Nukleinsäuren und Proteine sind die Moleküle, auf denen sich jede Art von Leben gründet - vom einzelligen Bakterium bis zum ausgewachsenen Elefanten. Dieses Buch gibt Ihnen einen umfassenden Überblick über den Wissenschaftsbereich, der sich mit diesen Molekülen beschäftigt. Petra Neis-Beeckmann erklärt Ihnen verständlich und fundiert alles, was Sie über Genomik und Proteomik wissen müssen. Beginnend mit den genetischen und biochemischen Grundlagen tauchen Sie ein in die Welt der DNA, RNA, Enzyme und Co. Aber auch für die praktische Arbeit im Labor bekommen Sie alles Wichtige an die Hand: So werden von PCR bis Sequenzanalyse alle wichtigen molekularbiologischen Methoden besprochen. Farbige Abbildungen und ein Kapitel zum aktuellen Thema Genome Editing runden das Buch ab.
Inhaltsverzeichnis
Ü ber die Autorin 9
Ü ber die Fachkorrektorin 9
Einfü hrung 21
Ü ber dieses Buch 21
Konventionen in diesem Buch 22
Was Sie nicht lesen mü ssen 22
Tö richte Annahmen ü ber den Leser 23
Wie dieses Buch aufgebaut ist 23
Teil I: Molekularbiologisches Grundwissen 23
Teil II: Das Werkzeug des Molekularbiologen 24
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 es weitergeht 25
Teil I: Molekularbiologisches Grundwissen 27
Kapitel 1 Was Molekularbiologie ü berhaupt ist 29
Was geht uns Molekularbiologie an? 29
Genetik + Biochemie = Molekularbiologie 30
Molekularbiologie im 'engen' Sinne: Nukleinsä uren und Proteine 34
Die DNA: Molekü l der Vererbung 34
Die RNA: Kleine Schwester der DNA 35
Die Proteine: Perlenketten aus Aminosä uren 35
Molekularbiologie im 'weiten' Sinne: Weitere Molekü le 36
Kapitel 2
Grundlagen der Molekularbiologie 39
Aufbau der Zelle in Kü rze 39
DNA-Verstecke in der eukaryotischen Zelle 42
RNA geht ihren eigenen Weg 43
Chromosomen sind Trä ger der Gene 44
Gene und Genstruktur 46
Der Fluss genetischer Information 47
Ein Gen - ein Protein - eine Eigenschaft 48
Die DNA als Trä ger genetischer Information 49
RNA als Ü bersetzerin genetischer Information 49
Proteine bestimmen die Vielfalt des Lebens 50
Kapitel 3 DNA - das Molekü l des Lebens 53
DNA-Chemie oder warum eine (Nuklein-)Sä ure aus Basen aufgebaut ist 53
Grundbaustein Nummer eins: Die Basen 55
Grundbaustein Nummer zwei: Der Zucker 56
Grundbaustein Nummer drei: Der Phosphatrest 58
Die Hä lfte des DNA-Molekü ls: Der Einzelstrang 59
Die Doppelhelix und etwas DNA-Physik 60
DNA-Wendeltreppe mit groß en und kleinen Furchen 62
Chemische und physikalische Eigenschaften - oder was die DNA fü r ein Typ ist 63
Von Rä nkespielen und Intrigen - oder wie man die DNA entdeckte 65
Kapitel 4 RNA - Transportunternehmen fü r genetische Information 69
Nur ein kleines bisschen anders als DNA 69
Ribose oder Sauerstoff macht aktiv 70
Uracil ist das Thymin der RNA 70
Einzelsträ ngigkeit macht RNA flexibel 71
Das RNA-Molekü l ist vielseitig einsetzbar 71
Transkription: Aus DNA mach RNA 73
Ein bisschen anders als andere: Retroviren 76
Kapitel 5 Lebewesen sind aus Proteinen gemacht 79
Der genetische Code 79
Die Code-Sonne: Hilfsmittel zum Entschlü sseln 81
Degeneration ist halb so schlimm 82
Proteine sind Perlenketten aus Aminosä uren 83
Aminosä uren halten ü ber Peptidbindungen zusammen 86
Nur gefaltet aktiv: Von der Primä r- zur Quartä rstruktur 87
Zu Besuch in einer Proteinfabrik 88
Die Translation: Aus RNA wird Protein 89
Genexpression: Alles unter Kontrolle! 91
Teil II: Das Werkzeug des Molekularbiologen 95
Kapitel 6 Die Hardware des Molekularbiologen 97
Die Grundausrü stung: Pipette und Co 97
Das Laborkarussell und andere Gerä te 100
Keine Angst vor groß en (und teuren) Gerä ten 105
Ordnung ist das halbe (Molekularbiologen-)Leben 107
Das Labor: Rumpelkammer oder Hochsicherheitstrakt? 110
Molekularbiologen arbeiten in Sicherheitsstufen 111
Weg damit: Wie man biologische Abfä lle entsorgt 112
Alternativen zum Gift 112
Biohacking: Das Labor in der eigenen Garage 113
Kapitel 7 Bakterien - die fleiß igen Helfer des Molekularbiologen 115
Wie man sich ein Bakterium hä lt 116
Das Medium macht's 117
Kuschelig muss es sein 118
Molekularbiologie - undenkbar ohne Helfer 119
Klonieren ist nicht Klonen, nur ein bisschen 120
Das Bakterium als Bioreaktor 122
Das Bakterium als Werkzeuglieferant 123
Welche Bakterien nehme ich? 124
Kapitel 8 Das Virus - der Kuckuck unter den Helfern 127
Ein Virus ist kein lebender Helfer, oder? 128
Viren fangen mit sich allein nichts an 128
Was bei einer Infektion passiert 129
Wie der Molekularbiologe den Kuckuck nutzt 132
Klonieren - das Wunsch-Gen isolieren 132
Gentherapie - Taxi in die Zelle, bitte! 133
Welches Virus nehme ich? 134
Kapitel 9 Enzyme - die Handwerker des Molekularbiologen 139
Ohne Enzym lä uft gar nichts 139
Handwerker und Werkzeug zugleich 140
Runter mit der Aktivierungsenergie 141
Manche mö gen's heiß , andere ü berhaupt nicht 142
Des Molekularbiologen Lieblinge - ein Ü berblick 143
Die Schere 144
Der Klebstoff 149
Die Zerstö rer 151
Das Arbeitstier 152
Ist teurer immer besser? 154
Kapitel 10 Vektoren - die nü tzlichen Transporter 155
Vektoren nehmen DNA-Molekü le mit 155
Plasmide - die Minis unter den Vektoren 156
Phagen - die Anhä nger unter den Vektoren 158
Cosmide - die Kombis unter den Transportern 158
Kü nstliche Chromosomen - die Schwertransporter 159
Kapitel 11 Nukleinsä uren fü r alle Fä lle: Synthetische Oligonukleotide 161
DNA und RNA auf Bestellung 161
So wird's gemacht 162
Oligos als Primer fü r PCR und Sequenzierung 163
Oligos als Sonden fü r Hybridisierungen 165
Mit Oligos die Herstellung krank machender Proteine blockieren 165
Kapitel 12 Lasst Roboter an die Bench: Laborautomation 169
Automation in der Molekularbiologie - wozu? 170
Automation fü r Arme 171
Laborautomatisierung fü r 'Normalos' 173
Die Edelvariante der Laborautomatisierung 174
Zukunftsvision: Mobile Roboterschwä rme 176
Teil III: Genomik - die Arbeit mit genetischem Material 177
Kapitel 13 Molekularbiologische Standardmethoden: Die muss man kö nnen 179
Wie man Nukleinsä ure aus Zellen isoliert 179
Die Extraktion genomischer DNA 181
DNA-Isolierung aus Plasmiden: Maxi- und Miniprä p 182
Die Isolierung von Phagen-DNA 184
Die RNA-Isolierung 186
Wie Sie die Konzentration von Nukleinsä uren bestimmen 189
Wie man's macht: Doppelsträ ngige DNA 189
Wie man's macht: Oligos und RNA 191
Wie man's macht: Den 'Schmutz' bestimmen 191
Nukleinsä ure isoliert - und dann? 192
Wie man Nukleinsä uren manipuliert 192
Fang mich auf, Membran: DNA und RNA blotten 194
Ab in den Sü den: Der Southern Blot 195
Auf in den Norden: Der Northern Blot 197
Suche Partner fü r gemeinsame Bindung: Die Hybridisierung 198
Aus RNA mach cDNA: Die reverse Transkription 201
Kapitel 14 Die Elektrophorese - Wettlauf der Nukleinsä uren 205
Wie die Nukleinsä ure zum Pluspol wandert 206
Fü r Anfä nger: Die Agarose-Gelelektrophorese 208
Einmal Farbe fü r die Nukleinsä ure, bitte! (Teil 1) 211
Fü r Fortgeschrittene: Die Polyacrylamid-Gelelektrophorese (PAGE) 214
Farbe und Co fü r die Nukleinsä ure (Teil 2) 217
RNA - ein Spezialfall? 218
Nukleinsä uren getrennt - was dann? 218
Fü r Leute mit Geld, vielen Proben oder wenig Zeit: Die Kapillar-Gelelektrophorese 220
Noch winziger fü r Leute mit noch weniger Zeit: Die Mikrochip-Elektrophorese 222
Kapitel 15 Die Polymerase-Kettenreaktion PCR -Kopierer fü r Nukleinsä uren 223
(Fast) Alles dreht sich um die PCR 223
Was man alles braucht: Oligos, Arbeitstiere und mehr 224
Wie es funktioniert: Trennen, binden und kopieren 228
PCR und dann? 232
PCR noch raffinierter 236
Verschachtelt: Die nested PCR 236
Mehrere auf einmal: Die Multiplex-PCR 236
Mit RNA gemacht: Die reverse Transkriptase-PCR (RT-PCR) 237
Live dabei: Die Real-Time-PCR 238
Zufä llig: RAPD und Kollegen 240
Kapitel 16 Klonieren: Einmal schneiden, kleben und vervielfä ltigen, bitte! 243
Massenhafte DNA-Vermehrung 244
Klonierung zum Ersten: Die Kopiervorlage 245
Klonierung zum Zweiten: Der Vektor 248
Klonierung zum Dritten: Die Ligation 250
Klonierung zum Vierten: Die Transformation 251
Klonierung zum Fü nften: Selektion und Vermehrung 252
Aufbewahrungsinstitut fü r Gene: Die Genbank 254
Das komplette Genom als Genbank 255
Mitten aus dem Leben: Die cDNA-Bank 255
Kapitel 17 Sequenzanalyse: Den Nukleinsä ure-Code ü bersetzen 257
Der direkte Weg: Die Sequenzierung 258
Die Sanger-Methode: Kettenabbruch macht's mö glich 258
Die Maxam-Gilbert-Methode: Spaltung statt Abbruch 268
Next Generation Sequencing: Schneller, gü nstiger und mehr im Ultrahochdurchsatz 268
Der indirekte Weg: Unterschiede entdecken ohne Sequenzierung 271
RFLP: Der Schnitt macht den Unterschied 271
SSCP: Ja, wo laufen sie denn? 273
Repetitive DNA: Der Unterschied steckt im Mü ll 275
Snips: Klein, aber oho! 282
Alles mini oder was: Wie man Snips untersucht 283
Die Genkarte: Eine Landkarte fü rs Erbgut 285
Die genetische Kartierung: Zusammen oder getrennt? 286
Die physikalische Kartierung: Chromosom gesucht 290
Kapitel 18 Auf der Suche nach dem Sinn: Der Weg zur Genfunktion 293
Genexpressionsstudien: Wie aktiv ist das Gen? 294
Das 'Wie viel': Quantitative Genexpressionsanalyse 294
Scharf auf Einzelsträ nge: Nuklease-S1-Analyse und Ribonuclease Protection Assay 295
Das 'Wo': Qualitative Genexpressionsanalyse 297
Expressionsstudien auf Fingernagelgrö ß e: Microarrays 298
Genexpression live untersuchen: Mach mir das Protein! 300
Transfektion: Wie das Gen in die Zelle kommt 301
Ö fter mal was Neues: Die Mutagenese 302
So wird's gemacht: Das Erbgut verä ndern 303
Gen abgeschaltet: Knock-out-Mä use 304
Fremdgegangen: Transgene Organismen 307
Laterne fü rs Gen: Das Green Fluorescent Protein GFP 308
Kapitel 19 Tintenkiller fü rs Gen: Genome Editing 311
Zinkfingernukleasen: Mutagenese per Designerenzym 312
Mit TALENs ganz einfach zum Wunsch-Gen 313
CRISPR-Cas9-System: Gene editieren fü r jedermann 315
CRISPR als Bakterienwaffe 317
So funktioniert's: Genome Editing mit dem CRISPR-Cas9-System 319
Scheren in unterschiedlichen Varianten 321
Mö gliche Anwendungen der Genschere 321
Korrektur der kleinen Schwester: RNA-Editierung 323
Teil IV: Proteomik - die Arbeit mit den Genprodukten 325
Kapitel 20 Mit den Genprodukten forschen: Proteine im Labor 327
Proteomik - die Arbeit der Proteinfreunde 328
Proteinanalytik: Das grundlegende Handwerkszeug des Proteomikers 331
Die Proteinisolierung: Keine 08/15-Methode 332
Die Menge bestimmen: Darf's ein bisschen Farbe sein? 338
Riesenmolekü le handlich machen: Die Proteinspaltung 340
Wettlauf der Proteine: Die Elektrophorese 341
Proteinsequenzierung: Die Primä rstruktur entschlü sseln 352
Massenspektrometrie: Auch Proteine kö nnen fliegen 355
Kapitel 21 Beziehungstests fü r Biomolekü le: Protein-Protein-Interaktionen erforschen 359
Proteine - Freunde fü rs Leben? 360
Wie man Protein-Interaktionen untersucht 361
Klassiker fü r Beziehungskisten: Das Yeast-Two-Hybrid-System 361
Freunde machen Lichtsignale: Die FRET-Methode 364
Partnerschaftstests im Miniformat: Proteinchips 365
Teil V: Molekularbiologie im Alltag 367
Kapitel 22 Jedem das Seine: Personalisierte Medizin und Pharmakogenomik 369
Was Pharmakogenomik ist 370
Warum Menschen mit gleicher Krankheit verschieden auf gleiche Behandlungen reagieren 370
Personalisierte Medizin durch Genotypisierung 374
Kapitel 23 Genchips und Co: Das molekularbiologische Minilabor 377
Chips in verschiedenen Geschmacksrichtungen 378
Beim Genchip macht's die Wasserstoffbrü cke 379
Beim Proteinchip macht's die Spezifitä t 381
Kapitel 24 Serviceunternehmen Zelle: Proteine auf Bestellung 383
Molekü lproduktion mit Hilfestellung: Rekombinante Proteine 384
Insulinproduktion mit Bakterienhilfe 385
Muteine: Kü nstliche Proteinvarianten 389
Milliardenmarkt der rekombinanten Proteine 390
Kapitel 25 Molekularbiologie in Landwirtschaft und Ernä hrung 393
Warum will man Tiere klonen? 394
Gene Pharming: Medikamente aus Euter, Blatt und Co 398
Transgene Tiere: Die Milch macht's 399
Transgene Pflanzen: Grü ne Pharmafabriken 400
Xenotransplantationen: Tiere als Lebensretter fü r Schwerkranke? 401
Genfood: Auf dem Weg zur Designernahrung 401
Functional Food und Gentechnik 403
Ist Genfood gefä hrlich? 403
Nutrigenomik: Ernä hrungsplan nach Genprofil 406
Bioethik: Was darf die Molekularbiologie? 409
Beispiel aus der Bioethik: Gentechnisch verä nderte Lebewesen 410
Teil VI: Der Top-Ten-Teil 413
Kapitel 26 Die zehn (plus vier) wichtigsten Standardlö sungen des Molekularbiologen 415
Puffer: Ausgleich fü r den pH-Wert 415
Ladepuffer fü r Elektrophoresegele 417
Lö sungen fü r die Hybridisierung 418
Bakterienmedien: Nahrung fü r die Helfer 419
Kapitel 27 Zehn plus zwei nü tzliche Internetadressen fü r (angehende) Molekularbiologen 421
Die offizielle Nobelpreis-Seite 422
Pimp your Brain 422
Deutsches Referenzzentrum fü r Ethik in den Biowissenschaften 422
Laborjournal online 422
Medizinische und molekularbiologische Datenbanken 423
Die Enzym-Seite 423
Die European Molecular Biology Organisation 423
Das National Center for Biotechnology Information 424
Die wichtigste Proteindatenbank 424
DNA from the Beginning 424
DNA Learning Center des Cold Spring Harbor Laboratory 425
Protokolldatenbank Bio-101 425
Stichwortverzeichnis 427
