Molekularbiologie für Dummies

Petra Neis-Beeckmann promovierte in Genetik, studierte danach Journalistik und arbeitet zurzeit als freie Journalistin. Seit 2013 berichtet sie über Themen der Life-Science-Branche für die Bioregio Stern.

• Über die Autorin 9Über die Fachkorrektorin 9Einführung 21Über dieses Buch 21Konventionen in diesem Buch 22Was Sie nicht lesen müssen 22Törichte Annahmen über den Leser 23Wie dieses Buch aufgebaut ist 23Teil I: Molekularbiologisches Grundwissen 23Teil II: Das Werkzeug des Molekularbiologen 24Teil III: Genomik – die Arbeit mit genetischem Material 24Teil IV: Proteomik – die Arbeit mit den Genprodukten 24Teil V: Molekularbiologie im Alltag 24Teil VI: Der Top-Ten-Teil 24Symbole, die in diesem Buch verwendet werden 25Wie es weitergeht 25Teil I: Molekularbiologisches Grundwissen 27Kapitel 1 Was Molekularbiologie überhaupt ist 29Was geht uns Molekularbiologie an? 29Genetik + Biochemie = Molekularbiologie 30Molekularbiologie im »engen« Sinne: Nukleinsäuren und Proteine 34Die DNA: Molekül der Vererbung 34Die RNA: Kleine Schwester der DNA 35Die Proteine: Perlenketten aus Aminosäuren 35Molekularbiologie im »weiten« Sinne: Weitere Moleküle 36Kapitel 2Grundlagen der Molekularbiologie 39Aufbau der Zelle in Kürze 39DNA-Verstecke in der eukaryotischen Zelle 42RNA geht ihren eigenen Weg 43Chromosomen sind Träger der Gene 44Gene und Genstruktur 46Der Fluss genetischer Information 47Ein Gen – ein Protein – eine Eigenschaft 48Die DNA als Träger genetischer Information 49RNA als Übersetzerin genetischer Information 49Proteine bestimmen die Vielfalt des Lebens 50Kapitel 3 DNA – das Molekül des Lebens 53DNA-Chemie oder warum eine (Nuklein-)Säure aus Basen aufgebaut ist 53Grundbaustein Nummer eins: Die Basen 55Grundbaustein Nummer zwei: Der Zucker 56Grundbaustein Nummer drei: Der Phosphatrest 58Die Hälfte des DNA-Moleküls: Der Einzelstrang 59Die Doppelhelix und etwas DNA-Physik 60DNA-Wendeltreppe mit großen und kleinen Furchen 62Chemische und physikalische Eigenschaften – oder was die DNA für ein Typ ist 63Von Ränkespielen und Intrigen – oder wie man die DNA entdeckte 65Kapitel 4 RNA – Transportunternehmen für genetische Information 69Nur ein kleines bisschen anders als DNA 69Ribose oder Sauerstoff macht aktiv 70Uracil ist das Thymin der RNA 70Einzelsträngigkeit macht RNA flexibel 71Das RNA-Molekül ist vielseitig einsetzbar 71Transkription: Aus DNA mach RNA 73Ein bisschen anders als andere: Retroviren 76Kapitel 5 Lebewesen sind aus Proteinen gemacht 79Der genetische Code 79Die Code-Sonne: Hilfsmittel zum Entschlüsseln 81Degeneration ist halb so schlimm 82Proteine sind Perlenketten aus Aminosäuren 83Aminosäuren halten über Peptidbindungen zusammen 86Nur gefaltet aktiv: Von der Primär- zur Quartärstruktur 87Zu Besuch in einer Proteinfabrik 88Die Translation: Aus RNA wird Protein 89Genexpression: Alles unter Kontrolle! 91Teil II: Das Werkzeug des Molekularbiologen 95Kapitel 6 Die Hardware des Molekularbiologen 97Die Grundausrüstung: Pipette und Co 97Das Laborkarussell und andere Geräte 100Keine Angst vor großen (und teuren) Geräten 105Ordnung ist das halbe (Molekularbiologen-)Leben 107Das Labor: Rumpelkammer oder Hochsicherheitstrakt? 110Molekularbiologen arbeiten in Sicherheitsstufen 111Weg damit: Wie man biologische Abfälle entsorgt 112Alternativen zum Gift 112Biohacking: Das Labor in der eigenen Garage 113Kapitel 7 Bakterien – die fleißigen Helfer des Molekularbiologen 115Wie man sich ein Bakterium hält 116Das Medium macht’s 117Kuschelig muss es sein 118Molekularbiologie – undenkbar ohne Helfer 119Klonieren ist nicht Klonen, nur ein bisschen 120Das Bakterium als Bioreaktor 122Das Bakterium als Werkzeuglieferant 123Welche Bakterien nehme ich? 124Kapitel 8 Das Virus – der Kuckuck unter den Helfern 127Ein Virus ist kein lebender Helfer, oder? 128Viren fangen mit sich allein nichts an 128Was bei einer Infektion passiert 129Wie der Molekularbiologe den Kuckuck nutzt 132Klonieren – das Wunsch-Gen isolieren 132Gentherapie – Taxi in die Zelle, bitte! 133Welches Virus nehme ich? 134Kapitel 9 Enzyme – die Handwerker des Molekularbiologen 139Ohne Enzym läuft gar nichts 139Handwerker und Werkzeug zugleich 140Runter mit der Aktivierungsenergie 141Manche mögen’s heiß, andere überhaupt nicht 142Des Molekularbiologen Lieblinge – ein Überblick 143Die Schere 144Der Klebstoff 149Die Zerstörer 151Das Arbeitstier 152Ist teurer immer besser? 154Kapitel 10 Vektoren – die nützlichen Transporter 155Vektoren nehmen DNA-Moleküle mit 155Plasmide – die Minis unter den Vektoren 156Phagen – die Anhänger unter den Vektoren 158Cosmide – die Kombis unter den Transportern 158Künstliche Chromosomen – die Schwertransporter 159Kapitel 11 Nukleinsäuren für alle Fälle: Synthetische Oligonukleotide 161DNA und RNA auf Bestellung 161So wird’s gemacht 162Oligos als Primer für PCR und Sequenzierung 163Oligos als Sonden für Hybridisierungen 165Mit Oligos die Herstellung krank machender Proteine blockieren 165Kapitel 12 Lasst Roboter an die Bench: Laborautomation 169Automation in der Molekularbiologie – wozu? 170Automation für Arme 171Laborautomatisierung für »Normalos« 173Die Edelvariante der Laborautomatisierung 174Zukunftsvision: Mobile Roboterschwärme 176Teil III: Genomik – die Arbeit mit genetischem Material 177Kapitel 13 Molekularbiologische Standardmethoden: Die muss man können 179Wie man Nukleinsäure aus Zellen isoliert 179Die Extraktion genomischer DNA 181DNA-Isolierung aus Plasmiden: Maxi- und Minipräp 182Die Isolierung von Phagen-DNA 184Die RNA-Isolierung 186Wie Sie die Konzentration von Nukleinsäuren bestimmen 189Wie man’s macht: Doppelsträngige DNA 189Wie man’s macht: Oligos und RNA 191Wie man’s macht: Den »Schmutz« bestimmen 191Nukleinsäure isoliert – und dann? 192Wie man Nukleinsäuren manipuliert 192Fang mich auf, Membran: DNA und RNA blotten 194Ab in den Süden: Der Southern Blot 195Auf in den Norden: Der Northern Blot 197Suche Partner für gemeinsame Bindung: Die Hybridisierung 198Aus RNA mach cDNA: Die reverse Transkription 201Kapitel 14 Die Elektrophorese – Wettlauf der Nukleinsäuren 205Wie die Nukleinsäure zum Pluspol wandert 206Für Anfänger: Die Agarose-Gelelektrophorese 208Einmal Farbe für die Nukleinsäure, bitte! (Teil 1) 211Für Fortgeschrittene: Die Polyacrylamid-Gelelektrophorese (PAGE) 214Farbe und Co für die Nukleinsäure (Teil 2) 217RNA – ein Spezialfall? 218Nukleinsäuren getrennt – was dann? 218Für Leute mit Geld, vielen Proben oder wenig Zeit: Die Kapillar-Gelelektrophorese 220Noch winziger für Leute mit noch weniger Zeit: Die Mikrochip-Elektrophorese 222Kapitel 15 Die Polymerase-Kettenreaktion PCR –Kopierer für Nukleinsäuren 223(Fast) Alles dreht sich um die PCR 223Was man alles braucht: Oligos, Arbeitstiere und mehr 224Wie es funktioniert: Trennen, binden und kopieren 228PCR und dann? 232PCR noch raffinierter 236Verschachtelt: Die nested PCR 236Mehrere auf einmal: Die Multiplex-PCR 236Mit RNA gemacht: Die reverse Transkriptase-PCR (RT-PCR) 237Live dabei: Die Real-Time-PCR 238Zufällig: RAPD und Kollegen 240Kapitel 16 Klonieren: Einmal schneiden, kleben und vervielfältigen, bitte! 243Massenhafte DNA-Vermehrung 244Klonierung zum Ersten: Die Kopiervorlage 245Klonierung zum Zweiten: Der Vektor 248Klonierung zum Dritten: Die Ligation 250Klonierung zum Vierten: Die Transformation 251Klonierung zum Fünften: Selektion und Vermehrung 252Aufbewahrungsinstitut für Gene: Die Genbank 254Das komplette Genom als Genbank 255Mitten aus dem Leben: Die cDNA-Bank 255Kapitel 17 Sequenzanalyse: Den Nukleinsäure-Code übersetzen 257Der direkte Weg: Die Sequenzierung 258Die Sanger-Methode: Kettenabbruch macht’s möglich 258Die Maxam-Gilbert-Methode: Spaltung statt Abbruch 268Next Generation Sequencing: Schneller, günstiger und mehr im Ultrahochdurchsatz 268Der indirekte Weg: Unterschiede entdecken ohne Sequenzierung 271RFLP: Der Schnitt macht den Unterschied 271SSCP: Ja, wo laufen sie denn? 273Repetitive DNA: Der Unterschied steckt im Müll 275Snips: Klein, aber oho! 282Alles mini oder was: Wie man Snips untersucht 283Die Genkarte: Eine Landkarte fürs Erbgut 285Die genetische Kartierung: Zusammen oder getrennt? 286Die physikalische Kartierung: Chromosom gesucht 290Kapitel 18 Auf der Suche nach dem Sinn: Der Weg zur Genfunktion 293Genexpressionsstudien: Wie aktiv ist das Gen? 294Das »Wie viel«: Quantitative Genexpressionsanalyse 294Scharf auf Einzelstränge: Nuklease-S1-Analyse und Ribonuclease Protection Assay 295Das »Wo«: Qualitative Genexpressionsanalyse 297Expressionsstudien auf Fingernagelgröße: Microarrays 298Genexpression live untersuchen: Mach mir das Protein! 300Transfektion: Wie das Gen in die Zelle kommt 301Öfter mal was Neues: Die Mutagenese 302So wird’s gemacht: Das Erbgut verändern 303Gen abgeschaltet: Knock-out-Mäuse 304Fremdgegangen: Transgene Organismen 307Laterne fürs Gen: Das Green Fluorescent Protein GFP 308Kapitel 19 Tintenkiller fürs Gen: Genome Editing 311Zinkfingernukleasen: Mutagenese per Designerenzym 312Mit TALENs ganz einfach zum Wunsch-Gen 313CRISPR-Cas9-System: Gene editieren für jedermann 315CRISPR als Bakterienwaffe 317So funktioniert’s: Genome Editing mit dem CRISPR-Cas9-System 319Scheren in unterschiedlichen Varianten 321Mögliche Anwendungen der Genschere 321Korrektur der kleinen Schwester: RNA-Editierung 323Teil IV: Proteomik – die Arbeit mit den Genprodukten 325Kapitel 20 Mit den Genprodukten forschen: Proteine im Labor 327Proteomik – die Arbeit der Proteinfreunde 328Proteinanalytik: Das grundlegende Handwerkszeug des Proteomikers 331Die Proteinisolierung: Keine 08/15-Methode 332Die Menge bestimmen: Darf’s ein bisschen Farbe sein? 338Riesenmoleküle handlich machen: Die Proteinspaltung 340Wettlauf der Proteine: Die Elektrophorese 341Proteinsequenzierung: Die Primärstruktur entschlüsseln 352Massenspektrometrie: Auch Proteine können fliegen 355Kapitel 21 Beziehungstests für Biomoleküle: Protein-Protein-Interaktionen erforschen 359Proteine – Freunde fürs Leben? 360Wie man Protein-Interaktionen untersucht 361Klassiker für Beziehungskisten: Das Yeast-Two-Hybrid-System 361Freunde machen Lichtsignale: Die FRET-Methode 364Partnerschaftstests im Miniformat: Proteinchips 365Teil V: Molekularbiologie im Alltag 367Kapitel 22 Jedem das Seine: Personalisierte Medizin und Pharmakogenomik 369Was Pharmakogenomik ist 370Warum Menschen mit gleicher Krankheit verschieden auf gleiche Behandlungen reagieren 370Personalisierte Medizin durch Genotypisierung 374Kapitel 23 Genchips und Co: Das molekularbiologische Minilabor 377Chips in verschiedenen Geschmacksrichtungen 378Beim Genchip macht’s die Wasserstoffbrücke 379Beim Proteinchip macht’s die Spezifität 381Kapitel 24 Serviceunternehmen Zelle: Proteine auf Bestellung 383Molekülproduktion mit Hilfestellung: Rekombinante Proteine 384Insulinproduktion mit Bakterienhilfe 385Muteine: Künstliche Proteinvarianten 389Milliardenmarkt der rekombinanten Proteine 390Kapitel 25 Molekularbiologie in Landwirtschaft und Ernährung 393Warum will man Tiere klonen? 394Gene Pharming: Medikamente aus Euter, Blatt und Co 398Transgene Tiere: Die Milch macht’s 399Transgene Pflanzen: Grüne Pharmafabriken 400Xenotransplantationen: Tiere als Lebensretter für Schwerkranke? 401Genfood: Auf dem Weg zur Designernahrung 401Functional Food und Gentechnik 403Ist Genfood gefährlich? 403Nutrigenomik: Ernährungsplan nach Genprofil 406Bioethik: Was darf die Molekularbiologie? 409Beispiel aus der Bioethik: Gentechnisch veränderte Lebewesen 410Teil VI: Der Top-Ten-Teil 413Kapitel 26 Die zehn (plus vier) wichtigsten Standardlösungen des Molekularbiologen 415Puffer: Ausgleich für den pH-Wert 415Ladepuffer für Elektrophoresegele 417Lösungen für die Hybridisierung 418Bakterienmedien: Nahrung für die Helfer 419Kapitel 27 Zehn plus zwei nützliche Internetadressen für (angehende) Molekularbiologen 421Die offizielle Nobelpreis-Seite 422Pimp your Brain 422Deutsches Referenzzentrum für Ethik in den Biowissenschaften 422Laborjournal online 422Medizinische und molekularbiologische Datenbanken 423Die Enzym-Seite 423Die European Molecular Biology Organisation 423Das National Center for Biotechnology Information 424Die wichtigste Proteindatenbank 424DNA from the Beginning 424DNA Learning Center des Cold Spring Harbor Laboratory 425Protokolldatenbank Bio-101 425Stichwortverzeichnis 427

"Tolles Buch zum Einstieg in die Molekularbiologie, aber auch zur Vertiefung des vorhandenen Basiswissens. Komplexe Vorgänge so einfach wie möglich beschreiben. Auch die übersichtliche Gliederung durch Symbole für Wichtiges, interessantes Zusatzwissen usw. ist hilfreich ? bin sehr angetan und werde es meinen Auszubildenden auf jeden Fall empfehlen."(H.H.Akademie für Gesundheitsberufe Heidelberg; april 2021)