01.04.2001 ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 1
Viren und Zellen
Die Organisationsstufen biologischer Systeme am Beispiel der Pflanzen. Jede Stufesymbolisiert ein Komplexitätsniveau. In der Biotechnologie interessieren wir uns für dieBereiche von den Makromolekülen bis zur Organisationsstufe der Zellen.
01.04.2001 ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 2
Welche biologischen Agenzien werden genutzt?
• Viren
• Bakterien
• Pilze
• Algen
• Pfanzliche Zellen
• Tierische Zellen(animalische Zellen)
• Menschliche Zellen
• Teile von Zellen: Organellen,Enzyme, Antikörper, DNS etc.
01.04.2001 ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 3
Grössenvergleich
01.04.2001 ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 4
Mikrobielle Lebensformen (Mikroorgamismen)
• Plasmide und Viren sind keine selbstständigen Lebensformen
Plasmide («nackte DNS»)
Viren («verpackte DNS»)
• Prokaryonten:
Bakterien (inkl. Blaualgen)
• Eukaryonten:
Pilze
Protozoen
Algen
• In der Biotechnologie ebenfalls genutzt (gehören nicht zu den Mikroorgansimen)
einzelne Zellen von Pflanzen, Tieren und Mensch
01.04.2001 ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 5
Die 5 „Königreiche“ des Lebens
01.04.2001 ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 6
Viren
Wichtigste Charakteristika
– Keine selbstständigen Lebensformen: Sind für Vermehrungauf lebende Zellen angewiesen
– Grösse: 10 bis 400 nm (Länge bis rund 2 µm)
– Kein eigener Stoffwechsel
– Enzyme teilweise vorhanden
– Erbsubstanz DNS oder RNS
– Hülle (Capsid) aus Capsomeren aufgebaut
– Wirtsspezifität
– Bakterienviren werden Phagen genannt
– Gentechnologie: Für den Gentransfer verwendbar(„Genfähren“, „Vektoren“)
01.04.2001 ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 7
VerschiedeneFormen von Viren
01.04.2001 ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 8
Human Immunodeficiency Virus, HIV
01.04.2001 ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 9
Ausgewählte Viren
RNA-Viren DNA-VirenVirusgruppe Grösse nm Symptom/Krankheit Virusgruppe Grösse nm Symptom/KrankheitPflanzenviren 130x25 Gerstenstreifenmosaik Pockenviren 140-380 Echte Pocken (Variolavirus)
300x18 Tabakmosaik x Kuhpocken, Vakzinia
730x15 Kartoffel-Y-Mosaik 170-270 Kaninchenmyxotose
1250x10 Rübenvergilbung
2000x10 Citrus-TristezaTollwutviren 300x80 Tollwut Herpesviren 100-150 Herpes simplex, WindpockenMyxoviren 150-220 Mumps, Masern, Röteln Adenoviren 70-85 Nasen-/ Rachenentzündungen
80-120 Grippe (Typ A, B, C) BronchialkatarrhReoviren
60-70Harmlose Infekte mit Schnupfen, Erbrechen, Durchfall
Bindehautentzündung
Arboviren 20-50 A-Gruppe: Enzephalomyelitis Papovaviren 40-55 Papillome (Warzen)
20-30 B-Gruppe: Gelbfieber
20-25 Pappataci-FieberPicornaviren 20-35 Rhinoviren: Schnupfen Bakterioviren 20-30 Kugelphagen (P)
Enzephalomyokarditis-Virus (Bakteriophagen) 750x5 Stabförmige PhagenMKS-Viren: Maul- und Klauenseuche
200x70 T-Phagen
Enteroviren: Polimyelitis, ECHO
01.04.2001 ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 10
Biotechnologische Anwendungen von Viren
• Massenzüchtung
– Herstellung von Impfstoffen
– Herstellung von Diagnostika (Medizin)
• Gentechnologie, Gentherapie
– Verwendung für den Gentransfer (Vektor)
• Schädlingsbekämpfung
– Verwendung als biologisches Gift
01.04.2001 ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 11
Bakterien
• Wichtigste Charakteristika von Bakterien– Einzeller
– Grösse 0.5 bis 20 µm (Rekord: ca. 1 mm)
– Kein Zellkern
– Keine oder nur geringe interne Gliederung (Organellen,Kompartimente)
– Kein Cytoskelett
– DNS ist ringförmiges Fadenmolekül
– Unterschiede bei der Transskription und Translation imVergleich zu den Eukaryonten
– Einfachere Kontrollsysteme zur Regulation der Genaktivitätim Vergleich zu den Eukaryonten
– Vermehrung durch Teilung
– Kurze Generationszeiten (Minuten)
– Extrachromosomales Erbmaterial vorhanden: Plasmide
– Zellwand mit Zellmenbran und Mureinschicht
01.04.2001 ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 12
Bakterien auf der Nadelspitze
01.04.2001 ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 13
Formen und Struktur von Prokaryonten
Grössenvergleich (s.Massstäbe 1 µm) undFormenvielfalt
DNA(Nukleoid)
01.04.2001 ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 14
Grundstruktur eines Bakteriums
• Zw = Zellwand Li = Lipidtropfen
• Cm = Zellmembran N = Nukleoid
• Cp = Cytoplasma PHB = Polyhydroxybuttersäure
• Ge = Geissel Pi = Pili
• Gly = Glykogengranula Pl = Plasmid
• Ka = Kapsel Po = Phosphatgranula
• Rb = Ribosomen S = Schwefeleinschlüsse
01.04.2001 ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 15
Das grösste Bakterium: Ein Exot unter ExotenNZZ 21.4.1999
Wie klein darfs den sein, bitte schön?Nachdem die NASA 1997 behauptet hatte ineinem Marsmeteoriten Mikroben in der Grössevon 20 bis 50 nm gefunden zu haben, ging dieDiskussion los, wie klein denn einlebensfähiges Lebewesen(Bakterium) seinkönnte, unter der Annahme, dass dieSpielregeln der irdischen Biologie gelten. EinEscherichia coli enthält etwa 1000 Gene. Manvermutet, dass etwa 400-500 zum Leben nötigsind. In einer Kugel von 50 nm Durchmesserwürde dieses Genom bereits die Hälfte desVolumens ausmachen. Ob der übrige Platzreicht für alle Zellfunktionen? SeriöseWissenschaftler sind der Meinung, dasunterhalb 200 nm „nichts mehr läuft“ [Standdes Wissens 1999].
01.04.2001 ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 16
Bakterien sind Lebenskünstler NZZ 24.1.2001
Bakterien stellen eine wichtige Ressource darDie Vielfalt der Bakterienarten, wahrscheinlich gibt esMillionen von Arten, ist eine wichtige Ressource für Stoffe,die in der Biotechnologie angewendet oder für nützlicheZwecke hergestellt werden können.
NZZ20.3.1996
NZZ30.6.1999
01.04.2001 ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 17
Beispiele für technischinteressante Bakterienund deren Produkte
01.04.2001 ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 18
Biotechnologische Anwendungen von Bakterien
• Klassiche Verfahren
– Sauerteig-Brot, Essig, Joghurt, Käse, Kefir
• Moderne Verfahren
– Antibiotikaproduktion (Bacillus, Streptomyceten)
– Leaching-Verfahren zur Erzgewinnung (Thiobazillus)
– Umwelttechniken (Pseudomonaden, Mykobakterien,Nocardien)
– Methanproduktion (methanogene Bakterien)
– Dextranproduktion (Verdickungsmittel: Leuconostoc)
– Butanol-, Aceton-, Buttersäureproduktion (Clostridien)
– Milchsäureproduktion (Laktobazillen)