Lehrinhalte
(1) Einführungsvorlesung - Geschichte der Biotechnologie
- von DNA zu Protein
- Klassifizierung der Enzyme und EC-System
- Industrielle Anwendungen von Enzymen (grober Überblick): Überblick über den Enzymmarkt und die Einsatzbereiche wie chemische und pharmazeutische Industrie, therapeutische Enzyme, Biomasse-produktion, lebensmittelherstellende und verarbeitende Industrie, Wasch- und Reinigungs-mittelindustrie, Biosensorik, Bioremediation
(2) Proteinaufbau und Funktion - Aufbau der Proteine: Vorstellung der Aminosäuren, Bildung der Peptidbindung, Primär- bis Quartär-struktur der Proteine, Ausbildung des aktiven Zentrums (Schlüssel-Schloss-Modell vs. induced fit), Dynamik von Enzymen (Konformationsänderungen von Proteinen)
- Arten von Proteinen: Strukturproteine, Enzyme, Transportproteine usw.
- Posttranslationale Modifikationen und ihre Funktion
- Cofaktoren: Cosubstrat, prosthetische Gruppen und Metalloenzyme
- Enzyme als Katalysatoren (Definition)
(3) Enzyme als Biokatalysatoren - Erniedrigung der Aktivierungsenergie durch Stabilisierung des Übergangszustandes
- Allgemeine katalytische Mechanismen der Enzyme
- Proteinbestimmungsmethoden: Bradford, BCA, Lowry, Biuret, Absorptionsmessungen bei 280 nm und 205 nm
- Unterschiedliche Arten der Aktivitätsmessung: online, offline, stopped vs. cotinuous assays, gekoppelte Reaktionen (photometrische Messungen unter Verwendung von Reportersubstanzen), Anfangsgeschwindigkeitsreaktion v0
(4) Enzymkinetik - Thermodynamik (Betrachtung von irreversiblen Enzymreaktionen) vs. Enzymkinetik (reversible Reaktionen)
- Michaelis-Menten-Kinetik für Ein-Substrat-Reaktionen (Herleitung): Bestimmung von KM, kcat, VMax usw.
- Linearisierung der Funktion mittels Lineweaver-Burk (Herleitung): Bestimmung von KM, kcat, VMax usw.
- Andere Linearisierungsmöglichkeiten: Vorteile und Nachteile
- Enzyminhibierung: kompetitive, unkompetitive nicht-kompetitive Hemmung (keine Kinetik)
(5) Moderne Enzymbiotechnologie - Weg von der Identifizierung bis zur Produktion: Screening auf Funktion in unterschiedlichen biologischen Proben, Kultivierung und Isolation von Stämmen, sequenz- bzw. Homologie-basierte Methoden
- Synthetische Biologie: Einbau von nicht-kanonischen Aminosäuren, Konstruktion von Enzymen/Proteinen, Stoffwechselwegen, Genomen und Zellen
- Enzym-Elektrochemie: Voltammetrie, Elektroaktive Mikroorganismen, Redox-Interaktionen, rotierende Scheibenelektrode
(6) Exkurs: Metalloproteine - Metalloproteine und ihre Signifikanz
- Vorstellung unterschiedlicher metallischer Cofaktoren und an welchen Reaktionen sie beteiligt sind
- Verdeutlichung der evolutionären Signifikanz
- Einsatz der Metalloproteine in der Enzym-Elektrochemie: Formiat-Dehydrogenase zur CO2-Fixierung, Nitrogenase zur Produktion von NH3, Hydrogenase zur H2-Produktion
(7) Heterologe Produktion von Zielproteinen - Betrachtung des Zielproteins: 1) cytosolisch oder membranständig (vorhersage der transmembranen Helices) bzw. Membran-assoziiert (TAT-leader) oder Sekretionsprotein (Sec-leader); 2) Maturation nötig? Chaperone GroEL/ES, Fe-S Cluster Synthese, andere Cofaktoren
- Wahl des Wirtsorganismus (Prokaryoten: E. coli, Bacillus vs. Eukaryoten: Hefen und Pilze sowie weitere eukaryotische Wirte)
- Unterschiedliche Regulationssysteme, kontrollierbare vs. Konstitutive Promotoren, Selektionsdruck
- welche Limitierungen und Vorteile bringen die einzelnen MOs bzw. Systeme mit
- Modifikation und Optimierung von Enzymen: Codon-Optimierung, Einführung von Tags zur Reinigung oder Steigerung von Löslichkeit
- Zellfreie Produktion als Alternative: kurze Vorstellung
(8) Reinigungsverfahren und Analyse - Reinigungsmethoden: Ionenaustausch-, Größenausschuss-, hydrophobe Interaktions-chromatographie
- Fällung und andere Aufkonzentrierungsmethoden
- Bestimmung der Reinheit, Konzentration etc.
- Labormaßstab vs. Industriemaßstab
- Unterschiedliche Produktionsverfahren (Batch- oder kontinuierlicher Betrieb): kurze Vorstellung
(9) Enzyme im Alltag - Beispiele der biotechnologischen Anwendung der Enzyme in der lebensmittelherstellenden bzw. verarbeitenden Industrie, im Bereich der Wasch- und Reinigungsmittel (z. B. Lipasen)
- Entwicklung und Prozessführung: kurzer Exkurs
- Wirkungsgrade, Effizient und Ausbeute: kurzer Exkurs
(10) Enzyme in der Umwelt: Bioremediation - Beispiele der biotechnologischen Anwendung der Enzyme zur Bioremediation: Dehalogenasen, Organophosphat-Hydrolasen, PET-Hydrolasen, Oxygenasen (Abbau von Aromaten)
- Optimierung der Enzyme durch site-directed mutagenesis: Erhöhung der katalytischen Aktivität, pH- und Temperaturstabilität, Änderung der Spezifität
- Entwicklung und Prozessführung: kurzer Exkurs
- Wirkungsgrade, Effizient und Ausbeute: kurzer Exkurs
(11) Enzyme in der Umwelt: Bioenergieträger - Beispiele der biotechnologischen Anwendung der Enzyme zur Biomassegenerierung: Produktion von Biogas, Bioethanol, Biomasse, CO2-Fixierung zu Formiat oder Carbonat, H2-Produktion
- Entwicklung und Prozessführung: kurzer Exkurs
- Wirkungsgrade, Effizient und Ausbeute: kurzer Exkurs
(12) Enzyme in der Biomedizin - Beispiele biotechnologischen Anwendung der Enzyme in der pharmazeutischen Industrie und zur therapeutischen Anwendung: äußerliche Anwendung (z.B. Lysozym), orale Anwendung (z. B. Lactase, Amylase, Pancreatin), subkutane Anwendung (z. B. Thrombin, Asparaginase, Insulin, Antibiotika)
- Entwicklung und Prozessführung: kurzer Exkurs
- Wirkungsgrade, Effizient und Ausbeute: kurzer Exkurs
(13) Exkurs: I-TASSER und PyMOL - Vorhersage der Enzymstruktur der reduktiven Dehalogenase CbrA aus Dehalococcoides mccartyi CBDB1
- Visualisierung in PyMOL und Arbeit mit PyMOL
