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Molekularbiologie für Dummies, 2. Auflage

Molekularbiologie für Dummies, 2. Auflage

Petra Neis-Beeckmann

ISBN: 978-3-527-71151-2

Oct 2015

422 pages

Select type: Paperback

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U¨ ber die Autorin 9

Einführung 21

U¨ ber dieses Buch 21

Konventionen in diesem Buch 22

Was Sie nicht lesen müssen 22

T¨ orichte Annahmen über den Leser 23

Wie dieses Buch aufgebaut ist 23

Teil I: Molekularbiologisches Grundwissen 23

Teil II: Das Werkzeug des Molekularbiologen 23

Teil III: Genomik–die Arbeit mit genetischem Material 24

Teil IV: Proteomik–die Arbeit mit den Genprodukten 24

Teil V: Molekularbiologie im Alltag 24

Teil VI: Der Top-Ten-Teil 24

Symbole, die in diesem Buch verwendet werden 25

Wie Sie dieses Buch lesen k¨onnen 25

Teil I Molekularbiologisches Grundwissen 27

Kapitel 1 Was Molekularbiologie überhaupt ist 29

Was geht uns Molekularbiologie an? 29

Genetik + Biochemie = Molekularbiologie 29

Molekularbiologie im »engen« Sinne: Nukleinsäuren und Proteine 33

Die DNA: Molekül der Vererbung 34

Die RNA: Kleine Schwester der DNA 35

Die Proteine: Perlenketten aus Aminosäuren 35

Molekularbiologie im »weiten« Sinne: Weitere Moleküle 36

Kapitel 2 Grundlagen der Molekularbiologie 37

Aufbau der Zelle in Kürze 37

DNA-Verstecke in der eukaryotischen Zelle 39

RNA geht ihren eigenen Weg 41

Chromosomen sind Träger der Gene 42

Gene und Genstruktur 44

Der Fluss genetischer Information 45

Ein Gen – ein Protein – eine Eigenschaft 46

Die DNA als Träger genetischer Information 47

RNA als U¨ bersetzerin genetischer Information 47

Proteine bestimmen die Vielfalt des Lebens 48

Kapitel 3 DNA – das Molekül des Lebens 51

DNA-Chemie oder warum eine (Nuklein-)Säure aus Basen aufgebaut ist 51

Grundbaustein Nummer eins: Die Basen 53

Grundbaustein Nummer 2: Der Zucker 54

Grundbaustein Nummer 3: Der Phosphatrest 56

Die Hälfte des DNA-Moleküls: Der Einzelstrang 57

Die Doppelhelix und etwas DNA-Physik 59

DNA-Wendeltreppe mit großen und kleinen Furchen 61

Chemische und physikalische Eigenschaften – oder was die

DNA für ein Typ ist 62

Von Ränkespielen und Intrigen – oder wie man die DNA entdeckte 64

Kapitel 4 RNA – Transportunternehmen für genetische Information 67

Nur ein kleines bisschen anders als DNA 67

Ribose oder Sauerstoff macht aktiv 68

Uracil ist das Thymin der RNA 68

Einzelsträngigkeit macht RNA flexibel 69

Das RNA-Molekül ist vielseitig einsetzbar 70

Transkription: Aus DNA mach RNA 71

Ein bisschen anders als andere: Retroviren 74

Kapitel 5 Lebewesen sind aus Proteinen gemacht 77

Der genetische Code 77

Die Code-Sonne: Hilfsmittel zum Entschlüsseln 78

Degeneration ist halb so schlimm 80

Proteine sind Perlenketten aus Aminosäuren 81

Aminosäuren halten über Peptidbindungen zusammen 84

Nur gefaltet aktiv: Von der Primär- zur Quartärstruktur 85

Zu Besuch in einer Proteinfabrik 87

Die Translation: Aus RNA wird Protein 88

Genexpression: Alles unter Kontrolle hier! 89

Teil II Das Werkzeug des Molekularbiologen 93

Kapitel 6 Die Hardware des Molekularbiologen 95

Die Grundausrüstung: Pipette & Co 95

Das Laborkarussell und andere Geräte 98

Keine Angst vor großen (und teuren) Geräten 103

Ordnung ist das halbe (Molekularbiologen-)Leben 105

Das Labor: Rumpelkammer oder Hochsicherheitstrakt? 107

Molekularbiologen arbeiten in Sicherheitsstufen 108

Weg damit: Wie man biologische Abfälle entsorgt 109

Alternativen zum Gift 110

Kapitel 7 Bakterien – die fleißigen Helfer des Molekularbiologen 111

Wie man sich ein Bakterium hält 111

Das Medium macht’s 113

Kuschelig muss es sein 114

Molekularbiologie–undenkbar ohne Helfer 115

Klonieren ist nicht Klonen, nur ein bisschen 115

Das Bakterium als Bioreaktor 118

Das Bakterium als Werkzeuglieferant 119

Welche Bakterien nehme ich? 120

Kapitel 8 Das Virus – der Kuckuck unter den Helfern 123

Ein Virus ist kein lebender Helfer – oder doch? 124

Viren fangen mit sich allein nichts an 125

Was bei einer Infektion passiert 125

Wie der Molekularbiologe den Kuckuck nutzt 128

Klonieren – Das Wunsch-Gen isolieren 128

Gentherapie – Taxi in die Zelle, bitte! 129

Welches Virus nehme ich? 129

Kapitel 9 Enzyme – die Handwerker des Molekularbiologen 133

Ohne Enzym läuft gar nichts 133

Handwerker und Werkzeug zugleich 134

Runter mit der Aktivierungsenergie 135

Manche m¨ ogen’s heiß, andere überhaupt nicht 136

Des Molekularbiologen Lieblinge – ein U¨ berblick 137

Die Schere 138

Der Klebstoff 143

Die Zerst ¨ orer 145

Das Arbeitstier 146

Ist teurer immer besser? 148

Kapitel 10 Vektoren – Die nützlichen Transporter 149

Vektoren nehmen DNA-Moleküle mit 149

Plasmide – die Minis unter den Vektoren 150

Phagen – die Anhänger unter den Vektoren 152

Cosmide – die Kombis unter den Transportern 152

Künstliche Chromosomen – die Schwertransporter 153

Kapitel 11 Nukleinsäuren für alle Fälle: Synthetische Oligonukleotide 155

DNA und RNA auf Bestellung 155

So wird’s gemacht 156

Oligos als Primer für PCR und Sequenzierung 156

Oligos als Sonden für Hybridisierungen 158

Mit Oligos die Herstellung krank machender Proteine blockieren 159

Kapitel 12 Lasst Roboter an die Bench: Laborautomation 163

Automation in der Molekularbiologie–wozu? 163

Automation für Arme 165

Laborautomatisierung für »Normalos« 167

Die Edelvariante der Laborautomatisierung 168

Zukunftsvision: mobile Roboterschwärme 169

Teil III Genomik – die Arbeit mit genetischem Material 171

Kapitel 13 Molekularbiologische Standardmethoden: Die muss man k¨onnen 173

Wie man Nukleinsäure aus Zellen isoliert 173

Die Extraktion genomischer DNA 174

DNA-Isolierung aus Plasmiden: Maxi- und Minipräp 176

Die Isolierung von Phagen-DNA 178

Die RNA-Isolierung 179

Wie Sie die Konzentration von Nukleinsäuren bestimmen 183

Wie man’s macht: Doppelsträngige DNA 183

Wie man’s macht: Oligos und RNA 185

Wie man’s macht: Den »Schmutz« bestimmen 185

Nukleinsäure isoliert–und dann? 186

Wie man Nukleinsäuren manipuliert 186

Fang mich auf Membran: DNA und RNA blotten 188

Ab in den Süden: Der Southern Blot 189

Auf in den Norden: Der Northern Blot 191

Suche Partner für gemeinsame Bindung: Die Hybridisierung 192

Aus RNA mach cDNA: Die reverse Transkription 195

Kapitel 14 Die Elektrophorese – Wettlauf der Nukleinsäuren 199

Wie die Nukleinsäure zum Pluspol wandert 199

Für Anfänger: Die Agarose-Gelelektrophorese 202

Einmal Farbe für die Nukleinsäure, bitte! (Teil 1) 206

Für Fortgeschrittene: Die Polyacrylamid-Gelelektrophorese 208

Farbe & Co. für die Nukleinsäure (Teil 2) 210

RNA – ein Spezialfall? 212

Nukleinsäuren getrennt – was dann? 212

Für Leute mit Geld, vielen Proben oder wenig Zeit: Die Kapillar-Gelelektrophorese 214

Kapitel 15 Die Polymerase-Kettenreaktion PCR – Kopierer für Nukleinsäuren 217

(Fast) alles dreht sich um die PCR 217

Was man alles braucht: Oligos, Arbeitstiere und mehr 218

Wie es funktioniert: Trennen, binden und kopieren 222

PCR und dann? 226

PCR noch raffinierter 230

Verschachtelt: Die Nested-PCR 230

Mehrere auf einmal: Die Multiplex-PCR 231

Mit RNA gemacht: Die Reverse Transkriptase-PCR (RT-PCR) 231

Live dabei: Die Real-Time-PCR 232

Zufällig: RAPD & Kollegen 234

Kapitel 16 Klonieren: 1x schneiden, kleben und vervielfältigen, bitte! 237

Massenhafte DNA-Vermehrung 237

Klonierung zum ersten: Die Kopiervorlage 239

Klonierung zum zweiten: Der Vektor 242

Klonierung zum dritten: Die Ligation 244

Klonierung zum vierten: Die Transformation 245

Klonierung zum fünften: Selektion und Vermehrung 246

Aufbewahrungsinstitut für Gene: Die Genbank 248

Das komplette Genom als Genbank 249

Mitten aus dem Leben: Die cDNA-Bank 249

Kapitel 17 Sequenzanalyse: Den Nukleinsäure-Code übersetzen 251

Der direkte Weg: Die Sequenzierung 252

Die Sanger-Methode: Kettenabbruch macht’s m¨ oglich 252

Die Maxam-Gilbert-Methode: Spaltung statt Abbruch 262

Next-Generation-Sequencing: Schneller, günstiger und mehr im Ultra-Hochdurchsatz 262

Der indirekte Weg: Unterschiede entdecken ohne Sequenzierung 265

RFLP: Der Schnitt macht den Unterschied 266

SSCP: Ja, wo laufen sie denn? 268

Repetitive DNA: Der Unterschied steckt im Müll 269

Snips: Klein, aber oho! 276

Alles Mini oder was: Wie man Snips untersucht 278

Die Genkarte: Eine Landkarte fürs Erbgut 280

Die genetische Kartierung: Zusammen oder getrennt? 281

Die physikalische Kartierung: Chromosom gesucht 285

Kapitel 18 Auf der Suche nach dem Sinn: Der Weg zur Genfunktion 289

Genexpressionsstudien: Wie aktiv ist das Gen? 290

Das »Wie viel«: Quantitative Genexpressionsanalyse 290

Scharf auf Einzelstränge: Nuklease S1-Analyse und Ribonuclease Protection Assay 291

Das »Wo«: Qualitative Genexpressionsanalyse 293

Expressionsstudien auf Fingernagelgr ¨oße: Microarrays 294

Genexpression live untersuchen: Mach mir das Protein! 296

Transfektion: Wie das Gen in die Zelle kommt 298

O¨ fter mal was Neues: Die Mutagenese 298

So wird’s gemacht: Das Erbgut verändern 299

Gen abgeschaltet: Knock-out-Mäuse 300

Fremdgegangen: Transgene Organismen 303

Laterne fürs Gen: Das Green Fluorescent Protein GFP 305

Tintenkiller fürs Gen: Genome Editing 306

Zinkfingernukleasen: Mutagenese per Designer-Enzym 306

Mit TALENs ganz einfach zum Wunsch-Gen 308

CRISPR-Cas9-System: Gene editieren für jedermann 310

Teil IV Proteomik – die Arbeit mit den Genprodukten 315

Kapitel 19 Mit den Genprodukten forschen: Proteine im Labor 317

Proteomik – die Arbeit der Proteinfreunde 318

Proteinanalytik: Das grundlegende Handwerkszeug des Proteomikers 321

Die Proteinisolierung: Keine 08/15-Methode 322

Die Menge bestimmen: Darf’s ein bisschen Farbe sein? 328

Riesenmoleküle handlich machen: Die Proteinspaltung 330

Wettlauf der Proteine: Die Elektrophorese 332

Proteinsequenzierung: Die Primärstruktur entschlüsseln 342

Massenspektrometrie: Auch Proteine k¨onnen fliegen 345

Kapitel 20 Beziehungstests für Biomoleküle: Protein-Protein-Interaktionen erforschen 349

Proteine – Freunde für’s Leben? 350

Wie man Protein-Interaktionen untersucht 351

Klassiker für Beziehungskisten: Das Yeast-Two-Hybrid-System 351

Freunde machen Lichtsignale: Die FRET-Methode 354

Partnerschaftstests im Miniformat: Proteinchips 354

Teil V Molekularbiologie im Alltag 357

Kapitel 21 Jedem das Seine: Personalisierte Medizin und Pharmakogenomik 359

Was Pharmakogenomik ist 360

Warum Menschen mit gleicher Krankheit verschieden auf gleiche Behandlungen reagieren 360

Personalisierte Medizin durch Genotypisierung 364

Kapitel 22 Genchips & Co: Das molekularbiologische Mini-Labor 367

Chips in verschiedenen Geschmacksrichtungen 368

Beim Genchip macht’s die Wasserstoffbrücke 369

Beim Proteinchip macht’s die Spezifität 371

Kapitel 23 Serviceunternehmen Zelle: Proteine auf Bestellung 373

Molekülproduktion mit Hilfestellung: Rekombinante Proteine 374

Insulinproduktion mit Bakterienhilfe 376

Muteine: Künstliche Proteinvarianten 378

Milliardenmarkt der rekombinanten Proteine 380

Kapitel 24 Molekularbiologie in Landwirtschaft und Ernährung 381

Warum will man Tiere klonen? 381

Gene Pharming: Medikamente aus Euter, Blatt & Co. 386

Transgene Tiere: Die Milch macht’s 386

Transgene Pflanzen: Grüne Pharmafabriken 387

Xenotransplantationen: Tiere als Lebensretter für Schwerkranke? 388

Genfood: Auf dem Weg zur Designer-Nahrung 389

Functional Food und Gentechnik 390

Ist Genfood gefährlich? 391

Nutrigenomik: Ernährungsplan nach Genprofil 393

Bioethik: Was darf die Molekularbiologie? 397

Beispiel aus der Bioethik: Gentechnisch veränderte Lebewesen 398

Teil VI Der Top-Ten-Teil 401

Kapitel 25 Die zehn plus vier wichtigsten Standard-L¨osungen des Molekularbiologen 403

Puffer: Ausgleich für den pH-Wert 403

Ladepuffer für Elektrophoresegele 405

L¨osungen für die Hybridisierung 406

Bakterienmedien: Nahrung für die Helfer 406

Kapitel 26 Zehn plus zwei nützliche Internetadressen für (angehende) Molekularbiologen 409

Die offzielle Nobelpreis-Seite 409

Deutsches Referenzzentrum für Ethik in den Biowissenschaften 410

Laborjournal online 410

Medizinische und molekularbiologische Datenbanken 410

Quiz mit Dr. Axolotl und mehr 410

Das Rezeptbuch für die Molekularbiologie 411

Die Enzymseite 411

Die European Molecular Biology Organisation 411

Das National Center for Biotechnology Information 411

Die wichtigste Protein-Datenbank 412

DNA from the Beginning 412

DNA Learning Center des Cold Spring Harbor Laboratory 412

Stichwortverzeichnis 413