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Bericht
Biowissenschaften

Herzog-Christian-August Gymnasium

2, 2015/2016

Werner H. ©
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Synthetische Biologie


1. Was ist Synthetische Biologie und was sind deren Ziele?

Der Begriff Synthetische Biologie wird gern folgendermaßen erklärt: „Synthetische Biologie ist ein junger und interdisziplinärer Forschungszweig aus den Lebenswissenschaften, der Ansätze aus der Biologie und der Ingenieurstechnik mit dem Ziel kombiniert, biologische Systeme mit neuen Eigenschaften und Funktionen zu konstruieren“(biotechnologie.de, 2016)

Oder auch einfacher ausgedrückt, das Ziel der Synthetischen Biologie ist „Systeme schaffen, die in der Natur nicht vorkommen“(Deutsche Akademie der Technikwissenschaften, kein Datum).

Ein weiteres Ziel ist die „Reduktion eines biologischen Systems auf die minimal notwendigen Komponenten, um somit eine „Hülle“ (= Chassis) zur Verfügung zu stellen, welche mit austauschbaren Bausteinen (= „BioBricks“) in neuartigen Funktionsvarianten bestückt werden kann (Minimalgenome)“ (Deutsche Forschungsgemeinschaft, 2016).

Des weiteren werden Systeme auch „kreativ gestaltet und mit Komponenten ausgestattet […], die in der Natur in dieser Form bisher nicht vorkommen“(Deutsche Forschungsgemeinschaft, 2016).

Außerdem verfolgt die Wissenschaft der Synthetischen Biologie auch die „Suche nach alternativen chemischen Systemen: durch den Einsatz von atypischen Substanzen sollen Systeme mit gleichen biologischen Funktionen – quasi in einer Parallelwelt – innerhalb von Zellen nachgebaut werden (Orthogonale Biosysteme).“ (Deutsche Forschungsgemeinschaft, 2016).

Obwohl Genome bereits „seit den 1970er Jahren geschrieben“ (Deutsche Akademie der Technikwissenschaften, kein Datum) künstlich hergestellt werden konnten, hört man erst in den letzten Jahren immer mehr von dieser Synthetischen Biologie.

Deshalb wird die Synthetische Biologie von Experten und Wissenschaftlern auch als „logische Fortentwicklung der molekularen Lebenswissenschaften hin zu einer Ingenieursdisziplin“(biotechnologie.de, 2016) beschrieben.

Die Synthetische Biologie Ist auch nicht zu verwechseln mit der Gentechnik an sich. Die Unterschiede zwischen Synthetischer Biologie und der Gentechnik lassen sich in Tabelle 1 nachlesen.


    1. Wie Funktioniert sie?

Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten wie man in der Synthetischen Biologie vorgehen kann. Im Grunde Unterscheidet man aber in 2 Arten einmal die „Deconstruction“ = Zerstörung/ Zerlegungoder auch die „Construction“ = Neuschaffung(Rinie van Est et al., 2007, S. 5)


      1. „Destruction“

Bei der Destruction (dt. = Zerstörung) wird darauf gezielt, bereits existierende Systeme zu vereinfachen indem man die Anzahl der Gene auf das Lebenswichtigste reduziert. Wie auch Rinie van Est, Huib de Vriend und Bart Walhout es sehr gut beschreiben: „The idea is, that if you can limit the complexity of biological processes by switching off as many genetic characteristics as possible, such processes become more predictable and manageable “

Diese Einfachen Organismen können dann als „Gehäuse“ dienen „into which standardised biological building blocks can be plugged in“ so sollen die neu geschaffen Systeme sogar besser funktionieren als die Natürliche Lebensform oder auch komplett neuen Funktionen dienen (Rinie van Est et al., 2007, S. 5)


      1. „Construction“

Bei der Construction (dt. =Aufbau) wird der Organismus komplett neu im Labor hergestellt „using bio molecular assembly“. Dazu gehören Bauteile einer Zelle wie, z.B „genes and cell membranes“ (Rinie van Est et al., 2007, S. 5).

In der Seminararbeit folgt eine genauere Erläuterung über die Vorgehensweiße der Synthetischen Biologie.


    1. Wofür Ist Synthetische Biologie gut?

Was Die Synthetische Biologie an geht so hat diese weites Anwendugsspektrum.

Zum einen lässt sich leicht Energie gewinnnen, durch „Maßgeschneiderte Mikroben zur Herstellung von Wasserstoff und anderen Treibstoffen oder für künstliche Photosynthese.“( European Academies Science Advisory Council, 2011)

Aber auch medizinisch gesehen öffnen sich viele Möglichkeiten wie z.B Julia Merlot (2016) in ihrem Artikel „Erfolg im Labor: Manipulierte Zellen produzieren Insulin nach Bedarf“ im Nachrichtenmagazin Spiegel schreibt, in dem beschrieben wird wie erfolgreich Zellen darauf programmiert wurden um Insulin zu produzieren.

Weitere Einsatzmöglichkeiten z.B im Bereich Umwelt, in der Chemischen Industrie oder der Landwirtschaft folgen in der Seminararbeit(European Academies Science Advisory Council, 2011).


1.3 Gefahren der Synthetischen Biologie

Viele Menschen sehen die Synthetische Biologie aber eher als eine Gefahr als eine Bereicherung z.B Äußert sich „Die Mikrobiologin Magret Engelhard von der europäischen Akademie zur Erforschung von Folgen wissenschaftlich-technischer Entwicklungen“ in einem Artikel von 3sat folgendermaßen „Die synthetische Biologie unterscheidet sich von der Dampfmaschine in dem wesentlichen Punkt, dass man eben nicht mit einer Maschine arbeitet, sondern mit lebenden Organismen, die ihr Eigenleben entwickeln können.

Deshalb kann man zwar planen, wie diese Maschine funktionieren soll, aber wie sich ihr Eigenleben entwickelt, entzieht sich der Planung.“


2. Ethik und Synthetische Biologie

Neben denen, die die Synthetische Biologie als Bereicherung oder als Gefahr sehen, gibt es noch diejenigen, die sich mit den Ethischen Aspekten dieser Technik-Wissenschaft befassen.

Da sich bei der Synthetischen Biologie Maschine und lebende Organismen immer ähnlicher, von der Handhabung her, werden, kommt es zu zahlreichen Ethischen Konflikten. Viele fragen sich deshalb auch ob die Synthetische Biologie „eine Neubewertung des Lebensbegriffes notwendig“(biotechnologie.de, 2016) macht.

So stellt sich auch der Ethikrat die Frage ob man bei der Synthetischen Biologie „von der »Erschaffung von Leben« sprechen“ (Dr. Joachim Vetter et al. 2010) kann.

oder auch „Wie wirken sich die neuen Möglichkeiten auf unser Menschenbild aus?“

Beziehungsweise wie in Punkt 1.3 bereits angesprochen „Gibt es Sicherheitsrisiken, die aus der Gentechnik so noch nicht bekannt sind?“


3. Synthetische Biologie in der Zukunft

Ein großer Faktor für den Erfolg der Synthetischen Biologie ist jedoch das Marktpotenzial. Zwar bietet die Herstellung von künstlichen Organismen, wie schon erwähnt, viele Potenziale, doch ist die Öffentlichkeit, nicht ohne Grund, skeptisch wegen den ebenso bereits aufgeführten ethischen und risikobezogenen Aspekten.

So schreibt Volker Henn auf seiner Seite wissenschau.de: „Neue Technologien lösen Ängste aus - und natürlich ist auch die synthetische Biologie nicht frei von Risiken. Sollten synthetische Organismen aus dem Labor entweichen, wären die Folgen nur schwer abzuschätzen. Sie könnten empfindliche Ökosysteme aus dem Gleichgewicht bringen oder ihre künstlichen Gene an andere Lebewesen weitergeben - die dann im schlimmsten Fall zu einer Gefahr für den Menschen werden.“


Nährstoffe


Nährstoffe

Laut W. Pfannhauser und D. Pfannhauser (2009) kann man den Begriff Nährstoffe Folgendermaßen definieren. Nährstoffe sind „Nahrungsbestandteile, die zum Aufbau und zur Erhaltung von Körpersubstanz, zur Lieferung von Energie und zur Aufrechterhaltung der Körperfunktionen ständig mir Nahrung zugeführt werden“.

Ebenfalls lassen sich Nährstoffe nach W. Pfannhauser und D. Pfannhauser in folgende Unterkategorien einteilen. Zu Energie, Haupnährstoffen, Alkohol und Wasser gehören Proteine, Fette, Kohlenhydrate und Ballaststofe dann gibt es Vitamine und Mineralstoffe .

Zu den oberpunkt Präventive Nährstoffe und Nahrungsinhaltsstoffe gehören Antioxidanten, sekundäre Planzeninhaltsstoffe, Probiotika und Präbiotika.

Laut Dipl.-Biol. Timo Freyer et al. (6.12.2014) sind Proteine „Makromoleküle, welche in ihrer Grundsubstanz aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel bestehen“ Außerdem sind sie aus mit Peptidbindungen vernetzten Aminosäuren aufgebaut. Des weiteren soll die genaue Sequenz der Aminosäuren sowohl beim Menschen als auch bei Tieren in Genen in der DNA festgelegt sein.

Die Namensgebung der Eiweiße bzw. Proteine geht laut dem dem Artikel „Proteine“ (Spektrum akademischer Verlag, Heidelberg; 1999) „auf die
ursprüngliche Isolierung aus dem Hühnereiweiß zurück“ . Auch sollen im Menschlichen Körper mehr als 100.000 unterschiedliche Proteine enthalten sein.

So sind sie wesentlicher Aufbaustoff aller lebenden Zellen.“

Kohlenhydrate

Der Artikel „Kohlenhydrate“ (Bibliographisches Institut GmbH, 2015) gibt bekannt, dass Kohlenhydrate zu den Naturstoffen gehören und organische Moleküle sind welche Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff enthalten. Wobei Sauerstoff und Wasserstoff „meist in Form von Hydroxy-Gruppen (OH-Gruppen) an die Kohlenstoffatome gebunden“ sind. Und somit auch als Polyalkohole betrachtet werden können.

Außerdem liefern sie die Energie die für die Aufrechterhaltung unseres Lebens notwendig ist, egal ob „Mensch, Tier oder Pflanze“.

Nach Michael Müller (2001-2005) sind „Zucker, Stärke und Cellulose“ den Kohlenhydraten zuzuordnen. Kohlenhydrate können auch Saccharide genannt werden. Außerdem kann man Kohlenhydrate „nach der Anzahl ihrer Grundbausteine (Saccharid- „Einheiten“)“ in vier Gruppen unterteilen. Laut Müller Werden Kohlenhydrate mit einer Saccharid- „Einheit“ Monosaccharide genannt, mit zwei Disaccharide bei bis zu 100 „Einheiten“ Oligosaccharide und bei über 100 Polysaccharide

Fette bzw. Lipide „sind neben Kohlenhydraten und Eiweißen einer der drei Makronährstoffe“ außerdem gehören sie chemisch betrachtet zur Stoffgruppe der Estern „und bestehen aus Fettsäuren sowie Glycerin“ (Biologie-schule.de, 2010-2015)

„Der Begriff Lipide bezeichnet die Gesamtheit der Fette und fettähnlichen Substanzen. Lipide sind chemisch heterogene Substanzen, die sich schlecht in Wasser (Hydrophobie), gut dagegen in unpolaren Lösungsmitteln (Lipophilie) lösen.“ (Dr. med. M. Cumhur Vardarli et al, 7.10.2015)

Laut Dagmar Wiechocezk (2012) liegen die Schmelzpunkte der Fette „in der Regel zwischen - 20 °C und + 40 °C“ genau Werte sowie Beispiele für gesättigte und ungesättigte Fettsäuren sind in der Tabelle 1 vorhanden.

Ballaststoffe

Der Akademie Deutsches Bäckerhandwerk Weinheim zufolge sind Ballaststoffe „komplexe Kohlenhydrate (Polysaccharide), und Lignine, welche vom Dünndarm nicht enzymatisch abgebaut werden können und somit unverdaut im Dickdarm landen“, Was auch zu der Namensgebung „Ballaststoffe“ führte.

Laut Dr. Frank Antwerpes et al. (14.4.2014) ist die Wirkung im Menschlichen Körper jedoch eher positiv. Denn wirken sie sich günstig auf die Blutwerte aus (besonders bei Patienten mit Hypercholesterinämie), weil sobald die Ballaststoffe das Darmsystem erreichen binden sie sich fest an die Gallensäuren, welche dann ausgeschieden werden. Um neue Gallensäure zu produzieren benötigt der Körper Cholesterin, wodurch Ballaststoffe den Cholesterinspiegel senken.

LautBernd Leitenberger lassen sich Die verschiedenen Ballaststoffe in 2 Untergruppen aufteilen. Einmal die löslichen (Pektin und Hemicellulosen) und die unlöslichen (Lignin und Cellulose)

Vitamine

„Als Vitamine werden organische Verbindungen bezeichnet, die der menschliche Körper für lebenswichtige Funktionen benötigt.“ (Vitamine.com, 2015) Wir brauchen Vitamine in unserer Nahrung, da „der Stoffwechsel sie nicht bedarfsdeckend synthethisieren kann“

Die 13 Wichtigsten Vitamine für den Menschen sin: Vitamin A, Vitamin B1, Vitamin B2, Vitamin B3, Vitamin B5, Vitamin B6, Vitamin B7, Vitamin B9, Vitamin B12, Vitamin C, Vitamin D, Vitamin E, Vitamin K

Auch gibt es folgende Vitamine: Vitamin A, Vitamin B (B1-B17), Vitamin C, Vitamin D, Vitamin E, Vitamin F, Vitamin H, Vitamin I/J, Vitamin K, Vitamin P, Vitamin PP, Vitamin Q, Vitamin R, Vitamin S, Vitamin T

Vitaminquellen sind „Milchprodukte, Fisch, Fleisch und Eier“ sowie „pflanzliche Öle, Vollkornprodukte und Nüsse“. Natürlich sind Obst und Gemüse auch jeweils große Vitaminquellen. (Wort & Bild Verlag Konradshöhe GmbH & Co. KG)

Mineralstoffe

Laut Messner, Wolf, Antwerper und Högmann (19.12.2015) lässt sich der Begriff Mineralstoffe als „anorganische Nährstoffe, die mit der täglichen Nahrung aufgenommen werden sollten“ definieren.

Nach Uwe Mock (1999-2015) sind Folgende Mineralien wichtig: Bor, Calcium, Chlorid, Chrim, Eisen, Kalium, Kupfer, Magnesium, Mangan, Phosphor, Selen und Zink. Ihre Notwendigkeit für den Körper beschreibt er mit „für den Stoffwechsel wesentlich“

Antioxidanten

Antweper, Bröse, Prinz und Högemann zufolge versteht man unter Antioxidanten „eine niedermolekulare Gruppe oder ein Enzym, das/die den Organismus vor reaktiven Sauerstoffspezies und damit vor oxidativem Stress schützen soll.“

Beispiele für natürliche Antioxidanten sind Vitamin A, -C, -E, Carotinoiden und Selen. Diese verringern den oxidativen Stress im Körper und verringern somit die Wahrscheinlichkeit zu für folgende Krankheiten : Herz- Kreislauf-Erkrankungen, Krebserkrankungen, grauer Star, altersbedingte Makuladegeneration, Alzheier, Parkinson (gofeminin.de GmbH, 2015)

Probiotika und Präbiotika

Heinz F. Hammer und B. Aichbichler (2003) zufolge ist ein Probiotikum „ein lebender mikrobieller Nahrungszusatz, der durch eine Verbesserung des mikrobiellen Gleichgewichtes einen vorteilhaften Effekt auf den Menschen ausübt“(S.18). Präbiotika sind ihnen nach zufolge „im wesentlichen ein Kohlenhydrat, welcher in den Dickdarm gelangt und dort durch bestimmte Bestandteile der bakteriellen Flora abgebaut wird“ Hammer und Aichbichler beschreiben die Wirkung Folgendermaßen.

Sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe

„Sekundäre Pflanzenstoffe sind Bestandteil unserer täglichen Ernährung“ Dabei sind sie in „Gemüse, Obst, Kartoffeln, Hülsenfrüchten, Nüssen sowie Vollkornprodukten enthalten“ und sind der Farbgeber der entsprechenden Lebensmittel. (Deutsche Gesellschaft für Ernährung e. V, 2012)

Nach Dr. oec. troph. Edmund Semler ist die aufgabe der sekundären Pflanzenstoffe „Schädlinge abzuwehren und Insekten anzulocken, entfalten sie im menschlichen Organismus zahlreiche gesundheitsfördernde Effekte“ siehe Tabelle 3.



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