GMU:BioGlossar

Biotechnologie


„Die Biotechnologie, eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts, ist in besonderem Maße interdisziplinär. Je nach Aufgabenstellung erfordert sie Wissen aus der allgemeinen Biologie, das Molekulargenetik und der Zellbiologie, der Humangenetik und der molekularen Medizin, der Virologie, Mikrobiologie und Biochemie, der Enzymtechnologie, der Bioverfahrenstechnik und der Kybernetik; dazu in immer stärkerem Maße auch umfangreiche Computerkenntnisse, vor allem für die Bioinformatik und die Systembiologie. 
Vor diesem Hintergrund nimmt es nicht wunder, dass es so gut wie keine kurz gefassten Lehrbücher gibt, die das gesamte Gebiet abdecken. Selbst vielbändige Monographien lassen meist wichtige Gebiete wie Tier- und Pflanzenzucht außer acht.„Die Biotechnologie ist eine anwendungsbezogene Wissenschaft - viele ihrer Aufgabenstellungen haben wirtschaftliche Motive.“

Gentechnik und Zellbiologie


„1973 gelang es Stanley Cohen und Fredeerick Boyer zum ersten Mal, ein fremdes Gen gezielt in einem Wirtsorganismus zu übertragen und dort zur Expression zu bringen. Von da ab dauerte es 10 Jahre, bis das erste gentechnisch erzeugte Medikament zugelassen wurde. Heute sind weit über 40 gentechnisch hergestellte Medikamente und Therapeutika zugelassen, {…} Hunderte befinden sich in der Entwicklung. Stand in den Anfangsjahren die medizinische Forschung im Mittelpunkt, so verfiel man bald darauf, die neuen gentechnischen Methoden auch auf landwirtschaftliche Fragestellungen anzuwenden. So züchtete man transgene Pflanzensorten, die Resistenz-Faktoren gegen Herbizide, oder Insektenfraß enthalten. Sie werden heute vor allem in Nordamerika in großem Stil angepflanzt. Auch die Erzeugung von Nutz- und Zierpflanzen mit verbesserten nutritiven oder dekorativen Eigenschaften und die Holzwirtschaft profitieren von den neuen Methoden der Gentechnik. In der chemischen Industrie wächst die Zahl der Syntheseschritte mit Hilfe von Mikroorganismen oder Enzymen (Biokatalyse), seit diese gentechnisch an die industriellen Erfordernisse angepasst werden können. {…} sind mittlerweile die Genome von über 50 Mikroorganismen und zahlreichen höheren Organismen, darunter des Menschen) vollständig sequenziert. {…}

Das 1998 geborene Schaf Dolly war das erste künstlich aus den Körperzellen der Mutter klonierte und mit dieser genetisch identische Lebewesen. 
Die Stoßrichtung derartiger Forschungsrichtungen z.B. der Embryonenforschung, und die atemberaubende Schnelligkeit des Fortschritts hat eine intensive gesellschaftliche Diskussion in Gang gesetzt. {…} Steht es uns an, Pflanzen und Tiere genetisch so zu verändern, dass ihre Produktivität an unsere wirtschaftlichen, ihre Toleranz an unsere Umweltbedingungen angepasst wird? Welche ökonomischen Umverteilungen ergeben sich aus der Beherrschung dieser Technologien zwischen Industrie- und Entwicklungsländern? Welche ökologischen Risiken lösen wir mit einem mutwilligen, vorrangig ökonomisch begründeten Eingriff in die biologische Diversität aus? Noch ist keine dieser Fragen verbindlich gelöst. {…}

Ein wesentlicher Teil der neuen pharmazeutischen Wirkstoffe wurde entweder unter Verwendung gentechnisch erzeugter Targets entwickelt oder ist selbst ein rekombinantes Protein. {…} Auch in der Tier- und Pflanzenzucht, Grundlage für die Produktion von Lebensmitteln, finden gentechnische Methoden eine immer stärkere Berücksichtigung. Das Marktvolumen gentechnischer Produkte und transgener Lebewesen liegt heute bereits etwa doppelt so hoch und wächst schneller als das der traditionell erzeugten Fermentationsprodukte, von den alkoholischen Getränken einmal abgesehen.“

DNA Aufbau und Funktionsweise

Die DNA ist das Material aus dem die Gene bestehen. Die Hauptaufgabe der Gene ist das Herstellen von Proteinen.

Proteine


Oswald T. Avery entdeckte 1944 die Nukleinsäure als Träger der Erbanlagen. Die DNA enthält die Bauanleitung für Proteine, diese wiederum sind für die Ausprägung von Merkmalen oder den Verlauf von Stoffwechselprozessen verantwortlich. 
Die Grundbausteine aller Proteine bei Lebewesen sind 20 Aminosäuren. Deren Reihenfolge und die Kettenlänge definieren die Proteine, durch diesen Aufbau sind nahezu unendlich viele Variationen möglich. Man unterscheidet nach Primärstruktur - die Reihenfolge der Aminosäuren, Sekundärstruktur - wie ein Protein aufgerollt und gefaltet ist, und Tertiärstruktur- die räumliche Gestalt, die das Protein hat. Lebewesen haben individuelle, körpereigene Proteine, es gibt allerdings auch Proteine mit universellerem Charakter. Enzyme sind von ihrem Aufbau her hochmolekulare Proteine, die eine Andockstelle für ein Substrat besitzen. Ihre Namen enden auf -ase. Den Nichtproteinanteil bezeichnet man als Coenzym.

Nukleinsäure


Nukleinsäure besteht aus langen Ketten von Nukleotiden, diese bestehen wiederum aus: Einer Phosphatgruppe, einem C5-Zucker-Ring und einer von vier Stickstoffbasen. Die genetische Information ist durch die unterschiedliche Basenreihenfolge der aufeinanderfolgenden Nukleotide kodiert.

DNA


Die DNA (Dsoxyribonukleinsäure) ist aufgebaut aus dem Zucker Desoxyribose und den vier Basen Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T). Adenin und Thymin sowie Guanin und Cytosin sind komplementär: Sie bilden Wasserstoffbrücken aus und halten so die Doppelhelix zusammen.
Der Lebenszyklus einer Zelle gliedert sich in die Phase der Verdopplung des Erbmaterials mittels Semikonservativer Verdopplung und der Phase der Zellteilung, der Mitose.48
 Die DNA hat eine lineare Abfolge, dabei bilden je drei Basen eine Informationseinheit. Diese Basentripplet bezeichnet man als Codon. Bei der Bildung von Aminosäuren ist je ein Codon für den Einbau einer Aminosäure in das Polypeptid verantwortlich. Dabei codieren nicht alle Codons Aminosäuren, einige fungieren auch als Start- bzw. Stopp-Codons bei der Synthese von Aminosäuren. Aus der Länge von drei Basen je Codon und den vier möglichen Basen ergeben sich so 34, also 64 Kombinationsmöglichkeiten . Es gibt als deutlich mehr Kombinationsmöglichkeiten als zu codierende Aminosäuren, man spricht von der Redundanz des genetischen Codes. Bei nahezu allen Lebewesen wird ein bestimmtes Codon in die gleichen Aminosäuren übersetzt. Der genetische Code ist universell. Dieses Fakt wird als Beleg für die gemeinsame Abstammung aller Lebewesen gesehen. Verschiedene Varianten eines Gens sind möglich, man spricht dann von Allelen.

Translation und Transkription


Die Realisierung der genetischen Information geschieht mittels Translation und Transkription. 
Bei der Trankription wird durch die RNA eine Kopie des Gens erstellt. Dabei fährt die RNAPolymerase am DNA-Strang entlang und spaltet ihn auf, wobei mittels freier Nukleotide eine „Abschrift“ eines Teilstücks der DNA erstellt wird, die Messenger- oder mRNA.

Bei der Translation wird die mRNA an den Ribosomen in die Aminosäuresequenzen der Proteine „übersetzt“. Die tRNA bringt Aminosäuren aus dem Zellplasma zu den Ribosomen. Die tRNA hat je einen „Anschluss“ für eine bestimmte Aminosäure und einen bestimmte „Anticodon-Anschluß“ für die mRNA. Ribosomale Proteine verknüpfen die Aminosäuren zu Polypeptiden. Durch Start- und Stopp- Codons erhält die mRNA die entsprechenden Informationen zur Steuerung der Proteinsynthese.

Genexpression


Der Zusammenhang zwischen Gen und Merkmal ist schwer zu durchschauen, weil häufig mehrere (viele) Enzyme am Zustandekommen eines Merkmals beteiligt sind. Man spricht von der „Genwirkkette.“ Die meisten Merkmale sind polygen, also von mehreren Genen bestimmt.


Regulation der Genaktivität


Jede Zelle enthält DNA mit der gesamten genetischen Information eines Organismus. Während der Entwicklung werden bestimmte Gene aktiv, alle
 anderen bleiben inaktiv, dies nennt man die differentielle Genaktivierung. Die mRNA wird nach einer bestimmten Zeit wieder abgebaut, damit nicht mehr Proteine als nötig produziert werden.

Klone


Klone sind durch asexuelle Vermehrung aus einer einzigen Zelle hervorgegangen. Sie sind genetisch identisch. Unterschiedliche Merkmale im Phänotyp beruhen auf Modifikationen durch Umwelteinflüsse, oder sind im Verlauf der Entwicklung durch somatische, nicht vererbbare, Mutationen entstanden.
Im menschlichen Körper gibt es rund 210 verschiedene Zelltypen.
Totipotente Zellen können sich zu jeder Art von Zelle
 entwickeln, pluripotente Zellen haben begrenzte Entwicklungsmöglichkeiten, können sich zu verschiedenen Zellen einer Sorte entwickeln, zum Beispiel einzelne Gewebe bilden.

Seeanemonen (Actiniaria)

sind solitär lebende, walzenförmige, sechsstrahlige Blumentiere ohne Skelett . Sie können sich durch langsames Kriechen auf ihrer Fußscheibe, mit der sie sich normalerweise auf hartem Untergrund festkrallen oder in Sand und Geröll eingraben, fortbewegen. 
Ihr Körper ist muskulös. Die Größe kann, je nach Art, von einem bis 150 Zentimeter reichen. Ihre Tentakel sind einfach und in der Regel nicht verzweigt und oft durchscheinend. Manche Arten haben Nesselfäden. Vielfältige Formen an Fortpflanzungsmodi sind bekannt. So existieren getrenntgeschlechtliche, aber auch zwittrige Arten. Sogar Querteilung oder Abschnüren von Fußpartien kommt vor.
Es gibt über 1000 Arten in allen Meeren vom Flachwasser bis zu 10000 m Tiefe. In europäischen Gewässern finden sich ca. 60 Arten. 
Viele ausgewachsenen Aktinien fressen Fische, Krebse und Schnecken, andere nur Plankton. Einige Arten gehen Symbiosen mit anderen Tieren ein. So finden Anemonenfisch (Nemo) zwischen den Tentakeln Schutz vor Feinden oder heftet sich die Einsiedlerrose an die von Einsiedlerkrebsen bewohnten Schneckenhäuser (siehe auch Ektosymbiose). Systematik: Abteilung: Gewebetiere (Eumetazoa); Unterabteilung: Hohltiere (Coelenterata) Stamm: Nesseltiere (Cnidaria) Klasse: Blumentiere (Anthozoa) Unterklasse: Hexacorallia Ordnung: Seeanemonen (Anthozoa)



Allel


alternative Zustandsform eines Gens; eine von mindestens zwei einander entsprechenden Erbanlagen homologer Chromosomen.

Aminosäuren


organische Moleküle; bilden Monomere von Proteinen



Blastocyste


Embrionalstadium der Säugetiere; beim Menschen eine hohle Zellkugel, die sich eine Woche nach der Befruchtung bildet.



Zelle / Cell

The smallest structural unit of any living organism; 
a cell contains a complete copy of the organism‘s genome and is able to grow and reproduce independently. 



Chromosom


sich selbständig replizierendes DNA-Molekül mit mehreren Genen. Die Gesamtheit aller Chromosomen in einer Zelle ist der Chromosomensatz (Genom)

homologe Chromosomen 
die Chromosomen eines Paares, die u.a. in ihrer Länge übereinstimmen und an entsprechenden Orten (Loci) Gene dieselben Merkmale tragen. Je eines wird von der Mutter und vom Vater geerbt.

Codon


aus drei Nukleotiden bestehende DNA- oder RNA-Sequenz, die eine bestimmte Aminosäure codiert; Grundeinheit des genetischen Codes.



Cytoplasma


gesamter von der Plasmamembran umschlossener Zellinhalt mit Ausnahme des Zellkerns
.

DNA-Rekombinationstechnik


Technik, die Genabschnitte verschiedener Herkunft in vitro rekombiniert und anschließend in Zellen überträgt, in denen sie bestimmte Proteine codieren können.



Semikonservatives Modell der DNA-Replikation 60


Modell der DNA-Replikation, wonach bei der Replikation eine Doppelhelix entsteht, die aus je einem elterlichen und einem neusynthetisierten DNA-Strang besteht. Beide sind komplementtär, da jeder die Information zur Synthese des anderen enthält.



DNA-Sequenzierung


Bestimmung der Nukleotid-Reihenfolge in einem DNA-Molekül. 



DNA (Desoxyribonukleinsäure)

doppelsträngiges, spiralförmiges Nukleinsäure-Molekül, das sich replizieren kann und die ererbte Struktur der Proteine mitbestimmt.



;Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese
: heute aufgegebene Hypothese, wonach jedes Gen exakt ein Enzym codiert

.

Entwicklungsstabillität


Präzision, mit der Organismen einer bestimmten Spezies die Stadien von der Befruchtung bis zur Reife durchlaufen und die dabei jedes Mal einen Phänotyp reproduziert, der als Exemplar dieses „Typus“ klar erkennbar ist.

Enzym


Klasse von Proteinen, die als Katalysatoren in biochemischen Reaktionen fungieren; Agenzien, 
die deren Geschwindigkeit verändern, ohne in ihnen verbraucht zu werden.



Excisionsreparatur


schneidet bei der DNA-Replikation ein beschädigtes DNA-Segment heraus und kopiert es aus dem unbeschädigten Strang neu.



Exon


codiertes Segment der DNA.



Fehlpaarungsreparatur


beseitigt bei der DNA-Replikation falsch eingebaute Basen und ersetzt sie durch die richtigen. 



Fließgleichgewicht 
(engl. steady state)

Bezeichnung für das trotz dauernder Energieaufnahme und -abgabe bestehende dynamische Gleichgewicht in offenen physikalischen Systemen. Von großer Bedeutung ist das F. für lebende Organismen, deren Stoffwechsel einen ständigen Auf- und Abbauprozess leisten und dabei eine ausgeglichene Energiebilanz erreichen muss. Charakterisiert wird das F. durch die biologische Halbwertzeit, die Zeitspanne, in der die Hälfte einer Substanz im Organismus ersetzt wird. F.e werden über Rückkopplungsschleifen stabilisiert.

Gen


The basic unit of heredity; the sequence of DNA that encodes all the information to make a protein. Structurally, a gene is formed by three regions: 
a regulatory region called the promoter juxtaposed to the coding region containing the protein sequence, and a “3’ tail” sequence. In mammalian cells, the promoter is a complex region containing binding sites for many proteins that regulate gene expression. A gene may be “activated” or “switched on” to make protein - this activation is referred to as gene expression - by these proteins which control when, where and how much protein is expressed from the gene. In the human genome, there are an estimated 28,000 genes. 
Some of these are evolutionarily related and form “gene families” that express related proteins. There are also genes that no longer make a protein; these defective remnants of evolution are called pseudogenes.

Gen


DNA-Abschnitt, der eine RNA- und/ oder ein Polypeptid-Molekül codiert.

homöotische Gene


Gene, die den Gesamtplan von Tieren festlegen, indem sie die Entwicklung von Zellgruppen kontrollieren.

Genexprimierung


phänotypische Ausprägung von Merkmalen.

Genkartierung


Bestimmung der relativen Position verschiedener Gene auf einem Chromosom.

Genom


The complete set of DNA and genes of an organism. Genome size is generally given as the total number of base pairs in an organism.

Genom


Ein Genom ist die Gesamtheit der DNA eines Virus, einer Zelle oder eines Organismus. Das Genom enthält die Informationen, die zur Entwicklung (Ontogenese) der Bau- und Leistungsmerkmale eines Lebewesens oder eines Virus notwendig sind. Diese Informationen sind in der Basensequenz der DNA verschlüsselt. Daneben enthält es Basensequenzen, die strukturelle Bedeutung für die Organisation der DNA haben oder deren Bedeutung noch nicht bekannt ist.

Bei mehrzelligen Organismen ist das Genom die Gesamt-DNA einer Zelle. Das Genom der einzelnen, ausdifferenzierten Zelle ist weitgehend dem Genom der Zygote, aus der sie durch mitotischer Zellteilung entstanden sind, identisch. Es gibt jedoch durch Mutationen und mitotische Rekombinationen kleine Veränderungen.

Bei Organismen mit Kernphasenwechsel unterscheidet sich das Genom der Keimzellen vom Genom der Zygote ebenfalls durch Mutationen sowie durch meiotische Rekombinationen (siehe Meiose).

Genotyp


Gesamtheit aller Erbanlagen eines Organismus.

Gentechnik


Als Gentechnik bezeichnet man die Methode, Erbgut zu isolieren und dieses gezielt zu verändern und zu übertragen. Mit Hilfe der Gentechnik ist es möglich, einem Lebewesen eine ihm bisher fremde Erbanlage aus einem anderen Lebewesen gezielt und stabil einzubauen.

Gentechnik


Gezielte Übertragung von Fremdgenen in das Erbgut einer Zelle oder eines Organismus.

Gradualismus


Sicht der Erdgeschichte, die Veränderungen als kumulatives Ergebnis langsamer, aber kontinuierlicher Prozesse erklärt (Neodarwinismus).

Thermodynamik, 2. Hauptsatz


gibt die Richtung von Prozessen an und liefert ein Maß für die Umkehrbarkeit (Entropie) eines Naturvorgangs: So kann Wärme nicht von selbst aus einem kälteren in einen wärmeren Körper übergehen. In einem abgeschlossenen physikalischen System kann die Entropie nur zunehmen oder in günstigsten Fall gleich bleiben.

Induktion


Beeinflussung der Entwicklung einer embryonalen Zellgruppe durch eine andere.

Intron


nichtcodiertes Segment der DNA.

Künstliches Leben


Die Frage nach künstlichem Leben ist zweiteilig: 1. die Herstellung eines bekannten Lebewesens im Labor, und 2. die Herstellung neuer Lebensformen.

1. Obwohl man nicht erwartet, mehrzellige Organismen in naher Zukunft zu erzeugen, ist es
 schon gelungen, den Polio-Virus im Labor herzustellen. Damit ist es zwar gelungen, ein biologisches System zu erzeugen. Es konnte aber dabei nicht einmal auf die Mithilfe von Zellen verzichtet werden. Viren zeigen nicht alle Kennzeichen der Lebewesen, sind damit also per definitionem keine Lebewesen.

2. Es gibt Vorstellungen, dass komplexe Computersysteme künstliche Intelligenz und künstliches Leben zeigen können (siehe KI und KL).

Beginn des Lebens


Eine naturwissenschaftliche Definition für Leben im Sinne von „lebendig sein“ korrespondiert mit der naturwissenschaftlichen Definition für Lebewesen. Wird für Lebewesen das genetische Programm, seine Funktionalität und seine Entwicklung als essentiell angenommen, dann ergibt sich für den Beginn des Lebens der Zeitpunkt, zu dem Moleküle als Träger des Programms und weitere Hilfsmoleküle zur Realisierung, Vervielfältigung und Anpassung dieses Programms dergestalt in Wechselwirkung treten und von einander abhängig sind, dass eine Einheit höherer Ordnung entsteht, die neue, emergente Eigenschaften aufweist. (...) Die ontogenetische Frage nach der Entstehung des Lebens beinhaltet die Frage, ab und bis zu welchem Zeitpunkt seiner Entwicklung ein Organismus als lebendig betrachtet wird.

Daraus ergibt sich eine Möglichkeit zur Definition von Entstehung (und Ende) von Leben:

Leben beginnt dann, wenn die emergenten Eigenschaften der Lebewesen entstehen, Leben endet dann, wenn diese Eigenschaften wieder verschwinden.

Dazu ist es aber notwendig, alle emergenten Eigenschaften der Lebewesen zu kennen. Auf Grund der Komplexität auch der einfachsten Lebewesen ist dies prinzipiell nicht möglich. Deswegen tritt an die Stelle einer allgemeingültigen Definition eine Vielfalt von Entscheidungen, die durch Weltanschauung, Ethos, Religion, Moral oder Pragmatismus geprägt sind.

How would you define life?


Here is a definition. Life is about:

Growing

From birth to death, an organism grows. Plants, fungi, humans ... except for viruses, but are they living organisms?

Moving

Movement is the first thing that would tell you if one is alive or not ... although plants themselves do not move, there is movement inside.

Eating

Exchanging matter with the outer world is a sign of life: it starts with breathing, then ingesting matter (and its excretion), metabolising, and even talking and hearing (feeding those grey cells!)

Breeding

Life has this unavoidable property to multiply itself. Anything will do the trick. It seems we are just here to pass life around.

Mikroorganismen

Mikroorganismen spielen eine Schlüsselrolle im Stoffkreislauf. Sie sind als Destruenten am Abbau vieler Verbindungen beteiligt. Dieser Vorgang erfolgt sowohl in der Umwelt wie in Symbiose mit anderen Lebewesen ( Beispiele: Flechten, Darm- und Pansenbakterien). Als Pathogene bedrohen Mikroorganismen die Gesundheit anderer Organismen. In der Biotechnologie dienen ungefährliche Mikroorganismen zur Herstellung zahlreicher Produkte wie Citronensäure, Antibiotika, Xanthan oder Enzyme, zur aeroben und anaeroben Reinigung von Abwasser, Klärschlamm, Böden und Luft und als Wirtsorganismen zur Synthese rekombinanter Proteine. Aufgrund ihres verhältnismäßig einfachen Aufbaus, des breiten Methodenspektrums zur Herstellung von Mutanten und der kurzen Generationszeit dienen sie als Modellorganismen für die Untersuchung biochemischer, gentischer und physiologischer Vorgänge. Ihr völlig unterschiedlicher Zellaufbau erlaubt eine Unterscheidung in prokaryotische und eukaryotische Mikroorganismen. Die Prokaryoten unterteilt man weiter in Eubakterien und Archaebakterien.

Eubakterien

sind einzellige Lebewesen. Sie vermehren sich durch Teilung. {…} Eubakterien zeichnen sich durch das Potential zu ungewöhnlich zahlreichen Varianten des Stoffwechsels aus, wodurch sie in der Lage sind, eine große Zahl von Lebensräumen zu besiedeln. Dabei überraschen sie immer wieder mit einzigartig evolvierten Proteinen und Cofaktoren. 
So ist beispielsweise die Purpurmembran der Halobakterien eine auf diese begrenzte funktionelle Einheit, die Ähnlichkeiten zur Photosynthese und zum Sehvorgang im Menschlichen Auge aufweist.

Archaebakterien (Archaea)

{…} Sie leben häufig ohne Sauerstoff und sind meist
 auf die Besiedlung sehr spezieller Biotope spezialisiert. Beispielsweise sind sie die wichtigste Gruppe von Baterien, die aus Essigsäure Methan bilden - ein wichtiger biotechnologischer Schritt bei der anaeroben Schlammfaulung. Von den Eubakterien unterscheiden sie sich durch strukturelle und genetische Merkmale, {…} Die Funktion ihrer Enzyme ist oft an extreme Standorte angepaßt, was man in der Technik ausnutzen kann.

Hefen und Pilze

Alle Hefen und Pilze sind Eukarioten. Im Gegensatz zu den Bakterien ist ihre Zellwand aus Chitin, selten auch aus Cellulose aufgebaut. Fast alle Pilze sind heterotroph und leben aerob. Die großen Unterschiede in ihrer Vermehrung bieten den besten Ansatz zu ihrer Klassifizierung. Der Vegetationskörper der Pilze ist ein aus Hyphen bestehendes Fadengeflecht (Mycel), das sich asexuell oder sexuell vermehren kann. Die asexuelle Vermehrung geschiet meist durch Sporenbildung, gelegentlich auch durch Knospung. Die sexuelle Vermehrung der niederen Pilzen (Phycomyceten) erfolgt durch Gameten, der höheren Pilze durch Fruchtkörpern, die als Schlauch (Ascomyceten) oder Ständer (Basidiomyceten) geformt sind.

Monomere


Bausteine der Polymere.

Mosaikgene


(engl. split genes) Viele Gene, die Proteine in höheren Organismen codieren, sind kein kontinuierlichen, sonder mosaikartige Sequenzen - bestehend auscodierten (exprimierten) DNA-Sequenzen (Exons) und eingestreuten langen, nichtcodierten Regionen (Introns), von denen man, zumindest anfangs, annahm, dass sie überhaupt keine Funktion haben.

Mutabilität


Rate von Mutationen pro Zeiteinheit.

Mutagenese


Entstehung von Mutationen.

Mutation


seltene Veränderung der codierten DNA, durch die genetische Vielfalt entsteht.

Neodarwinismus


 (auch „Synthetische Theorie“) umfassende Evolutionstheorie, die die Bedeutung der natürlichen Selektion, des Gradualismus und der Populationen als den Grundeinheiten des Wandels betont.

Nucleinsäuren


biologische Moleküle (wie DNA und RNA), ermöglichen die Reproduktion von Organismen; polymere Verbindungen.

Nucleotide


Bausteine der Nucleinsäuren.

Pflanzenzucht


Vor etwa 11000 Jahren, in der „neolytischen Revolution“, begann der Mensch, Pflanzen anzubauen und ihren Ertrag durch züchterische Maßnahmen zu erhöhen. Als Ergebnis einer langen Selektion entstanden die heutigen Kulturpflanzen, die bedeutend mehr Biomasse, Frucht und Samen liefern, als ihre wildlebenden Urformen. Die Ernährung des Menschen und seiner Haustiere beruht überwiegend auf diesen Kulturpflanzen. Bereits heute sind allerdings etwa 1/3 der ca. 6 Mrd. Menschen nicht ausreichende ernährt. Da man mit einer Verdopplung der Weltbevölkerung in den nächsten 50 Jahren rechnet, kommt der Steigerung der pflanzlichen Produktion eine entscheidende Bedeutung zu. Ähnlich wie Mikroorganismen oder tierische Zellen kann man auch isolierte Pflanzenzellen in flüssigen, sterilen Nährmedien vermehren.

Pilze


Pilze spielen eine herausragende Rolle im Kreislauf der Natur, z.B. beim Abbau von Humus. In der Lebensgemeinschaft mit Pflanzen (Mycorrhiza-Pilze) helfen sie bei der Aufnahme von Nährstoffen, sind aber auch gefürchtete Pflanzen-Pathenogene (z.B. der Mehltau). {…} Unter den ca. 70 000 klassifizierten Pilzen bilden die Schlauchpilze (Ascomyceten) mit ca. 20 000 Arten die größte Gruppe. {…} Etwa 300 Pilzarten haben für den Menschen pathenogene Eigenschaften. Alle Pilze sind heterotroph. {…}

Polymerasekettenreaktion PCR

Die von Kary Mullis entwickelte Polymeras-Kettenreaktion (PCR) ist eine der praktisch wichtigsten Entdeckungen auf dem Gebiet der Gentechnik; ihr Erfinder wurde mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Bei der PCR wird ein kurzer, vorausbestimmbarer Abschnitt eines DNA-Moleküls viele Male von einer DNA-Polymerase kopiert. 
Mit anderen Worten: Ein gewünschtes Genfragment kann selektiv amplifiziert werden. Eine derartige Technik ist sowohl bei der Identifizierung von DNA-Abschnitten wie bei der gentechnischen Bearbeitung von DNA von großem Wert. {…} Mit Hilfe der PCR können einzelne Abschnitte aus einer DNA sehr schnell kloniert und sequenziert werden.

Transgene Pflanzen

Die Bearbeitung von Pflanzen mit gentechnischen Methoden umfaßt nicht nur die Modifikation pflanzeneigener Stoffe („nachwachsende Rohstoffe“), sondern auch die Synthese von Wertstoffen in transgenen Pflanzen. Beispiele sind: 1. die Modifikation der Aminosäure-, Stärke-, oder Öl-Zusammensetzung und die Veränderung des Lignin-Gehalts von Hölzern, 2. die Expression Pflanzen-fremder Stoffe wie Antikörper oder A.-Fragmente (plantiebodies), Vakzine, menschliche Serumalbuminen oder von Biopolymeren.

Modifikation Pflanzeneigener Stoffe

Um dem Mangel vieler Pflanzenproteine an essentiellen Aminosäuren abzuhelfen, wurden mehrere Wege erfolgreich eingeschlagen: a) die Expression günstiger zusammengesetzter Speicherproteine aus anderen Pflanzen, b) die positionsgerichtete Mutagenese eigener Speicherproteine zum Ersatz nicht-essentieller durch essentielle Aminosäuren, c) die Einklonierung von Genen deregulierter Schlüsselenzyme für verzweigte Stoffwechselwege, {…} Den Lignin-Gehalt von Hölzern reduzierte man durch die Modulation von Genen der Lignin-Biosynthese (Zimtsäure-Intermediate).

Expression Pflanzenfremder Stoffe

Die meisten Untersuchungen wurden bisher in Tabakpflanzen oder in Arbidopsis thaliana durchgeführt, da sich diese Organismen besonders gut transformieren lassen. So gelang die Expression menschlichen Serumalbumins ebenso wie die Bildung vollständiger IgG-Antikörper, die mit Blick auf eine Karies-Prophylaxe gegen das Adhesin von Streptococcus mutans gerichtet waren; man erreichte dabei Konzentrationen von bis zu 1% des Gesamtproteins. Die preiswerte Expression von Antigenen in Pflanzen eröffnet möglicherweise die Chance, in Entwicklungsländern eine Vakzinierung mit der Nahrungsaufnahme durchzuführen. Im Modellversuch gelang es, das Oberflächen-Antigen des Hepatitis-B-Virus in Tabak in einer Konzentration von 0,01% des löslichen Proteins zu exprimieren, und die Verfütterung des Tabakmehls führte in Mäusen zu einer Immunantwort. Der Verzehr von Kartoffeln, die das zu Durchfällen führende hitzelabile Enterotoxin B aus E. coli exprimieren, bewirkte im Menschen ebenfalls eine Immunantwort. Exprimiert man das für die Synthese von Polyhydroxybuttersäure verantwortliche Operon von Alcaligenes eutrophus, das
 aus drei Genen besteht, in den Chloroplasten der Arabidopsis thaliana oder Raps, so erhält man diesen abbaubaren Kunststoff preiswert durch Photosynthese. Die ökonomische Aufarbeitung dieses Polymers aus Pflanzen muss allerdings noch optimiert werden.

Phänotyp


Gesamtheit der physischen, physiologischen und molekularen Merkmale eines Lebewesens.

Polymer


großes Molekül, in dem viele identische oder ähnliche Monomere miteinander verknüpft sind.

Polypeptide


 Polymere (Kette) aus vielen Aminosäuren, die durch spezifische Peptidbindungen verknüpft sind.

Population

Gruppe artgleicher Individuen, die in einem bestimmten geographischen Gebiet leben.

Präformationstheorie


biologische Entwicklungstheorie, nach der jeder Organismus durch Entfaltung bereits in der Ei- oder Samenzelle vorgebildeter Teile entsteht.

Prokaryoten


Prokaryoten (Prokaryonten, Procarya, Procaryota) sind zelluläre Lebewesen, welche keinen Zellkern besitzen. Ihr Zelltyp wird als Protocyte bezeichnet. Seit alle zellulären Lebewesen in drei Domänen eingeteilt werden, fassen die Domänen der Bakterien (Bacteria) und der Archaebakterien (Archaea) alle Prokaryonten zusammen. Die DNA befindet sich in prokaryotischen Zellen frei im Cytoplasma als Kernäquivalent oder auch Nucleoid. Außerdem sind prokaryotische Zellen nicht kompartimentiert und enthalten keine Organellen wie Chloroplasten, (...).

Proteine


dreidimensionale Polymere, die aus zwanzig verschiedenen als Aminosäuren bezeichneten Monomeren aufgebaut sind.

Protein


 Proteins are made from individual amino acids whose type and order are determined by the genetic code in the cellular DNA. Common examples are structural proteins, such as the keratin found in hair, and functional proteins, such as the enzymes involved with controlling the chemical reactions with in a cell.

Protein Design


Unter Protein Design oder Protein Engineering versteht man die willkürliche Änderung einer Proteinsequenz mit gentechnischen Methoden. Man will damit :1. Hinweise auf den katalytischen Mechanismus eines Enzyms erhalten, 
:2. Bindungsstellen für Substrate oder Antigene gezielt modifizieren, oder :3. globale Eigenschaften eines Proteins (Temperatur-, pH-. Protease-Stabilität, Allergenität, Löslichkeit) verändern. Geht man dabei von einer bekannten Proteinstruktur aus und verändert gezielt einzelne Aminosäuren oder Sequenzabschnitte, so spricht man von rationalem Protein Design. Führt man dagegen einen zufallsgesteuerten Austausch von Aminosäuren durch und selektiert die „Treffer“ so spricht man von gerichteter Evolution.

Proteomics


Der Begriff „Proteom“ wurde 1995 vorgeschlagen und beschreibt die Gesamtheit der von einem Genom kodierten Proteine. Bei höheren Organismen geht man davon aus, dass von einem Gen bei der Transkription und aufgrund posttranslationaler Prozesse im Mittel 10 Proteine gebildet werden. Unter Proteomics versteht man Untersuchungen zur Expression, Funktion und Wechselwirkung von miteinander verschalteten Proteinen auf der Basis eines Genoms (functional genomics).

Proteomics


 The study of proteins, including how they are produced, how they interact, and what they do.

Repression

Abschalten der Expression eines Gens oder einer Gengruppe als Reaktion auf einen chemischen oder physikalischen Reiz.

Repressor


Protein, das die Expression von Operongenen unterdrückt.

Restriktionsenzym

Abbauenzym, das DNA erkennt und zerschneidet.

in silico


 (lateinisch für in Silizium) bezeichnet Vorgänge, die im Computer ablaufen. Der Begriff ist eine Anspielung auf die Tatsache, dass die meisten heutigen Computer-Chips auf der Basis des chemischen Elements Silizium hergestellt sind (siehe auch Wafer). Ein biochemischer Vorgang 
z. B., welcher in vivo im menschlichen Organismus abläuft, lässt sich möglicherweise mit Methoden und Algorithmen der Bioinformatik im Computer simulieren.

in situ


lat. am (Ursprungs-) Ort, am Platz;
in der Biologie eine Abkürzung für die In situ-Hybridisierung

SOS-System

Reparatursystem, das die Präzision der DNA-Replikation zugunsten des Überlebens der Zelle opfert.

Spleißosom

komplexe Struktur, die beim Spleißen (Verkleben) von RNA mit den Enden eines RNA-Introns in Wechselwirkung tritt; setzt ein Intron frei und verknüpft zwei benachbarte Extrons.

Stoffwechsel


oder der Metabolismus (griechisch metawolismós - der Stoffwechsel mit lateinischer Endung) steht für die Aufnahme, den Transport und die chemische Umwandlung von Stoffen in einem Organismus sowie die Abgabe von Stoffwechselendprodukten an die Umgebung.

Wesentlich für den Stoffwechsel sind Enzyme, die chemische Reaktionen katalysieren.

Stoffwechsel


 Obwohl sich die vielfältigen Formen des Lebens auf der Erde über einen langen Zeitraum von ca. 3 Mrd. Jahren entwickelt haben, beruht ihre Replikation, ihr Bau- und Energie-Stoffwechsel auf der Variation weniger Grundprinzipien. 
Die Zahl der beschriebenen Arten liegt bei 
>1 Million, der Enzyme aber nur bei einigen 1000 und selbst der Mensch kommt mit einigen 100 000 Protein-Varianten aus, von denen viele sogar eine hohe Sequenz- und Struktur-Homologie zu einfachen Eukaryoten wie saccharomyces cerevisiae aufweisen. Über ihren Stoffwechsel bilden alle Lebewesen auf der Erde ein labiles ökologisches Netzwerk, in dem es Spezialisten für fast jede erdenkliche Kombination von Umweltbedingungen gibt („ökologische Nischen“). Dabei unterscheidet man zwischen autotrophen (können Metabolite aus CO2 aufbauen) und heterotrophen Organismen (benötigen dafür eine organische C-Quelle). Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ist die Fähigkeit, in einer O2-Atmosphäre (aerob, Gegensatz: anaerob) zu überleben. Trotz vieler Gemeinsamkeiten gibt es dabei auch zahlreiche Varianten, wie schon ein Blick auf die verschiedenen Möglichkeiten des Glucose-Abbaus über den Fructose-1,6-biphosphat-Pentosephosphat und 2-Keto-3-desoxy-6-phosphogluconat-Weg zeigt. Der neuerdings mögliche Vergleich ganzer Genome eröffnet dabei atemberaubende neue Einsichten in die Details der Bau- und Funktionspläne von Organismen, die an unterschiedliche Umweltbedingungen angepasst sind. Auch das Verständnis für die komplexen Regelvorgänge innerhalb einer Zelle, eines vielzelligen Organismus oder seiner Wechselwirkung mit der Umwelt (Systemdynamik, Biokybernetik) nimmt stürmisch zu und lässt sich immer besser in silicio modellieren. Bei biotechnologischen Aufgabenstellungen will man Stoffwechsel-Vorgänge meist beeinflussen, sei es zur Ausbeutesteigerung eines Produkts oder zur Eliminierung einer für die Züchtung oder die Produktion störenden Eigenschaft. Die traditionellen Methoden, Kreuzung und Zuchtwahl bzw. Mutation und Selektion, werden dabei nachhaltig durch die Möglichkeiten der Gentechnik ergänzt.

Autotropher Stoffwechsel


Organismen dieses Typs reduzieren CO2 zu 
C-Quellen (primär Zucker) und benötigen dazu Energie. Phototrophe Organismen (Pflanzen, Algen, Cyanobaterien und andere) verwenden dazu verschiedene Formen von Photoreaktionszentren, die Lichtenergie in die chemische Energie von Adenosintriphosphat (ATP) umwandeln (ATP:„universelle biochemische Energiewährung“). Lithotrophe Organismen oxidieren zu diesem Zweck anorganische Stoffe (S, N, Metallionen). Autotrophe Organismen mit Bedeutung für die Biotechnologie sind beispielsweise nitrifizierende Bakterien und transgene Pflanzen. Bei der mikrobiellen Erzlaugung setzt man lithotrophe Bakterien ein.

Heterotropher anaerober Stoffwechsel

Organismen dieses Stoffwechseltyps setzt man zur Herstellung von Ethanol, Aceton, Butanol und Milchsäure ein. Sie gewinnen ATP aus dem Abbau von Zuckern. Die bei der anaeroben Schlammfaulung beteiligten Methanbildner gehören zu den Archaebakterien und verfügen über einige sehr spezielle Stoffwechselleistungen. Die Energie-Gewinnung durch anaeroben Stoffwechsel verläuft mit einer insgesamt geringen Energie-Ausbeute, was sich in schlechter Produkt-Ausbeute äußert.

Heterotropher aerober Stoffwechsel

Die meisten in der Biotechnologie verwendeten Organismen gehören zu diesem Stoffwechsel-Typ. Der Großteil der Energie wird über die Elektronentransport-Kette gewonnen, das sich aus dem Citronensäure-Cyclus speist. Mit 26-38 Mol ATP/Mol Glucose ist die Energieausbeute dieses Stoffwechseltyps hoch. Da aus dem Citronensäure-Cyclus auch zahlreiche Vorstufen für die Biosynthese abgezweigt werden (Oxalessigsäure, Bernsteinsäure usw.), findet man bei Hochleistungsstämmen für die Produktion von primären Stoffwechselprodukten wie Citronensäure oder Glutaminsäure Auffüllreaktionen (anaaplerotischer Stoffwechsel).

Sekundär-Stoffwechsel

Viele Organismen bilden Metabolite, deren Bedeutung noch unvollkommen verstanden wird. Oft handelt es sich dabei um industriell sehr wertvolle Verbindungen wie Antibiotika, Alkaloide, Farbstoffe und Aromen.

Axolotl tanks


are a technology in the fictional Dune universe created by Frank Herbert in the ‚Dune‘ series. Axolotl tanks are produced by the Bene Tleilaxu and serve as wombs in which a clone or ghola can be grown; in later books the axolotl tanks have been upgraded to be capable of producing the spice melange. During the final two Dune books, it is remarked that nobody has ever seen a Tleilaxu female - this is because females in Tleilaxu society are taken and turned into axolotl tanks by a process of genetic mutation. In essence, the women become huge, immobile wombs which are then used by the Tleilaxu Masters to grow whatever biological products are required, this being the reason why nobody has ever been able to duplicate the technology; however, in the final book Chapterhouse Dune the Tleilaxu Master Scytale is forced to reveal the means of creating the tanks to the Bene Gesserit Sisterhood.

Synthetische Theorie

Neodarwinismus.

Tierzucht

Seit der „neolithischen Revolution“ vor etwa 11000 Jahren domestiziert der Mensch Hund, Schaf und Ziege, seit etwa 8000 Jahren Rind und Schwein. Standen zu Beginn die Zähmung und Vermehrung dieser Haustiere im Vordergrund, so sind vorrangige Ziele der modernen Tierzucht die Erzeugung von tierischen Produkten (Fleisch, Milch, Eier, Wolle) mit verbesserter Qualität. In den letzten 30 Jahren hat sich die Leistung eines Fleischbullen mit >300 kg/a Fleisch und einer Milchkuh mit >10000 L Milch/a etwa verdoppelt. Kreuzung und Selektion erfolgen seit Urzeiten nach phänotypischen Merkmalen, deren Ausprägung genetisch oder umweltbedingt sein kann. Die klassischen Methoden werden dabei zunehmend durch bio- und gentechnologische Methoden ergänzt. Dazu gehören: 1. künstliche Besamung, 2. in-vitro-Fertilisation (IVF) und Embryotransfer, und 3. die Erstellung von Genkarten für Zuchtmerkmale. Transgene und geklonte Tiere werden bisher nur in der Forschung, nicht in der Tierzucht eingesetzt.

Transgene Tiere


Transgene Tiere, bei denen fremde Gene exprimiert (knock-in) oder eigene Gene ausgeschaltet wurden (knock-out) untersucht man für die Grundlagenforschung, als Tiermodelle für Erkrankungen des Menschen, für die Tierzucht und für die Produktion von Pharmaproteinen in der Milchdrüse (Gene Pharming). Das medizinisch wichtigste Tiermodell ist wegen der einfachen Zucht und der physiologischen nähe zum Menschen die Maus (Mus musculus, Adjetiv murin).

{…} Für die Übertragung fremden genetischen Materials (knock-in) benutzt man meist die Mikroinjektion von Genkonstrukten, die ein Promotor, das gewünschte Gen in Exon/Intron-Struktur und eine PolyA-Signalsequenz enthalten. Die Rekombination solcher Vektoren in das Tiergenom erfolgt oft an mehreren Stellen und in mehreren Kopien. Zum Ausschalten von Genen (knock-out) wird deshalb die Transfektion embryonaler Stammzellen in vitro bevorzugt. 
Mit replacement- oder Insertions-Vektoren, die homologe Sequenzen zum untersuchten Gen enthalten, aber nicht mehr für ein funktionsfähiges Genprodukt codieren, löst man durch crossing over oder durch indizierten Doppelstrangbruch die Rekombination aus und inaktiviert damit das natürlich Gen. Mitklonierte Selektionsmarker oder gene trap-Vektoren, bei denen ein Reporter-Gen in Exons oder regulatorische Sequenzen des endogenen Gens hineinkloniert wird, erleichtern die Erfolgskontrolle. Bei diesem gene targeting ist der Integrationsort eindeutig und es wird meist nur eine Genkopie integriert. Für das Ausschalten von Genen untersucht man auch antisense-Konstrukte. Nachkommen, die das neu rekombinierte oder das ausgeschaltete Gen in einigen ihrer Geschlechtszellen enthalten (Keimbahn-chimäre Tiere), benutzt man für die Weiterzucht und erhält so Founder-Tiere. {…}

Großes Aufsehen erregte 1982 ein Versuch, bei dem man durch Mikroinjektion des Gens für Wachstumshormon in den Vorkern eines besamten Mäuse-Eis eine transgene Supermaus erzeugte. {…} Anfang 2000 waren über 500 transgene Mäusestämme kommerziell erhältlich. Da die Genomanalyse verschiedener Mäusestämme mittlerweile abgeschlossen ist, erleichtert die Analyse transgener Mäuse auch die Funktionsanalyse des menschlichen Genoms.“

Bene Tleilax or Tleilaxu


The Bene Tleilax or Tleilaxu are an organisation in the fictional Dune universe created by Frank Herbert in the Dune series of novels. The Bene Tleilax are genetic manipulators, equivalent in power to a major house in the Imperium. Not organized along feudal lines (as most of rest of the Imperium is), the Tleilaxu are secretive and very little is known about them. They are chiefly known for their biological products such as artifical eyes, gholas, and face dancers. The use of „Bene“ before their name suggests that they are an order of some kind, like the Bene Gesserit; this becomes clear in the last two books of the series.

Transkription


Informationsübertragung von einer DNA- auf ein RNA-Molekül.

Translation


 Informationsübertragung von einem RNA-Molekül auf ein Polypeptid, verbunden mit einem Wechsel von der Nucleinsäure- zur Aminosäure-Sprache.

DNA Vektoren


Transportsysteme, mit denen fremde DNA in Zellen eingeschleust und in deren genetische Information eingebaut wird. Zum Beispiel Plasmide bei Bakterien.

Viren

Viren sind keine vollständigen Lebewesen. Sie sind keine Zellen, sondern Partikel und zur Replikation auf eine Wirtszelle angewiesen. Dabei sind sie zu einem hohen Grad wirtsspezifisch.

in vitro 
(lateinisch für im Glas)

bezeichnet Vorgänge, 
die außerhalb des lebenden Organismus stattfinden, im Gegensatz zu solchen, die in vivo ablaufen. Wenn Vorgänge dagegen in der Bioinformatik im Computer berechnet werden, bezeichnet man sie als in silico.

in vitro


in Reagenzglas durchgeführter Versuch usw.

in vivo (lateinisch für im Lebenden)

bezeichnet Prozesse, die im lebenden Organismus ablaufen. Im Gegensatz dazu werden Abläufe, die im Reagenzglas oder ganz allgemein außerhalb lebender Organismen stattfinden, mit dem Begriff in vitro belegt. Man sagt also z.B., dass eine (bio-) chemische Reaktion entweder in vivo oder in vitro abläuft. Neuerdings hat sich für die Simulation von z.B. biochemischen Abläufen im Computer der Begriff in silico eingebürgert.

Omne vivum e vivo


„Alles Leben stammt von Leben ab“, Louis Pasteur Lebewesen können unter den derzeit herrschenden Bedingungen auf der Erde nicht spontan aus unbelebter Materie entstehen. 
Die spontane Lebensentstehung auf der Erde unter den Bedingungen der Uratmosphäre wird damit allerdings nicht ausgeschlossen.

Zygote

Eine Zygote ist eine diploide Zelle, die durch Verschmelzung zweier haploider Geschlechtszellen (Gameten) - meist einer Eizelle (weiblich) und einer Samenzelle (männlich) - entsteht. Dabei verschmelzen auch die Zellkerne der beiden Geschlechtszellen (Befruchtung). Bei Mehrzellern entstehen aus der Zygote durch vielfache Mitosen (Kernteilungen) mehr- bis vielzellige Organismen.

Quellen

Literatur

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