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| Modulbezeichnung (engl.):
Advanced Biotechnology |
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| Code: MAM_19_V_1.06.BIT |
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3V+1S (4 Semesterwochenstunden) |
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5 |
| Studiensemester: 1 |
| Pflichtfach: ja |
Arbeitssprache:
Deutsch |
Prüfungsart:
80 % mündliche Prüfung 20 min., 20% Vortrag
[letzte Änderung 18.03.2020]
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MAM_19_V_1.06.BIT (P241-0018, P241-0019) Engineering und Management, Master, Ordnung 01.10.2019
, 1. Semester, Pflichtfach, Vertiefungsrichtung Verfahrenstechnik
MAM_24_V_1.06.BIT Engineering und Management, Master, Ordnung 01.10.2024
, 1. Semester, Pflichtfach, Vertiefungsrichtung Verfahrenstechnik
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Die Präsenzzeit dieses Moduls umfasst bei 15 Semesterwochen 60 Veranstaltungsstunden (= 45 Zeitstunden). Der Gesamtumfang des Moduls beträgt bei 5 Creditpoints 150 Stunden (30 Std/ECTS). Daher stehen für die Vor- und Nachbereitung der Veranstaltung zusammen mit der Prüfungsvorbereitung 105 Stunden zur Verfügung.
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Empfohlene Voraussetzungen (Module):
Keine.
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Als Vorkenntnis empfohlen für Module:
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Modulverantwortung:
Prof. Dr. Timo Gehring |
Dozent/innen: Prof. Dr. Timo Gehring
[letzte Änderung 21.03.2019]
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Lernziele:
Die Studierenden sind nach erfolgreichem Abschluss des Moduls in der Lage,
• Molekül- und Strukturformeln von Kohlenwasserstoffen und sauerstoffhaltigen Kohlenwasserstoffen zu zeichnen [3] und chirale Zentren in Molekülen zu erkennen [1] und zu bestimmen [3].
• Aufbau und Eigenschaften der zentralen Biomoleküle (Aminosäuren, Peptide und Proteine, Kohlenhydrate, Nukleinsäuren, Lipide und Fette, Vitamine und Mineralstoffe) zu benennen [1] und zu beschreiben [2] sowie deren Bedeutung für biotechnologische Anwendungen am Beispiel des Insulins zu erläutern [2].
• computergestützte Methoden und Simulationen für ausgewählte biotechnologische Fragestellungen anzuwenden [3], Proteinstrukturvorhersagen am Beispiel AlphaFold zu analysieren [4] und Möglichkeiten und Grenzen modell- und KI-basierter Vorhersagen kritisch zu bewerten [5].
• zentrale Stoffwechselwege (Stoffwechsel der Polysaccharide, Citratzyklus, Atmungskette und ATP-Synthese, Fettsäuresynthese) zu erklären [2], miteinander zu vergleichen [4] und energetisch auszuwerten [4].
• die molekularen Prozesse der Informationsverarbeitung in der Zelle (DNA-Replikation, Transkription, RNA-Splicing, Translation an Ribosomen) zu beschreiben [2] und die Struktur der DNA zu erläutern [2].
• die Regulation der Genexpression am Beispiel des lac-Operons zu erklären [2] und die Funktion von Restriktionsenzymen und CRISPR/Cas als Werkzeuge des Genetic Engineering zu erläutern [2], deren Einsatzmöglichkeiten für ausgewählte biotechnologische Fragestellungen zu analysieren [4] sowie Möglichkeiten und Risiken gentechnischer Verfahren zu bewerten [5].
• Grundlagen moderner DNA-Sequenzierungsverfahren zu erklären [2], Sequenzdaten und Ergebnisse bioinformatischer Analysen auszuwerten [4] und zur Identifikation von Organismen und Kontaminationen in biotechnologischen Kulturen anzuwenden [3].
• Anpassungsmechanismen extremophiler Mikroorganismen zu erklären [2], deren biotechnologisches Potenzial zu analysieren [4] und ihren Einsatz für ausgewählte Produktions- und Kultivierungsprozesse zu beurteilen [5].
• die Photosynthese zu erklären [2], Mikroalgen und Cyanobakterien als biotechnologische Produktionsorganismen zu kategorisieren [4], verschiedene Photobioreaktor- und Kultivierungskonzepte zu vergleichen [4] und deren Einsatz unter Berücksichtigung von Scale-up, Prozessbedingungen und Kontaminationsrisiken zu beurteilen [5].
• Wirkmechanismen ausgewählter Wirkstoffe (z. B. Fluorchinolone) und Enzyme (z. B. Topoisomerasen) zu erläutern [2] und deren Nutzen und Risiken (z. B. anhand des Rote-Hand-Briefs) kritisch zu bewerten [5].
• chromatographische Techniken zur Trennung von Biomolekülen zu beschreiben [2] und für gegebene Trennaufgaben geeignete Verfahren auszuwählen [3].
• historische und aktuelle wissenschaftliche Originalliteratur (u. a. Watson & Crick 1953, Robert Kochs Milzbrandstudien, Nobel Lectures sowie aktuelle biotechnologische Fachpublikationen) zu analysieren [4] und historisch sowie fachlich auszuwerten [4].
• KI-basierte Werkzeuge zur Bearbeitung biotechnologischer Fragestellungen anzuwenden [3], KI-generierte Ergebnisse und Literaturangaben fachlich zu analysieren [4] und hinsichtlich Plausibilität, Quellenqualität und wissenschaftlicher Richtigkeit kritisch zu bewerten [5].
• ein aktuelles biotechnologisches Thema eigenständig zu bearbeiten [3], die Ergebnisse in einer schriftlichen Ausarbeitung im Stil einer wissenschaftlichen Veröffentlichung zusammenzustellen [6] und diese zu erstellen [6], sie in einem Vortrag zu präsentieren [2] und in der Diskussion zu verteidigen [5].
In eckigen Klammern [] sind die jeweiligen Stufen [1]-[6] der Lernzieltaxonomie angegeben.
[letzte Änderung 07.09.2026]
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Inhalt:
Biotechnologie und ihre gesellschaftliche und industrielle Relevanz.
Wiederholung und Vertiefung ausgewählter chemischer und biochemischer Grundlagen mit Relevanz für biotechnologische Anwendungen: Kohlenwasserstoffe und sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffe, Zeichnen von Molekül- und Strukturformeln, Chiralität sowie Aufbau, Eigenschaften und Funktion zentraler Biomoleküle (Aminosäuren, Peptide und Proteine, Kohlenhydrate, Nukleinsäuren, Lipide und Fette, Vitamine und Mineralstoffe; u. a. am Beispiel Insulin, Squalen, Zellwandaufbau und Blutfette).
Computergestützte Methoden und Simulationen in der Biotechnologie: Grundlagen und ausgewählte Anwendungen der Modellierung und Simulation biologischer Systeme; Zusammenhang zwischen Aminosäuresequenz, Proteinstruktur und -funktion; computergestützte Vorhersage von Proteinstrukturen am Beispiel AlphaFold; Möglichkeiten und Grenzen modellbasierter und KI-basierter Vorhersagen.
Stoffwechselphysiologie: grundlegende Stoffwechselreaktionen, Stoffwechsel der Polysaccharide, Citratzyklus und Atmungskette, ATP-Synthase, Fettsäuresynthese.
Molekularbiologie: Struktur der DNA (Watson & Crick), DNA-Replikation, Transkription, RNA-Splicing, Translation und Ribosomen.
Genregulation am Beispiel des lac-Operons; Restriktionsenzyme als Werkzeuge des Genetic Engineering; CRISPR/Cas.
DNA-Sequenzierung und bioinformatische Auswertung: Grundlagen moderner Sequenzierungsverfahren (Next-Generation Sequencing), Analyse von Sequenzdaten, taxonomische Zuordnung und Identifikation von Mikroorganismen und Kontaminationen in biotechnologischen Kulturen.
Extremophile Mikroorganismen in der Biotechnologie: physiologische Anpassungen an extreme Umweltbedingungen, insbesondere Thermophilie; thermostabile Biomoleküle und Enzyme; Potenziale extremophiler Organismen für industrielle biotechnologische Prozesse und nichtsterile Kultivierung.
Phototrophe Biotechnologie: Photosynthese und ihre biotechnologische Nutzung; Mikroalgen und Cyanobakterien als Produktionsorganismen; Kultivierungsparameter, Kontaminationen und nichtsterile Kultivierung; Photobioreaktor-Typen und Scale-up (inkl. Floating Light Ball Reactor FLBR)
Wirkmechanismen ausgewählter Enzyme und Wirkstoffe: Topoisomerasen, Fluorchinolone (Ciprobay, Rote-Hand-Brief); Arzneimittelsicherheit und Risikobewertung.
Chromatographische Techniken zur Trennung und Analyse von Biomolekülen, Gel-Elektrophorese und Blotting-Verfahren.
Meilensteine der Mikrobiologie und Entwicklung biotechnologischer Erkenntnisse: Robert Kochs Studien zum Milzbranderreger; Arbeiten mit historischer und aktueller wissenschaftlicher Originalliteratur.
Einsatz KI-basierter Werkzeuge zur Recherche, Analyse und Aufbereitung biotechnologischer Fragestellungen und wissenschaftlicher Literatur; kritische Validierung KI-generierter Ergebnisse hinsichtlich fachlicher Richtigkeit, Quellenqualität und wissenschaftlicher Integrität.
Seminararbeit: eigenständige Erarbeitung eines aktuellen biotechnologischen Themas auf Basis wissenschaftlicher Literatur, schriftliche Ausarbeitung im Stil einer wissenschaftlichen Veröffentlichung („Paper“) und Präsentation sowie Diskussion der Ergebnisse.
[letzte Änderung 07.09.2026]
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Weitere Lehrmethoden und Medien:
Lehrmethoden: Vorlesung (3 SWS) mit integriertem Seminar (1 SWS); vorbereitende Aufgaben mit zugehörigen Moodle-Tests zur Vorbereitung auf die Vorlesungen; Übungsblätter mit Lösungen; Gruppenarbeiten (z. B. zu Insulin); Diskussion englischsprachiger wissenschaftlicher Originalliteratur; computergestützte Übungen und ausgewählte Anwendungen KI-basierter Werkzeuge; Seminararbeit als wissenschaftliches „Paper“ mit Präsentation und Diskussion.
Medien: Moodle-Kurs mit Vorlesungsfolien, Tafelanschrieben, Lehrvideos (u. a. MIT-Material und Nobel Lectures), Foren zur fachlichen Diskussion und Online-Konferenzsystem (BigBlueButton); PowerPoint-Präsentation, Tafelanschrieb, Vorlagen für Paper und Präsentation. Optional Exkursionen.
[letzte Änderung 07.09.2026]
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Literatur:
Zusätzliche Literatur siehe Moodle-Kurs
Chmiel, H. (2011): Bioprozesstechnik. Heidelberg: Spektrum Akademischer Verlag.
Cypionka, H. (2010): Grundlagen der Mikrobiologie. 4. Aufl. Berlin, Heidelberg: Springer.
Fritsche, O. (2016): Mikrobiologie. Berlin, Heidelberg: Springer Spektrum.
Gehring, T.; Maurer, P.; Yildirim, M.; Lierse, M. S.; Ickes, R. (2025): Floating Light Ball Reactor: A Scalable and Flexible Photobioreactor Design for Microalgae Cultivation. In: Sustainability & Circularity NOW 02 (CP), DOI: 10.1055/a-2727-4980.
Yildirim, M.; Maurer, P.; Lierse, M. S.; et al. (2026): Nonsterile Cultivation of the Thermophilic Cyanobacterium Parathermosynechococcus lividus PCC 6715 in a Floating Light Ball Reactor (FLBR) on 53-L Scale for Zeaxanthin Production. ChemFoodChem: e70034. https://doi.org/10.1002/cfch.70034
Koch, R. (1876): Die Ätiologie der Milzbrand-Krankheit, begründet auf die Entwicklungsgeschichte des Bacillus Anthracis. In: Cohns Beiträge zur Biologie der Pflanzen 2, S. 277–310.
Purves, W. K.; Sadava, D.; Orians, G. H.; Heller, H. C. (2019): Purves Biologie. Hg. v. J. Markl. 10. Aufl. Berlin: Springer Spektrum.
Rosenwinkel, K.-H.; Kroiss, H.; Dichtl, N.; Seyfried, C.-F.; Weiland, P. (2015): Anaerobtechnik. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg.
Sahm, H.; Antranikian, G.; Stahmann, K.-P.; Takors, R. (Hg.) (2013): Industrielle Mikrobiologie. Berlin, Heidelberg: Springer Spektrum.
Watson, J. D.; Crick, F. H. C. (1953): Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid. In: Nature 171 (4356), S. 737–738.
[letzte Änderung 07.09.2026]
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