 Zellbasierte Methoden 369 GFP-Techniken 369 Alternativen zum GFP 371 FRET - Huorescence Resonance Energy Transfer 372 FRAP - Huorescence Recovery After Photobleaching 374 Zellbasierte Assays 375 Assay Design 375 Pipettiersysteme 377 Datenaufnahme 378 Datenanalyse 379 Die funktionelle Analyse ganzer Genome 379 Genotypisches Screening in der Hefe 380 Phänotypisches Screening in der Maus 381 Weiterführende Literatur 383

Protein-Protein- und Protein-DNA-Interaktionen 385 P. Uetz, E. Pohl Protein-Protein-Interaktionen 386 Klassifikation und Spezifität: Proteindomänen 386 rotei in netz werke und -komplexe 387 Strukturmerkrnale interagierender Proteine 389 Welche Kräfte vermitteln eine Protein-Protein-Interaktion? 391 Thermodynamik 391 Energetik 392 Methoden zur Untersuchung von Protein-Protein-Interaktionen 393 Regulation von Protein-Protein-Interaktionen 394 Theoretische Vorhersage von Protein-Protein-Interaktionen 396 Biotechnische und medizinische Anwendungen von Protein-Protein-Interaktionen 398 Protein-DNA-Interaktionen 398 Sequenzspezifische DNA-Bindung 399 Thermodynamische Überlegungen zu Protein-DNA-Komplexen 400

I Inhaltsverzeichnis XVll

Methoden zum Studium von Protein-DNA-Wechselwirkungen 400 Medizinische Bedeutung von Protein-DNA-Wechselwirkungen 405 Biotechnologische Anwendungen von Protein-DNA-Interaktionen 406 Weiterführende Literatur 407

Bioinformatik 409 B. Brors, K Fellenberg Einleitung 409 Datenquellen 410 Primärdatenbanken: EMBL/GenBank/DDBJ, PIR, SwissProt 410 Motivdatenbanken: BLOCKS, Prosite, PFAM, ProDom, SMART 41 1

Molekulare Strukturdatenbanken: PDB, SCOP 411 Transkriptomdatenbanken: SAGE, ArrayExpress, GE0 412 Referenzdatenbanken: PubMed, OMIM, GeneCards 413 Sequenzanalyse 413 Kyte-Doolittle, Helical Wheel, Signalsequenzanalyse 413 Paarweiser Vergleich (Alignment) 415 Lokal/global 41 6 Optimal/heuristisch 416 Alignment-Statistik 417 Multiples Alignment 418 Phylogenetische Analyse 41 9 Genvorhersage 421 Neuronale Netze oder Hidden-Markov-Modelle auf Grundlage der Hexanucleotidzusammensetzung 422 Vergleich mit ESTs oder anderen Genomen (Fugu, Maus) 424 Bioinformatik in der Transkriptom- und Proteomanalyse 424 Vorverarbeitung, Normalisierung 426 Merkmalsauswahl 428 ÄhnlichkeitsmaBe: Euklidische Distanz, Korrelation, Manhattan-, Mahalanobis-Distanz, Entropiemage 429 Unüberwachte Lernverfahren: Clusterung, Hauptkomponentenanalyse, Multidimensionale Skalierung, Korrespondenzanalyse 430 Überwachte Lernverfahren: Lineare Diskriminanzanalyse, Entscheidungsbäume, Support Vector Machines, künstliche neuronale Netze 431 Systembiologie 433 Netzwerke: Boole'sche, Bayes'sche 434 Deterministische Beschreibung: Gewöhnliche und partielle Differenzialgleichungen 435 Nichtdeterministische Beschreibung: Stochastische Simulation 435 Weiterführende Literatur 436 Zitierte Literatur 436

WirkstofFforschung 441 C. Krernoser, U. Deuschle, R. Tolle, M. Kögl Einleitung 441 Wirkstoffe und Wirkorte 442 Genomische Methoden zur Identifizierung von Targets 443

Bioinformatische Target-Identifizierung 444 Vergleichende Genomanalyse 446

Experimentelle Target-Identifizierung - In-vitro-Methode 446 Experimentelle Target-Identifizierung - Modellorganismen 447 Experimentelle Target-Identifizierung am Menschen 448 Der Unterschied zwischen Target-Kandidaten und echten Targets 449

Biologicais 451 DNA und RNA als neue therapeutische Ansätze 452

Schutz von Targets durch Patente 453

Substanzbanken dienen als Reservoir zur Wirkstoffindung 453

Screening im Hochdurchsatz 455 Screening-Assays müssen von hoher Qualität sein 458

Virtuelles Liganden-Screening 459 Effizienz und Potenz beschreiben die Aktivität von Wirkstoffen 460

Leitstrukturen werden chemisch optimiert (lead-optimization) 461

Die präklinische Pharmakologie und Toxikologie 461

Die klinische Entwicklung 463 Die klinische Prüfung 463 Weiterführende Literatur 465

Drug Targeting und Prodrugs 467 G. Fricker Drug Targeting 467 Passives Targeting mittels Ausnutzung physiologischer ~esonderheiten des Zielgewebes 468 Physikalisches Targeting 469 Aktives Targeting 470 Zelluläre Trägersysteme 475 Prodrugs 475

Prodrugs zur Verbesserung der Wirkstofflöslichkeit 476 Prodrugs zur Erhöhung der Stabilität 476

Penetration von Wirkstoffen durch biologische Membranen 477 Prodrugs zur Verlängerung der Wirkungsdauer 480 Prodrugs zur zielgerichteten Wirkstoffabgabe 480

Prodrugs zur Vemngerung von Nebenwirkungen 481 Weiterführende Literatur 482

Molekulare Diagnostik in der Medizin 485 S. Wöy, R. Gessner Anwendungen der Molekularen Diagnostik 486

I lnhaltsverrei~hnis XIX

Einführung 486 Monogene und polygene Krankheiten 486 Individuelle Variabilität im Genom: Forensik 489 Individuelle Variabilität im Genom: HLA-Typisierung 489 Individuelle Variabilität im Genom: Pharmakogenomik 490 Individuelle Variabilität im Genom: Anfrilligkeit für Infektionskrankheiten 490 Vimsdiagnose 491 MScrobielle Diagnose und Resistenzdiagnose 492 Welche molekularen Variationen müssen nachgewiesen werden? 492 Punktmutationen 493 Insertionen und Deletionen 494 Nucleotidwiederholungen 495 Deletion oder Duplikation von Genen 496 Rekombination zwischen Chromosomen 496 Epigenetische Veränderungen 497 Verfahren der Molekularen Diagnostik 497 DNAIRNA-Aufreinigung 498 Bestimmung bekannter Sequenzvariationen 498 Direkter Längenpolyrnorphismus 498 RFLP 499 ACRS 500 ARMS 500 MS-PCR 501 Allelspezifische Hybridisierung 501 LCR 502 Minisequenzierung 502 Pyrosequenzierung 504 Quantitative PCR 504 Chip-Technologie 505 Aufbau und Herstellung von Mikroarrays 506 Bestimmung unbekannter Mutationen 507 Ausblick 509

Rekombinante AntikBrper und Phagen-Display 511 S. Dübel Einführung 51 1 Warum rekombinante Antikörper? 513 Rekombinante Antikörper lassen sich ohne Immunisierung in vitro gewinnen 513 Antikörper mit neuen Eigenschaften können erzeugt werden 514 Gewinnung spezifischer rekombinanter Antikörper 515 Bereitstellung der Vielfalt an Antikörpergenen 516 Selektionssysteme fur rekombinante Antikörper 518 Transgene Mäuse 518

I )0< Inhaltsverzeichnis

In-vitro-Selektionssysteme 518 Herstellung rekombinanter Antikörper 521 Rekombinante Produktionssysteme 521 Reinigung rekombinanter Antikörper und ihrer Fragmente 523 Formate für rekombinante Antikörper 524 Monospezifische Antikörperfragmente 524 Fab-Fragmente 524 Fv-Fragmente 525 Single-chain-Antikörperfragmente(scFv) 525 Disulfidbrücken-stabilisierteFv-Fragmente (dsFv) 527 VH- und Kamel-Antikörper 527 Multivalente Antikörperfragmente 527 Bifunktionelle Antikörper 528 Bispezifische Antikörper 529 Anwendungen für rekombinante Antikörper 532 Klinische Anwendungen 532 Anwendungen in der Forschung und der In-vitro-Diagnostik 532 Rekombinante Antikörper in der Labordiagnostik 533 Intrazellulare Antikörper 534 Rekombinante Antikörper als Bindemoleküle für Arrays 534 Ausblick 534 Weiterführende Literatur 535

Genetisch veranderte Mäuse (Knock-out-Mause) und ihre Bedeutung flir die Biomedizin 543 R. Sprengel Überblick 543 Transgene Mäuse 547 Die retrovirale Infektion zur Erzeugung transgener Mäuse 547 Die Pronucleus-Injektion zur Erzeugung transgener Mäuse 547 Die homologe Rekombination zur Erzeugung transgener Mause 550 Die Bedeutung genetisch veränderter Mäuse in der Biomedizin 553 Weiterführende Literatur 555

Gentherapie: Strategien und Vektoren 557 I. Herr Einführung 557 Prinzipien der somatischen Gentherapie 559 Die Keimbahntherapie 561 Rückschläge in der Gentherapie 562 Vektoren für die Gentherapie 564 Retrovirale Vektoren 565 Adenovirale Vektoren 570 Adeno-assoziierte Vektoren (AAV) 572 Andere virale Vektoren 575

lnhaltsverzeichnis XXII Spezifische Expression 576 Weiterführende Literatur 577

Modifizierte DNA, PNA und ihre Anwendungen in der Medizin und Biotechnologie 579 N. Metzler-Nolte Einleitung 579 Modif~ierte DNA 581 Phosphorthioate 581 Methylphosphonate 583 Peptid-Nucleinsäuren (PNA) 584 Wechselwirkung von DNA-Analoga mit komplementärer DNA und RNA 585 Schmelztemperatur 586 Mismatch-Empfindlichkeit 588 Anwendungen 589 Antisense-Technik 589 Andere Anwendungen von PNA 591 Weiterführende Literatur 593

Pflanzliche Biotechnologie 595 R. Hell, H. Hillebrand Einleitung 595 Die ,,grüne1' Gentechnologie - eine neue Methode auf dem Weg zu traditionellen Zielen 595 Besondere Aspekte der Biotechnologie von Pflanzen 597 Herstellung transgener Pflanzen 597 Transformation durch DNA-Transfer 598 Agrobacterium als natürliches Transformationssystem 598 Biolistische Methode: Gene Gun 601 Andere physikalische Transformationssysteme 603 Plastidentransformation 604 Virale Systeme 605 Selektion transformierter Pflanzenzellen 606 Anforderungen an ein optimales Selektionsmarkersystem 607 Negative Selektionsmarkersysteme 609 Positive Selektionsmarkersysteme 610 Gegenselektion GI1 Visuelle Marker 612 Selektionssysteme, Gentechniksicherheit und markerfreie Pflanzen 612 Regeneration transgener Pflanzen 614 Verfahren der Regeneration 614 Zusammensetzung von Regenerationsmedien 615

I XXll Inhaltsverzeichnis

32.5 Analyse pflanzlicher Genome: Nachweis und Charakterisierung transgener Pflanzen 61 6

32.5.1 DNA- und RNA-Nachweise 616 32.5.2 Proteinnachweise 618 32.5.3 Genetische und molekulare Karten 618 32.5.4 Stabilität transgener Pflanzen 61 9 32.6 Weiterfkhrende Literatur 620

Biokatalyse in der chemischen Industrie 623 B. Hauer, M. Breuer Einleitung 623 ~iotransforrnationen/enzymatischeVerfahren 630 Entwicklung eines Enzyms für die industrielle Biokatalyse 633

Identifizierung neuartiger Biokatalysatoren 634 Verbesserung von Biokatalysatoren 636 Produktion von Biokatalysatoren 636 Ausblick 637 Fallbeispiel 1: Screening nach neuen Nitrilasen 638 Fallbeispiel 2: Verwendung bekannter Enzyme für neue Reaktionen: Lipasen zur Herstellung optisch aktiver Amine und Alkohole 638 Fallbeispiel 3: Enzymoptimierung mit rationalen und evolutiven Methoden 640 Fermentative Verfahren 642 Verbesserung fermentativer Verfahren 642 Klassische Stammoptimierung 643 Metabolit Engineering 645 Fallbeispiel 4: Herstellung von Glutaminsäure mit Corynebacterium glutamicum 645 Molekularer Mechanismus der Glutamatüberproduktion 647 Fallbeispiel 5: Herstellung von Lysin mit Corynebacterium glutamicum 648 Molekularer Mechanismus der Lysinbiosynthese 648 Deregulierung des Schlüsselenzyrns Aspartat-Kinase 649 Genomforschung und funktionelle Genomik 650 Fallbeispiel 6: Fermentative Penicillinproduktion 651 Fallbeispiel 7: Vitamin-B2-Produktion 652 Riboflavinbiosynthese 652 KIassische Stammentwicklung 653

Teil IV Wirtschaftliche Perspektiven der Molekularen Biotechnologie 655

34 industrielle Umsetzung (Biotech-Industrie, Markte und Chancen) 657 J. Schüler

34.1 Geschichtlicher Oberblick und Begriffsdefinitionen 657

Industrielle Anwendungsbereiche der molekularen Biotechnologie 659 Rote Biotechnologie 659 Biopharmazeutische Wirkstoffentwicklung 659 Dmg Delivery 663 Zell- und Gentherapie 663 Tissue Engineering/Regenerative Medizin 664 Pharmakogenomik, personalisierte Medizin und Systembiologie 665 Systembiologie 667 Molekulardiagnostika 667 Grüne Biotechnologie 668 Transgene Pflanzen 668 Genomik-Ansätze in der grünen Biotechnologie 669

,,Novel Food" und ,Functional Food" 670 Tierzucht 670 GrauejWeige Biotechnologie 670 Technische Enzyme 670 Umwelt 671 Status Quo der Biotech-Industrie weltweit 671 Globaler Überblick 671 USA 672 Europa 672 Deutschland 672

Chancen und Risiken. Biotechnologie und Wissenstrandkr in Deutschland 675 R. Herzog, Jarasch Der Aufschwung der Biotechnologieindustrie in den USA 675 Die Situation der Biotechnologie in Deutschland 676 Biotechnologische Grundlagenforschung und Patentwesen 678 BioRegio-Initiative in Deutschland als Motor der Biotech-Entwicklung 680 Beispiel BioRegion Rhein-Neckar-Dreieck 682 Weiterführende Literatur 685

Patente und Schutz von Ideen 687 C. Amshof Allgemeine Einführung 687 Übersicht über die Besonderheiten im Gewerblichen Rechtsschutz 688 Aspekte des Patentrechts 689 Kriterien für die Patentfahigkeit 689 Rechte aus dem Patent 692 Biotechnologische Erfindungen 693 Patentierbare biotechnologische Gegenstände 694

36.2.1.1 Allgemeine Merkmale für patentierbare, biotechnologische Gegenstände 695

36.2.1.2 Beispiele aus der Praxis 696 36.2.2 Nichtpatentierbare biotechnologische Erfindungen 697 36.2.3 Ethische Überlegungen 698 36.3 Weiterführende Literatur 699

37 Zusammenspiel zwischen Big Pharma und Biotech-Start-Up-Unternehmen 701 C. Kremoser

37.1 Entwicklung der pharmazeutischen und der biologischen Industrie 701

37.2 Was unterscheidet Biotechnologie- von Pharrnafirmen? 706 37.3 Kulturelle Unterschiede zwischen Big Pharma und Biotech 709

38 Das kleine 1x l der Firmengründung 711 C. Kremoser

38.1 Die ersten Schritte zur eigenen Firma 711 38.2 Businessplan 712 38.3 Finanzierung und Risikokapital 71 7 38.4 Mitarbeiter. Reknitierung, Entlohnung, Erfolgsbeteiligung 722 38.5 Die ersten Schritte mit der eigenen Firma, Erfolgsfaktoren 726

39 Marketing 727 C. Kremoser

39.1 Einfuhrung 727 39.2 Welche Arten von Deals gibt es? 729 39.2.1 Was wird an Meilensteinen bnv. Lizenzgebühren

bei einer BiotechjPharma-Kooperationwirklich gezahlt? 730 39.3 Public Relations (PR) und Investor Relations (IR)

für Biotech-Firmen 731 39.4 Literatur zu Kap. 37-39 733

Glossar 735 M. Wink

Register 783