Biotechnologie

Rot: Medizinische Biotechnologie: Gesundheit, Medizin, Diagnostik

Weiß: Industrielle Biotechnologie, organische Chemikalien, Enzyme, Lebensmittel

Grün: Landwirtschaft, Pflanzen, Umweltbiotechnologie - Biokraftstoffe,

Biokraftstoffe, Biodünger, Bio-/Phytosanierung, Geomikrobiologie

Blau: Marine, Aquakultur

Gelb: Lebensmittelbiotechnologie, Ernährungswissenschaft, Insekten

Grau: Umweltbiotechnologie - Dekontaminierung von Böden und Abgasen, Reinigung von Abwässern, Recycling, Schadstoffentfernung, Klassische Fermentation und Bioverfahrenstechnik

Braun: Umweltbiotechnologie, Biotechnologie in ariden Gebieten und Wüsten

Gold: Bioinformatik, Biosensoren, Nanobiotechnologie

Lila: Patente, Veröffentlichungen, Erfindungen

Schwarz: Bioterrorismus, Biokriegsführung, Biokriminalität, Antipflanzenkriegsführung

Orange: Verbreitung der Biotechnologie mit Hilfe von technischen Medien

Biologics, auch als biologische Produkte bezeichnet, sind Arzneimittel, die biologisch hergestellte Substanzen enthalten. Im Gegensatz zu herkömmlichen Arzneimitteln, die oft aus chemisch synthetisierten Wirkstoffen bestehen, werden Biologics aus lebenden Organismen, Zellen oder biologischen Systemen hergestellt. Typischerweise handelt es sich bei Biologics um komplexe Moleküle wie Proteine, Antikörper, Nukleinsäuren oder Zellen.

Naturstoffe: Meist niedermolekulare, natürlich vorkommende Produkte des Primär- und Sekundärstoffwechsels (Produkte aus Arzneipflanzen)

Biopharmazeutische Produkte: Biotechnologisch/rekombinant hergestellte Proteine, Antikörper, Peptide, Impfstoffe, Nukleinsäuren

Advanced Therapy Medicinal Products (ATMPs): Arzneimittel für die Anwendung beim Menschen, die auf Genen, Geweben oder Zellen basieren (Zell- und Gentherapeutika)

a) Weiß

b) Rot

c) Hormone

(Entwicklung Nährstoffe zu Arzneistoffe durch…

• Unveränderten Einsatz

• Chemische Veränderung

• Ableitung eines Pharmakophors )

d) Sekundärstoffwechsel:

Die Stoffwechselwege, die nicht direkt an lebenswichtigen Funktionen und Prozessen eines Organismus beteiligt sind, werden oft unter dem Begriff "sekundärer Stoffwechsel" zusammengefasst. Der sekundäre Stoffwechsel unterscheidet sich vom primären Stoffwechsel, der essentielle Prozesse wie die Energiegewinnung, den Aufbau von Zellbausteinen und die Aufrechterhaltung grundlegender Lebensfunktionen umfasst.

Im Gegensatz dazu sind sekundäre Stoffwechselwege in der Regel nicht unmittelbar für das Überleben und das Wachstum eines Organismus notwendig, können jedoch dennoch wichtige Funktionen erfüllen. Diese Wege können beispielsweise dazu dienen, Schutzstoffe, Duftstoffe, Farbstoffe oder andere chemische Verbindungen zu produzieren, die für die Anpassung an die Umwelt, die Abwehr von Feinden oder die Interaktion mit anderen Organismen wichtig sind. Der sekundäre Stoffwechsel ist vielfältig und spielt eine Rolle bei der Biodiversität und Anpassung von Organismen an ihre Umwelt.

Peptid: 2 bis 50 Aminosäuren

Proteine: > 50 Aminosäuren

Antikörper = Protein, sog. Immunglobulin

a) 505*3=1515

b)

Lebendimpfstoffe (attenuiert), Lebendimpfstoffe enthalten geringe Mengen vermehrungsfähiger Krankheitserreger, die jedoch so abgeschwächt wurden, dass sie die Erkrankung selbst nicht auslösenz. B. gegen Masernviren

Totimpfstoffe (nicht lebensfähige/tote Krankheitserreger):

Vollimpfstoffe, Vollimpfstoffe sind Impfstoffe, die ganze, inaktivierte oder attenuierte Krankheitserreger (Viren oder Bakterien) enthalten. z. B. gegen Polio-Viren

Spaltimpfstoffe: Behandlung der Erreger mit Detergenzien oder organischen Lösungsmitteln, z. B. gegen Influenza-Viren

Subunitimpfstoffe:

• Enthalten aufgereinigte Komponenten des Erregers, z. B. gegen Influenza-Viren

• Impfstoffe auf Basis rekombinant hergestellter Proteinantigene, z. B. gegen Hepatitis B, Papillomaviren

Konjugatimpfstoffe: Antigen an Proteinträgermolekül gekoppelt, z. B. gegen Pneumokokken

• Virusartige Partikel: Virushülle ohne funktionale Nukleinsäuren

Toxoidimpfstoffe: enthalten inaktivierte Exotoxine, z. B. gegen Tetanusbakterien

Nukleinsäurebasierte Impfstoffe: DNA- oder RNA-basierte Vakzine, die für ein entsprechendes Proteinantigen kodieren

• Lipid-Nanopartikel (LNP) als Vehikel (mRNA) oder Elektroporation (pDNA)

• Vektorimpfstoffe: Einbringen der kodierenden Nukleinsäure mittels harmloser Vektorviren, z. B. gegen Ebola

a) Die Enzyme, die für die Abspaltung (Spaltung) von Peptiden verantwortlich sind, werden als Proteasen oder Peptidasen bezeichnet. Diese Enzyme katalysieren die Hydrolyse von Peptidbindungen zwischen den Aminosäuren in einem Peptid oder Protein.

Es gibt verschiedene Arten von Proteasen, die je nach ihrem Wirkungsort und ihrer spezifischen Funktion in verschiedene Klassen eingeteilt werden können. Beispielsweise können Endopeptidasen Peptidbindungen innerhalb der Peptidkette schneiden, während Exopeptidasen Aminosäuren von den Enden der Peptidkette entfernen.

Proteasen sind in vielen lebenswichtigen biologischen Prozessen beteiligt, einschließlich der Verdauung von Proteinen im Magen-Darm-Trakt, der Regulation von zellulären Prozessen, der Entfernung von fehlerhaften oder nicht mehr benötigten Proteinen und der Signaltransduktion.

b) Die Primärstruktur eines Proteins bezieht sich auf die spezifische Abfolge von Aminosäuren in der Polypeptidkette des Proteins. EPO steht für Erythropoetin, ein Hormon, das die Produktion von roten Blutkörperchen im Knochenmark stimuliert. Die Primärstruktur von EPO beschreibt die genaue Reihenfolge der Aminosäuren in seiner Peptidkette.

Die Primärstruktur von EPO besteht aus etwa 165 bis 166 Aminosäuren. Die genaue Sequenz kann je nach Spezies variieren, da EPO bei verschiedenen Arten vorkommt. Bei Menschen, die als Beispiel betrachtet werden, besteht die Primärstruktur von humanem EPO (hEPO) aus 165 Aminosäuren.

Die genaue Aminosäuresequenz von EPO ist wichtig, da sie die Funktion und die biologische Aktivität des Proteins bestimmt. Veränderungen in der Primärstruktur können die Faltung, Stabilität und Funktion des Proteins beeinflussen, was Auswirkungen auf seine biologischen Eigenschaften haben kann.

c) Eine Disulfidbrücke besteht aus der kovalenten Bindung zwischen den Schwefelatomen zweier Cystein-Aminosäuren in einem Protein oder Peptid. Die Aminosäure Cystein enthält eine Thiolgruppe (-SH) als Seitenkette. Wenn zwei Cysteinmoleküle in räumlicher Nähe innerhalb derselben Proteinstruktur oder zwischen zwei verschiedenen Proteinmolekülen vorliegen, können die Thiolgruppen miteinander reagieren und eine Disulfidbrücke bilden.

a) Der Promotor spielt eine entscheidende Rolle während der Transkription, insbesondere in den späteren Phasen, da er als Startpunkt für die RNA-Synthese dient. Der Promotor ist eine spezifische DNA-Sequenz, die von RNA-Polymerase und anderen Transkriptionsfaktoren erkannt wird. Er befindet sich in der Nähe des Gens, das transkribiert werden soll.

b) Ribosomenbindeungsstelle

1. Startcodon (AUG): Das Startcodon AUG ist der Initiationspunkt für die Translation. Es kodiert für die Aminosäure Methionin und signalisiert den Beginn der Proteinsynthese.

2. mRNA (messenger RNA): Die mRNA enthält die genetische Information, die während der Translation in Proteine umgesetzt wird. Sie enthält Codons, die jeweils für eine spezifische Aminosäure stehen.

3. Ribosomen: Die Ribosomen sind die zellulären Maschinen, die die Translation durchführen. Sie bestehen aus ribosomaler RNA (rRNA) und Proteinen.

4. tRNA (transfer RNA): Die tRNA-Moleküle transportieren die Aminosäuren zu den Ribosomen und sorgen dafür, dass die korrekte Aminosäure gemäß dem genetischen Code hinzugefügt wird.

5. Stopcodons (UAA, UAG, UGA): Diese Codons signalisieren das Ende der Translation und führen dazu, dass das fertige Protein freigesetzt wird.

c) Resistenzgen

a) Transfektion

Transformation (prokaryotische Zelle)

b) Bei der Entwicklung von Säugerzelllinien, insbesondere für die Produktion von monoklonalen Antikörpern (MAK) oder anderen therapeutischen Proteinen, wird die stabile Expression angestrebt. Stabile Expression bezieht sich auf die Integration des Gens für das gewünschte Protein in das Genom der Zellen. Dies steht im Gegensatz zur transienten Expression, bei der das Gen vorübergehend in die Zellen eingebracht wird, aber nicht dauerhaft integriert wird.

Naturstoffe (Bakterien als Produzent; Pilze als Produzent; Tiere als Produzent; Pflanzen als Produzent)

Impfstoffe (Gewinnung von Viren mit Hühnereiern; Gewinnung von Viren mit Säugetierzelllinien; Insektenzellen; Nukleinsäurebasierte Impfstoffe auf Basis von DNA oder mRNA)

Biopharm. Produkte (Bakterien als Produzenten; Pilze als Produzenten; Säugetier- und Insektenzellen als Produzenten; Insektenzellen als Produzenten; Tiere als Produzenten; Pflanzen als Produzenten)

Der Downstream-Prozess (auch Downstream-Verarbeitung oder Downstream-Technologie genannt) bezieht sich auf die Schritte in der biotechnologischen Produktion, die nach der eigentlichen Zellkultur und Fermentation durchgeführt werden. In diesem Stadium werden die biologischen Produkte, wie Proteine, Antikörper, Impfstoffe oder andere biochemische Verbindungen, von den Zellen getrennt, gereinigt und aufgearbeitet. Der Downstream-Prozess umfasst eine Reihe von Schritten, um das gewünschte Produkt in hoher Reinheit und ausreichender Menge zu gewinnen.

Inclusion Bodies (Einschlusskörper) sind aggregierte, intrazelluläre Proteinkomplexe, die während der Expression von rekombinanten Proteinen in bakteriellen Zellen, insbesondere in Escherichia coli (E. coli), gebildet werden können. Diese Proteinkomplexe bestehen aus unlöslichen, denaturierten Proteinaggregaten und anderen zellulären Komponenten.

Probleme und Konsequenzen von Inclusion Bodies im Zusammenhang mit dem Downstream Processing sind:

1. Reinigungsschwierigkeiten: Inclusion Bodies sind oft schwer löslich, und die Proteine darin sind denaturiert. Dies erschwert die Reinigung und Aufreinigung des gewünschten Proteins erheblich.

2. Verlust an biologischer Aktivität: Aufgrund der Denaturierung und Aggregation in den Inclusion Bodies können die darin enthaltenen Proteine häufig ihre biologische Aktivität verlieren. Dies stellt ein Problem dar, wenn die biologische Aktivität des endgültigen Produkts wichtig ist.

3. Niedrige Ausbeuten: Die Inclusion Bodies können zu niedrigen Ausbeuten an aktivem Protein führen, da die enthaltenen Proteine zunächst aufwändig aufgearbeitet und aufgereinigt werden müssen.

4. Wiederherstellung der löslichen Form: Bevor das Protein aufgereinigt werden kann, müssen die Inclusion Bodies aufgeschlossen und das enthaltene Protein in eine lösliche Form überführt werden. Dies erfordert spezifische Aufschlussmethoden und kann zu einem weiteren Verlust an Aktivität führen.

5. Zusätzliche Schritte im Downstream Processing: Die Anwesenheit von Inclusion Bodies erfordert zusätzliche Schritte im Downstream Processing, um die Proteine aufzuarbeiten und zu reinigen. Dies führt zu einem komplexeren und zeitaufwändigeren Prozess.

6. Refolding-Herausforderungen: Nach der Aufarbeitung müssen die denaturierten Proteine oft einem Refoldingschritt unterzogen werden, um ihre korrekte Faltung und biologische Aktivität wiederherzustellen. Dies ist ebenfalls ein anspruchsvoller Schritt im Downstream Processing.

Insgesamt stellen Inclusion Bodies eine Herausforderung dar, wenn es um die Produktion von rekombinanten Proteinen geht. Es gibt jedoch verschiedene Strategien und Techniken, um mit diesen Herausforderungen umzugehen, einschließlich der Optimierung der Kultivierungsbedingungen, der Wahl geeigneter Expressionssysteme oder der Entwicklung von spezifischen Aufarbeitungsverfahren.

biotechnologischer Prozess, in dem von Zellen oder Enzymen unter kontrollierten Bedingungen biologische Substanzen umgewandelt, hergestellt oder abgebaut werden

Zunahme an Biomasse pro Zeiteinheit

Bis zu fünf grundlegende Aufgaben

• Homogenisieren

• Suspendieren

• Dispergieren

• Energie- und Stoffaustausch mit der Umgebung

• Sterilbarriere Bioreaktorgruppen

Einteilung nach Energieeintrag

• Mechanische Durchmischung: mechanisch bewegte Einbauten oder Schütteln

• Pneumatische Durchmischung: Expansion einer Gasphase

• Hydrodynamische Durchmischung: Kreislauf mit Pumpe

Beispiele:

-Rührkesselreaktor (Energieeintrag über mechanische bewegte Bauten) (unter anderem Single Use Biorector=SUB)

-Blasensäulereaktor (Energieeintrag über Gasexpansion)

-Festbett-, Fließbettreaktoren; Membranbioreaktoren; Gärtassenbioreaktor; Fotobioreaktoren; (Energieeintrag über Kreislauf mit Pumpe)

-Schüttelkolben und Mikrotiterplatten; Zylindrischer Einwegbioreaktor auf Schüttelmaschine; Wave Bioreaktor; Roller bottles (Bewegte Bioreaktoren)

-Parallelbioreaktorsysteme

-Bioreaktoren für das Tissue Engineering

-

a) Die Herstellung von komplexen Glykoproteinen, insbesondere für therapeutische Anwendungen, erfolgt häufig mittels Säugetierzellen und nicht mit "einfacheren" Organismen aus mehreren Gründen:

1. Post-translationale Modifikationen: Säugetierzellen, wie zum Beispiel die CHO-Zelllinie (Chinese Hamster Ovary), sind in der Lage, eine breite Palette von post-translationale Modifikationen durchzuführen, darunter Glykosylierungen. Glykosylierungen sind komplexe Prozesse, bei denen Kohlenhydratmoleküle (Zucker) an Proteine gebunden werden. Diese Glykosylierungen sind oft entscheidend für die korrekte Faltung, Stabilität und biologische Aktivität von Proteinen. Säugetierzellen haben ähnliche Glykosylierungsmuster wie menschliche Zellen, was wichtig ist, um Produkte herzustellen, die für den Menschen gut verträglich sind.

2. Korrekte Protein-Faltung: Die Proteinfaltung ist entscheidend für die Funktion von Proteinen. Säugetierzellen haben einen ähnlichen Protein-Faltungsapparat wie menschliche Zellen, was dazu beiträgt, dass die produzierten Proteine die richtige dreidimensionale Struktur annehmen.

3. Geringeres Risiko von Kontaminationen: Die Verwendung von Säugetierzellen reduziert das Risiko von Kontaminationen mit endotoxinähnlichen Substanzen im Vergleich zu bakteriellen Expressionssystemen wie Escherichia coli (E. coli). Endotoxine können bei therapeutischen Proteinen unerwünschte immunologische Reaktionen auslösen.

4. Mögliche Pathogenfreiheit: Säugetierzellen können unter Bedingungen kultiviert werden, die pathogenfrei sind, was wichtig ist, um sicherzustellen, dass die hergestellten Proteine frei von Kontaminationen mit humanpathogenen Organismen sind.

5. Komplexe Proteine mit mehreren Untereinheiten: Einige therapeutisch relevante Proteine, wie monoklonale Antikörper, sind komplexe Proteine mit mehreren Untereinheiten. Die Produktion solcher Proteine erfordert Zelllinien, die in der Lage sind, die verschiedenen Untereinheiten korrekt zu assemblieren.

Obwohl Säugetierzellen in der Produktion von komplexen Glykoproteinen bevorzugt werden, gibt es auch Bemühungen, alternative Expressionssysteme zu entwickeln oder zu optimieren, um Kosten zu reduzieren und die Effizienz der Proteinproduktion zu steigern. Dennoch bleiben Säugetierzellen oft die erste Wahl für die Herstellung von therapeutisch relevanten Glykoproteinen.

b) Reportergene sind spezielle Gene, die in molekularbiologischen und zellbiologischen Experimenten verwendet werden, um bestimmte Prozesse oder Ereignisse sichtbar oder nachweisbar zu machen. Diese Gene codieren für Proteine oder Enzyme, deren Expression oder Aktivität leicht nachverfolgt oder gemessen werden kann. Reportergene dienen mehreren Zwecken in der Forschung und sind besonders nützlich bei der Generierung von Zelllinien.

a) Ein Nährmedium, das Zusatzstoffe enthält, deren genaue chemische Zusammensetzung undefiniert ist, wird als "komplexes Nährmedium" bezeichnet. Im Gegensatz dazu steht ein "definiertes Nährmedium", das genau bekannte Mengen und Zusammensetzungen aller Bestandteile, einschließlich Kohlenstoffquellen, Stickstoffquellen, Mineralien und Spurenelemente, enthält.

b) Nach Wasserstoff und Sauerstoff haben Stickstoff (N) und Kohlenstoff (C) den höchsten Anteil in Nährmedien. Diese beiden Elemente sind entscheidende Bestandteile für das Wachstum und den Stoffwechsel von Mikroorganismen und Zellen. Stickstoff ist ein grundlegender Baustein von Aminosäuren, Nukleotiden und anderen wichtigen Biomolekülen. Kohlenstoff ist der zentrale Bestandteil organischer Verbindungen und bildet das Rückgrat von Molekülen wie Kohlenhydraten, Proteinen, Lipiden und Nukleinsäuren. Daher sind Stickstoff und Kohlenstoff in Nährmedien in Form von verschiedenen Verbindungen wie Aminosäuren, Peptiden, Zucker und organischen Salzen enthalten, um das Wachstum und die Vermehrung von Mikroorganismen und Zellen zu unterstützen.

a) expotentiell

b)maximal/linear

c) der vorherigen Wachstimsrate

a) Der Durchmesser des Rührers spielt eine wichtige Rolle bei der erforderlichen Rührerleistung in einem Mischprozess. Der Durchmesser des Rührers beeinflusst die Strömungsdynamik und den Mischprozess im Reaktor oder Behälter. Hier sind einige Aspekte, die den Zusammenhang zwischen dem Rührerdurchmesser und der erforderlichen Rührerleistung erklären:

1. Strömungsmuster: Ein größerer Rührerdurchmesser kann zu einem größeren Strömungsbereich führen. Dies beeinflusst die Strömungsmuster im Mischbehälter. Mit einem größeren Durchmesser kann der Rührer eine größere Fläche abdecken und eine gleichmäßigere Durchmischung im gesamten Behälter erreichen.

2. Durchmischungseffizienz: Ein größerer Rührerdurchmesser kann die Durchmischungseffizienz verbessern, insbesondere in großen Behältern. Er trägt dazu bei, dass das Mischgut gleichmäßig verteilt wird und verhindert tote Zonen, in denen das Mischgut nicht ausreichend durchmischt wird.

3. Erforderliche Leistung: Der Rührerdurchmesser beeinflusst die erforderliche Rührerleistung, die benötigt wird, um das Mischgut effektiv zu durchmischen. Größere Rührerdurchmesser erfordern in der Regel mehr Leistung, um eine ausreichende Strömung und Durchmischung im Behälter sicherzustellen.

4. Viskosität des Mischguts: Die Viskosität des Mischguts spielt ebenfalls eine Rolle. Bei hochviskosen Flüssigkeiten oder Suspensionen kann ein größerer Rührerdurchmesser erforderlich sein, um die erforderliche Rührleistung aufzubringen und das Mischgut effektiv zu durchmischen.

5. Rührer-Reynoldszahl: Die Rührer-Reynoldszahl, die das Verhältnis von Trägheitskräften zu Viskositätskräften beschreibt, hängt unter anderem vom Rührerdurchmesser ab. Eine angemessene Rührer-Reynoldszahl ist wichtig, um turbulente Strömungen zu erzeugen und eine effektive Durchmischung sicherzustellen.

Insgesamt lässt sich sagen, dass der Rührerdurchmesser eine wichtige Designvariable ist, die bei der Auswahl und Auslegung von Rührsystemen berücksichtigt werden muss. Eine sorgfältige Anpassung des Rührerdurchmessers an die spezifischen Anforderungen des Mischprozesses kann die Mischleistung optimieren und eine effiziente Durchmischung gewährleisten.

b) Die Reynolds-Zahl (Re) ist eine dimensionslose Größe, die das Verhältnis von Trägheitskräften zu Viskositätskräften in einer Strömung beschreibt. Sie spielt eine Rolle bei der Charakterisierung des Strömungsregimes und der Entstehung von Turbulenzen. Die Reynolds-Zahl wird durch die folgende Formel definiert.

Re=(ρ⋅v⋅L)/μ​

Hierbei steht ρ für die Dichte des Fluids, v für die Geschwindigkeit, L für eine charakteristische Länge (z. B. der Rührer- oder Rohrdurchmesser) und μ für die Viskosität des Fluids.

Wenn die Viskosität μ im Laufe der Fermentation zunimmt, hat dies einen Einfluss auf die Reynolds-Zahl. Die Reynolds-Zahl ist direkt proportional zur Geschwindigkeit und zur charakteristischen Länge und invers proportional zur Viskosität. Daher führt eine Zunahme der Viskosität zu einer Verringerung der Reynolds-Zahl, sofern die Geschwindigkeit und die charakteristische Länge konstant gehalten werden.

c) Zusätzlich zur Belüftung und der Bewegung des Rührers können verschiedene Einbauten innerhalb des Bioreaktors dazu beitragen, weitere Turbulenzen zu erzeugen. Diese Turbulenzen sind wichtig, um eine homogene Verteilung von Nährstoffen, Sauerstoff und Mikroorganismen im Reaktor sicherzustellen. Einige der Einbauten, die Turbulenzen fördern können, sind:

1. Drahtschlingen oder Baffles: Drahtschlingen oder Baffles sind flache, vertikale Platten, die am Reaktorinnenmantel befestigt sind. Sie können dazu beitragen, die Strömungsmuster zu beeinflussen und Turbulenzen zu erzeugen. Baffles verhindern auch, dass sich der Strudel des Rührers über den gesamten Reaktor erstreckt, und fördern so eine bessere Durchmischung.

2. Verwirbelungselemente: Spezielle Verwirbelungselemente oder Strömungsstörer können eingeführt werden, um die Strömungsdynamik zu beeinflussen. Dazu gehören beispielsweise Einsätze oder Strukturen, die in den Flüssigkeitsstrom eingeführt werden, um Wirbel oder Turbulenzen zu erzeugen.

3. Rohre oder Schächte: Das Hinzufügen von Rohren oder Schächten im Reaktor kann die Strömung beeinflussen und Verwirbelungen erzeugen. Diese Strukturen können so angeordnet sein, dass sie die Strömung leiten und zu einer besseren Durchmischung beitragen.

4. Zusätzliche Rührer oder Impeller: Neben dem Hauptrührer können zusätzliche Rührer oder Impeller in bestimmten Bereichen des Reaktors platziert werden, um lokale Turbulenzen zu erzeugen. Dies ist besonders nützlich in großen Bioreaktoren, um sicherzustellen, dass keine toten Zonen entstehen und alle Bereiche des Reaktors gut durchmischt sind.

5. Rohrleitungen und Zuführungen: Die Anordnung von Rohrleitungen und Zuführungen kann ebenfalls zur Erzeugung von Turbulenzen beitragen. Durch das strategische Platzieren von Einlässen und Auslässen kann die Strömung im Reaktor gesteuert und die Durchmischung verbessert werden.

Die genaue Konfiguration der Einbauten hängt von den spezifischen Anforderungen des jeweiligen Fermentationsprozesses ab. Durch gezielte Modifikationen und Optimierungen dieser Einbauten können Forscher und Ingenieure die Strömungsbedingungen im Bioreaktor anpassen, um eine optimale Umgebung für das Wachstum und die Produktion von Mikroorganismen oder Zellen zu schaffen.

a) Zellzahl N

Zellkonzentration x [g/cm3]

Inkubationszeit t

Generationszeit g: Zeit, die eine Zelle für eine Verdopplung braucht [h]

Teilungsrate 𝜈𝜈: 1 / Generationszeit g [h-1]

Spezifische Wachstumsrate µ: Zuwachs pro Zeit [h-1]

Maximale Wachstumsrate μmax: Wachstumsrate während der exponentiellen Phase

Verdopplungszeit td: Zeit, die die Gesamtzellzahl oder Zelldichte zur Verdopplung braucht [h]

b) ?

c)

d)

a) zu Aufbewahrung, Lagerung und Konservierung (langfristig)

b) In aeroben Kulturen ist die Phasengrenzfläche zwischen der Gasphase (Luft oder Sauerstoff) und der Flüssigkeitsphase (Kulturmedium) von entscheidender Bedeutung. Es handelt sich dabei um die Grenzfläche, an der der Sauerstoff aus der Gasphase in die Flüssigkeitsphase übergeht. Eine größere Phasengrenzfläche ermöglicht eine effizientere Sauerstoffübertragung in das Kulturmedium, was besonders wichtig für das Wachstum und den Stoffwechsel aerob lebender Organismen ist.

Ein häufiger Ansatz, um die Phasengrenzfläche zu erhöhen, besteht darin, die Oberfläche der Gasbläschen zu vergrößern. Dies kann durch verschiedene Methoden erreicht werden:

1. Erhöhung der Rührerdrehzahl: Durch eine Erhöhung der Rührerdrehzahl werden kleinere Gasbläschen erzeugt, die eine größere Phasengrenzfläche pro Volumeneinheit bieten. Dies führt zu einer verbesserten Sauerstoffübertragung in das Kulturmedium.

2. Verwendung von Mikroblasen: Die Verwendung von Mikroblasen, die deutlich kleiner sind als herkömmliche Gasbläschen, kann die Phasengrenzfläche weiter erhöhen. Mikroblasen haben eine größere Oberfläche im Verhältnis zu ihrem Volumen und bieten daher eine verbesserte Sauerstoffübertragung.

3. Einsatz von speziellen Rührsystemen: Spezielle Rührsysteme, wie z.B. Hohlwellen-Rührer oder Schafrührer, können entwickelt werden, um die Bildung von feinen Gasblasen zu fördern und somit die Phasengrenzfläche zu maximieren.

4. Verwendung von Gasdispersionsvorrichtungen: Der Einsatz von speziellen Vorrichtungen, die die Gasdispersion verbessern, wie z.B. Sparger oder Strahldüsen, trägt dazu bei, die Gasblasen gleichmäßig im Kulturmedium zu verteilen und die Phasengrenzfläche zu vergrößern.

5. Optimierung des Schaummanagements: Ein effizientes Schaummanagement ist wichtig, um den Schaum im Bioreaktor zu kontrollieren. Ein kontrolliertes Schaummanagement ermöglicht eine bessere Gasbläschenverteilung und verhindert unerwünschte Schaumbildung, die die Sauerstoffübertragung beeinträchtigen könnte.

Durch die Kombination dieser Ansätze kann eine optimale Phasengrenzfläche erreicht werden, um die Sauerstoffversorgung in aeroben Kulturen zu maximieren und somit das Wachstum und den Stoffwechsel der kultivierten Organismen zu fördern.

c) Bei einer Fed-Batch-Fermentation kann im Vergleich zur Batch-Fermentation eine höhere Produktausbeute erzielt werden. Dies liegt an der Möglichkeit, während des Fermentationsprozesses kontinuierlich zusätzliche Nährstoffe, Substrate oder andere essentielle Komponenten zuzuführen.

Die Geschwindigkeit an der Rührerspitze (vt​) kann durch die Formel für die Rührerdrehzahl (N) und den Rührerradius (R) berechnet werden:

vt​=2πNR

Daher erhöht sich die Geschwindigkeit an der Rührerspitze um den Faktor 3.

Erklärung: Die Geschwindigkeit an der Rührerspitze ist direkt proportional zum Produkt aus der Rührerdrehzahl und dem Rührerradius. Wenn der Radius um den Faktor 3 erhöht wird, multipliziert sich dieser Faktor mit der Rührerdrehzahl, was zu einer Verdreifachung der Geschwindigkeit an der Rührerspitze führt. Dies spiegelt die physikalische Beziehung zwischen Rührerdrehzahl und Rührergeometrie wider.

Der isoelektrische Punkt (pI) eines Proteins ist der pH-Wert, bei dem das Protein eine neutrale Nettoladung hat. Das bedeutet, dass die Anzahl der positiv geladenen Aminosäurereste im Protein gleich der Anzahl der negativ geladenen Aminosäurereste ist. An diesem Punkt ist das Protein im elektrischen Sinne neutral und zeigt daher keine Wanderung in einem elektrischen Feld.

Proteine bestehen aus Aminosäuren, von denen viele saure (negativ geladene) oder basische (positiv geladene) Gruppen enthalten. Die Nettoladung eines Proteins hängt vom pH-Wert der Umgebung ab. Proteine können in unterschiedlichem Maße positiv oder negativ geladen sein, je nachdem, ob der pH-Wert der Umgebung über oder unter ihrem isoelektrischen Punkt liegt.

Bei einer Präzipitation von Proteinen am isoelektrischen Punkt wird der pH-Wert der Lösung so eingestellt, dass er dem isoelektrischen Punkt des zu präzipitierenden Proteins entspricht. An diesem Punkt werden die Proteinmoleküle elektrisch neutral und haben die geringste Löslichkeit. Das führt dazu, dass die Proteine aus der Lösung präzipitieren und als Feststoff ausgefällt werden können.

Es ist wichtig zu beachten, dass der isoelektrische Punkt für jedes Protein unterschiedlich ist, da er von der spezifischen Aminosäurezusammensetzung des Proteins abhängt. Der isoelektrische Punkt kann durch Elektrophorese oder theoretische Berechnungen abgeschätzt werden.

b) Bei der Auswahl einer Filtrationsmembran mit einem Cut-Off von 8 kDa bedeutet dies, dass Moleküle mit einer Masse größer als 8 kDa (8.000 g/mol) im Retentat zurückgehalten werden, während Moleküle mit einer Masse kleiner als 8 kDa in das Permeat übergehen können.

Für das Insulin-Wirkstoffmolekül mit einer Masse von 5.700 g/mol liegt die Masse deutlich unter dem Cut-Off von 8 kDa. Daher wird das Insulin im Permeat vorliegen, da es die Membran passieren kann.

Hingegen haben die möglichen Endotoxinrückstände mit einer Masse von ca. 10.000 g/mol eine Masse, die über dem Cut-Off von 8 kDa liegt. Somit werden die Endotoxine im Retentat zurückgehalten und nicht ins Permeat gelangen.

Zusammenfassend:

• Insulin-Wirkstoff (M = 5.700 g/mol): Vorliegen im Permeat.

• Endotoxinrückstände (ca. 10.000 g/mol): Vorliegen im Retentat.

Die Auswahl der Filtrationsmembran mit einem Cut-Off von 8 kDa ermöglicht es, das gewünschte Insulin im Permeat zu behalten, während größere Moleküle, wie die Endotoxinrückstände, im Retentat zurückgehalten werden.

c) Die Größenausschlusschromatographie, auch als Gelfiltration oder Gelchromatographie bekannt, ist eine chromatographische Methode zur Trennung von Molekülen basierend auf ihrer Größe. Das Prinzip dieser Methode beruht auf der Verwendung eines porösen Gels als stationäre Phase, durch das die zu trennenden Moleküle diffundieren können. Die Trennung erfolgt aufgrund unterschiedlicher Durchdringungsfähigkeiten der Moleküle in das poröse Gel.

Ein Biobetter und ein Biosimilar sind beide Arten von Biopharmazeutika, aber sie unterscheiden sich in ihren Eigenschaften und ihrem regulatorischen Status:

1. Strukturelle und funktionelle Veränderungen:

   • Biobetter: Ein Biobetter ist ein Biopharmazeutikum, bei dem strukturelle und/oder funktionelle Veränderungen vorgenommen wurden, um eine verbesserte oder andere klinische Wirksamkeit im Vergleich zu einem bereits zugelassenen Referenzprodukt zu erreichen. Diese Veränderungen können beispielsweise Verbesserungen in der Halbwertszeit, Bioverfügbarkeit oder Zielgenauigkeit umfassen.

   • Biosimilar: Ein Biosimilar ist ein biologisches Arzneimittel, das strukturell ähnlich, aber nicht identisch mit einem bereits zugelassenen Referenzbiopharmazeutikum ist. Biosimilars sollen keine strukturellen Veränderungen gegenüber dem Referenzprodukt aufweisen und dennoch eine ähnliche Wirksamkeit, Sicherheit und Qualität bieten.

2. Entwicklungsprozess und Zulassung:

   • Biobetter: Die Entwicklung eines Biobetters erfordert in der Regel umfangreiche präklinische und klinische Studien, um die verbesserte oder unterschiedliche Wirksamkeit nachzuweisen. Der Zulassungsprozess kann dem eines neuartigen Arzneimittels ähneln.

   • Biosimilar: Der Entwicklungsprozess für Biosimilars ist darauf ausgerichtet, die strukturelle und funktionelle Ähnlichkeit zum Referenzprodukt zu demonstrieren. Der Zulassungsprozess für Biosimilars ist spezifisch für biologische Arzneimittel und erfordert eine umfassende Vergleichsstudie mit dem Referenzprodukt.

3. Patentschutz und Marktexklusivität:

   • Biobetter: Da ein Biobetter in der Regel strukturelle Veränderungen aufweist und möglicherweise als neues Arzneimittel betrachtet wird, kann es in einigen Fällen eigenständigen Patentschutz erhalten.

   • Biosimilar: Biosimilars werden normalerweise auf den Markt gebracht, nachdem der Patentschutz für das Referenzprodukt abgelaufen ist. Sie können jedoch in einigen Regionen zusätzlichen regulatorischen Schutz erhalten.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein Biobetter strukturelle und/oder funktionelle Veränderungen aufweist, um eine verbesserte oder unterschiedliche klinische Wirksamkeit zu erzielen, während ein Biosimilar darauf abzielt, eine ähnliche Struktur und Wirksamkeit wie das zugelassene Referenzprodukt zu haben. Der Entwicklungs- und Zulassungsprozess sowie die regulatorischen Anforderungen unterscheiden sich entsprechend.

Bei Stabilitätsuntersuchungen von Proteinarzneimitteln unter Stressbedingungen, die sich aus dem Herstellungsprozess, der Lagerung oder anderen Einflüssen ergeben können, sind zwei wichtige Parameter zu berücksichtigen:

1. Temperatur:

   • Hochtemperatureinwirkung: Die Auswirkungen von erhöhten Temperaturen auf die Stabilität des Proteins sollten untersucht werden. Dies kann beispielsweise simulieren, wie das Arzneimittel während des Transports oder bei unsachgemäßer Lagerung reagiert.

2. pH-Wert:

   • Änderung des pH-Werts: Der pH-Wert des Arzneimittels spielt eine entscheidende Rolle bei der Struktur und Stabilität von Proteinen. Untersuchungen sollten den Einfluss von Änderungen des pH-Werts auf die Proteinstruktur und -stabilität berücksichtigen. Dies könnte relevante Stressbedingungen wie pH-Schwankungen während des Herstellungsprozesses oder bei der Lagerung simulieren.

Die Untersuchung dieser Parameter hilft dabei, potenzielle Schwachstellen im Herstellungs- und Lagerprozess zu identifizieren und die Stabilität des Proteins unter realen Bedingungen zu bewerten.

a) weiß

b) Marine

a) Herstellungsweisen, Herkunft

b) Cephalosporin gehört zur Gruppe der β-Lactam-Antibiotika, die eine Unterklasse der β-Lactam-Antibiotika sind. Diese Gruppe umfasst Antibiotika, die strukturell einen β-Lactam-Ring enthalten. Der β-Lactam-Ring ist ein zyklisches Molekül, das für die antibakterielle Wirkung verantwortlich ist.

Innerhalb der β-Lactam-Antibiotika gibt es verschiedene Klassen, darunter Penicilline, Cephalosporine, Monobactame und Carbapeneme. Cephalosporine sind eine wichtige Klasse von Antibiotika, die gegen eine Vielzahl von bakteriellen Infektionen wirksam sind. Sie wurden aus dem Pilz Cephalosporium isoliert und haben eine ähnliche antibakterielle Wirkung wie Penicilline, da sie ebenfalls die Bildung der bakteriellen Zellwand hemmen. Cephalosporine haben jedoch einige strukturelle Unterschiede im Vergleich zu Penicillinen und können gegen einige Bakterienstämme wirksam sein, die gegen Penicilline resistent sind.

a) Lebendimpfstoffe

b) Der Tetanus-Impfstoff gehört zur Gruppe der Toxoidimpfstoffe. Toxoidimpfstoffe basieren auf abgeschwächten oder inaktiven Toxinen (Giften), die von bestimmten Bakterien produziert werden. Diese Toxine wurden so verändert, dass sie nicht mehr krankheitserregend sind, aber dennoch eine Immunantwort hervorrufen können.

a) 609 Basen = 203 Aminosäuren

b) Der Schritt der Proteinbiosynthese, bei dem auf Basis der mRNA ein Protein generiert wird, wird als Translation bezeichnet. Translation ist der Prozess, bei dem die genetische Information, die in der mRNA (messenger RNA) codiert ist, in eine Kette von Aminosäuren umgewandelt wird, um ein Protein zu bilden.

c) 203 Aminosäuren

a) Die Glykosylierung eines Proteins bezieht sich auf die posttranslationale Modifikation, bei der Kohlenhydratgruppen (Glykane) an das Protein angefügt werden. Diese Kohlenhydratketten können an spezifische Aminosäuren im Proteinmolekül gebunden sein und beeinflussen die Struktur, Stabilität, Funktion und Interaktionen des Proteins. Glykosylierung ist ein wichtiger und weitverbreiteter Prozess bei Eukaryoten, der auch bei einigen Prokaryoten vorkommen kann.

Es gibt zwei Haupttypen der Glykosylierung:

1. N-Glykosylierung: Hierbei werden die Kohlenhydratketten an Asparaginsäure-(Asn)-Resten im Proteinmolekül gebunden. Der Prozess beginnt im endoplasmatischen Retikulum (ER), wo eine vorläufige Glykanstruktur an das Protein angefügt wird. Diese Struktur wird später im Golgi-Apparat weiter modifiziert.

2. O-Glykosylierung: Hierbei werden die Kohlenhydratketten an die Hydroxygruppen von Serin-(Ser) oder Threonin-(Thr)-Resten gebunden. Die O-Glykosylierung erfolgt vor allem im Golgi-Apparat, nachdem das Protein das endoplasmatische Retikulum passiert hat.

Die Glykosylierung erfüllt verschiedene Funktionen:

• Stabilität und Faltung: Glykosylierung kann die Stabilität eines Proteins erhöhen und die korrekte Faltung unterstützen.

• Erkennung und Bindung: Die glykosylierten Regionen auf der Proteinoberfläche können als Erkennungssignale dienen und Wechselwirkungen mit anderen Proteinen oder Molekülen ermöglichen.

• Schutz vor Proteasomen: Glykosylierung kann Proteine vor dem Abbau durch Proteasomen schützen.

• Zelladhäsion und Zellerkennung: Glykosylierung spielt eine wichtige Rolle bei Zelladhäsion und Zellerkennung, insbesondere im Immunsystem.

Die genaue Natur der Glykosylierung hängt von der spezifischen Aminosäuresequenz des Proteins und dem Zelltyp ab. Abnormale Glykosylierung kann mit verschiedenen Krankheiten in Verbindung gebracht werden und wird in der Forschung und Medizin intensiv untersucht.

b)

Die Primärstruktur ist die lineare Anordnung der Aminosäuren in der Polypeptidkette.

Die Sekundärstruktur bezieht sich auf lokale dreidimensionale Muster oder Faltungen, die in bestimmten Abschnitten der Polypeptidkette auftreten.

a) Promoter

b)Stoppcodon (Terminatorcodon)

c) Ribosomenbindungstelle

Ein dominanter Marker oder ein dominantes Gen ist ein Gen, dessen phänotypisches Merkmal in einem heterozygoten Organismus (mit unterschiedlichen Allelen für das betreffende Gen) das phänotypische Merkmal des anderen Allels überdeckt oder "dominiert". Der Begriff "dominant" bedeutet in diesem Kontext, dass das Merkmal des dominanten Gens im Phänotyp überwiegt und sichtbar wird, selbst wenn nur ein Allel des dominanten Gens vorhanden ist. => vermitteln Resistenz gegen eine Substanz im Medium)

a) Bei der Entwicklung von Säugerzelllinien für die Produktion von rekombinanten Proteinen, insbesondere für die Herstellung von monoklonalen Antikörpern (MAK) oder anderen biopharmazeutischen Proteinen, wird in der Regel die stabile Expression angestrebt. Die stabile Expression zeichnet sich durch die Integration des fremden Gens (z.B. für das zu produzierende Protein) in das Genom der Zellen aus. Im Gegensatz dazu steht die transiente Expression, bei der das fremde Gen vorübergehend in die Zellen eingebracht wird, ohne dass es in das Zellgenom integriert wird.

b) Reportergene sind spezielle Gene, die in molekularbiologischen und zellbiologischen Studien verwendet werden, um die Expression von Proteinen oder die Aktivität von Promotoren zu verfolgen und zu messen. Sie dienen als Markierungen oder Reporter, die es ermöglichen, bestimmte zelluläre Prozesse oder Genaktivitäten zu verfolgen.

c) Die Verwendung von Säugerzellen als Produzenten von biopharmazeutischen Produkten in Fermentationsprozessen stellt einige Herausforderungen dar. Hier sind zwei wichtige Herausforderungen, die bei der Auslegung der Fermentationsbedingungen berücksichtigt werden müssen:

1. Sauerstoffbedarf und Scherstress:

   • Herausforderung: Säugerzellen benötigen für optimales Wachstum und Proteinexpression ausreichende Mengen an Sauerstoff. Gleichzeitig sind sie empfindlich gegenüber Scherstress, der während des Rührvorgangs im Bioreaktor entstehen kann. Hohe Rührer- und Belüftungsraten können zu mechanischem Stress führen und die Zellen schädigen.

   • Bewältigung: Die Fermentationsbedingungen müssen so gestaltet werden, dass ein ausreichender Sauerstofftransfer gewährleistet ist, ohne die Zellen übermäßig zu belasten. Dies kann durch die Optimierung von Rühr- und Belüftungsraten, den Einsatz von speziellen Rührern oder die Verwendung von Gaskontrollsystemen erreicht werden.

2. Nährstoffe und Medienzusammensetzung:

   • Herausforderung: Säugerzellen benötigen eine komplexe Nährstoffzusammensetzung, einschließlich essentieller Aminosäuren, Vitamine und Spurenelemente. Die genaue Zusammensetzung des Kulturmediums kann einen erheblichen Einfluss auf die Produktivität und Qualität des biopharmazeutischen Produkts haben.

   • Bewältigung: Die Fermentationsmedien müssen sorgfältig formuliert und optimiert werden, um den spezifischen Nährstoffbedarf der Säugerzellen zu erfüllen. Dies kann die Verwendung von definierten Medien oder die Zugabe von Serum, Hefeextrakt und anderen komplexen Komponenten umfassen. Die Kontrolle von Glukose- und Laktatkonzentrationen ist ebenfalls wichtig, um Stoffwechselprobleme zu vermeiden.

Die Berücksichtigung dieser Herausforderungen ist entscheidend, um optimale Fermentationsbedingungen für die Produktion von biopharmazeutischen Produkten mit Säugerzellen zu schaffen. Eine präzise Steuerung von Sauerstoffversorgung, Scherstress, Nährstoffzusammensetzung und anderen Parametern trägt dazu bei, eine effiziente und qualitativ hochwertige Proteinexpression zu gewährleisten.

Ein definiertes oder synthetisches Nährmedium bietet mehrere Vorteile gegenüber einem komplexen oder technischen Nährmedium aus GMP (Good Manufacturing Practice)-Sicht, insbesondere in der biopharmazeutischen Produktion. Hier sind einige der wesentlichen Vorteile:

1. Reproduzierbarkeit und Konsistenz:

   • Definiertes Nährmedium: Ein synthetisches Nährmedium besteht aus genau definierten chemischen Komponenten und Konzentrationen. Dies ermöglicht eine präzise Reproduzierbarkeit von Batch zu Batch und eine bessere Kontrolle über die Zusammensetzung des Mediums.

   • Komplexes Nährmedium: Bei technischen Nährmedien, die oft tierische Komponenten oder komplexe Extrakte enthalten, kann die Zusammensetzung variieren und schwer genau zu reproduzieren sein. Definierte Medien bieten daher eine höhere Konsistenz, was für die Produktion von biopharmazeutischen Produkten entscheidend ist.

2. Vermeidung von Kontaminationsrisiken:

   • Definiertes Nährmedium: Synthetische Medien können genau kontrollierte und steril hergestellte chemische Komponenten enthalten, was das Risiko von Kontaminationen durch unbekannte Mikroorganismen minimiert.

   • Komplexes Nährmedium: Technische Medien, die tierische Bestandteile enthalten, können potenziell Kontaminationsrisiken durch Viren oder andere Pathogene bergen, die schwerer zu überwachen und zu kontrollieren sind.

3. Regulatorische Compliance und GMP-Anforderungen:

   • Definiertes Nährmedium: Ein definiertes Nährmedium erleichtert oft die Einhaltung von GMP-Richtlinien, da die genaue Kenntnis der verwendeten Komponenten und ihre spezifische Herstellung leichter dokumentiert werden können.

   • Komplexes Nährmedium: Die Verwendung von komplexen oder technischen Medien kann zusätzliche Herausforderungen bei der Dokumentation und Überwachung mit sich bringen, insbesondere wenn tierische Komponenten oder komplexe Extrakte involviert sind.

4. Kostenkontrolle und Skalierbarkeit:

   • Definiertes Nährmedium: Die genaue Kenntnis der chemischen Komponenten ermöglicht eine bessere Kontrolle der Kosten und erleichtert die Skalierbarkeit des Produktionsprozesses.

   • Komplexes Nährmedium: Technische Medien, die komplexe Bestandteile enthalten, können teurer sein und Schwierigkeiten bei der Skalierbarkeit mit sich bringen, da die Verfügbarkeit und Kosten dieser Bestandteile variieren können.

Insgesamt bieten definierte oder synthetische Nährmedien aus GMP-Sicht eine präzisere und besser kontrollierbare Umgebung für die Produktion von biopharmazeutischen Produkten, was in regulatorischer Hinsicht und für die Qualitätssicherung von entscheidender Bedeutung ist.

=0 => stationäre Phase

<0 => Absterbephase

>0 => Logarithmische Phase

a) Die Reynolds-Zahl (Re) ist eine dimensionslose Zahl in der Fluidmechanik, die das Verhältnis von Trägheitskräften zu Viskositätskräften in einem Strömungssystem beschreibt. In einem Bioreaktor hängt die Reynolds-Zahl von der Rührerdrehzahl, dem Rührerdurchmesser, der Dichte des Mediums und der Viskosität des Mediums ab. Die Reynoldszahl kann mit folgender Formel berechnet werden:

Die Beziehung zur Rührerdrehzahl ist also direkt proportional. Das bedeutet, dass eine Erhöhung der Rührerdrehzahl zu einer Erhöhung der Reynolds-Zahl führt, vorausgesetzt, alle anderen Parameter bleiben konstant.

Die Reynolds-Zahl ist wichtig, um den Übergang zwischen laminarer und turbulenter Strömung in einem Bioreaktor zu charakterisieren. In der laminaren Strömung dominieren die Viskositätskräfte, während in der turbulenten Strömung die Trägheitskräfte überwiegen. Eine angemessene Kontrolle der Reynolds-Zahl ist wichtig, um optimale Mischbedingungen im Bioreaktor aufrechtzuerhalten, ohne die Zellen durch übermäßigen Scherstress zu schädigen. In biotechnologischen Prozessen wird oft eine laminare Strömung bevorzugt, um Scherstress auf die empfindlichen Zellen zu minimieren.

b) Die Einleitung von Luft oder einem anderen Gas unterhalb der Rührorgane in Rührkesselreaktoren dient dazu, eine effiziente Belüftung und Durchmischung des Reaktorinhalts zu erreichen. Dies hat mehrere Gründe:

1. Effiziente Sauerstoffübertragung: Bei biotechnologischen Prozessen, insbesondere in der Fermentation von Mikroorganismen für die Produktion von biopharmazeutischen Produkten, ist die Sauerstoffversorgung der Zellen entscheidend. Die Einleitung von Luft unterhalb der Rührorgane ermöglicht eine effiziente Sauerstoffübertragung in das Medium. Die Blasen steigen durch das Medium nach oben und bieten dabei eine große Oberfläche für den Gasaustausch.

2. Vermeidung von Schaumbildung: Die Einleitung von Luft unterhalb der Rührorgane trägt dazu bei, die Bildung von Schaum zu minimieren. Bei einigen biotechnologischen Prozessen kann Schaumbildung problematisch sein, da Schaum die Belüftung behindern und zu unerwünschten mechanischen Belastungen der Zellen führen kann. Durch das Einleiten von Luft unterhalb der Rührorgane wird eine effektive Unterdrückung von Schaumbildung erreicht.

3. Homogene Durchmischung: Die Einleitung des Gases unterhalb der Rührorgane fördert eine homogene Durchmischung des Reaktorinhalts. Die aufsteigenden Blasen erzeugen Aufwärtsströmungen und verbessern die Durchmischung im Reaktor. Eine homogene Durchmischung ist wichtig, um gleichmäßige Bedingungen für die Zellen im gesamten Reaktor sicherzustellen.

4. Vermeidung von Scherstress: Das Einleiten des Gases unterhalb der Rührorgane hilft dabei, Scherstress auf die Zellen zu minimieren. Die Strömung der aufsteigenden Blasen erzeugt eine relativ sanfte Bewegung im Vergleich zu einem direkten Einleiten des Gases an der Oberfläche, was wichtig ist, um die Integrität von empfindlichen Zellen zu erhalten.

Insgesamt ermöglicht die Einleitung von Luft unterhalb der Rührorgane in Rührkesselreaktoren eine optimale Belüftung, Sauerstoffversorgung und Durchmischung, wodurch die Effizienz biotechnologischer Prozesse verbessert und die Qualität der produzierten biopharmazeutischen Produkte sichergestellt wird.

c) Single-Use-Bioreaktoren bieten mehrere Vorteile hinsichtlich Patientensicherheit in der biopharmazeutischen Produktion. Hier sind einige der wichtigsten Aspekte:

1. Vermeidung von Kreuzkontaminationen:

   • Vorteil: Durch den Einsatz von Single-Use-Bioreaktoren wird das Risiko von Kreuzkontaminationen zwischen verschiedenen Produktionschargen minimiert. Da die Bioreaktoren nach jeder Verwendung verworfen werden, besteht keine Notwendigkeit für aufwändige Reinigungsprozesse, die potenziell Kontaminationsrisiken mit sich bringen könnten.

2. Eliminierung des Reinigungsvalidierungsbedarfs:

   • Vorteil: Die Reinigung und Validierung von Bioreaktoren in herkömmlichen Anlagen erfordert umfangreiche Dokumentation und Zeit. Single-Use-Bioreaktoren eliminieren diesen Bedarf, da sie nach Gebrauch verworfen werden. Dies vereinfacht den Produktionsprozess und reduziert das Risiko von Validierungsfehlern.

3. Schnellere Chargenwechsel und Flexibilität:

   • Vorteil: Die Verwendung von Single-Use-Systemen ermöglicht schnellere Chargenwechsel, da keine aufwändige Reinigung und Sterilisation erforderlich ist. Dies erhöht die Flexibilität bei der Produktion verschiedener Produkte und reduziert die Stillstandszeiten zwischen den Chargen.

4. Geringeres Risiko von Kontaminationen durch Materialien:

   • Vorteil: Single-Use-Bioreaktoren bestehen aus biokompatiblen Materialien, die sorgfältig auf ihre Verträglichkeit mit den hergestellten biopharmazeutischen Produkten geprüft werden. Dadurch wird das Risiko von Kontaminationen durch Partikel oder Rückstände aus Materialien minimiert.

5. Verbesserte Prozessüberwachung und -kontrolle:

   • Vorteil: Die Integration von Einwegsensoren und Steuerungssystemen in Single-Use-Bioreaktoren ermöglicht eine präzise Überwachung und Kontrolle der Prozessparameter. Dies trägt zur Sicherheit und Konsistenz der Produktqualität bei.

6. Reduzierung des Risikos von menschlichen Fehlern:

   • Vorteil: Da Single-Use-Bioreaktoren als vorkonfektionierte Systeme geliefert werden, wird das Risiko von menschlichen Fehlern bei der Montage und Verwendung minimiert. Dies trägt dazu bei, dass die Produktionsprozesse zuverlässig und gemäß den GMP-Richtlinien durchgeführt werden.

Insgesamt tragen Single-Use-Bioreaktoren dazu bei, die Patientensicherheit zu verbessern, indem sie das Risiko von Kontaminationen, menschlichen Fehlern und Kreuzkontaminationen reduzieren. Diese Vorteile sind besonders wichtig in der biopharmazeutischen Produktion, wo höchste Qualitäts- und Sicherheitsstandards gelten.

a) 1/s

b) In der Monod-Kinetik beschreibt die Sättigungskonstante (KS​) das Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit des Substratabbaus und der Substratkonzentration in einem biologischen System, insbesondere in mikrobiellen Wachstumsprozessen. Die Monod-Gleichung lautet:

Hierbei steht μ für die Wachstumsrate, μmax​ für die maximale spezifische Wachstumsrate, [Substrat][Substrat] für die Substratkonzentration und KS​ für die Sättigungskonstante.

Die Sättigungskonstante (KS​) repräsentiert die Substratkonzentration, bei der die Wachstumsrate die Hälfte der maximalen spezifischen Wachstumsrate erreicht. Mathematisch ausgedrückt, wenn die Substratkonzentration gleich KS​ ist, dann ist die Wachstumsrate genau die Hälfte von (\mu_{\text{max}}).

Ein niedriger KS​ bedeutet, dass die Mikroorganismen bereits bei niedrigen Substratkonzentrationen eine hohe Wachstumsrate aufrechterhalten können, während ein höheres KS​ darauf hinweist, dass höhere Substratkonzentrationen benötigt werden, um die halbe maximale Wachstumsrate zu erreichen.

Zusammengefasst: Je kleiner die Sättigungskonstante (KS​), desto effizienter können Mikroorganismen bei niedrigen Substratkonzentrationen wachsen, und je größer KS​, desto höher muss die Substratkonzentration sein, um die gleiche Wachstumsrate zu erreichen.

c) keine

Typ II

Bei der Herstellung von Backhefe, bei der die Hefe selbst das Endprodukt ist, handelt es sich um eine sogenannte Biomasse- oder Zellproduktion. Die Hefe wird kultiviert und vermehrt, um eine große Menge an Hefezellen zu produzieren, die dann als Produkt verwendet wird

Die Vorbereitung eines SIP (Steril-in-Place)-fähigen Bioreaktors nach Beendigung des CIP (Cleaning-in-Place)-Verfahrens erfordert spezifische Schritte, um sicherzustellen, dass der Bioreaktor vollständig gereinigt und anschließend sterilisiert ist. Hier sind einige wichtige Schritte zur Vorbereitung:

1. Spülung und Entleerung:

   • Vor der Sterilisation muss der Bioreaktor gründlich gespült und entleert werden, um alle Rückstände des vorherigen Reinigungsprozesses zu entfernen. Dies schließt auch die Entfernung von Reinigungsmitteln und Rückständen aus dem CIP-Prozess ein.

2. Überprüfung der Dichtungen und Verbindungen:

   • Alle Dichtungen, Verbindungen und Ventile müssen sorgfältig überprüft werden, um sicherzustellen, dass sie in gutem Zustand sind und ordnungsgemäß funktionieren. Undichtigkeiten können zu Sterilitätsproblemen führen.

3. Einbringen von Sterilisationsmedium:

   • Nach dem CIP-Prozess muss das Sterilisationsmedium (z. B. Dampf oder Heißluft) in den Bioreaktor eingeführt werden. Dies erfolgt in der Regel über spezielle Einlässe und Leitungen, um eine gleichmäßige Verteilung sicherzustellen.

4. Temperatur- und Druckkontrolle:

   • Die Temperatur und der Druck während des Sterilisationsprozesses müssen überwacht und kontrolliert werden, um sicherzustellen, dass sie den sterilisierenden Bedingungen entsprechen. Dies ist entscheidend, um alle Mikroorganismen im System abzutöten.

5. Sterilisation der Bioreaktorkomponenten:

   • Nicht nur der Bioreaktor selbst, sondern auch alle relevanten Komponenten wie Rührer, Sensoren und Einlassleitungen müssen während des SIP-Prozesses sterilisiert werden. Dies stellt sicher, dass das gesamte System steril ist.

6. Haltezeit und Überprüfung:

   • Die Sterilisationszeit (Haltezeit) muss ausreichend sein, um eine vollständige Abtötung aller Mikroorganismen zu gewährleisten. Nach Abschluss des SIP-Prozesses wird das System auf Sterilität überprüft, um sicherzustellen, dass die Anforderungen erfüllt sind.

Die Vorbereitung eines SIP-fähigen Bioreaktors nach dem CIP-Verfahren ist entscheidend, um sicherzustellen, dass der Bioreaktor vor dem nächsten Produktionszyklus steril ist und die Integrität des Produktionsprozesses gewährleistet ist.

a) Temperatur

b) Der kLa-Wert (volumetrischer Sauerstoffübertragungskoeffizient) in Rührkesselreaktoren kann auf verschiedene Weisen gesteigert werden, um eine effizientere Sauerstoffübertragung zu erreichen. Neben der Erhöhung der Rührerdrehzahl, die die Gas-Flüssigkeits-Oberflächenbewegung beeinflusst, gibt es weitere Aspekte, die berücksichtigt werden können:

1. Erhöhung des Belüftungsvolumens:

   • Eine offensichtliche Methode, den kLa-Wert zu steigern, ist die Erhöhung des Volumens des eingeblasenen Gases (normalerweise Luft oder Sauerstoff). Dies kann durch Anpassung der Belüftungsraten oder durch den Einsatz von Systemen mit höherer Gaseinlassleistung erreicht werden.

2. Optimierung der Blasengröße:

   • Die Größe der eingeblasenen Gasblasen kann einen erheblichen Einfluss auf die Sauerstoffübertragung haben. Durch den Einsatz von speziellen Rührerdesigns oder Gasverteilersystemen kann die Blasengröße optimiert werden, um die Gas-Flüssigkeits-Oberfläche zu vergrößern.

3. Verbesserung der Rührer- und Sparger-Geometrie:

   • Die Auswahl und Optimierung der Rührer- und Sparger-Geometrie kann die Fluidbewegung und den Gasaustritt im Reaktor beeinflussen. Effektive Rührerdesigns und Sparger-Layouts können die Sauerstoffübertragung verbessern.

4. Erhöhung des Drucks:

   • Die Erhöhung des Drucks im Bioreaktor kann die Löslichkeit von Sauerstoff im Medium erhöhen. Dies führt zu einer höheren Konzentration von gelöstem Sauerstoff und trägt zur Verbesserung der Sauerstoffübertragung bei.

5. Verwendung von Sauerstoff anstelle von Luft:

   • Die Verwendung von reinem Sauerstoff anstelle von Luft als Gasquelle kann die Sauerstoffkonzentration im Gas erhöhen und somit die Sauerstoffübertragungseffizienz verbessern.

6. Optimierung der Mediumzusammensetzung:

   • Die Zusammensetzung des Kulturmediums, einschließlich der Konzentration von gelösten Gasen, kann die Sauerstoffaufnahme beeinflussen. Die Optimierung der Mediumzusammensetzung kann die Sauerstoffübertragung optimieren.

Die genaue Optimierung hängt von den spezifischen Anforderungen des Fermentationsprozesses und den Charakteristika des zu produzierenden Produkts ab. Durch die Berücksichtigung dieser Aspekte kann der kLa-Wert in Rührkesselreaktoren verbessert werden, um optimale Wachstumsbedingungen für die Mikroorganismen zu schaffen.

c) Die Anzucht von Vorkulturen (auch als Vorinokulum oder Seed-Train bezeichnet) vor dem Einsatz in einem finalen Produktionsbioreaktor ist eine gängige Praxis in der biotechnologischen Produktion. Diese Vorkulturen dienen dazu, eine ausreichende Menge an gesunden und vitalen Zellen zu produzieren, bevor sie in den Hauptbioreaktor überführt werden. Hier sind einige wichtige Aspekte, die dabei beachtet werden müssen:

1. Inokulum-Größe und -Zustand:

   • Die Größe und der Zustand des Inokulums, das in den Vorkulturen verwendet wird, sind entscheidend. Ein ausreichend großes Inokulum ist notwendig, um eine hohe Zelldichte zu erreichen. Die Zellen sollten gesund und in einer geeigneten Wachstumsphase sein.

2. Aseptische Bedingungen:

   • Aseptische Bedingungen müssen während des gesamten Vorkulturprozesses aufrechterhalten werden, um Kontaminationen zu verhindern. Sterile Techniken und Umgebungen sind unerlässlich, um die Qualität und Reinheit der Zellkultur zu gewährleisten.

3. Medienzusammensetzung und Nährstoffe:

   • Die Zusammensetzung des Kulturmediums in den Vorkulturen sollte so optimiert sein, dass sie die Zellproliferation unterstützt. Die richtige Menge an Nährstoffen, einschließlich Kohlenstoff-, Stickstoff- und Spurenelementen, ist wichtig.

4. Überwachung und Kontrolle der Prozessparameter:

   • Wesentliche Prozessparameter wie pH-Wert, Gelöstsauerstoffgehalt (DO), Temperatur und Rührerleistung müssen sorgfältig überwacht und gesteuert werden, um optimale Bedingungen für das Zellwachstum sicherzustellen.

5. Erhaltung der genetischen Stabilität:

   • Die genetische Stabilität der Zellen sollte während der Vorkultur aufrechterhalten werden. Dies ist besonders wichtig bei der Kultivierung von Zelllinien für die Produktion von biopharmazeutischen Produkten.

6. Anpassung an den Hauptbioreaktor:

   • Die Zellen sollten schrittweise an die Bedingungen des finalen Produktionsbioreaktors angepasst werden. Dies umfasst möglicherweise die schrittweise Erhöhung der Volumina, die Optimierung der Sauerstoff- und Nährstoffversorgung sowie die Kontrolle anderer Prozessparameter.

7. Kryokonservierung (optional):

   • Zur langfristigen Lagerung und Wiederherstellung der Zelllinie können die Zellen vor der Verwendung im Hauptbioreaktor kryokonserviert werden.

Die sorgfältige Planung und Durchführung der Vorkulturen sind entscheidend, um einen erfolgreichen und reproduzierbaren Produktionsprozess im finalen Bioreaktor zu gewährleisten. Dieser Ansatz trägt dazu bei, eine hohe Zelldichte, Produktivität und Produktqualität sicherzustellen.

(a) Das beschriebene Fermentationsverfahren, bei dem das Medium nur zum Teil vorgelegt wird und während der Fermentation Zufütterungen erfolgen, wobei das Reaktionsvolumen zunimmt, wird als "Fed-Batch-Fermentation" bezeichnet.

(b) Die Fed-Batch-Fermentation ermöglicht einen besseren Umgang mit der Substratinhibierung. In einem Fed-Batch-System wird das Substrat (Nährmedium) schrittweise zugeführt, was dazu beiträgt, die Konzentrationen von Substraten und Nebenprodukten in einem akzeptablen Bereich zu halten. Dies ist besonders wichtig bei Substanzen, die bei höheren Konzentrationen hemmende Effekte auf den Fermentationsprozess haben könnten. Durch die kontrollierte Zugabe von Nährstoffen kann die Hemmung reduziert werden, und die Zellen können in einer Umgebung mit optimalen Bedingungen für Wachstum und Produktbildung gedeihen.

(a) Probleme/Konsequenzen von Inclusion Bodies für das Downstream Processing bei einer biopharmazeutischen Produktion mit E. coli:

1. Schwierige Produktgewinnung:

   • Inclusion Bodies sind aggregierte Proteine, die oft schwer löslich sind. Die Extraktion und Aufreinigung des gewünschten Proteins aus diesen Einschlusskörpern kann technisch anspruchsvoll sein. Die Wiederaufarbeitung kann zeitaufwendig und komplex sein.

2. Reinigungsaufwand:

   • Die Inclusion Bodies können eine Mischung aus Zielprotein, Verunreinigungen und zellulären Komponenten enthalten. Die Reinigung und Aufreinigung des Proteins aus dieser Matrix erfordert zusätzliche Schritte und Techniken, was den Reinigungsaufwand erhöht.

(b) Cut-off einer Filtrationsmembran von 1000 Dalton:

Der Cut-off einer Filtrationsmembran bezieht sich auf die maximale Molekülgröße, die die Membran passieren kann. Eine Membran mit einem Cut-off von 1000 Dalton lässt Moleküle mit einer Masse von bis zu 1000 Dalton passieren, während größere Moleküle zurückgehalten werden. Diese Information ist wichtig, um die Selektivität und Anwendbarkeit der Membran für bestimmte Trenn- und Filtrationsprozesse zu verstehen.

(c) Ablösen des Produkts von der stationären Phase bei chromatographischen Verfahren:

Das Ablösen des Produkts von der stationären Phase bei chromatographischen Verfahren wird als "Elution" bezeichnet. Elution ist der Prozess, bei dem das zuvor adsorbierte Produkt von der stationären Phase (z. B. einem Chromatographiesäulenmaterial) unter Verwendung eines Elutionsmittels oder Lösungsmittels abgelöst wird. Durch die Variation von Elutionsbedingungen wie pH-Wert, Ionenstärke oder der Zugabe von spezifischen Elutionspuffern können unterschiedliche Moleküle selektiv eluiert werden. Dieser Schritt ermöglicht die Isolierung und Gewinnung des gewünschten Produkts aus dem chromatographischen System.

(a) Zweck der Trocknung eines biopharmazeutischen Wirkstoffs:

Die Trocknung eines biopharmazeutischen Wirkstoffs erfüllt mehrere wichtige Zwecke:

1. Stabilisierung des Wirkstoffs:

   • Die Trocknung trägt zur Stabilisierung des biopharmazeutischen Wirkstoffs bei, indem sie die Wasseraktivität reduziert und so die Gefahr der Proteinaggregation, Denaturierung oder chemischen Zersetzung verringert.

2. Lagerfähigkeit:

   • Getrocknete Wirkstoffe haben oft eine längere Lagerfähigkeit, da die Anfälligkeit für mikrobiellen Verderb und chemische Reaktionen bei niedriger Feuchtigkeit abnimmt.

3. Erleichterung der Formulierung:

   • Getrocknete Wirkstoffe lassen sich leichter in verschiedene Arzneiformen formulieren, wie zum Beispiel Tabletten, Pulver zur Rekonstitution oder Trockensäfte.

4. Transport und Handhabung:

   • Getrocknete Produkte sind leichter und einfacher zu transportieren als flüssige oder gefrorene Formulierungen. Dies erleichtert den logistischen Prozess und verringert das Risiko von Beschädigungen.

(b) Berechnung des Gesamtabreicherungsfaktors:

Der Gesamtabreicherungsfaktor wird durch die Multiplikation der Abreicherungsfaktoren für jeden Schritt im Downstream Processing berechnet. Der Abreicherungsfaktor (��AF) ist definiert als das Verhältnis der Konzentration des Kontaminanten vor einem bestimmten Schritt zur Konzentration nach diesem Schritt.

Gegebene Werte:

• Kontaminationsanteil vor dem Downstream Processing: 10%

• Zielwert nach Abschluss aller Aufreinigungsschritte: 100 ppm

Berechnung: Kontaminationsanteil vor dem ProzessZielwert nach dem Prozess AF=Zielwert nach dem ProzessKontaminationsanteil vor dem Prozess​

10%100 ppm=0,0001AF=100ppm10%​=0,0001

Der Primärstoffwechsel eines Organismus bezieht sich auf eine Gruppe grundlegender metabolischer Prozesse, die für das Überleben, das Wachstum und die grundlegenden Lebensfunktionen des Organismus essentiell sind. Diese metabolischen Prozesse betreffen hauptsächlich die Umwandlung von Nährstoffen in Energie und die Synthese von Molekülen, die für den Zellaufbau und die Aufrechterhaltung lebenswichtiger Funktionen erforderlich sind. Der Primärstoffwechsel umfasst typischerweise biochemische Reaktionen, die in den meisten Zellen konserviert sind und grundlegende Stoffwechselwege wie Glykolyse, Citratzyklus, Atmungskette und Fettsäuresynthese einschließen.

(a) Zwei Schritte innerhalb einer Zelle, um aus DNA Proteine zu generieren:

1. Transkription: Bei der Transkription wird die genetische Information von der DNA in eine mRNA (messenger RNA) umgeschrieben. Dieser Schritt erfolgt im Zellkern bei Eukaryoten und im Zytoplasma bei Prokaryoten.

2. Translation: Die Transkription erfolgt an den Ribosomen, wo die mRNA als Vorlage für die Synthese von Proteinen dient. Bei der Translation werden die genetischen Informationen in der mRNA in die Aminosäuresequenz eines Proteins umgewandelt.

(b) Grundlegender Unterschied zwischen pro- und eukaryotischen Expressionssystemen:

Ein grundlegender Unterschied liegt in der Lokalisation der Transkription und Translation:

• Prokaryotische Expressionssysteme (z.B. in Bakterien): Die Transkription und Translation finden im selben Raum, dem Zytoplasma, statt. Die mRNA wird direkt vom Ribosom übersetzt, während sie noch transkribiert wird.

• Eukaryotische Expressionssysteme (z.B. in Hefen, Säugerzellen): Die Transkription erfolgt im Zellkern, und die mRNA wird nach ihrer Synthese ins Zytoplasma transportiert, wo die Translation an den Ribosomen stattfindet. Es gibt eine räumliche Trennung zwischen Transkription und Translation.

(c) Transiente Expression:

Die transiente Expression bezieht sich auf die vorübergehende, zeitlich begrenzte Expression eines Gens in einer Zelle. Dies geschieht durch die Einführung von fremder DNA (z.B. Plasmide) in die Zelle, die dann für eine begrenzte Zeit exprimiert wird. Im Gegensatz dazu steht die stabile Expression, bei der das fremde Gen in das Genom der Zelle integriert wird und dauerhaft exprimiert wird. Die transiente Expression wird oft für schnelle und vorübergehende Produktion von Proteinen verwendet, ohne das Genom der Zelle dauerhaft zu verändern. Dieser Ansatz ist besonders nützlich für Forschungszwecke, die Produktion von Forschungsreagenzien oder die schnelle Evaluierung von Genfunktionen.

(a) Eine Bakterien-Gattung, die als Antibiotikaproduzent stark gefragt ist, ist Streptomyces. Streptomyces-Bakterien sind Gram-positiv und bilden eine breite Palette von Antibiotika mit unterschiedlichen Wirkungsweisen.

(b) Ein Naturstoff aus einer Arzneipflanze, der für medizinische Zwecke zum Einsatz kommt, ist das Morphin. Morphine werden aus dem Schlafmohn (Papaver somniferum) gewonnen und haben schmerzlindernde Eigenschaften. Morphine werden häufig als Schmerzmittel in der Medizin eingesetzt.

(a) Zwei Vorteile von Bakterien als Produzenten für biopharmazeutische Produkte:

1. Schnelles Wachstum: Bakterien, insbesondere Escherichia coli (E. coli), haben kurze Generationszeiten und können sich schnell vermehren. Dies ermöglicht eine rasche Produktion großer Mengen von biopharmazeutischen Produkten.

2. Einfache Kultivierung: Bakterien können in einfachen Kultivierungsmedien kultiviert werden. Die Kultivierung von Bakterien ist kostengünstig und erfordert weniger komplexe Kultivierungsbedingungen im Vergleich zu eukaryotischen Zellen.

(b) Nachteil von Bakterien als Produzenten: Posttranslationale Modifikationen werden nur sehr unzureichend ausgeführt. Posttranslationale Modifikationen sind wichtig, weil:

• Biologische Aktivität: Posttranslationale Modifikationen wie Glykosylierung und Phosphorylierung beeinflussen die biologische Aktivität von Proteinen. Fehlende oder unzureichende Modifikationen können die Funktion und Stabilität des Proteins beeinträchtigen.

• Immunogenität: Posttranslationale Modifikationen beeinflussen die Immunogenität eines Proteins. Proteine ohne die richtigen Modifikationen können als fremd erkannt werden, was zu immunologischen Reaktionen führen kann, wenn sie beim Menschen eingesetzt werden.

(c) Probleme/Konsequenzen von Inclusion Bodies bei E. coli für das Downstream Processing:

1. Schwierige Produktgewinnung: Inclusion Bodies sind aggregierte Proteine, die schwer löslich sind. Die Extraktion und Aufreinigung des gewünschten Proteins aus diesen Einschlusskörpern kann technisch anspruchsvoll sein.

2. Reinigungsaufwand: Die Inclusion Bodies können eine Mischung aus Zielprotein, Verunreinigungen und zellulären Komponenten enthalten. Die Reinigung und Aufreinigung des Proteins aus dieser Matrix erfordert zusätzliche Schritte und Techniken, was den Reinigungsaufwand erhöht.

3. Renaturierungsaufwand: Nach der Extraktion müssen die Proteine aus den Inclusion Bodies renaturiert werden, um ihre natürliche dreidimensionale Struktur wiederherzustellen. Dieser Schritt erfordert zusätzliche Arbeit und kann die Ausbeute beeinflussen.

(a) Prototroph:

Unter einem Prototroph versteht man einen Organismus, der in der Lage ist, alle für sein Wachstum erforderlichen Nährstoffe aus anorganischen Quellen zu synthetisieren. Im Kontext von transgenen Pilzen als Produzenten werden prototrophe Marker verwendet, um auxotrophe Mutanten zu komplementieren. Auxotrophe Mutanten können bestimmte essentielle Nährstoffe nicht selbst synthetisieren und sind daher auf externe Quellen dieser Nährstoffe angewiesen. Durch die Einführung eines prototrophen Markers kann die auxotrophe Eigenschaft wiederhergestellt werden, und der Pilz wird fähig, alle benötigten Nährstoffe autonom zu synthetisieren.

(b) Reportergene:

Reportergene sind Gene, deren Expression leicht nachgewiesen werden kann und als Marker für spezifische Prozesse oder Eigenschaften in einer Zelle dienen. Sie werden häufig bei der Generierung von Zelllinien verwendet, um die Expression eines bestimmten Gens oder Promotors zu untersuchen. Der Hauptzweck von Reportergenen besteht darin, sichtbare oder messbare Signale zu liefern, die Rückschlüsse auf den Expressionsstatus anderer Gene oder Promotoren zulassen. Reportergene können beispielsweise durch fluoreszierende Proteine oder Enzyme codieren, deren Aktivität leicht nachgewiesen werden kann. Der Einsatz von Reportergenen ermöglicht die Beobachtung und Quantifizierung von Genexpression, Promotoraktivität oder anderen zellulären Prozessen.

(a) Herausforderungen bei der Verwendung von Säugetierzellen als Produzenten von Biopharmazeutika:

1. Komplexe Posttranslationale Modifikationen: Säugetierzellen sind in der Lage, komplexe posttranslationale Modifikationen wie Glykosylierung, Phosphorylierung und Disulfidbrückenbildung durchzuführen. Diese Modifikationen sind für die korrekte Faltung, Stabilität und biologische Aktivität von Proteinen entscheidend. Die Herausforderung besteht darin, sicherzustellen, dass die produzierten Proteine die gewünschten posttranslationalen Modifikationen aufweisen.

2. Kostenintensive Kultivierung: Die Kultivierung von Säugetierzellen ist im Vergleich zu mikrobiellen Systemen kostenaufwendiger. Dies betrifft nicht nur die benötigten Kultivierungsmedien, sondern auch die erforderliche Kontrolle von Kultivierungsparametern wie Temperatur, pH-Wert und Sauerstoffversorgung.

3. Potenzielle Kontaminationsrisiken: Säugetierzellen sind anfällig für Kontaminationen mit Viren, Bakterien oder anderen Mikroorganismen. Die strikte Einhaltung von sterilen Kultivierungsbedingungen ist entscheidend, um die Reinheit und Sicherheit der produzierten Biopharmazeutika zu gewährleisten.

(b) Eine für die biopharmazeutische Produktion eingesetzte Säugetierzelllinie ist CHO-Zelllinie (Chinese Hamster Ovary cell line). Diese Zelllinie wird häufig verwendet, da sie sich gut kultivieren lässt, eine hohe Produktivität aufweist und in der Lage ist, komplexe posttranslationale Modifikationen durchzuführen, die für viele Biopharmazeutika entscheidend sind.

(a) Unterschiede zwischen definierten/synthetischen und komplexen/technischen Nährmedien:

1. Definierte/synthetische Nährmedien:

   • Enthalten genau bekannte Mengen an definierten chemischen Komponenten.

   • Jede Komponente ist spezifisch und in genauen Mengen angegeben.

   • Präzise Zusammensetzung ermöglicht eine genaue Kontrolle der Kultivierungsbedingungen.

   • Häufig in Forschung und Entwicklung verwendet.

2. Komplexe/technische Nährmedien:

   • Enthalten komplexe Extrakte oder hydrolysierte Materialien, deren genaue chemische Zusammensetzung nicht vollständig bekannt ist.

   • Oft aus pflanzlichen oder tierischen Quellen gewonnen.

   • Können variabler sein und sind in der Regel weniger präzise in der Kontrolle der Nährstoffzusammensetzung.

   • Können eine breitere Palette von Wachstumsfaktoren und Nährstoffen bieten.

(b) Warum ein Nährmedium Phosphor enthalten muss:

Phosphor ist ein essentieller Bestandteil von Nukleinsäuren (DNA, RNA) und Adenosintriphosphat (ATP), das als Energieträger in Zellen fungiert. Es ist auch Bestandteil von Phospholipiden, die strukturelle Komponenten der Zellmembranen sind. Phosphor ist daher für grundlegende zelluläre Prozesse wie DNA-Synthese, Energiestoffwechsel und Zellmembranstruktur unerlässlich.

(c) Peptidbindung (Kohlenstoffatome und Stickstoffatome) Stickstoffhaltige Verbindungen wichtig für die Proteinbiosynthese in einem Nährmedium:

1. Aminosäuren: Aminosäuren sind die Bausteine von Proteinen. Sie werden von Zellen aufgenommen und während der Proteinbiosynthese in Ribosomen zu Proteinen verknüpft.

2. Ammoniumverbindungen: Ammoniumionen (NH₄⁺) dienen als Stickstoffquelle für die Synthese von Aminosäuren und anderen stickstoffhaltigen Verbindungen. Sie können in Nährmedien enthalten sein, um den Bedarf an Stickstoff während des Zellwachstums zu decken.

Die Bereitstellung dieser stickstoffhaltigen Verbindungen im Nährmedium ist entscheidend, da sie den Aufbau von Proteinen und anderen stickstoffhaltigen Biomolekülen ermöglichen.

(a) Parameter, durch dessen Erhöhung sich der Turbulenzgrad in einem Rührkesselreaktor steigert:

Die Rührerdrehzahl ist ein entscheidender Parameter, dessen Erhöhung zu einer Steigerung des Turbulenzgrades im Rührkesselreaktor führt. Durch eine höhere Rührerdrehzahl wird mehr mechanische Energie in das Medium eingebracht, was zu vermehrten Strömungen und einer verbesserten Durchmischung führt.

(b) Belüftung bei Blasensäulenreaktoren:

In Blasensäulenreaktoren erfolgt die Belüftung durch das Einleiten von Gas (z. B. Luft oder Sauerstoff) in Form von Blasen in das Flüssigkeitsmedium. Dies geschieht in der Regel am Boden des Reaktors. Die Gasblasen steigen durch das Medium auf und bringen Sauerstoff oder andere Gase mit sich. Der Kontakt zwischen Gasblasen und Flüssigkeit ermöglicht den Gasaustausch, der für aerobe Fermentationen und andere prozessrelevante Reaktionen wichtig ist. Die Belüftung bei Blasensäulenreaktoren ist eine effiziente Methode, um Sauerstoff in das System einzubringen und das Wachstum von aeroben Organismen zu unterstützen.

(a) Generationszeit (Verdopplungszeit) bei Kulturwachstum:

Die Generationszeit (g) bezeichnet die Zeit, die eine Zellpopulation benötigt, um sich zu verdoppeln oder zu verdreifachen. Sie ist ein Maß für die Geschwindigkeit des exponentiellen Wachstums einer Kultur. Während der exponentiellen Phase teilen sich Zellen aktiv, und die Generationszeit gibt an, wie lange es dauert, bis die Zellzahl sich unter idealen Bedingungen verdoppelt.

b)

c) 2

Bei der Sättigungs-/Monod-Kinetik führt eine sehr hohe Substratkonzentration zu einer Annäherung an die maximale Wachstumsrate (μmax​). Daher ergibt sich bei sehr hoher Substratkonzentration eine Wachstumsrate, die nahe der maximalen Wachstumsrate liegt.

(a) Drei zentrale Parameter bei Fermentationen, die überwacht und geregelt werden:

1. pH-Wert: Der pH-Wert des Mediums beeinflusst das Wachstum und die Aktivität von Mikroorganismen sowie die Stabilität von Proteinen. Ein konstanter pH-Wert ist für eine effiziente Fermentation wichtig.

2. Temperatur: Die Temperatur beeinflusst die metabolischen Aktivitäten der Organismen. Eine konstante und optimale Temperatur ist entscheidend für die Produktivität und Ausbeute in der Fermentation.

3. Gelöstsauerstoff: Der Gelöstsauerstoffgehalt im Medium ist besonders wichtig bei aeroben Fermentationen. Ein ausreichender Sauerstoffgehalt ist für die Energiegewinnung und das Wachstum der Zellen notwendig.

(b) Der kLa-Wert und seine Bedeutung:

Der kLa-Wert ist ein Maß für den Sauerstofftransferkoeffizienten in einem Bioreaktor. Er gibt an, wie effizient Sauerstoff aus der Gasphase in die Flüssigphase übertragen wird. Ein höherer kLa-Wert deutet auf eine bessere Sauerstoffverfügbarkeit im Medium hin.

(c) Beispielprodukt bei streng wachstumsgekoppelter Produktbildung:

Ein Beispiel für ein Produkt, das streng wachstumsgekoppelt produziert wird, ist Bakterienzellmasse selbst. Bei einigen Bakterien wird das Wachstum und die Produktion von Biomasse eng mit dem Verbrauch von Substraten gekoppelt. In solchen Fällen steigt die Produktbildung (Zellmasse) linear mit dem Wachstum der Zellen, und die Biomasseproduktion wird als streng wachstumsgekoppelt betrachtet.

(a) Ablauf eines Fed-Batch-Verfahrens:

Bei einem Fed-Batch-Verfahren handelt es sich um eine Modifikation der Batch-Fermentation. Der Unterschied besteht darin, dass während des laufenden Prozesses zusätzliche Nährstoffe, Substrate oder andere essentielle Komponenten zugegeben werden ("gefüttert" oder "gefördert", daher "Fed-Batch"). Der Prozess beginnt in einem Batch-Modus, in dem alle Nährstoffe zu Beginn hinzugefügt werden. Während des Verlaufs des Fermentationsprozesses erfolgt die Zugabe von Nährstoffen schrittweise oder kontinuierlich, um die Zellen weiter wachsen und das gewünschte Produkt produzieren zu lassen. Der Prozess kann gesteuert werden, um optimale Bedingungen aufrechtzuerhalten.

(b) Warum eine höhere Produktausbeute bei Fed-Batch-Fermentationen erreicht werden kann:

1. Kontrollierte Nährstoffversorgung: Durch die kontrollierte Zugabe von Nährstoffen während des Prozesses können die Mikroorganismen optimale Wachstumsbedingungen aufrechterhalten, ohne dass die Nährstoffe erschöpft werden. Dies ermöglicht eine längere Wachstumsphase und damit eine höhere Zelldichte.

2. Vermeidung von Hemmungseffekten: In Batch-Fermentationen kann die Akkumulation von Produkten oder Abfallstoffen hemmend auf den Fermentationsprozess wirken. Durch die Entfernung oder Verdünnung dieser Hemmstoffe in einem Fed-Batch-System kann die Produktivität gesteigert werden.

3. Längere Produktionsphasen: Die Zugabe von Nährstoffen ermöglicht eine längere Produktionsphase, da die Zellen nicht durch den Mangel an essentiellen Komponenten begrenzt werden. Dies führt zu einer längeren Periode, in der das Produkt produziert wird.

Insgesamt erlaubt das Fed-Batch-Verfahren eine präzise Kontrolle und Optimierung der Kultivierungsbedingungen, was zu einer verbesserten Produktausbeute im Vergleich zur einfachen Batch-Fermentation führen kann.

(a) Zellernte:

1. Zentrifugation: Dies ist eine gängige Methode, bei der die Zellen durch Zentrifugalkräfte aus der Flüssigkeit entfernt werden. Es gibt verschiedene Arten von Zentrifugen, darunter Tischzentrifugen, Bodenzentrifugen und Hochleistungszentrifugen.

2. Mikrofiltration: Bei der Mikrofiltration werden Zellen mithilfe von Mikrofiltrationsmembranen aus der Flüssigkeit zurückgehalten. Dieses Verfahren ermöglicht eine schonende Ernte, insbesondere bei empfindlichen Zellen.

(b) Vorteil von Hochdruckhomogenisatoren gegenüber Zellaufschluss mit lytischen Enzymen oder Detergenzien:

Hochdruckhomogenisatoren können Zellen effizient aufschließen, indem sie die Zellwand oder das Zellmembranmaterial unter hohem Druck durch mechanische Kräfte zerbrechen. Ein Vorteil dieser Methode gegenüber dem Einsatz von lytischen Enzymen oder Detergenzien ist die Vermeidung von Verunreinigungen im Endprodukt. Lytische Enzyme oder Detergenzien können Rückstände in der Zelllysatsuspension hinterlassen, die nachfolgende Aufreinigungsprozesse erschweren können. Der Hochdruckhomogenisator ermöglicht einen effizienten Zellaufschluss, ohne dass zusätzliche Substanzen in die Lösung eingeführt werden müssen, was die Reinheit des resultierenden Zelllysats verbessert.

(a) Retention bei chromatographischen Verfahren:

Retention bezieht sich auf die Verweildauer oder Rückhaltezeit eines Analyten in einer chromatographischen Säule oder einem Medium. Es ist die Zeit, die der Analyt benötigt, um durch das chromatographische System zu wandern, und wird oft als Peakmaxima in einem Chromatogramm dargestellt.

(b) Chromatographisches Verfahren zur Aufreinigung von Proteinen mit Wechselwirkung geladener Gruppen:

Ionenaustauschchromatographie ist ein chromatographisches Verfahren, das auf der Wechselwirkung von geladenen Gruppen, insbesondere Ionen, mit Proteinen basiert. In diesem Verfahren werden Proteine aufgrund ihrer unterschiedlichen Netto-Ladungen von einer ionisch geladenen Stationärphase zurückgehalten und können durch Veränderung der Pufferbedingungen selektiv eluiert werden.

(c) Prinzip der Größenausschlusschromatographie:

Die Größenausschlusschromatographie, auch Gelpermeationschromatographie genannt, basiert auf der Trennung von Molekülen basierend auf ihrer Größe. In diesem Verfahren durchlaufen die Analyten ein poröses Gel, das Moleküle unterschiedlicher Größen unterschiedlich stark zurückhält. Größere Moleküle passieren die Poren schneller und haben eine geringere Retention, während kleinere Moleküle länger in den Poren verweilen und eine höhere Retention aufweisen.

(d) Zweck der Trocknung eines biopharmazeutischen Wirkstoffs:

Die Trocknung eines biopharmazeutischen Wirkstoffs hat mehrere Zwecke:

1. Stabilisierung: Trocknung kann die Stabilität von biopharmazeutischen Produkten verbessern, indem sie die Wasseraktivität verringert und die Wahrscheinlichkeit von Degradationsreaktionen reduziert.

2. Lagerfähigkeit: Trockene Pulver oder Feststoffe sind oft länger haltbar und leichter zu lagern und zu transportieren als flüssige Formulierungen.

3. Dosierungskontrolle: Trockene Pulver ermöglichen eine genauere Dosierung und Mischung, insbesondere wenn der Wirkstoff in fester Form vorliegt.

4. Reduktion des Volumens: Durch die Entfernung von Wasser wird das Volumen des Produkts reduziert, was die Handhabung und Lagerung erleichtert.

Insgesamt trägt die Trocknung dazu bei, die physikalischen und chemischen Eigenschaften des biopharmazeutischen Wirkstoffs zu optimieren und seine Anwendbarkeit zu verbessern.

Biosimilars unterscheiden sich von Generika aufgrund ihrer komplexen Natur und der Besonderheiten biopharmazeutischer Produkte. Hier sind zwei wesentliche Aspekte, die diese Unterschiede verdeutlichen:

1. Strukturelle Komplexität:

   • Generika: Generika von chemischen Arzneimitteln sind in der Regel exakte Kopien des Referenzpräparats mit identischer chemischer Struktur. Die Herstellung von Generika ist vergleichsweise einfacher, da chemische Wirkstoffe durch chemische Synthese reproduziert werden können.

   • Biosimilars: Biosimilars sind Nachbildungen von biopharmazeutischen Arzneimitteln (Biologics) und haben eine höhere strukturelle Komplexität. Biologics sind komplexe Moleküle, häufig Proteine oder Antikörper, die in lebenden Zellen hergestellt werden. Die Produktion von identischen Kopien ist aufgrund der biologischen Herstellung und der strukturellen Vielfalt von Proteinen schwieriger.

2. Zulassungsverfahren:

   • Generika: Generika werden durch einen vereinfachten Zulassungsprozess zugelassen, der auf bioäquivalenzbasierten Studien basiert. Diese Studien zeigen, dass das Generikum im Vergleich zum Referenzpräparat ähnliche pharmakokinetische Eigenschaften aufweist.

   • Biosimilars: Die Zulassung von Biosimilars erfordert umfassendere präklinische und klinische Studien im Vergleich zum Zulassungsprozess für Generika. Es müssen Nachweise für die Ähnlichkeit in Bezug auf Struktur, biologische Aktivität, Wirksamkeit und Sicherheit erbracht werden. Der Zulassungsprozess für Biosimilars ist daher aufwändiger und komplexer.

Diese Unterschiede betonen die Herausforderungen bei der Herstellung und Zulassung von Biosimilars im Vergleich zu Generika, die auf chemischen Wirkstoffen basieren.

Ein attenuierter Lebendimpfstoff zeichnet sich durch die Verwendung von abgeschwächten oder attenuierten Formen von Krankheitserregern aus. Im Gegensatz zu inaktivierten oder abgetöteten Impfstoffen enthalten attenuierte Lebendimpfstoffe lebende, aber geschwächte Mikroorganismen. Die Abschwächung erfolgt durch gezielte genetische oder physikalische Veränderungen, die die Krankheitsauslösende Fähigkeit des Erregers reduzieren, während seine Fähigkeit, eine Immunantwort auszulösen, erhalten bleibt.

(a) Der genetische Code und die Proteinbiosynthese:

Der genetische Code ist eine Anordnung von Nukleotid-Tripletts (Codons) in der DNA, die jeweils für eine bestimmte Aminosäure oder ein Signal für Start oder Stopp bei der Proteinbiosynthese stehen. Während der Proteinbiosynthese, die aus Transkription und Translation besteht, wird die genetische Information von der DNA in RNA übertragen. Diese mRNA dient dann als Vorlage für die Synthese von Proteinen in den Ribosomen.

In der Translation wird die mRNA von den Ribosomen gelesen, und jedes Codon wird durch eine spezifische Aminosäure oder eine Stoppsignal interpretiert. Die tRNA (Transfer-RNA) trägt die passenden Aminosäuren und bindet an die entsprechenden Codons auf der mRNA. Auf diese Weise wird die genetische Information in eine Aminosäuresequenz umgewandelt, was zur Bildung eines Proteins führt.

(b) Biosynthese von Kollagen:

Die Vorgänge, die in der Biosynthese von Kollagen nach der Translation der Präpro-α-Kette auftreten, werden mit dem übergeordneten Fachbegriff "Posttranslationale Modifikationen" zusammengefasst. Hier sind einige spezifische Schritte:

1. Signalsequenz-Abspaltung: Die Präpro-α-Kette enthält eine Signalsequenz, die für den Transport des Proteins in das endoplasmatische Retikulum (ER) erforderlich ist. Diese Signalsequenz wird enzymatisch abgespalten, um die Pro-α-Kette zu bilden.

2. Hydroxylierung: Einige Aminosäuren, insbesondere Prolin und Lysin, werden hydroxyliert. Dieser Schritt ist wichtig für die Stabilität und Struktur des Kollagens.

3. Glykosylierung: Kohlenhydratgruppen werden an bestimmte Aminosäuren angefügt. Dieser Prozess, bekannt als Glykosylierung, trägt zur Stabilität und Funktion des Kollagens bei.

Diese posttranslationalen Modifikationen sind entscheidend für die korrekte Struktur und Funktion von Kollagen als strukturgebendes Protein im Bindegewebe.

a) Promoter (Startcodon); Bindung der RNA-Polymerase

b)Transkriptionsstart-Transkriptionsende

(a) Form der Expression bei der Entwicklung von Säugerzelllinien:

Bei der Entwicklung von Säugerzelllinien, wie der CHO-Zelllinie für die Produktion von monoklonalen Antikörpern (MAK), wird die sogenannte stabile Langzeitexpression angestrebt. Diese Form der Expression zeichnet sich dadurch aus, dass die eingeführten genetischen Informationen, die für die Produktion des gewünschten Proteins codieren, in das Genom der Zellen integriert werden. Dies ermöglicht eine dauerhafte und stabilere Produktion des Proteins über einen längeren Zeitraum im Vergleich zur transienten Expression.

Merkmale der stabilen Langzeitexpression:

• Integration ins Genom: Die Fremdgene werden in das Genom der Zellen eingefügt, normalerweise durch Verwendung von selektiven Markern wie Antibiotika-Resistenzgenen.

• Langfristige Proteinproduktion: Die Zellen behalten die Fähigkeit zur Produktion des Proteins über mehrere Zellteilungen hinweg bei.

• Klonale Selektion: Um Homogenität und Produktionsstabilität sicherzustellen, werden einzelne Zellklone selektiert, die die gewünschte Expressionseigenschaft aufweisen.

(b) Transfektion bei der Generierung einer CHO-Zelllinie:

Transfektion bezieht sich auf den Prozess der Einführung von Fremd-DNA in Zellen. Bei der Generierung einer CHO-Zelllinie erfolgt die Transfektion, um die gewünschten Gene, die für die Produktion des Proteins codieren, in die Zellen einzuführen. Dies kann durch verschiedene Methoden geschehen, darunter:

1. Chemische Transfektion: Hierbei werden Chemikalien verwendet, um die Zellmembran vorübergehend durchlässiger zu machen, damit die DNA in die Zelle eindringen kann.

2. Elektroporation: Durch Anlegen eines elektrischen Feldes werden vorübergehende Poren in der Zellmembran erzeugt, durch die die DNA eindringen kann.

3. Virusvermittelte Transfektion: Virale Vektoren werden verwendet, um die DNA in die Zelle zu transportieren. Dies kann stabile Integration in das Genom fördern.

Die transfizierten Zellen werden dann auf selektiven Medien kultiviert, die das Überleben nur für Zellen ermöglichen, die die Fremd-DNA erfolgreich aufgenommen haben. Nach der Transfektion und Auswahl erfolgt die Einzelzellklonierung, um homogene Zelllinien zu isolieren, die das gewünschte Protein effizient und stabil produzieren können.

(a) Inclusion Bodies bei Escherichia coli (E. coli):

• Definition: Inclusion Bodies sind aggregierte Proteinklumpen, die sich im Zytoplasma von Bakterien, einschließlich E. coli, bilden können. Sie entstehen häufig, wenn große Mengen rekombinanter Proteine exprimiert werden.

• Probleme/Konsequenzen für das Downstream Processing:

  1. Reinigungsaufwand: Inclusion Bodies enthalten das exprimierte Protein, sind jedoch von anderen zellulären Bestandteilen und Verunreinigungen umgeben. Der Prozess der Reinigung und Aufarbeitung des Proteins aus den Inclusion Bodies kann aufwändig sein.

  2. Re-Faltung: Proteine in Inclusion Bodies sind oft denaturiert. Nach der Reinigung erfordert die Re-Faltung der Proteine zusätzliche Schritte, um ihre biologisch aktive, native Struktur wiederherzustellen.

  3. Niedrige biologische Aktivität: Proteine, die aus Inclusion Bodies gewonnen werden, können eine niedrigere biologische Aktivität aufweisen als solche, die aus löslichen Formen extrahiert werden.

(b) Generationszeit von Escherichia coli:

• Unter idealen Wachstumsbedingungen kann die Generationszeit von E. coli sehr kurz sein, oft im Bereich von etwa 20 bis 30 Minuten. Dies bedeutet, dass sich die Bakterienpopulation unter günstigen Bedingungen alle 20 bis 30 Minuten verdoppelt. Die kurze Generationszeit von E. coli ist einer der Gründe, warum es als Produktionsorganismus in der Biotechnologie weit verbreitet ist. Schnelles Wachstum ermöglicht eine rasche Vermehrung und hohe Zelldichte in Fermentationsprozessen, was die Produktion von Proteinen oder anderen biotechnologischen Produkten effizient macht.

(a) Selektion von transgenen Klonen mittels Antibiotikaresistenzgen:

1. Einbringung des Antibiotikaresistenzgens: Das Antibiotikaresistenzgen, beispielsweise ein Gen, das für die Resistenz gegenüber einem Antibiotikum wie Ampicillin oder Kanamycin kodiert, wird zusammen mit dem gewünschten Gen in die Zielzellen (z.B. Bakterien oder Hefezellen) eingebracht.

2. Antibiotika-Zugabe: Nach der Transfektion oder Transformation werden die Zellen auf einem Nährmedium kultiviert, das das Antibiotikum enthält, gegen das das Resistenzgen gerichtet ist.

3. Selektion der resistenzfähigen Zellen: Nur diejenigen Zellen, die das Antibiotikaresistenzgen aufgenommen haben, werden gegenüber dem Antibiotikum resistent sein und können überleben und sich vermehren. Alle Zellen, die das Gen nicht aufgenommen haben, werden durch das Antibiotikum abgetötet.

4. Klonierung und Isolierung: Die resistenzfähigen Zellen werden weiter kultiviert, und einzelne Zellen werden durch Klonierung isoliert. Diese Zellen werden als transgene Klone betrachtet und können weiter für die Produktion des gewünschten Proteins oder für andere Zwecke verwendet werden.

(b) Prototrophe Marker in transgenen Pilzen:

• Prototroph: Der Begriff "prototroph" bezieht sich auf Organismen, die in der Lage sind, alle benötigten Nährstoffe aus einfachen anorganischen Verbindungen zu synthetisieren. Im Kontext der genetischen Manipulation von Pilzen werden prototrophe Marker verwendet, um auxotrophe Mutanten zu komplementieren.

• Auxotrophe Mutanten: Diese Mutanten haben Defekte in bestimmten Stoffwechselwegen, die sie daran hindern, essentielle Moleküle (wie Aminosäuren oder Vitamine) selbst zu synthetisieren. Sie benötigen daher diese fehlenden Moleküle im Nährmedium, um zu überleben und zu wachsen.

• Prototrophe Marker (z.B. Argininsynthese-Gen): Ein prototrophes Marker-Gen, das normalerweise für die Synthese einer essentiellen Verbindung (z.B. Arginin) kodiert, wird in die auxotrophen Mutanten eingebracht.

• Selektion: Die Pilze werden auf einem Medium kultiviert, das die fehlende Verbindung (z.B. Arginin) nicht enthält. Nur diejenigen Pilze, die das eingeführte prototrophe Marker-Gen aufgenommen haben und in der Lage sind, die essentielle Verbindung selbst zu synthetisieren, können überleben. Dies ermöglicht die Selektion von transgenen Pilzen, die das Marker-Gen tragen.

(a) Kohlenstoffhaltige Verbindungen im Energiestoffwechsel von Mikroorganismen:

• Glukose: Ein wichtiger Energielieferant, der in vielen Organismen durch Glykolyse und Atmung abgebaut wird, um ATP zu produzieren.

• Andere Zucker: Neben Glukose können auch andere Zucker wie Fruktose und Galaktose im Stoffwechselweg glykolytisch abgebaut werden.

• Fettsäuren: Lipide und Fettsäuren dienen als Energiequellen, insbesondere in Form von Acetyl-CoA, das in den Citratzyklus eingeht.

• Aminosäuren: Der Abbau von Aminosäuren kann Kohlenstoff und Stickstoff für den Energiestoffwechsel bereitstellen.

(b) Rolle des Elements Phosphor im Energiestoffwechsel:

• Phosphor ist ein entscheidendes Element für den Energiestoffwechsel von Mikroorganismen, da es Teil vieler energiereicher Verbindungen ist.

• ATP (Adenosintriphosphat): ATP ist der Hauptträger von chemischer Energie in Zellen. Die Phosphatgruppen in ATP tragen energiereiche Bindungen, die bei Bedarf freigesetzt werden können, um Energie für zelluläre Prozesse bereitzustellen.

• Phosphorylierung: Phosphor spielt eine Schlüsselrolle bei phosphorylierenden Reaktionen, bei denen Phosphatgruppen auf Moleküle übertragen werden, um energiereiche Verbindungen zu erzeugen. Dies ist besonders wichtig in Prozessen wie der Substratkettenphosphorylierung in der Atmungskette.

• Nukleinsäuren: Phosphor ist ein grundlegender Bestandteil von Nukleinsäuren (DNA und RNA), die für die genetische Information und den Proteinaufbau essentiell sind.

• Phospholipide: Phosphor ist in Phospholipiden enthalten, die strukturelle Bestandteile von Zellmembranen sind.

Zusammenfassend ist Phosphor sowohl als Bestandteil wichtiger Moleküle als auch als Energielieferant durch die Freisetzung von Phosphatgruppen in phosphorylierenden Reaktionen entscheidend für den Energiestoffwechsel von Mikroorganismen.

Der Transfer eines Zielgens im Rahmen der Erzeugung einer transgenen Pflanze unter Verwendung von Agrobacterium tumefaciens erfolgt durch einen natürlichen Prozess, der als Agrobacterium-vermittelter Gentransfer (Agrobacterium-mediated gene transfer) bekannt ist. Dieser Prozess umfasst mehrere Schritte:

1. Infektion durch Agrobacterium tumefaciens:

   • Agrobacterium tumefaciens ist ein Bodenbakterium, das die Fähigkeit besitzt, Pflanzenzellen zu infizieren. Es trägt ein extrachromosomales Element, das sogenannte Ti-Plasmid (Tumor-induzierendes Plasmid), das für den Gentransfer verantwortlich ist.

2. Übertragung des T-DNA-Segments:

   • Agrobacterium trägt ein bestimmtes DNA-Segment auf dem Ti-Plasmid, das als Transfer-DNA (T-DNA) bezeichnet wird. Dieses T-DNA-Segment enthält Gene, die für die Bildung von Wuchshormonen und Auxinen verantwortlich sind, was zur Bildung von Pflanzentumoren führen kann.

3. Integration des T-DNA-Segments in das Pflanzenchromosom:

   • Das T-DNA-Segment wird in die Wirtspflanzenzelle übertragen. Während dieses Transfers wird das T-DNA in das Genom der Pflanzenzelle integriert.

4. Expression des eingeführten Gens:

   • Das Zielgen, das in das T-DNA-Segment eingefügt wurde, wird von der Pflanzenzelle exprimiert und in das Pflanzenchromosom integriert.

5. Regeneration der transgenen Pflanze:

   • Die Pflanzenzelle wird unter geeigneten Bedingungen kultiviert, um eine regenerierte Pflanze zu erzeugen, die das eingeführte Gen in ihren Zellen trägt.

Dieser Prozess hat den Vorteil, dass er vergleichsweise effizient und spezifisch ist, was dazu beiträgt, transgene Pflanzen mit gewünschten Eigenschaften zu erzeugen. Der Agrobacterium-vermittelte Gentransfer wird häufig in der Pflanzenbiotechnologie eingesetzt, um resistente Pflanzen gegen Schädlinge, Krankheiten oder andere Umweltstressoren zu entwickeln.

Absterbephase

stationäre Phase

logaritmische Phase

(a) Durchmesser des Rührers im Rührkesselreaktor und Rührerleistung:

• Der Durchmesser des Rührers im Rührkesselreaktor spielt eine entscheidende Rolle bei der erforderlichen Rührerleistung. Ein größerer Rührer-Durchmesser führt zu einer höheren Rührerleistung. Dies liegt daran, dass der Rührer eine größere Fläche des Reaktorinhalts bewegt und daher mehr Energie benötigt, um die Flüssigkeit effizient zu mischen.

• Die Rührerleistung ist ein Maß für die aufgebrachte mechanische Energie pro Zeiteinheit, die benötigt wird, um die gewünschte Mischung und Homogenität im Reaktor zu erreichen. Der Durchmesser des Rührers beeinflusst direkt den Strömungswiderstand und die Mischcharakteristik im Reaktor.

(b) Durchmischung bei einfachen Blasensäulenreaktoren (ohne Umlauf):

• Bei einfachen Blasensäulenreaktoren ohne Umlauf erfolgt die Durchmischung hauptsächlich durch den Aufstieg von Gasblasen durch die Flüssigkeit.

• Gas wird am Boden des Reaktors eingeleitet, und die aufsteigenden Gasblasen durchmischen die Flüssigkeit, indem sie sie nach oben bewegen.

• Die Durchmischung in einem solchen System hängt von der Größe der Gasblasen, der Gasflussrate und anderen Faktoren ab.

• Ein Nachteil einfacher Blasensäulenreaktoren ohne Umlauf besteht darin, dass die Durchmischung nicht so effizient ist wie in Systemen mit zusätzlichen Rührorganen oder Umlaufsystemen. Dies kann zu lokalen Unterschieden in der Konzentration und Temperatur führen.

• In der Regel werden Blasensäulenreaktoren ohne Umlauf in Prozessen eingesetzt, bei denen eine weniger intensive Durchmischung akzeptabel ist, und sie finden Anwendung in der biotechnologischen Produktion, chemischen Synthese und anderen Bereichen.

In Bezug auf das Wachstum von Mikroorganismen bezieht sich der Begriff "Idiophase" auf die Phase, in der Mikroorganismen vermehrt spezifische Produkte oder Stoffwechselprodukte synthetisieren. In dieser Phase liegt der Schwerpunkt nicht mehr hauptsächlich auf dem Zellwachstum, sondern auf der Produktion spezifischer metabolischer Produkte.

a) Steigerung des kLa-Werts:

1. Erhöhung der Rührerdrehzahl: Durch die Erhöhung der Rührerdrehzahl im Bioreaktor kann der kLa-Wert gesteigert werden. Eine höhere Rührerdrehzahl führt zu einer effizienteren Sauerstoffübertragung in die Flüssigkeit.

2. Optimierung der Belüftung: Eine verbesserte Belüftung des Bioreaktors kann den kLa-Wert erhöhen. Dies kann durch die Anpassung der Belüftungsraten und -strategien erreicht werden, um eine optimale Sauerstoffzufuhr sicherzustellen.

(b) pH-Optimum neutrophiler Mikroorganismen:

• Neutrophile Mikroorganismen bevorzugen ein pH-Optimum im neutralen Bereich, typischerweise zwischen pH 6,5 und 7,5. Dieser pH-Bereich unterstützt optimales Wachstum und Stoffwechselaktivitäten neutraler Mikroorganismen.

• Es ist wichtig, den pH-Wert in einem Bereich zu halten, der für das spezifische Mikroorganismus optimal ist, um eine effiziente Kultivierung und Produktbildung zu gewährleisten. Die pH-Regelung ist daher ein entscheidender Parameter bei der biotechnologischen Produktion mit neutrophilen Mikroorganismen.

In einem Szenario, in dem das für das Zellwachstum benötigte Substrat schon bei geringen Konzentrationen wachstumsinhibierend wirkt und das entstehende Produkt ebenso bei bereits geringen Konzentrationen toxisch für die Zellen ist, wäre die Wahl eines Fed-Batch-Fermentationsverfahrens angemessen.

Begründung:

1. Geringe Substratkonzentrationen:

   • Im Fed-Batch-Verfahren kann das Substrat schubweise oder kontinuierlich zugeführt werden. Dies ermöglicht eine präzise Kontrolle der Substratkonzentration im Bioreaktor.

   • Durch die schubweise Zugabe oder kontinuierliche Zufuhr des Substrats können niedrige Konzentrationen im Reaktor aufrechterhalten werden, um die wachstumsinhibierende Wirkung zu minimieren.

2. Vermeidung von Toxizität durch Produkt:

   • Da das entstehende Produkt bereits bei geringen Konzentrationen toxisch für die Zellen ist, ermöglicht das Fed-Batch-Verfahren die Entfernung oder Verdünnung des Produkts im Verlauf der Fermentation.

   • Durch das schubweise Hinzufügen von Substrat kann die Produktkonzentration niedrig gehalten werden, und das Produkt kann aus dem Reaktor entfernt werden, um toxische Effekte zu minimieren.

3. Präzise Kontrolle der Prozessparameter:

   • Im Fed-Batch-Verfahren können Prozessparameter wie Substratzufuhr, Belüftungsraten und Temperatur präzise gesteuert werden. Dies ermöglicht eine optimale Anpassung an die spezifischen Anforderungen des Mikroorganismus und des Produktionsprozesses.

Das Fed-Batch-Verfahren bietet somit die Flexibilität, die erforderlich ist, um mit empfindlichen Mikroorganismen und toxischen Produkten umzugehen, indem es die Möglichkeit bietet, Substratkonzentrationen und Produktbelastungen im Verlauf der Fermentation zu steuern.

(a) Herausforderungen im Downstream Processing eines Proteinwirkstoffs:

1. Proteingehalt und Reinheit: Eine der Hauptherausforderungen besteht darin, das Protein in ausreichender Reinheit zu isolieren. Neben dem Zielprotein können im Fermentationsprozess auch Verunreinigungen wie andere Proteine, Nukleinsäuren oder Zellreste entstehen, die entfernt werden müssen.

2. Proteinstabilität: Proteine können empfindlich gegenüber physikalischen und chemischen Einflüssen sein. Die Herausforderung besteht darin, das Protein während des gesamten Downstream Processing stabil zu halten, um Denaturierung oder Aggregation zu vermeiden.

(b) Filtrationsmembran mit Cut-off von 500 Dalton:

• Eine Filtrationsmembran mit einem Cut-off von 500 Dalton lässt nur Moleküle passieren, die eine molare Masse von 500 Dalton oder weniger haben. Moleküle mit höherer molaren Masse werden von der Membran zurückgehalten. Diese Membran wird als Ultrafiltrationsmembran mit einem spezifischen Porendurchmesser bezeichnet.

(c) Verweilzeit bei chromatographischen Verfahren:

• Die Verweilzeit bei chromatographischen Verfahren wird als Retentionszeit bezeichnet. Die Retentionszeit ist die Zeit, die eine Substanz benötigt, um durch die chromatographische Säule zu wandern. Sie hängt von den Wechselwirkungen zwischen der Substanz und der stationären Phase ab.

(d) Chromatographieart mit hochspezifischer Wechselwirkung:

• Affinitätschromatographie nutzt hochspezifische Wechselwirkungen zwischen dem Zielprotein und einem Liganden auf der stationären Phase. Dies kann beispielsweise die Bindung zwischen einem Antikörper und seinem Antigen oder zwischen einem Enzym und seinem Substrat sein. Die Affinitätschromatographie ermöglicht eine hochselektive Trennung des Zielproteins.

Bei Stabilitätsuntersuchungen von Proteinarzneimitteln, insbesondere im Kontext von möglichen Stressbedingungen, sollten zwei wichtige Parameter berücksichtigt werden:

1. Temperatur:

   • Die Temperatur ist ein entscheidender Faktor, der den Zustand und die Stabilität von Proteinen beeinflusst. Unterschiedliche Temperaturen können zu Proteinaggregation, Denaturierung oder anderen strukturellen Veränderungen führen. Daher ist es wichtig, den Einfluss von Temperaturschwankungen auf die Stabilität des Proteinarzneimittels zu untersuchen.

2. Lichtexposition:

   • Licht, insbesondere UV-Licht, kann die Stabilität von Proteinen beeinträchtigen. Es kann zu photochemischen Reaktionen führen, die zu strukturellen Veränderungen des Proteins und damit zu einer Verringerung der Wirksamkeit führen können. Die Untersuchung der Auswirkungen von Lichtexposition ist daher wichtig, insbesondere bei Arzneimitteln, die in lichtdurchlässigen Behältern gelagert werden.

Diese Parameter helfen dabei, potenzielle Stressbedingungen zu identifizieren und Strategien zur Verbesserung der Stabilität von Proteinarzneimitteln zu entwickeln, um deren Qualität und Wirksamkeit während des gesamten Herstellungs- und Lagerungsprozesses sicherzustellen.

(a) Farbe der Biotechnologie für Insulin:

• Insulin gehört zur "Grünen Biotechnologie". Diese Kategorie bezieht sich auf die Anwendung biotechnologischer Verfahren in der Landwirtschaft, insbesondere in der Produktion von Pflanzen und Nutztieren, um beispielsweise den Ertrag zu steigern oder resistente Pflanzensorten zu entwickeln. Insulin wird oft mit Hilfe von genetisch veränderten Mikroorganismen oder Zellkulturen produziert, was es zu einem Beispiel für die Anwendung von Biotechnologie in der grünen Landwirtschaft macht.

(b) Primärstoffwechsel eines Organismus:

• Der Primärstoffwechsel bezieht sich auf die grundlegenden biochemischen Prozesse, die für das Überleben und das Wachstum eines Organismus notwendig sind. Dazu gehören Stoffwechselwege wie Glykolyse, Zitronensäurezyklus, Atmungskette und Proteinsynthese. Diese Prozesse dienen der Energiegewinnung, dem Aufbau von Biomasse und anderen lebenswichtigen Funktionen.

(c) Gruppe von Naturstoffen, die Bakterienwachstum hemmen:

• Substanzen, die das Bakterienwachstum hemmen, gehören häufig zu den "Antibiotika". Antibiotika sind Naturstoffe, die von Mikroorganismen wie Bakterien oder Pilzen produziert werden und die Fähigkeit haben, das Wachstum oder die Vermehrung von anderen Mikroorganismen zu hemmen oder zu töten. Antibiotika werden oft zur Behandlung von bakteriellen Infektionen eingesetzt.

(a) Vollimpfstoff der Totimpfstoffe:

• Ein Vollimpfstoff, der zur Gruppe der Totimpfstoffe gehört, besteht aus inaktivierten oder abgetöteten Krankheitserregern. Diese Krankheitserreger wurden durch physische oder chemische Methoden so verändert, dass sie nicht mehr infektiös sind, aber immer noch die Immunantwort des Körpers stimulieren können. Totimpfstoffe können eine robuste Immunantwort hervorrufen, da sie dem Immunsystem die Möglichkeit geben, verschiedene Teile des Krankheitserregers zu erkennen und darauf zu reagieren.

(b) Länge der kodierenden DNA-Sequenz für HBsAG:

• Die Länge einer DNA-Sequenz wird durch die Anzahl der Nukleotide bestimmt. Für die Berechnung der Länge der kodierenden DNA-Sequenz kann die Tatsache genutzt werden, dass jedes Aminosäurecodon von drei aufeinanderfolgenden Nukleotiden in der DNA repräsentiert wird.

• Die Formel lautet: Länge der DNA-Sequenz = Anzahl der Aminosäuren × 3

• Für HBsAG mit 226 Aminosäuren beträgt die Länge der kodierenden DNA-Sequenz: 226 Aminosäuren × 3 Nukleotide/Aminosäure.

• Das Ergebnis wäre 678 Basenpaare.

(a) Proteinbiosynthese - Generierung eines Proteins aus mRNA:

• Auf Basis der mRNA wird ein Protein durch den Prozess der Translation generiert. Bei der Translation wird die genetische Information, die in der mRNA codiert ist, in die Aminosäuresequenz eines Proteins umgewandelt. Dieser Prozess findet an den Ribosomen statt, wo tRNA-Moleküle die passenden Aminosäuren an die wachsende Polypeptidkette binden.

(b) Tertiär- und Quartärstruktur:

• Die Tertiärstruktur eines Proteins bezieht sich auf die dreidimensionale Anordnung seiner Aminosäuren. Sie entsteht durch Wechselwirkungen wie Wasserstoffbrückenbindungen, Disulfidbrücken, ionische Wechselwirkungen und hydrophobe Effekte.

• Die Quartärstruktur bezieht sich auf die Anordnung von mehreren Polypeptidketten (Untereinheiten) zu einem funktionalen Proteinmolekül. Proteine mit Quartärstruktur bestehen aus mehreren untergeordneten Strukturen (Tertiärstrukturen), die miteinander interagieren.

(c) Glykosylierung:

• Die Glykosylierung ist ein posttranslationaler Modifikationsprozess, bei dem Zuckergruppen an Proteine oder Lipide angehängt werden. Dieser Prozess spielt eine wichtige Rolle bei der Stabilität, Funktion und Lokalisation von Proteinen. Glykosylierung kann auf Asparagin (N-Glykosylierung) oder Serin/Threonin (O-Glykosylierung) in der Aminosäuresequenz erfolgen. Diese Modifikation beeinflusst die biologische Aktivität und Interaktionen von Proteinen.

(a) USP in der biotechnologischen Wirkstoffherstellung:

• Die Abkürzung "USP" steht für "Upstream Processing". Im Kontext der biotechnologischen Wirkstoffherstellung bezieht sich USP auf den Bereich der Prozessentwicklung, der sich mit den vorbereitenden Schritten vor der eigentlichen Produktion des Wirkstoffs befasst. Dazu gehören die Auswahl und Optimierung des Produktionsorganismus, die Entwicklung von Fermentationsprozessen und die Bereitstellung der notwendigen Nährmedien.

(b) Gerichtete Stammoptimierung zu einem Hochleistungsstamm:

• Die gerichtete Stammoptimierung ist ein Ansatz, um den Produktionsorganismus, in der Regel ein Mikroorganismus wie Bakterien oder Hefen, zu einem Hochleistungsstamm zu entwickeln. Dieser Prozess beinhaltet genetische Modifikationen, um bestimmte gewünschte Eigenschaften zu verbessern. Hier sind einige Schritte, die bei der gerichteten Stammoptimierung durchgeführt werden können:

  1. Genetische Modifikation:

     • Durch gezielte genetische Veränderungen, wie Deletionen, Insertionen oder Mutationen, werden spezifische Gene im Genom des Mikroorganismus modifiziert. Dies kann die Produktion des gewünschten Naturstoffs oder Proteins beeinflussen.

  2. Optimierung von Stoffwechselwegen:

     • Die Modifikation von Stoffwechselwegen, die am Produktionsprozess beteiligt sind, kann zu einer effizienteren Nutzung von Substraten und einer erhöhten Ausbeute des gewünschten Produkts führen.

  3. Selektion von Hochleistungsstämmen:

     • Die modifizierten Stämme werden durch Screening- oder Selektionsverfahren ausgewählt, um diejenigen zu identifizieren, die die besten Leistungseigenschaften aufweisen.

  4. Optimierung der Fermentationsbedingungen:

     • Neben genetischen Veränderungen können auch die Fermentationsbedingungen angepasst werden, um optimale Wachstums- und Produktionsbedingungen für den Mikroorganismus zu schaffen.

Die gerichtete Stammoptimierung ist ein entscheidender Schritt, um Produktionsorganismen mit verbesserten Eigenschaften für die biotechnologische Wirkstoffherstellung zu schaffen.

a) 1=Promoter

2=kodogierende Sequenz

3=Terminator

b) Transformation

Bacillus subtilis bietet gegenüber Escherichia coli (E. coli) als Produktionsorganismus in der Biotechnologie verschiedene Vorteile. Hier sind zwei der wichtigsten Vorteile:

1. Sekretion von Proteinen:

   • Bacillus subtilis ist bekannt für seine Fähigkeit, Proteine effizient zu sekretieren. Im Vergleich zu E. coli, das Proteine im Zellinneren produziert, ermöglicht die Sekretion bei Bacillus subtilis eine einfachere Aufreinigung der gewünschten Proteine. Dies ist besonders vorteilhaft für die Produktion von extrazellulären Proteinen oder Proteinen, die für den Einsatz außerhalb der Zelle bestimmt sind.

2. Posttranslationale Modifikationen:

   • Bacillus subtilis führt einige posttranslationale Modifikationen durch, die E. coli fehlen. Dazu gehören beispielsweise die Bildung von Disulfidbrücken und die Glykosylierung von Proteinen. Diese Modifikationen sind wichtig für die korrekte Faltung und Stabilität von Proteinen, insbesondere von Proteinen mit komplexen Strukturen. In einigen Fällen kann dies zu einer besseren biologischen Aktivität und Stabilität der produzierten Proteine führen.

Es ist jedoch zu beachten, dass die Auswahl des optimalen Produktionsorganismus von verschiedenen Faktoren abhängt, einschließlich der spezifischen Anforderungen des zu produzierenden Proteins, der Skalierbarkeit des Prozesses, der Produktionskosten und anderer prozessspezifischer Überlegungen.

Die Selektion von transgenen Klonen mittels eines Antibiotikaresistenzgens erfolgt durch die Einführung des Plasmids mit dem Antibiotikaresistenzgen in E. coli-Zellen und anschließender Kultivierung auf einem Nährmedium, das das entsprechende Antibiotikum enthält. Dieser Prozess basiert auf dem Prinzip der positiven Selektion. Hier ist eine nachvollziehbare Erklärung:

1. Plasmid mit Antibiotikaresistenzgen einführen:

   • Das Plasmid, das das Antibiotikaresistenzgen und das zu exprimierende Gen (z. B. ein Zielgen oder ein Reportergen) enthält, wird in die E. coli-Zellen eingeführt. Dies kann durch Transformation erfolgen, wobei die Zellmembran für die Aufnahme des Plasmids durch Hitze oder Elektroporation permeabilisiert wird.

2. Antibiotikaselektion durchführen:

   • Das Antibiotikaresistenzgen im Plasmid codiert für eine Resistenz gegenüber einem bestimmten Antibiotikum (z. B. Ampicillin). Die E. coli-Zellen, die das Plasmid aufgenommen haben, werden resistent gegenüber diesem Antibiotikum.

3. Anzucht auf Antibiotikum-haltigem Nährmedium:

   • Die transformierten E. coli-Zellen werden auf einem Nährmedium ausgesät, das das spezifische Antibiotikum enthält, gegen das die Zellen resistent sind. Nur die transformierten Zellen, die das Plasmid mit dem Antibiotikaresistenzgen aufgenommen haben, können auf diesem Nährmedium überleben und wachsen.

4. Selektion transgener Klone:

   • Da die nicht-transformierten Zellen empfindlich gegenüber dem Antibiotikum sind, werden sie durch das Antibiotikum eliminiert. Die überlebenden Zellen, die transgen sind und das Plasmid tragen, vermehren sich und bilden Kolonien auf dem Nährmedium.

Durch diesen Prozess können transgene Klone selektiert werden, da nur diejenigen Zellen, die das gewünschte Plasmid mit dem Antibiotikaresistenzgen aufgenommen haben, in der Lage sind, auf dem selektiven Nährmedium zu überleben und zu wachsen. Dies ermöglicht eine einfache Identifizierung und Isolierung der transgenen E. coli-Klone für weitere Anwendungen in der Biotechnologie.

(a) Säugetierzelllinie für die biopharmazeutische Produktion:

• Eine häufig verwendete Säugetierzelllinie für die biopharmazeutische Produktion ist die CHO-Zelllinie (Chinese Hamster Ovary). CHO-Zellen haben sich aufgrund ihrer Fähigkeit zur effizienten Produktion von Proteinen und Glykoproteinen, einschließlich therapeutischer Antikörper, als sehr nützlich erwiesen.

(b) Agrobacterium tumefaciens und GVOs:

• Agrobacterium tumefaciens wird für die Generierung von pflanzlichen gentechnisch veränderten Organismen (GVOs) eingesetzt. Agrobacterium tumefaciens ist ein Bodenbakterium, das natürlicherweise die Fähigkeit besitzt, seine DNA in das Pflanzengenom einzufügen. Dieser Mechanismus wird für die gentechnische Transformation von Pflanzen genutzt, indem fremde Gene in das Pflanzengenom eingeführt werden, um gewünschte Merkmale oder Produkte zu erzeugen.

(a) Problematische Aspekte von Hefeextrakt in komplexen Medien aus GMP-Sicht:

• Hefeextrakt und ähnliche Inhaltsstoffe in komplexen Medien können aus GMP-Sicht problematisch sein, da sie oft nicht genau definiert sind. GMP (Good Manufacturing Practice) legt Richtlinien für die Herstellung von Arzneimitteln fest und erfordert, dass alle Bestandteile in einem Produkt genau spezifiziert und kontrolliert werden. Komplexe Medien wie Hefeextrakt haben jedoch eine komplexe und nicht genau definierte Zusammensetzung, was die reproduzierbare Herstellung und Qualitätskontrolle erschwert. In der biopharmazeutischen Produktion bevorzugt man oft definierte, chemisch genau bekannte Nährmedien, um die Konsistenz und Qualität der Produktion sicherzustellen.

(b) Biomolekül mit Phosphor:

• Ein in Zellen vorkommendes Biomolekül, das Phosphor enthält, ist Adenosintriphosphat (ATP). ATP ist eine energiereiche Verbindung, die eine zentrale Rolle im Energiestoffwechsel von Zellen spielt. Es dient als universeller Energieträger in Zellen und ist an vielen zellulären Prozessen beteiligt, einschließlich des Transports von Energie innerhalb der Zelle.

(a) Turbulente Strömung bei aeroben bakteriellen Kulturen in Rührkesselreaktoren:

• Bei aeroben bakteriellen Kulturen wird in Rührkesselreaktoren stets mit turbulenter Strömung gearbeitet, um eine effiziente Sauerstoffübertragung zu gewährleisten. Bakterien benötigen Sauerstoff für ihren Stoffwechsel, und eine turbulente Strömung fördert eine effektive Durchmischung des Mediums. Dies gewährleistet eine gleichmäßige Verteilung von Sauerstoff im Reaktor und verhindert Sauerstofflimitierung in bestimmten Bereichen der Kultur, was zu optimalen Wachstumsbedingungen beiträgt.

(b) Vorteile von Single-Use-Bioreaktoren:

1. Vermeidung von Kreuzkontamination: Da Single-Use-Bioreaktoren für jede Charge neu verwendet werden und nach Gebrauch entsorgt werden, wird das Risiko von Kreuzkontaminationen zwischen verschiedenen Produktionschargen minimiert.

2. Zeit- und Kosteneffizienz: Die Reinigung und Validierung von Single-Use-Bioreaktoren entfallen, was zu Zeit- und Kosteneinsparungen führt. Sie ermöglichen einen schnelleren und flexibleren Produktionsprozess.

(c) Vorteil des Gasliftreaktors gegenüber einem konventionellen Blasensäulenreaktor:

• Der Gasliftreaktor bietet den Vorteil einer besseren Kontrolle über die Gasverteilung und den Gasfluss im Vergleich zu einem konventionellen Blasensäulenreaktor. Im Gasliftreaktor erfolgt die Zufuhr von Gas durch einen Sparger am Boden des Reaktors, was zu einer gleichmäßigeren Verteilung des Gases führt. Dies ermöglicht eine präzisere Steuerung der Prozessparameter und verbesserte Bedingungen für die Mikroorganismen im Reaktor.

(a) Verdopplungszeit (tD) beim Wachstum einer Kultur:

• Die Verdopplungszeit (tD) ist die Zeit, die eine Zellkultur benötigt, um ihre Zellzahl zu verdoppeln. Es ist ein Maß für die Geschwindigkeit des Zellwachstums. Mathematisch betrachtet ist die Verdopplungszeit die Zeit, die benötigt wird, um die Anfangszellzahl zu verdoppeln.

(b) Einheit der spezifischen Wachstumsrate (µ):

• Die spezifische Wachstumsrate (µ) hat die Einheit 1/Zeit (z. B. h^(-1)). Sie gibt an, wie schnell die Zellpopulation pro Zeiteinheit wächst. Es ist die Steigung der exponentiellen Phase im Wachstumskurve-Diagramm.

(c) Induktion eines Gens:

• Die Induktion eines Gens bezieht sich auf den Prozess, durch den die Expression eines Gens aktiviert wird. Dies kann durch verschiedene Signale oder Umweltbedingungen ausgelöst werden. Bei der Induktion eines Gens binden induzierende Moleküle an den Repressor, was zu dessen Inaktivierung führt oder den Induktionsfaktor ermöglicht, an den Promotor zu binden. Dadurch wird die RNA-Polymerase ermöglicht, den Transkriptionsprozess zu starten, was zur Synthese von mRNA und schließlich zur Expression des Proteins führt. Induktion spielt eine wichtige Rolle in der Regulation von Genaktivität in Zellen.

(a) Hinzufügen der Vorkultur in einen Bioreaktor:

• Das Hinzufügen der Vorkultur in einen Bioreaktor wird als Inokulation bezeichnet. Inokulation bezieht sich auf den Transfer einer aktiven Kultur (Vorkultur) in einen größeren Bioreaktor, um dort das eigentliche Fermentationsverfahren zu starten.

(b) kLa-Wert und seine Bedeutung:

• Der kLa-Wert (auch Sauerstoffmassentransferkoeffizient genannt) gibt an, wie effizient Sauerstoff in eine flüssige Kultur übertragen wird. Er drückt die Fähigkeit des Bioreaktors aus, Sauerstoff aus der Gasphase in die flüssige Phase zu übertragen. Ein höherer kLa-Wert bedeutet eine bessere Sauerstoffverfügbarkeit für die Mikroorganismen und fördert somit das Zellwachstum und die Produktivität.

(c) Steigerung des kLa-Werts in Rührkesselreaktoren:

• Der kLa-Wert in Rührkesselreaktoren kann durch verschiedene Maßnahmen gesteigert werden. Neben der Erhöhung der Rührerdrehzahl kann auch die Erhöhung des Belüftungsvolumens eine effektive Methode sein, um den Sauerstoffmassentransfer zu verbessern.

(d) Ablauf eines Fed-Batch-Verfahrens:

• Bei einem Fed-Batch-Verfahren erfolgt die Zugabe von Substrat (Fütterung) kontinuierlich oder in Chargen während der Fermentation. Im Gegensatz zur Batch-Fermentation, bei der alle Nährstoffe zu Beginn hinzugefügt werden, ermöglicht das Fed-Batch-Verfahren eine längere Produktionsphase, da die Nährstoffe nach Bedarf zugeführt werden. Dies kann zu höheren Produktausbeuten führen.

(a) Entfallener Schritt bei Abgabe des Produkts während der Fermentation:

• Wenn das Produkt während der Fermentation direkt an das Nährmedium abgegeben wird, entfällt der Schritt der Zellernte im Downstream Processing. In diesem Fall müssen die Zellen nicht separiert werden, da das Produkt bereits im Kulturmedium vorliegt.

(b) Zweck einer Präzipitation im Downstream Processing:

• Eine Präzipitation im Downstream Processing hat den Zweck, Proteine oder andere Verunreinigungen aus der Lösung zu entfernen. Durch die Zugabe von geeigneten Fällungsmitteln oder Änderungen der physikalisch-chemischen Bedingungen (z. B. pH-Wert) können Proteine ausfallen und sedimentieren, wodurch sie leichter separiert werden können.

(c) Elution bei chromatographischen Verfahren:

• Elution bezeichnet den Prozess des Auswaschens oder Ausspülens von Substanzen aus der chromatographischen Säule. Es erfolgt nach der Adsorption, wenn die gebundenen Substanzen durch die Zugabe von Elutionspuffern oder Lösungsmitteln aus der Säule herausgelöst werden. Die Elution ermöglicht die Trennung und Gewinnung der zuvor gebundenen Substanzen.

(d) Größenausschlusschromatographie und Austrittsreihenfolge:

• Bei der Größenausschlusschromatographie werden Substanzen basierend auf ihrer Größe getrennt. In diesem Fall wird die Substanz mit dem größten Molekulargewicht (100.000 g/mol) zuerst die Säule verlassen, da sie nicht durch die Poren der stationären Phase hindurchpassen kann. Die kleineren Moleküle können durch die Poren gelangen und werden später eluiert.

Die Herstellung eines pharmazeutischen Protein-Wirkstoffs über Fermentation von rekombinanten Hefe-Zellen kann verschiedene Kontaminanten einführen. Hier sind drei Arten von Kontaminanten, die im Downstream Processing entfernt werden müssen, und die bei der Qualitätskontrolle analysiert werden sollten:

1. Proteinverunreinigungen:

   • Kontaminierende Proteine, die während der Fermentation oder durch Zellbruch entstehen können, müssen entfernt werden. Im Downstream Processing wird dies durch verschiedene Reinigungsschritte wie Chromatographie erreicht.

2. Nukleinsäureverunreinigungen:

   • Reste von Hefe-DNA oder RNA können Kontaminanten sein, die während des Fermentationsprozesses entstehen. Diese müssen entfernt werden, um die Reinheit des pharmazeutischen Wirkstoffs sicherzustellen.

3. Metabolit-Verunreinigungen:

   • Stoffwechselprodukte oder Zwischenprodukte der Hefe-Metaboliten können als Kontaminanten auftreten. Eine sorgfältige Entfernung dieser Verunreinigungen ist entscheidend, um die Reinheit und Sicherheit des Endprodukts zu gewährleisten.

Bonuspunkte:

• Bei der Qualitätskontrolle können zusätzliche Analysen auf Mikroorganismen, Endotoxine oder andere spezifische Verunreinigungen durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass das Endprodukt den erforderlichen pharmazeutischen Standards entspricht.

Der Begriff, der zu der gegebenen Definition gehört, ist "Biosimilar".

1. Herbizidresistente Sojabohnen:

   • Farbe: Grün

   • Bereich der Biotechnologie: Pflanzengentechnik (grüne Biotechnologie)

2. Katalase (zur Entfernung des Bleichmittels Wasserstoffperoxid aus Textilien):

   • Farbe: Weiß

   • Bereich der Biotechnologie: Industrielle Biotechnologie (weiße Biotechnologie)

(a) Alle katabolen und anabolen Stoffwechselwege, die für das Wachstum, die Entwicklung und die Reproduktion eines Organismus benötigt werden, werden unter dem Begriff "Primärstoffwechsel" zusammengefasst.

(b) Actinomyceten, insbesondere Streptomyceten, stellen eine ergiebige Quelle für Antibiotika dar.

Nukleinsäurebasierte Impfstoffe verwenden genetisches Material, entweder DNA oder mRNA, um eine Immunantwort im Körper auszulösen. Das Prinzip besteht darin, dem Körper genetische Anweisungen zu geben, um ein virales Antigen zu produzieren, das dann eine Immunantwort hervorruft

(a) Die Repression eines Gens verhindert den Transkriptionsschritt der Genexpression. Durch die Repression wird die RNA-Polymerase blockiert oder gehindert, das Gen abzulesen und eine mRNA zu synthetisieren. Dieser Schritt ist entscheidend für die Umsetzung der genetischen Information in ein funktionales Protein.

(b) Die genetische Information in einem Gen wird in Gruppen von drei Nukleotiden, sogenannten Triplett-Codons, codiert. Jedes Codon entspricht einer Aminosäure im Protein. Da es 20 verschiedene Aminosäuren gibt, können mehrere Codons dieselbe Aminosäure repräsentieren. Die genaue Länge eines Gens in Basenpaaren lässt sich nicht direkt aus der Aminosäuresequenz ableiten, da mehrere Codons dieselbe Aminosäure kodieren können.

Die genaue Länge eines Gens hängt auch von nicht-codierenden Regionen ab, einschließlich Introns und regulatorischer Sequenzen. Daher kann die genaue Länge des für GFP kodierenden Gens nur durch Zugriff auf die spezifische Gensequenz bekannt sein. Die Information allein über die Anzahl der Aminosäuren reicht nicht aus, um die exakte Genlänge zu bestimmen.

(a) Die Abspaltung der Signalsequenz erfolgt durch ein Enzym namens Signalpeptidase. Diese Enzyme sind für die Entfernung der Signalsequenz oder des Signalpeptids während der Proteinbiosynthese verantwortlich.

(b) Die Helix-Struktur jeder Präpro-α-Kette wird als Sekundärstruktur bezeichnet. In diesem Fall handelt es sich um eine spezielle Form der Sekundärstruktur, nämlich die α-Helix.

(c) Die kovalente Bindung zwischen den Schwefel-Atomen zweier Cysteine wird als Disulfidbrücke bezeichnet. Diese Bindungen tragen zur Stabilisierung der Tertiär- und Quartärstrukturen von Proteinen bei.

Die gerichtete Stammoptimierung, auch als gerichtete Evolution oder gezielte Stammverbesserung bekannt, ist ein biotechnologisches Verfahren, das darauf abzielt, bestimmte Eigenschaften eines Mikroorganismus gezielt zu verbessern, um ihn besser für die gewünschte Anwendung, wie zum Beispiel die Produktion von Aminosäuren, zu machen. Dieser Prozess erfolgt in der Regel durch wiederholte Züchtung und Selektion von Mutanten mit den gewünschten Eigenschaften.

Im Fall von Corynebacterium glutamicum können diese gerichteten Optimierungsverfahren darauf abzielen, die Produktivität, Ausbeute oder andere relevante Eigenschaften des Stammes zu verbessern, um ihn effizienter für die industrielle Produktion von Aminosäuren einzusetzen. Dies erfolgt durch gezielte Einführung von Mutationen, beispielsweise durch Strahlenmutagenese oder Gentechnik, und anschließende Selektion der Stämme mit den besten gewünschten Eigenschaften.

(a) Nachteile von E. coli gegenüber Bacillus subtilis als Produktionsorganismus:

1. Posttranslationale Modifikationen: E. coli führt im Vergleich zu eukaryotischen Organismen nur begrenzte posttranslationale Modifikationen durch. Dies kann problematisch sein, wenn das produzierte Protein spezifische Modifikationen benötigt, die in Bakterien nicht oder nur eingeschränkt erfolgen.

2. Bildung von Inclusion Bodies: E. coli neigt zur Bildung von Einschlusskörpern (Inclusion Bodies), was die Aufreinigung und das Downstream Processing komplexer machen kann.

(b) Gründe für höhere Kosten bei der biotechnologischen Herstellung von Proteinwirkstoffen in Säugetierzellen im Vergleich zu Bakterien:

1. Komplexität der Zelllinien: Die Entwicklung und Aufrechterhaltung von Säugetierzelllinien, insbesondere von stabilen Zelllinien, ist zeitaufwändig und erfordert anspruchsvolle Techniken. Im Gegensatz dazu sind Bakterien wie E. coli einfacher zu handhaben und zu kultivieren.

2. Langsameres Wachstum und niedrigere Ausbeuten: Säugetierzellen haben im Vergleich zu Bakterien eine längere Generationszeit und produzieren Proteine in der Regel mit niedrigeren Ausbeuten pro Zelle. Dies führt zu höheren Kosten für Medien, Energie und Fermentationskapazitäten.

Es ist zu beachten, dass die Wahl des Produktionsorganismus stark von den spezifischen Anforderungen des zu produzierenden Proteins und den wirtschaftlichen Überlegungen abhängt.

(a) Auxotrophie:

• Definition: Auxotrophie bezieht sich auf Organismen, die aufgrund einer genetischen Mutation nicht in der Lage sind, bestimmte essentielle Nährstoffe oder Vorläufermoleküle zu synthetisieren, die für ihr Wachstum erforderlich sind.

• Beispiel: Ein auxotropher Pilz könnte beispielsweise aufgrund einer Mutation nicht in der Lage sein, ein bestimmtes Aminosäuremolekül zu synthetisieren, das normalerweise von Wildtyp-Organismen produziert wird.

(b) Reportergene:

• Funktion: Reportergene sind Gene, deren Expression leicht nachweisbar ist, oft durch eine messbare physikalische Veränderung wie Fluoreszenz oder Enzymaktivität.

• Verwendungszweck:

  1. Genexpression überwachen: Reportergene werden verwendet, um die Aktivität von Genen oder die Effizienz von Promotoren zu überwachen.

  2. Zellliniencharakterisierung: In der Generierung von Zelllinien helfen Reportergene dabei, stabile oder transient exprimierte Zellen zu identifizieren und zu charakterisieren.

  3. Screening und Selektion: Bei der Entwicklung transgener Organismen oder Zelllinien werden Reportergene oft für Screening- und Selektionszwecke eingesetzt.

Die Verwendung von Reportergenen ermöglicht eine schnelle und zuverlässige Bewertung der Genexpression und anderer zellulärer Prozesse.

(a) Komplexes/Technisches Nährmedium:

• Merkmale:

  1. Undefinierte Zusammensetzung: Ein komplexes oder technisches Nährmedium enthält Inhaltsstoffe, deren genaue chemische Zusammensetzung nicht im Detail bekannt ist.

  2. Vielfalt an Nährstoffen: Es enthält eine breite Palette von organischen und anorganischen Substanzen, die für das Wachstum verschiedener Mikroorganismen benötigt werden.

  3. Extrakte: Oft werden komplexe Extrakte wie Hefeextrakt oder Pepton verwendet.

(b) Schwefel im Nährmedium:

• Notwendigkeit:

  1. Aminosäurebiosynthese: Schwefel ist ein wesentlicher Bestandteil von Aminosäuren wie Cystein und Methionin, die für Proteine benötigt werden.

  2. Coenzym A: Schwefel ist auch Bestandteil von Coenzym A, das in vielen Stoffwechselprozessen eine wichtige Rolle spielt.

  3. Vitamine: Einige Vitamine, die Schwefel enthalten, sind wichtig für das Wachstum von Mikroorganismen.

Die Anwesenheit von Schwefel im Nährmedium ist daher entscheidend für die Synthese wichtiger biomolekularer Strukturen und Stoffwechselprozesse.

(a) Exponentielle Wachstumsphase:

• In dieser Phase einer einzelzellig wachsenden Kultur erreicht die spezifische Wachstumsrate ihr Maximum. Die Population der Zellen wächst exponentiell, da jede Zelle sich in regelmäßigen Zeitintervallen teilt und die Anzahl der Zellen stark zunimmt.

(b) Stationäre Phase:

• In dieser Phase erreicht die Zelldichte ihr Maximum oder ein Plateau. Die Wachstumsrate nimmt ab, da die Ressourcen im Medium erschöpft sind, es zu Abfallprodukten kommt und verschiedene limitierende Faktoren das Zellwachstum bremsen. Es stellt sich ein Gleichgewicht zwischen Zellteilung und Zelltod ein, was zu einer stabilen Zelldichte führt.

(a) Grundlegende Aufgaben eines Bioreaktors:

• Temperaturregelung: Der Bioreaktor muss die Temperatur im optimalen Bereich für das Wachstum der Organismen halten.

• pH-Regelung: Der pH-Wert im Reaktor sollte kontrolliert werden, da er den Stoffwechsel der Organismen beeinflusst.

(b) Faktoren für die Leistungsaufnahme eines Rührers:

• Flüssigkeitsviskosität: Die Viskosität des Mediums beeinflusst die erforderliche Leistungsaufnahme des Rührers.

• Rührergeometrie: Die Form und Größe des Rührers sowie seine Position im Bioreaktor sind entscheidend für die Leistungsaufnahme.

(c) Fotobioreaktoren und Mikroalgen:

• Geringe Reaktordicke: Eine geringe Reaktordicke ermöglicht eine bessere Lichtdurchdringung, was für die Photosynthese der Mikroalgen entscheidend ist.

• Benötigtes Gas: Mikroalgen benötigen CO2 für die Photosynthese, und in Fotobioreaktoren wird oft Luft zugeführt, die CO2 enthält.

Bei Fermentationsprozessen wie der alkoholischen Gärung kann neben der Substratüberschussinhibierung eine andere Form der Inhibierung auftreten, die als Produktinhibierung bekannt ist. Die ansteigende Konzentration des Endprodukts (zum Beispiel Ethanol bei der alkoholischen Gärung) kann die Aktivität der Mikroorganismen hemmen und den Fermentationsprozess beeinträchtigen.

Bei der Anlegung von Zellbanken zur biotechnologischen Wirkstoffherstellung müssen verschiedene Prüfungen durchgeführt werden. Zwei wichtige Prüfungen sind:

1. Authentifizierung: Es wird überprüft, ob die Zelllinien genetisch stabil und authentisch sind, um sicherzustellen, dass sie die gewünschten genetischen Merkmale und Eigenschaften aufweisen.

2. Kontaminationstests: Es werden Tests durchgeführt, um sicherzustellen, dass die Zellbanken frei von Verunreinigungen wie Bakterien, Pilzen oder anderen unerwünschten Organismen sind. Dies gewährleistet die Reinheit der Zelllinien und verhindert unerwünschte Kontaminationen während des Produktionsprozesses.

(a) Das Hinzufügen der Vorkultur in einen Bioreaktor wird als "Inokulation" bezeichnet.

(b) Neben der Temperatur und dem pH-Wert wird bei aeroben Fermentationen oft der gelöste Sauerstoffgehalt (DO - dissolved oxygen) überwacht und geregelt. Der Sauerstoffgehalt ist entscheidend für den Stoffwechsel von aeroben Organismen und beeinflusst das Wachstum und die Produktivität in fermentativen Prozessen.

(a) Bei einem Fed-Batch-Verfahren wird das Kulturmedium nicht zu Beginn der Fermentation vollständig vorgelegt, sondern es erfolgt eine schrittweise Zugabe von Nährstoffen (Fütterung oder "Feeding") während des Verlaufs der Fermentation. Die Zugabe von Nährstoffen ermöglicht eine längere Laufzeit und kann die Zelldichte sowie die Produktausbeute erhöhen, da die Zellen länger in der exponentiellen Wachstumsphase gehalten werden.

(b) Ein Vorteil einer kontinuierlichen Fermentation gegenüber einer Fed-Batch-Fermentation besteht darin, dass in einem kontinuierlichen Prozess ständig Frischmedium zugeführt wird, während gleichzeitig ein Teil des Kulturüberstands abläuft. Dies ermöglicht eine stabile Prozessführung mit konstanten Bedingungen und somit eine gleichmäßige Produktivität über einen längeren Zeitraum. In einem Fed-Batch-Verfahren kann die Zellkonzentration durch die schrittweise Zugabe von Nährstoffen erhöht werden, aber die Bedingungen können sich im Laufe der Zeit verändern, was Auswirkungen auf die Prozessstabilität haben kann.

Die Sekretion des Zielproteins aus der Zelle und die Abgabe an das Nährmedium können mehrere Vorteile in der biotechnologischen Proteinherstellung bieten:

1. Einfache Aufreinigung: Wenn das Zielprotein direkt ins Nährmedium ausgeschieden wird, vereinfacht dies oft den Aufreinigungsprozess. Die Proteinaufreinigung aus dem Nährmedium kann weniger aufwendig sein als die Aufreinigung aus Zelllysaten, da potenzielle zelluläre Verunreinigungen vermieden werden.

2. Vermeidung von intrazellulären Stresstaktiken: Die intrazelluläre Produktion von Proteinen kann stressig für die Zellen sein und zu einer anspruchsvollen Belastung führen. Durch die Sekretion ins Nährmedium wird der Zellstress reduziert, da das Protein außerhalb der Zelle gebildet wird.

3. Kontinuierliche Produktion: Die kontinuierliche Sekretion ermöglicht eine fortlaufende Produktion des Zielproteins, ohne dass die Zellen lysiert werden müssen. Dies kann zu einer höheren Gesamtausbeute führen.

4. Erleichterte Prozesskontrolle: Die Überwachung und Steuerung der Produktion kann bei einer extrazellulären Sekretion oft einfacher sein. Der Proteinüberschuss im Medium kann direkt gemessen und gesteuert werden.

5. Vermeidung von Zelltod und Zelllyse: Intrazelluläre Ansammlungen von Proteinen können den Zelltod und die Zelllyse fördern. Die Sekretion minimiert diese Risiken, was zu einer längeren Lebensdauer der Zellen und einer stabileren Produktion führen kann.

(a) Ein für sehr große Volumina geeignetes Zentrifugationssystem mit kontinuierlichem Austrag der abgeschiedenen Zellen ist das sogenannte Continuous Flow Centrifugation System.

(b) Die Löslichkeit von Proteinen kann durch eine pH-Änderung beeinflusst werden. Um eine Präzipitation zu erreichen, muss der pH-Wert so eingestellt werden, dass er sich außerhalb des Isoelektrischen Punkts (pI) des Proteins befindet. Dies führt dazu, dass das Protein seine geringste Löslichkeit hat und ausfällt.

(c) Bei chromatographischen Verfahren bezeichnet die Retention die Verweildauer der zu trennenden Substanz in der stationären Phase (z. B. Säule). Je länger die Retention, desto stärker wird die Substanz zurückgehalten und desto später eluiert sie aus der Säule.

(d) Eine Renaturierung von Proteinen muss erfolgen, wenn während des Produktions- oder Aufreinigungsprozesses die Proteinfaltung gestört wurde. Dies kann beispielsweise durch Denaturierung oder Entfaltung während der Aufreinigung verursacht werden. Die Renaturierung ist der Prozess, bei dem das Protein seine korrekte dreidimensionale Struktur zurückgewinnt, um seine biologische Aktivität zu erhalten.

Biosimilars und Generika sind beide Begriffe, die sich auf Nachahmerprodukte von Arzneimitteln beziehen, aber es gibt wichtige Unterschiede zwischen den beiden:

1. Komplexität der Moleküle:

   • Generika sind Kopien von chemischen Arzneimitteln mit einfachen Strukturen. Sie sind identisch in Bezug auf Wirkstoffzusammensetzung und Struktur.

   • Biosimilars sind Nachahmerprodukte von Biopharmazeutika, die komplexe, biologisch hergestellte Moleküle sind. Aufgrund der komplexen Natur biologischer Arzneimittel können Biosimilars nicht genau identisch, sondern nur ähnlich im Hinblick auf Struktur und Wirkung sein.

2. Zulassungsverfahren:

   • Generika unterliegen einem standardisierten und vereinfachten Zulassungsverfahren. Sie müssen nachweisen, dass sie bioäquivalent zum Originalpräparat sind.

   • Biosimilars müssen einen aufwendigeren Zulassungsprozess durchlaufen. Sie müssen nachweisen, dass sie vergleichbar, aber nicht identisch mit dem Referenz-Biopharmazeutikum sind. Dies erfordert umfangreiche präklinische und klinische Studien.

Die Unterschiede in der Struktur und im Herstellungsprozess von biologischen Arzneimitteln machen die Entwicklung von Biosimilars komplexer im Vergleich zu Generika von chemischen Arzneimitteln.

(a) Die Herstellung von Peroxidasen, die in der Textilindustrie als Bleichmittel eingesetzt werden, gehört zum Bereich der rote Biotechnologie. Die rote Biotechnologie bezieht sich auf Anwendungen im medizinischen Bereich sowie in der Pharmazie.

(b) Ein Beispiel aus dem Bereich der grünen Biotechnologie ist die Entwicklung und Anwendung von genetisch veränderten Pflanzen für landwirtschaftliche Zwecke. Dies kann die Erzeugung von transgenen Pflanzen zur Verbesserung von Erträgen, Resistenz gegen Schädlinge oder Anpassung an spezifische Umweltbedingungen umfassen.

(a) Der Sekundärstoffwechsel umfasst biochemische Prozesse in einem Organismus, die nicht unmittelbar für das Überleben oder das Wachstum notwendig sind. Im Gegensatz zum Primärstoffwechsel, der grundlegende Stoffwechselprozesse wie die Energiegewinnung und den Aufbau von Biomolekülen reguliert, sind die Produkte des Sekundärstoffwechsels oft spezialisierte Verbindungen mit schützenden oder anlockenden Funktionen.

(b) Glucagon gehört zu der Gruppe der Peptidhormone. Peptidhormone sind Proteine oder Peptide, die als Signalmoleküle im Körper fungieren und eine Vielzahl von physiologischen Funktionen regulieren.

(a) Impfstoffe, die durch Behandlung von Influenza-Viren mit Detergenzien oder organischen Lösungsmitteln gewonnen werden, gehören zur Gruppe der Viruslipidhüllen-Fragment-Impfstoffe.

(b) Impfstoffe, die inaktivierte Exotoxine enthalten, gehören zur Gruppe der Toxoidimpfstoffe.

(a) Die Länge der kodierenden Sequenz in der mRNA wird durch Triplets (Codons) bestimmt, wobei jedes Codon für eine bestimmte Aminosäure steht. Ein Codon besteht aus drei aufeinanderfolgenden Nukleotiden. Da jedes Codon eine Aminosäure repräsentiert, können wir die Anzahl der Aminosäuren berechnen, indem wir die Anzahl der Basen durch 3 teilen: 304

(b) Antibiotika, die die Untereinheiten des Ribosoms blockieren, inhibieren in der Regel den Translokationsschritt der Proteinbiosynthese. Dieser Schritt beinhaltet die Bewegung des Ribosoms auf der mRNA, um die nächste Aminosäure hinzuzufügen.

(a) Eine bei Proteinen vorkommende Sekundärstruktur ist die \textbf{�α-Helix} oder die \textbf{�β-Faltblatt-Struktur}.

(b) Proteine erhalten ihre dreidimensionale, definierte räumliche Struktur (Tertiärstruktur) durch \textbf{intramolekulare Wechselwirkungen}, wie z.B. Wasserstoffbrückenbindungen, Disulfidbrücken, ionische Wechselwirkungen und hydrophobe Wechselwirkungen.

(c) Das Anhängen von Kohlenhydraten an Amino- oder Hydroxylgruppen von Aminosäuren wird als \textbf{Glykosylierung} bezeichnet.

Unter klassischer Mutagenese versteht man einen Ansatz zur Optimierung von Mikroorganismen, bei dem mutagene Substanzen oder Strahlung verwendet werden, um zufällige Mutationen im Genom zu induzieren. Ziel ist es, genetische Veränderungen zu erzeugen, die zu verbesserten Eigenschaften des Organismus führen, beispielsweise höhere Produktionsraten oder verbesserte Resistenz gegenüber widrigen Umweltbedingungen.

Die biotechnologische Herstellung von Proteinwirkstoffen in Säugetierzellen ist im Vergleich zur Nutzung von Bakterien als Produzenten aus verschiedenen Gründen deutlich teurer:

1. Komplexität der Säugetierzellen: Säugetierzellen, insbesondere tierische Zelllinien wie CHO (Chinese Hamster Ovary) Zellen, sind komplexer in ihrer Struktur und erfordern anspruchsvollere Kulturbedingungen im Vergleich zu Bakterien. Die Notwendigkeit, die Zellen in einem komplexen Umfeld zu kultivieren, erhöht die Kosten für Medien, Nährstoffe und Prozessoptimierung.

2. Längere Kultivationszeiten: Säugetierzellen haben längere Kultivationszeiten im Vergleich zu Bakterien. Die langsameren Wachstumsraten und längeren Produktionszyklen führen zu höheren Betriebskosten, da die Anlagen länger belegt sind und eine präzisere Prozessüberwachung erfordern.

Diese beiden Faktoren, kombiniert mit anderen spezifischen Herausforderungen bei der Kultivierung von Säugetierzellen, tragen dazu bei, dass die biotechnologische Herstellung in diesen Zellen kostenaufwändiger ist.

Die "Komplementation von auxotrophen Mutanten" bezieht sich auf einen genetischen Vorgang, bei dem eine defekte Funktion (Mutation) in einem Gen durch die Einführung eines intakten, funktionsfähigen Gens wiederhergestellt wird. Auxotrophe Mutanten sind Organismen, die aufgrund einer Mutation in einem bestimmten Gen nicht in der Lage sind, ein für ihr Wachstum wesentliches Molekül zu synthetisieren. Diese Mutation führt zu einem Defekt im Stoffwechsel, der durch die Zugabe des fehlenden Moleküls (meist ein bestimmtes Nährstoff oder eine Aminosäure) in der Umgebung des Organismus kompensiert werden kann.

Im Kontext transgener Pilze als Produzenten in der Biotechnologie bedeutet die Komplementation von auxotrophen Mutanten, dass ein funktionelles Gen, das das defekte Gen ersetzt oder ergänzt, in die genetische Ausstattung (Genotyp) der auxotrophen Pilze eingeführt wird. Dieses zusätzliche Gen ermöglicht den Pilzen die Synthese des fehlenden Moleküls und stellt somit die normale Stoffwechselfunktion wieder her. Der Marker, der die auxotrophe Mutation komplementiert, wird als "prototroph" bezeichnet. Der Einsatz prototropher Marker ist eine gebräuchliche Methode, um genetisch veränderte Organismen (GVOs) mit spezifischen Fähigkeiten oder Eigenschaften zu erzeugen.

(a) Kohlenstoffhaltige Verbindungen, die wichtig für den Energiestoffwechsel von Zellen sind, umfassen vor allem Kohlenhydrate wie Glucose. Diese werden durch Glykolyse und anschließende Stoffwechselwege abgebaut, um energiereiche Verbindungen zu produzieren, die in der Zellatmung zur Energiegewinnung genutzt werden.

(b) Phosphor spielt eine entscheidende Rolle im Energiestoffwechsel, insbesondere in Form von Adenosintriphosphat (ATP). ATP ist eine energiereiche Verbindung, die in Zellen als universeller Energieträger fungiert. Bei Stoffwechselprozessen wird Energie in Form von ATP erzeugt und bei Bedarf freigesetzt, um verschiedene zelluläre Aktivitäten anzutreiben.

(c) Ein Nährmedium, bei dem die exakte Zusammensetzung bekannt ist, wird als "definiertes" oder "synthetisches" Nährmedium bezeichnet. In einem solchen Medium sind alle Bestandteile mit genauen Mengen und chemischer Zusammensetzung spezifiziert. Dies ermöglicht eine präzise Kontrolle über die Bedingungen für das Wachstum und den Stoffwechsel von Mikroorganismen in biotechnologischen Anwendungen.

(a) Bei aeroben bakteriellen Kulturen in Rührkesselreaktoren wird mit turbulenter Strömung gearbeitet, um eine effiziente Sauerstoffübertragung zu gewährleisten. Turbulente Strömungen erhöhen die Oberfläche des Gases (Luft oder Sauerstoff) und fördern den Austausch von Gasen zwischen der Luftphase und der Flüssigphase. Dies ist besonders wichtig, um den Sauerstoffbedarf der aeroben Bakterienkultur zu decken.

(b) Eine Zunahme der Viskosität im Laufe der Fermentation führt zu einer Abnahme der Reynolds-Zahl. Die Reynolds-Zahl ist ein dimensionsloser Parameter, der das Verhältnis von Trägheitskräften zu Reibungskräften in einer Strömung beschreibt. Bei steigender Viskosität nimmt die Trägheit ab, was zu einer niedrigeren Reynolds-Zahl führt. Dies kann die Strömungscharakteristik beeinflussen und zu veränderten Misch- und Stoffaustauscheigenschaften führen.

(c) Bei einfachen Blasensäulenreaktoren ohne Umlauf erfolgt die Durchmischung durch aufsteigende Gasblasen. Die Gasblasen durchmischen die Flüssigkeit, indem sie aufsteigen und dabei Stoffe in der Flüssigphase mitreißen. Diese Form der Durchmischung ist besonders bei gasverbrauchenden Prozessen wie der aeroben Fermentation wichtig.

(d) Die Reaktordicke bei Fotobioreaktoren, die zur Kultivierung von Mikroalgen eingesetzt werden, ist sehr gering, um eine ausreichende Lichtzufuhr zu gewährleisten. Mikroalgen benötigen Licht für die Photosynthese, und eine geringe Reaktordicke erleichtert die Lichtpenetration und ermöglicht eine effiziente Nutzung des Lichts durch die Algenpopulation.

(a) Die maximalen Wachstumsraten von Säugerzellkulturen sind in der Regel niedriger im Vergleich zu Bakterien wie Bacillus subtilis. Es ist schwierig, einen genauen Faktor anzugeben, da die Wachstumsraten von verschiedenen Säugerzellkulturen stark variieren können. Generell können Säugerzellkulturen eine maximale Wachstumsrate haben, die um mehrere Größenordnungen niedriger ist als die von Bacillus subtilis (tD = 0,5 h).

(b) Bei einer rein wachstumsgekoppelten Produktbildung erfolgt die Produktion des gewünschten Produkts direkt in Verbindung mit dem Zellwachstum. Das bedeutet, dass die Produktionsrate mit der Zellvermehrung einhergeht. In solchen Fällen wird das Produkt während der exponentiellen Wachstumsphase der Zellen produziert und erreicht seinen Höhepunkt, wenn die Zellen ihre maximale Wachstumsrate erreichen. Die Produktbildung ist somit direkt an das Zellwachstum gekoppelt und folgt dem Verlauf der Zellvermehrung.

(a) Neben dem Gelöstsauerstoff und der Temperatur wird bei Fermentationen auch der pH-Wert als Parameter überwacht und geregelt. Der pH-Wert hat einen entscheidenden Einfluss auf den Verlauf von Fermentationen, da er den Stoffwechsel der Mikroorganismen beeinflusst.

(b) Die Erhöhung der Rührerdrehzahl in einem Fermentationsprozess kann den kLa-Wert (volumetrischer Sauerstofftransferkoeffizient) positiv beeinflussen. Durch eine höhere Rührerdrehzahl wird die Turbulenz im Reaktor erhöht, was zu einer besseren Durchmischung und somit zu einer verbesserten Sauerstoffübertragung führen kann. Ein höherer kLa-Wert bedeutet eine effizientere Sauerstoffversorgung der Mikroorganismen in der Fermentation.

(c) Wenn das für das Zellwachstum benötigte Substrat bereits bei geringen Konzentrationen wachstumsinhibierend wirkt, jedoch das entstehende Produkt keine wachstumsinhibierenden oder toxischen Effekte aufweist, könnte eine kontinuierliche Fermentation eine geeignete Wahl sein. In einer kontinuierlichen Fermentation wird das Substrat kontinuierlich zugeführt, und gleichzeitig werden Zellen und Produkt kontinuierlich entnommen. Dies ermöglicht eine effiziente Nutzung des Substrats, selbst bei niedrigen Konzentrationen, und minimiert die toxischen Effekte des Substrats auf die Zellen.

(a) Ein Zellaufschluss ist erforderlich, wenn die Zielsubstanz (z. B., Proteine, Enzyme) innerhalb der Zellen lokalisiert ist und für das Downstream Processing extrahiert werden muss. Der Zellaufschluss dient dazu, die Zellwand oder Zellmembran zu zerstören und den Zugang zur intrazellulären Zielsubstanz zu ermöglichen.

(b) Für die TFF (Tangential Flow Filtration) zur Aufreinigung eines monoklonalen Antikörpers mit einem Molekulargewicht von 150 kDa von niedermolekularen Verunreinigungen (< 1.000 g/mol) wäre eine Filtrationsmembran mit einem Cut-Off von etwa 150 kDa sinnvoll. Dies ermöglicht es, den Antikörper zu behalten, während kleinere Verunreinigungen durch die Membran hindurchtreten. Die Wahl des Cut-Offs sollte sicherstellen, dass der gewünschte Antikörper zurückgehalten wird.

(c) Die Größenausschlusschromatographie (Gel Filtration) erreicht eine Klassifizierung nach der Molekülgröße. In diesem Verfahren werden die zu trennenden Substanzen anhand ihrer Größe voneinander getrennt, indem sie durch ein Gel passieren, das Poren mit unterschiedlichen Größen aufweist.

(d) Die Affinitätschromatographie basiert auf spezifischen Wechselwirkungen zwischen einer Zielsubstanz und einem Liganden, der auf einer festen Matrix immobilisiert ist. Durch die Affinitätschromatographie können gezielt Substanzen mit hoher Affinität zu einem bestimmten Liganden aus einer Mischung getrennt und aufgereinigt werden.

(a) Der grundlegende Unterschied zwischen Naturstoffen und rekombinanten biopharmazeutischen Produkten liegt darin, dass Naturstoffe natürlichen Ursprungs sind und direkt aus lebenden Organismen isoliert werden, während rekombinante biopharmazeutische Produkte mithilfe von gentechnisch veränderten Organismen hergestellt werden.

(b) Streptomycin gehört zu den Antibiotika und ist ein Naturstoff.

(c) Protamin gehört zu den basischen Proteinen und wird oft als Antagonist zu Heparin verwendet. Es ist nicht direkt einer Stoffgruppe zuzuordnen, aber es handelt sich um ein natürlich vorkommendes Protein aus Lachssperma.

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Bei der Entwicklung von Hochleistungsstämmen zur Antibiotikaproduktion werden zwei grundlegende Ansätze verfolgt: klassische (ungerichtete) Stammoptimierungsverfahren und gerichtete Stammoptimierungsverfahren.

1. Klassische (ungerichtete) Stammoptimierungsverfahren:

   • Charakteristik: Dieser Ansatz basiert auf zufälligen genetischen Veränderungen im Organismus, ohne eine bestimmte genetische Modifikation anzustreben.

   • Durchführung: Man setzt den Mikroorganismus (z. B. ein Bakterium oder ein Pilz) einer mutagenen Behandlung aus, die spontane Mutationen im Genom verursacht. Dabei können verschiedene Techniken wie chemische Mutagenese oder Bestrahlung verwendet werden.

   • Auswahl: Die Stämme mit gewünschten Eigenschaften, in diesem Fall erhöhter Antibiotikaproduktion, werden durch Screening von großen Populationen von Mutanten identifiziert.

   • Vorteile und Nachteile: Der Ansatz ist einfach, aber es kann schwierig sein, gezielt gewünschte Veränderungen zu erreichen, da die Mutationen zufällig auftreten.

2. Gerichtete Stammoptimierungsverfahren:

   • Charakteristik: Im Gegensatz zur zufälligen Natur der klassischen Methoden wird hier gezielt auf bestimmte Gene oder genetische Regionen abgezielt.

   • Durchführung: Es werden spezifische genetische Manipulationstechniken wie Gentechnik, Rekombination oder Genome Editing angewendet, um gezielte Veränderungen im Genom vorzunehmen.

   • Auswahl: Durch gezielte genetische Veränderungen kann eine genauere Auswahl der gewünschten Eigenschaften erfolgen, was die Effizienz des Prozesses verbessert.

   • Vorteile und Nachteile: Der Ansatz ermöglicht eine präzisere Steuerung der gewünschten Eigenschaften, er erfordert jedoch fortschrittliche genetische Werkzeuge und Kenntnisse.

Beide Ansätze haben ihre Vor- und Nachteile, und die Wahl zwischen ihnen hängt von den spezifischen Anforderungen des Bioprozesses und den verfügbaren Ressourcen ab.

(a) Der Abschnitt "ori" steht für den Ursprung der Replikation und ist wichtig, um die Replikation des Plasmids zu initiieren. Der ori-Bereich enthält die notwendigen Sequenzen und Elemente, damit das Plasmid in einem Wirtszellorganismus repliziert werden kann.

(b) Um die Expression eines Zielproteins zu ermöglichen, muss zusätzlich zur Replikationssequenz (ori) auch eine Expressionssequenz, wie z.B. ein Promotor und ein Startcodon, in das Plasmid eingebracht werden. Der Promotor reguliert die Transkription des Zielgens, und das Startcodon gibt den Startpunkt für die Translation des Zielproteins an.

(c) Der N-tag (N-terminaler Tag) und der C-tag (C-terminaler Tag) sind Peptidsequenzen, die zusätzlich zum eigentlichen Zielprotein angehängt werden können. Sie dienen verschiedenen Zwecken, darunter:

• Reinigung und Detektion: Die Tags erleichtern die Reinigung des Zielproteins durch Affinitätschromatographie unter Verwendung spezifischer Bindungseigenschaften des Tags. Sie ermöglichen auch die einfache Detektion des Proteins in Analysen, da sie leicht nachweisbar sind.

• Löslichkeit und Stabilität: Einige Tags können die Löslichkeit und Stabilität des Zielproteins verbessern, was in der Produktion und Handhabung des Proteins von Vorteil ist.

• Nachverfolgbarkeit: Die Tags erleichtern die Verfolgung des Proteins im Zell- und Organismusgewebe oder bei anderen Anwendungen.

Die Wahl des Tags hängt von den spezifischen Anforderungen der Proteinexpression, -reinigung und -analyse ab.

Die stabile und die transiente Expression sind zwei verschiedene Ansätze in der Biotechnologie für die Einführung von Fremdgenen in Zellen, um Proteine oder andere Produkte zu produzieren.

1. Stabile Expression:

   • Bei der stabilen Expression wird das Fremdgen dauerhaft in das Genom der Zielzelle integriert.

   • Die Integration erfolgt normalerweise in das Wirts-DNA und wird durch verschiedene Techniken wie die Verwendung von Vektoren oder viralen Vektoren erreicht.

   • Die Expression des Fremdgens bleibt über mehrere Zellgenerationen erhalten, da es Teil des genetischen Materials der Zelle wird.

   • Stabile Expression eignet sich gut für langfristige oder kontinuierliche Proteinproduktion, ist jedoch zeitaufwendiger bei der Etablierung im Vergleich zur transienten Expression.

2. Transiente Expression:

   • Bei der transienten Expression wird das Fremdgen vorübergehend in die Zielzellen eingeführt, ohne dass eine dauerhafte Integration in das Genom erfolgt.

   • Die Expression erfolgt normalerweise durch die Verwendung von Vektoren oder anderen Trägersystemen, die das Fremdgen vorübergehend in der Zelle ausdrücken.

   • Die Expression ist zeitlich begrenzt und nimmt mit der Zeit ab, da die eingeführten Gene nicht dauerhaft in der Zelle verbleiben.

   • Die Vorteile der transienten Expression sind die schnelle Etablierung und hohe Ausdrucksniveaus in kurzer Zeit. Es eignet sich gut für die schnelle Produktion von Proteinen für experimentelle oder Forschungszwecke.

Insgesamt hängt die Wahl zwischen stabiler und transienter Expression von den spezifischen Anforderungen des Experiments oder Produktionsprozesses ab, einschließlich der Dauer der Expression, der benötigten Produktionsmengen und der Zweckmäßigkeit für die jeweilige Anwendung.

(a) Nicht-betriebswirtschaftliche Vorteile der Virengewinnung in Säugerzelllinien im Vergleich zum klassischen Verfahren über die Infektion von Hühnereiern:

1. Humanähnliche Glykosylierung:

   • Säugerzellen können menschenähnliche Glykosylierungsmuster aufweisen, was wichtig für die Produktion von humanen Viren ist. Hühnereier zeigen hingegen Unterschiede in der Glykosylierung.

2. Fehlende Kontamination mit Hühnerei-Proteinen:

   • Die Virengewinnung in Säugerzelllinien reduziert das Risiko von Kontaminationen mit Hühnerei-Proteinen, die allergische Reaktionen bei manchen Menschen auslösen könnten.

(b) Merkmale von Subunitimpfstoffen:

• Subunitimpfstoffe enthalten nur bestimmte Teile des Krankheitserregers, typischerweise Proteine oder Antigene, anstelle von ganzen, inaktivierten Organismen.

• Diese Impfstoffe basieren auf isolierten, gereinigten Komponenten, die die Immunantwort stimulieren können, ohne das Risiko einer vollständigen Infektion.

• Subunitimpfstoffe sind sicherer, da sie keine lebenden Erreger enthalten, und sie können gezielt auf spezifische Zielstrukturen abzielen, um eine schützende Immunantwort zu induzieren.

• Durch die Verwendung von Subunitimpfstoffen können potenzielle Risiken im Zusammenhang mit der Verwendung von lebenden Erregern vermieden werden, was besonders wichtig ist, wenn eine sichere und effektive Impfung erforderlich ist.

(a) Vorteile von Bacillus subtilis als Produktionsorganismus gegenüber E. coli:

1. Sekretionssysteme:

   • Bacillus subtilis verfügt über effiziente Sekretionssysteme, die die Freisetzung von Proteinen in das extrazelluläre Medium erleichtern. Dies erleichtert die Aufreinigung und das Downstream Processing im Vergleich zu intrazellulären Ansätzen.

2. Posttranslationale Modifikationen:

   • Bacillus subtilis kann einige posttranslationale Modifikationen durchführen, wie beispielsweise die Bildung von Disulfidbrücken. Dies ist besonders relevant für die Produktion von Proteinen, die eine korrekte Faltung und Stabilität erfordern.

(b) Herausforderungen bei der Auslegung der Fermentationsbedingungen für Säugetierzellen:

1. Sauerstoffbedarf und Scherstress:

   • Säugetierzellen benötigen einen höheren Sauerstoffgehalt und sind anfällig für Scherstress während der Fermentation. Daher müssen die Belüftungsraten und Rührbedingungen sorgfältig gesteuert werden, um optimale Wachstumsbedingungen zu gewährleisten.

2. Komplexe Nährmedien:

   • Säugetierzellen benötigen oft komplexere Nährmedien im Vergleich zu Bakterien wie E. coli. Die genaue Zusammensetzung des Mediums und die Verfügbarkeit von Nährstoffen müssen sorgfältig kontrolliert werden, um eine optimale Zellkultur und Produktbildung zu ermöglichen.

Gewebespezifische Promotoren werden bei transgenen Tieren als Wirkstoffproduzenten eingesetzt, um die Expression des eingeführten Gens auf bestimmte Gewebe oder Organe zu beschränken. Der Zweck besteht darin, die Produktion des gewünschten Proteins auf spezifische Zielgewebe zu lenken, während die Expression in anderen Geweben minimiert oder vermieden wird. Dadurch können potenzielle unerwünschte Effekte oder Nebenwirkungen, die durch die Expression des Gens in nicht-zielgeweben verursacht werden könnten, reduziert werden.

Die Verwendung von gewebespezifischen Promotoren ermöglicht eine feinere Kontrolle über die Genexpression und trägt dazu bei, die Sicherheit und Wirksamkeit des erzeugten biopharmazeutischen Proteins zu verbessern.

Essentielle Aminosäuren sind Aminosäuren, die der menschliche Körper nicht selbst synthetisieren kann und daher über die Nahrung aufnehmen muss. Diese Aminosäuren sind entscheidend für die Proteinsynthese und andere lebenswichtige Stoffwechselprozesse im Organismus. Es gibt neun essentielle Aminosäuren für den Menschen, die nicht endogen produziert werden können und daher durch die Ernährung bereitgestellt werden müssen. Diese neun essentiellen Aminosäuren sind: Histidin, Isoleucin, Leucin, Lysin, Methionin, Phenylalanin, Threonin, Tryptophan und Valin.

(a) Der Rührerdurchmesser und die Dichte des Nährmediums beeinflussen die Leistungsaufnahme eines Rührwerks in einem Bioreaktor. Ein größerer Rührerdurchmesser erhöht die Rührwerksleistung, da mehr Flüssigkeit pro Umdrehung bewegt wird. Die Dichte des Nährmediums wirkt sich ebenfalls auf die Leistungsaufnahme aus, da höhere Dichten mehr Energie erfordern, um die Flüssigkeit zu durchmischen.

(b) In Rührkesselreaktoren ist es wichtig, turbulente Strömungsverhältnisse zu haben, um eine effiziente Durchmischung und einen guten Stoffaustausch sicherzustellen. Turbulente Strömungen fördern eine gleichmäßige Verteilung von Nährstoffen, Sauerstoff und anderen Substanzen im Reaktor.

(c) Ein regelbarer Parameter, durch dessen Erhöhung sich der Turbulenzgrad in einem Rührkesselreaktor steigern lässt, ist die Rührerdrehzahl. Durch die Erhöhung der Drehzahl wird die Strömung intensiviert, was zu turbulenten Bedingungen führen kann.

Single-Use-Bioreaktoren bieten verschiedene Vorteile, darunter:

1. Kontaminationsminimierung: Da Single-Use-Bioreaktoren nach Verwendung entsorgt werden, wird das Risiko von Kreuzkontaminationen zwischen verschiedenen Produktionschargen minimiert. Dies trägt zur Einhaltung strenger Qualitätsstandards bei.

2. Schnellere Umrüstzeiten: Die Verwendung von Einweg-Bioreaktoren ermöglicht schnellere Umrüstzeiten zwischen verschiedenen Produktionsläufen, da keine aufwendige Reinigung und Sterilisation erforderlich ist. Dies trägt zur Verbesserung der Produktionsflexibilität und Effizienz bei.

Scale-Up bezieht sich auf den Prozess der Übertragung eines biotechnologischen oder chemischen Verfahrens von einer kleineren Maßstabsebene, in der es entwickelt und optimiert wurde, auf eine größere Produktionsmaßstabsebene. Ziel des Scale-Ups ist es, sicherzustellen, dass die Prozessparameter, Produktionsbedingungen und Ergebnisse auf größeren Maßstäben konsistent und reproduzierbar bleiben. Dieser Übergang kann verschiedene Herausforderungen mit sich bringen, darunter die Bewältigung von Wärme- und Massentransferproblemen, die Gewährleistung der Homogenität und die Anpassung der Prozesssteuerung auf größere Volumina.

(a) Vorteile der Abgabe des zu produzierenden Stoffs an das Nährmedium:

1. Einfacheres Downstream Processing: Wenn der produzierte Stoff direkt in das Nährmedium abgegeben wird, kann dies den Downstream-Prozess vereinfachen, da die Trennung von Zellen und Produkt erleichtert wird.

2. Vermeidung von intrazellulären Problemen: Die intrazelluläre Akkumulation von Produkten kann zu zellulärem Stress führen. Die Abgabe an das Medium kann dazu beitragen, solche Probleme zu vermindern.

(b) Änderung des pH-Werts zur Präzipitation von Proteinen: Um die Proteinlöslichkeit minimal zu machen, wird der pH-Wert so eingestellt, dass er dem Isoelektrischen Punkt (pI) des Proteins entspricht oder nahekommt. An diesem Punkt haben Proteine die geringste Löslichkeit und neigen dazu, zu präzipitieren.

(c) Auswahl des Cut-Offs für Cross-Flow-Filtration: Der Cut-Off sollte kleiner sein als das Molekulargewicht des Insulin-Wirkstoffs, um sicherzustellen, dass das Insulin zurückgehalten wird, während Verunreinigungen passieren können. Ein Cut-Off von etwa 1.000 g/mol oder weniger wäre sinnvoll.

(d) Ablösen des Produkts von der stationären Phase bei chromatographischen Verfahren: Dieser Schritt wird als Elution bezeichnet. Es bezieht sich auf die Entfernung des Produkts von der stationären Phase durch den Einsatz von geeigneten Elutionspuffern oder Bedingungen.

Das Einfrieren und Auftauen von Protein-Wirkstoffen muss intensiv untersucht werden, da diese Prozesse potenziell schädliche Auswirkungen auf die Struktur und Funktion von Proteinen haben können. Hier sind einige Gründe für die Notwendigkeit intensiver Untersuchungen:

1. Denaturierung und Aggregation: Proteine können während des Einfrierens und Auftauens denaturieren, was zu Verlusten in ihrer räumlichen Struktur und Funktion führen kann. Auch die Bildung von Proteinaggregaten ist möglich, was die biologische Aktivität beeinträchtigen kann.

2. Kältelabilität: Nicht alle Proteine sind gegenüber niedrigen Temperaturen stabil. Einige Proteine können durch Einfrieren und Auftauen geschädigt werden, insbesondere wenn sie kältelabil sind.

3. Eiskristallbildung: Beim Einfrieren bilden sich Eiskristalle, die möglicherweise die Proteinstruktur beeinträchtigen können. Insbesondere schnelles Einfrieren kann kleinere Eiskristalle erzeugen, was weniger schädlich ist als langsames Einfrieren.

4. Phasentrennung: Proteine können sich während des Einfrierens und Auftauens in der Lösung ausfällen oder in unterschiedlichen Phasen verteilen, was zu Inhomogenitäten führen kann.

5. Löslichkeitsveränderungen: Die Löslichkeit von Proteinen kann durch die Prozesse des Einfrierens und Auftauens beeinflusst werden, was zu Schwierigkeiten bei der Rekonstitution führen kann.

Daher ist es wichtig, optimale Bedingungen für das Einfrieren und Auftauen von Protein-Wirkstoffen zu identifizieren, um die Integrität, Stabilität und Wirksamkeit der Proteine sicherzustellen. Dies erfordert detaillierte Studien und eine sorgfältige Prozesskontrolle.

(a) In Wave-Bioreaktoren erfolgt die Durchmischung der Kultur durch eine wellenartige Bewegung des Reaktorbeutels. Dies geschieht, indem der Beutel in einem festgelegten Muster bewegt wird, was zu einer kontrollierten Belüftung und Durchmischung führt. Die Bewegung erzeugt eine Wellenbewegung in der Kulturflüssigkeit, die für die notwendige Sauerstoffversorgung und Homogenität sorgt.

(b) Die Verwendung von Protein-A-Säulen zur Aufreinigung von monoklonalen Antikörpern entspricht der Affinitätschromatographie. Protein A ist ein Ligand, der spezifisch an den Fc-Teil von IgG-Antikörpern bindet. Durch diese hochspezifische Wechselwirkung können die Antikörper selektiv aus einer Mischung von Proteinen abgetrennt und gereinigt werden.