Biotechnologie: Grundlagen, Methoden und Zellbiologie

Vokabelkarten zu den Grundlagen der Biotechnologie, ihren Teildisziplinen, gentechnischen Methoden, der Proteinbiosynthese und mikroskopischen Verfahren.

Biotechnologie

Die Umsetzung von Erkenntnissen aus der Biologie, Biochemie und Gentechnik in technische oder technisch nutzbare Elemente und Produkte unter Verwendung lebender Zellen.

Weiße Biotechnologie

Industrielle Biotechnologie; nutzt nachwachsende Rohstoffe und Verfahren wie Biokatalyse, Biotransformation oder Fermentation zur Ablösung klassischer chemischer Synthesen (z. B. Entwicklung von Waschmitteln mit optimierten Enzymsystemen).

Rote Biotechnologie

Medizinische Biotechnologie; befasst sich mit der biotechnologischen Herstellung von Produkten für die Humanmedizin (z. B. Insulin, Impfstoffe).

Grüne Biotechnologie

Landwirtschaftliche Biotechnologie; umfasst z. B. die Erzeugung schädlingsresistenter Nutzpflanzen, die Steigerung des Protein- oder Vitamingehalts in Nahrungsmitteln sowie die Gewinnung pflanzlicher Fasern für industrielle Anwendungen.

Blaue Biotechnologie

Aquatische Biotechnologie; fokussiert sich auf die technische Nutzung von Prozessen und Organismen der marinen Biologie (z. B. Gewinnung hitzestabiler Enzyme aus Bakterien von Tiefseeschloten und Tiefseequellen).

Graue Biotechnologie

Umweltbiotechnologie; umfasst biotechnologische Verfahren zur Trinkwasser- und Abwasseraufbereitung, zur Sanierung kontaminierter Böden, zum Müllrecycling sowie zur Abluft- und Abgasreinigung.

Gelbe Biotechnologie

Lebensmittelbiotechnologie; Einsatz von Mikroorganismen in der Lebensmittelherstellung (z. B. Hefe für Bier, Brot und Wein; Milchsäurebakterien/Lactobazillen für Sauerkraut, Joghurt und Käse).

Biokatalyse

Die enzymatisch gesteuerte Beschleunigung von biochemischen bzw. chemischen Reaktionsabläufen.

Biotransformation

Die enzym- oder zellkatalysierte Umsetzung definierter chemischer Reinsubstanzen zu definierten Produkten.

Fermentation

Die fermentative Herstellung von Chemikalien durch die Umsetzung nachwachsender Rohstoffe (z. B. Zucker) mittels lebender Mikroorganismen.

Thermophil

Hitzeliebend; Bezeichnung für Organismen oder Enzyme, die an hohe Umgebungstemperaturen angepasst sind.

Thermophob

Kälteliebend; Bezeichnung für Organismen, die tiefere Temperaturen bevorzugen und hitzeempfindlich sind.

Amphiphil

Eigenschaft von Stoffen (z. B. Tenside, Ethanol), deren Moleküle sowohl einen polaren (hydrophilen) Teil als auch einen unpolaren (lipophilen) Teil besitzen und somit in beide Lösungsmittelarten eintauchen können.

Zellatmung (aerobe Dissimilation)

Stoffwechselprozess zum Abbau von Glucose unter Sauerstoffverbrauch ($C_6H_{12}O_6 + 6\,O_2 \rightarrow 6\,CO_2 + 6\,H_2O$), bei dem Energie zu $38\,\%$ in Form von ATP und zu $62\,\%$ als Wärme (zur Aufrechterhaltung der Körperkerntemperatur von $37\,^\circ\text{C}$) freigesetzt wird.

Gentechnik

Teilgebiet der Biotechnologie; liefert theoretische Grundlagen und praktische Methoden zur Analyse, gezielten Veränderung und Neukombination von Genen und genetischen Signalstrukturen (Genmanipulation).

Bakterielle Transformation (mittels Hitzeschock)

Verfahren zur Einschleusung fremder Plasmid-DNA in Bakterienzellen; Calciumchlorid macht die Zellen kompetent, woraufhin ein Hitzeschock ($42\,^\circ\text{C}$ für $2\,\text{Minuten}$) vorübergehend Poren in der Zellmembran erzeugt.

Kompetente Zelle

Bakterienzelle, deren Zellmembran (z. B. durch Behandlung mit hoher Salzkonzentration wie Calciumchlorid) für die Anlagerung und Aufnahme von Fremd-DNA durchlässig gemacht wurde.

Restriktionsenzym (Restriktionsendonuklease)

Enzym, das doppelsträngige DNA an spezifischen Nukleotidsequenzen schneidet; dient Bakterien natürlich zur Abwehr von Phagen-DNA und in der Gentechnik zur gezielten DNA-Spaltung.

Bakterielle Phagenabwehr (Komponenten 1, 2, 3)

1: Restriktionsenzym (zerschneidet fremde Phagen-DNA in Fragmente); 2: Abgebaute Phagen-DNA; 3: Methylgruppe (schützt bakterieneigene Wirts-DNA durch Methylierung vor dem Abbau).

DNA-Ligase

Enzym, das kovalente Bindungen zwischen DNA-Strängen knüpft und dadurch Fremd-DNA-Fragmente (Inserts) in geöffnete Vektoren kovalent einbaut.

Vektor

Ein molekulares Transportsystem (häufig ein ringförmiges bakterielles Plasmid), das zur Aufnahme, Klonierung und Einschleusung von Fremd-DNA in Empfängerzellen dient.

In-vitro-Mutagenese

Methode zur gezielten künstlichen Veränderung der Basenabfolge von DNA-Molekülen außerhalb lebender Zellen (z. B. durch die Genschere CRISPR/Cas).

Polymerase-Kettenreaktion (PCR)

Molekularbiologische Methode zur enzymatischen In-vitro-Vervielfältigung spezifischer DNA-Fragmente.

Genomische Bibliothek (Genbibliothek)

Sammlung von Klonen, die das vollständige Genom eines Organismus in geeigneten Vektoren kloniert enthält.

cDNA-Bibliothek (Expressionsbibliothek)

Sammlung klonierter DNA-Fragmente, die aus einer isolierten zellulären mRNA-Population synthetisiert wurden und somit ausschließlich exprimierte Gene repräsentieren.

Bakteriophage (Phage)

Ein Virus, das spezifisch Bakterienzellen befällt und sich in ihnen vermehrt.

Transkription

Erster Schritt der Proteinbiosynthese im Zellkern; die RNA-Polymerase bindet an die DNA, entspiralisiert sie und erzeugt anhand des Vorlagestrangs eine komplementäre RNA-Kopie (prä-mRNA) in den Phasen Initiation, Elongation und Termination.

Prozessierung

Reifung der prä-mRNA im Zellkern zur fertigen mRNA, bei der nicht-codierende Introns herausgeschnitten und codierende Exons miteinander verbunden werden.

Translation

Schritt der Proteinbiosynthese an den Ribosomen im Zellplasma, bei dem die Nukleotidfolge der mRNA in eine spezifische Aminosäurekette (Polypeptid) übersetzt wird.

Codon

Gruppe aus drei aufeinanderfolgenden Nukleotidbasen (Basentriplett) auf der mRNA, die für eine bestimmte Aminosäure oder ein Start- bzw. Stoppsignal codiert.

Methanogene Bakterien

Anaerobe Mikroorganismen im Darm, die von anderen Bakterien freigesetzten Wasserstoff ($H_2$) und Kohlenstoffdioxid ($CO_2$) zu Methan umsetzen ($4\,H_2 + CO_2 \rightarrow CH_4 + 2\,H_2O$).

Auflösungsvermögen (Mikroskopie)

Maß für die Deutlichkeit einer optischen Abbildung; bezeichnet den Mindestabstand zweier Punkte, bei dem sie noch als getrennte Objekte wahrnehmbar sind (Lichtmikroskop: ca. $0{,}2\,\mu\text{m}$ bzw. $200\,\text{nm}$).

Transmissionselektronenmikroskop (TEM)

Durchstrahlungselektronenmikroskop, bei dem ein hochenergetischer Elektronenstrahl im Hochvakuum das dünne Präparat durchdringt; wird in der Zellbiologie zur detaillierten Untersuchung innerer Zellstrukturen und Organellen genutzt.

Rasterelektronenmikroskop (REM)

Elektronenmikroskop zur Untersuchung von Oberflächenstrukturen mit hoher Tiefenschärfe; ein gebündelter Primärelektronenstrahl tastet die metallbedampfte Probe zeilenweise ab und regt Sekundärelektronen an.