Meer over Biotechnologie

Biotechnologie is een opleiding voor mensen met natuurwetenschappelijke en technische interesse, die graag zien dat hun resultaten worden toegepast in de praktijk. Op dit stuk van de site vind je algemene informatie over het vakgebied. Vind je dit interessant, dan is biotechnologie een studie voor jou!

Definitie

Biotechnologie is het gebruik van organismen of onderdelen van organismen in technische processen. Het woord 'biotechnologie' bestaat uit twee delen: bio, dat aangeeft dat het met leven te maken heeft; technologie, dat laat zien dat er menselijke vaardigheid en kennis aan te pas komen. Biotechnologie betekent dus dat de mens een handeling uitvoert met een (deel van een) organisme, zodat er een waardevol product ontstaat. Mensen passen al lang biotechnologie toe, zonder dat ze dat eigenlijk beseffen. Sinds de ontdekking begin jaren vijftig van de dubbele helixstructuur van het DNA zijn in hoog tempo nieuwe technieken ontstaan, waarmee DNA veranderd kan worden. In het Engels wordt biotechnology vaak als synoniem voor gentechnologie gebruikt. Correct is het echter veel breder!

Geschiedenis

De eerste biotechnologische processen zijn al duizenden jaren oud en ook nu is de biotechnologie constant aan het veranderen. Tegenwoordig is biotechnologie onder te verdelen in drie generaties:

Eerste generatie: klassieke biotechnologie

De eerste biotechnologische processen zijn al vele duizenden jaren oud. Al in het antieke Egypte zijn de procedures voor het bereiden van brood en bier schriftelijk vastgelegd. Ook in andere delen van de wereld worden al lang fermentaties toegepast om voedsel houdbaarder of aantrekkelijker te maken. Vernieuwde processen van deze toepassingen zijn tot heden in gebruik. Als op volume wordt vergeleken, dan is bier wereldwijd nog steeds het grootste biotechnologische product. Toch noemen wij deze processen traditionele of klassieke biotechnologie. Soms wordt ook gesproken van de eerste generatie biotechnologie.

Toen deze klassieke protocollen voor het eerst werden ontwikkeld, was niemand zich er natuurlijk nog van bewust dat biologische processen verantwoordelijk waren voor bepaalde omzettingen. Veel van deze processen zijn inmiddels verder geoptimaliseerd, soms ook met behulp van technieken uit de moderne biotechnologie. De basis van de processen stamt echter af van oude tradities.

Voorbeelden zijn bier, kaas en koffie, maar ook sojasaus.

Tweede generatie: industriële biotechnologie

De periode van de industriële biotechnologie wordt gekenmerkt door een sterke industrialisatie van biotechnologische processen.

Eind 19-de eeuw werd ontdekt dat micro-organismen bepaalde omzettingen kunnen verrichten. Deze omzettingen werden later gericht gebruikt om specifieke producten te maken. Steeds vaker werden de processen uitgevoerd met micro-organismen die een bepaald product kunnen maken. Hiervoor werden speciale fermentoren (ketels) gemaakt, waarin de omstandigheden voor het micro-organisme optimaal zijn. Maar ook het kweken van losse planten- en dierencellen doet zijn intrede. Bijvoorbeeld voor virale vaccins, zoals het vaccin tegen het griepvirus. De geneeskunde kreeg er twee krachtige biotechnologische wapens bij: antibiotica (bijv. penicilline) en vaccins. Maar ook werd de ontwikkeling van SCP (single cell protein) mogelijk. Andere voorbeelden zijn de productie van afbreekbaar bioplastic, bio-ethanol of bio-energie of zelfs kleurstoffen. Een proces dat economisch interessant is als de olieprijs verder gaat stijgen, is de fermentatie van butanol en aceton.

Nieuwe producten

De processen zijn duidelijk ingewikkelder dan bij de klassieke biotechnologie. Verschillende vakgebieden worden geïntegreerd, zoals biologie, scheikunde, natuurkunde en wiskunde. Dit resulteerde in nieuwe waardevolle producten. Ook hier zie je weer dat er geen duidelijke scheidslijnen liggen met de andere perioden. Ook nu nog wordt er, als bij de traditionele biotechnologie, nog veel gebruik gemaakt van processen die in de periode van de industriële biotechnologie zijn ontwikkeld. Veel processen van de industriële biotechnologie zijn verbeterd met behulp van de moderne biotechnologie of andere technologische ontwikkelingen en vallen nu onder de paraplu witte biotechnologie.

Derde generatie: moderne biotechnologie

De moderne biotechnologie begint vanaf het moment dat het mogelijk is gericht veranderingen in het erfelijke materiaal, het DNA, aan te brengen.

In 1953 ontdekken Watson en Crick de dubbele helix structuur van het DNA. Hiermee is de code van het erfelijke materiaal ontrafeld. In hoog tempo ontstaan er nieuwe technieken waarmee DNA veranderd kan worden. Dit leidt tot een reeks nieuwe producten en toepassingen. Enkele voorbeelden zullen hier aan de orde komen.

Menselijk insuline wordt gemaakt door bacteriën. Dit betekende voor suikerziektepatiënten een aanzienlijke verbetering van hun gezondheid. Ook chymosine kan door micro-organismen geproduceerd worden. Hierdoor is men niet meer afhankelijk van de chymosine uit kalvermagen. In wasmiddelen zitten enzymen die met moderne biotechnologie worden gemaakt. Ook in de voedingsmiddelenindustrie kwamen er toepassingen, zoals de productie van zoetstoffen.

Deelgebieden

Biotechnologie is uitgegroeid tot een breed vakgebied. Daarom wordt onderscheid gemaakt tussen verschillende deelgebieden. Er zijn vier deelgebieden die aangeduid worden met een kleur.

Rode biotechnologie

Alle biotechnologische toepassingen die op het medische vakgebied worden ontwikkeld. De meeste nieuwe geneesmiddelen worden geproduceerd met behulp van biotechnologie.

Medicijnen en vaccins

Wageningen is betrokken bij ontwikkelen van medicijnen en vaccins. Dit gebeurt in verschillende vakgebieden. Er wordt gewerkt met DNA, met moleculaire biologische technieken, aan toxische stoffen, met virussen, maar ook aan technische productieprocessen en -apparaten.

Wageningse wetenschappers en studenten waren betrokken bij het verbeteren van de productie van het kinkhoestvaccin. Een betere controle en sturing van het productieproces heeft hier geleid tot een hogere kwaliteit vaccin met minder bijwerkingen. Wageningse biotechnologen waren ook betrokken bij het ontwikkelen van de productiemethode voor het East Coast Fever vaccin.

Marine biotechnologie

Bij de ontwikkeling van nieuwe vaccines of medicijnen vind je Wageningse afgestudeerden zowel bij het opsporen van deze nieuwe medicijnen als ook bij de (industriële) productie ervan. Wageningen is een van de weinige plekken wereldwijd met aandacht voor marine biotechnologie. In organismen uit de zee, zoals sponsen en algen, zijn veel potentiële nieuwe medicijnen te vinden. Deze stoffen zijn echter moeilijk in de nodige hoeveelheid te produceren. Aan dit probleem werkt onze groep "marine biotechnologie".

Medisch onderzoek

De volledige DNA-sequentie van de mens is bekend. Gebleken is dat wij op het niveau van het DNA heel erg lijken op andere diersoorten. Tegelijk blijkt ook dat we zelfs nogal wat gemeenschappelijk hebben met bijvoorbeeld planten. Dit heeft het mogelijk gemaakt dat allerlei technieken die ontwikkeld zijn voor onderzoek bij bacteriën, gist, fruitvliegen, wormen en planten toepasbaar gemaakt worden voor de mens. Dergelijke technieken - zoals DNA-chips, eiwit-chips, het uitschakelen en veranderen van genen door middel van het aanbrengen van mutaties - worden dan ook op grote schaal ingezet in het medische onderzoek. Hierbij worden technieken uit de computerwereld en technieken die je kent van bijvoorbeeld internet zoekmachines ingezet om overeenkomsten en verschillen in ‘gezonde’ en ‘zieke’ genen te vinden (bio-informatica).

Diagnose

Inmiddels zijn op dit gebied al enkele grote successen geboekt, zoals de mogelijkheid tot verbeterde diagnostiek van borstkanker door middel van DNA-chips. Het blijkt dat dan in een vroeg stadium heel nauwkeurig kan worden vastgesteld of het zal gaan om een type kanker dat volledige amputatie vereist als behandelingsmethode, of dat kan worden volstaan met bestraling en medicijnen. Ook gevoeligheid voor bepaalde medicijnen op langere termijn kan al heel redelijk worden voorspeld met behulp van deze methoden. Zo zie je dat een in eerste instantie geheel andere technologie een enorme invloed kan hebben op een typisch medisch specialisme als chirurgie.

Medische specialisaties

Het is natuurlijk niet mogelijk om bij de mens een project van gerichte mutaties op te zetten om achter de functie van bepaalde genen te komen. Daarvoor zijn wij nu eenmaal veel te langzaam als het gaat om het maken van nakomelingen! Dan wordt vaak gebruik gemaakt van modelorganismen zoals de muis of zelfs de zebravis. Organismen die wat betreft genen en eiwitten veel op ons lijken. Naar verwachting zullen onderzoekafdelingen van ziekenhuizen nog meer dan nu gebruik gaan maken van allerlei moleculaire diagnostiek gebaseerd op DNA- en eiwittechnologie. Hierbij gaat het niet alleen om het fundamentele onderzoek aan modelsystemen zoals boven geïllustreerd, maar ook bijvoorbeeld om het opzetten van de technieken om snelle DNA-diagnostiek in de kliniek mogelijk te maken. Voor deze twee terreinen zijn de klassieke medische opleidingen eigenlijk niet geschikt, omdat het hier gaat om een heel ander soort specialisaties waarbij genomics centraal staan. Al deze specialistische kennis is in ruime mate aanwezig binnen Wageningen Universiteit en is reeds opgenomen in het curriculum van onze medische specialisaties. Op grond hiervan speelt Wageningen Universiteit, hoewel wij geen eigen Medische Faculteit bezitten, via onze studenten en afgestudeerden een belangrijke rol in het moderne medische onderzoek. Hiervoor werken we ook formeel samen op onderwijsgebied met het Erasmus Medical Center in Rotterdam.

Naast biotechnologie vind je ook bij andere opleidingen links naar medische toepassingen. Denk bijvoorbeeld aan Voeding en Gezondheid, maar ook aan Moleculaire Levenswetenschappen.

Witte biotechnologie (bio-based technology)

In de industriële biotechnologie worden biologische uitgangsstoffen zoals suikers maar ook plantenresten gebruikt voor de productie van chemicaliën of energie.

Te denken valt aan bio-ethanol, biodiesel, biogas of biotechnologisch geproduceerde stroom. Naast deze op energie gerichte toepassingen, kunnen echter ook veel andere chemische (grond-)stoffen biotechnologisch worden geproduceerd. Je krijgt dan bijvoorbeeld bioplastiek. Op dit moment komen hier vlug nieuwe producten bij.

De industriële biotechnologie, ook witte biotechnologie genoemd, is hiermee een duidelijke concurrent van de petrochemische industrie die deze goederen op basis van aardolie produceert. Met behulp van de biotechnologie is namelijk aardolie te vervangen door biologische grondstoffen. Je maakt dus de maatschappij minder afhankelijk van olie en kun je spreken van een echte bio-based economy.

Binnen de opleiding biotechnologie is het mogelijk bio-based technology als minor te doen. Er is een folder van deze minor beschikbaar. De pdf kun je hier downloaden.

Groene biotechnologie

De groene biotechnologie omvat alle agrarische en levensmiddelentoepassingen.

Soja en maïs zijn zo gemodificeerd dat ze bestand zijn tegen insecten of onkruidbestrijdingsmiddelen. Vooral in Amerika wordt deze maïs en soja veel gekweekt. Chymosine wordt gebruikt in kaasbereiding en wordt uit kalverenmagen gewonnen. Het is echter ook op diervriendelijke manier te produceren, namelijk door micro-organismen. Aroma's die smaak geven aan voedingsmiddelen worden op grote schaal geproduceerd door micro-organismen. Ook enzymen worden vaak geproduceerd door genetisch gemodificeerde micro-organismen. Deze enzymen worden vaak gebruikt in de productie van levensmiddelen.

Sinds duizenden van jaren wordt bier gebrouwen door gisten de aanwezige suikers om te laten zetten tot het smaakvolle alcohol. Yoghurt en kaas worden gemaakt door melkzuurbacteriën toe te voegen aan melk; brie is bedekt met schimmels. Dit zijn allemaal van oorsprong traditionele biotechnologische processen.

Levensmiddelencontrole

In Nederland houdt het RIKILT zich bezig met de controle van levensmiddelen. Hier beoordelen ze de kwaliteit van de levensmiddelen die op de Nederlandse markt verkocht worden. Zij controleren dus of ons eten wel veilig is. Ze testen hier ook genetisch gemodificeerde levensmiddelen. Alle testen voor deze levensmiddelen maar ook moderne testen op ziekteverwekkers zijn heden biotechnologisch.

Biotechnologie kan ook worden toegepast voor onderzoek naar aspecten van voeding. Denk bijvoorbeeld aan de menselijke darmflora. Voor algemene informatie over levensmiddelen en / of voeding kan je terecht bij www.food-info.net.

Blauwe biotechnologie

Marine biotechnologie

Marine biotechnologie is een van de nieuwste aandachtsgebieden binnen de biotechnologie. In de wereldzeeën zijn veel organismen te vinden die stoffen produceren die heel goed als geneesmiddel of voor andere doelen zouden kunnen worden ingezet. Tot heden vind je deze organismen of delen ervan nauwelijks in technische processen. De marine biotechnologie probeert dit te veranderen. Wereldwijd zijn maar enkele groepen bezig om de schatten uit de diepte voor productiedoeleinden te gebruiken. Wij zijn in Wageningen volop bezig om algen en sponsen uit de zee in technische processen te gebruiken. Er is bijvoorbeeld het AlgaePARC, een project waar wordt onderzocht hoe je duurzaam èn economisch rendabel algen met de juiste eigenschappen kunt kweken.

> Meer over het AlgaePARC

Milieubiotechnologie

Bij milieubiotechnologie kun je aan twee dingen denken. Ten eerste gaat het om zuiveren van afvalstoffen. In de tweede plaats gaat het ook om het gebruik van "afvalstoffen" om er energie of hoogwaardige alternatieve producten uit te maken. We hebben het dan over duurzame processen.

Zuivering afvalstoffen

Zuivering van afvalstoffen, en dan met name van afvalwater, is een enigszins typische tak van de bioprocestechnologie. De principes waarop traditionele waterzuiveringssystemen gebaseerd zijn, komen uit de natuur. Als afvalwater geloosd wordt in sloten en rivieren, dan zal de organische stof die daar in zit worden afgebroken door micro-organismen die daar van nature al in aanwezig zijn. Hierbij gebruiken die micro-organismen zuurstof, met als gevolg dat lozing van afvalwater kan leiden tot een zuurstoftekort in het oppervlaktewater. Met als gevolg sterfte van veel gewenste organismen (bijv. vissen).

Daarnaast bevat het afvalwater veel pathogene (ziekteverwekkende) organismen. Voor 1900 is dit de aanleiding geweest voor veel infectieziekten. Na die tijd is men het belang gaan inzien van hygiëne op de gezondheid. Dit heeft ook het begin van de waterzuiveringssystemen gevormd.

De eerste aërobe waterzuiveringssystemen waren uiterst simpel en volledig gebaseerd op de waarneming dat organische stoffen na lozing afgebroken werden met gebruik van zuurstof. Door dit in aparte tanks te doen en deze tanks te beluchten kon dit gecontroleerd plaatsvinden. Indien dit proces lang genoeg duurde werden ook pathogene micro-organismen wel verwijderd.

Dit is in feite nog steeds het achterliggende principe van waterzuiveringsreactoren. De schaal waarop de zuivering wordt uitgevoerd is enorm vergroot. Voor de zuivering van het afvalwater van een plaats als Den Bosch met 150.000 inwoners is een fermentor nodig van 4000 m3.

Milieubiotechnologische processen worden niet alleen meer gebruikt voor de afbraak van organische stoffen, maar op grotere schaal ook steeds meer voor de verwijdering van xenobiotica, fosfaten, stikstof- en zwavelverbindingen, niet alleen meer uit vloeibare afvalstromen, maar ook uit gassen en vaste stoffen. De processen worden steeds beter gecontroleerd. Er ontstaat steeds meer kennis over welke organismen bepaalde verbindingen afbreken en onder welke omstandigheden zij dat doen. Het gevolg is dat veel gerichter aan de ontwikkeling van efficiënte reactoren gewerkt wordt.

Daarnaast wordt ook gezocht naar steeds nieuwe micro-organismen die bepaalde nauwelijks afbreekbare verbindingen kunnen afbreken. Heel bewust worden dan micro-organismen geïsoleerd die bijvoorbeeld gechloreerde koolwaterstoffen, benzeen, en naftaleen kunnen afbreken. De reiniging van afvalstromen met deze componenten kan dan bijvoorbeeld plaats vinden in fermentoren speciaal gemaakt voor deze afbraak.

Duurzame processen (bio-based technology)

Het gebruik van hout, olie uit kool- en raapzaad en alcohol uit suikerriet is al zo oud als de mensheid zelf. Ook hierbij kan de inzet van de biotechnologie bij de veredeling van houtachtige- en landbouwgewassen een bijdrage leveren aan een hogere productiviteit van deze gewassen. Gesteld wordt dat deze wijze van energieproductie een bijdrage kan leveren aan het verminderen van het broeikaseffect. De CO2 die bij verbranding vrijkomt tijdens de teelt kan namelijk door deze energiegewassen weer worden opgenomen. Hierbij kan de inzet van enzymen en (genetisch gemodificeerde) gisten en andere micro-organismen een bijdrage leveren om te komen tot een meer efficiënte verwerking van deze gewassen tot brandstoffen, zoals biodiesel en bio-ethanol.

Ook de milieubiotechnologie heeft zijn oorsprong in de klassieke biotechnologie en begint die fase nu te ontgroeien.



Terug naar BSc Biotechnologie