Zum besseren Verständnis der biotechnologischen Arbeitsweisen werden in diesem Kapitel genetische und biochemische Grundlagen von der DNA bis hin zum funktionsfähigen Protein kurz erklärt.

Lebende Organismen charakterisieren sich unter anderem dadurch, dass sie ihr Genom reproduzieren können und einen eigenen Energiestoffwechsel haben. In lebenden Organismen sind die funktionellen Eigenschaften von Zellen sowie Merkmale ihrer Vermehrung als genetische Information in der DNA gespeichert (Clark & Pazdernik, 2009, S. 32). Die physikalischen Positionen von Genen auf der DNA werden als Loci bezeichnet. Um die Reproduktion und den Energiestoffwechsel gewährleisten zu können, muss ein Organismus auf Grundlage der in seiner DNA kodierten Information Proteine synthetisieren können (Clark & Pazdernik, 2009, S. 32). Neben strukturgebenden Eigenschaften (z. B. Aufbau von Zellen) regulieren Proteine eine Vielzahl zellulärer Prozesse und sind als Biokatalysatoren an Reaktionen des Energiestoffwechsels beteiligt. Membranproteine stellen durch Ausbildung von Transmembrankanälen die Kommunikation und den Austausch von Stoffwechselprodukten zwischen den Zellen sicher (Clark & Pazdernik, 2009, S. 32). Proteine zählen daher zu den wichtigsten Bestandteilen aller lebenden Organismen.

Für alle lebenden Organismen gilt im Sinne des zentralen Dogmas der Molekularbiologie, dass der Informationsfluss nur in eine Richtung erfolgt. Zunächst wird die Erbinformation der DNA in Messenger-RNA (mRNA) transkribiert, bevor diese in die Aminosäuresequenz eines Proteins übersetzt werden kann (Translation). Die Primärstruktur eines Proteins bildet damit das Bindeglied zwischen der genetischen Information der DNA und der biologischen Funktion des jeweiligen Proteins (Berg & Tymoczko, 2018, S. 44). Durch Ausbildung von Sekundär- und Tertiärstruktur enthält jedes Protein seine eigene charakteristische räumliche Struktur. Wesentliche Strukturmerkmale zu DNA, RNA und Proteinen sind in einschlägiger Grundlagenliteratur zu finden, z. B. in Stryer Biochemie (Berg & Tymoczko, 2018).

Allerdings ermöglichen moderne biotechnologische Methoden, jeden Schritt dieser „Einbahnstraße“ in vitro umzukehren. Dadurch ergeben sich eine Vielzahl neuer Informationsquellen, die für die Weiterentwicklung der Molekularbiologie und Bioinformatik ausschlaggebend waren (◘ Abb. 2.1). Beispielsweise können mit Hilfe von viralen Enzymen RNA-Sequenzen mittels Reverser Transkription (RT) in komplementäre DNA (cDNA, complementary) umgewandelt werden.

Abb. 2.1
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Das Zentrale Dogma der Molekularbiologie. In lebenden Organismen sind die funktionellen Eigenschaften von Zellen sowie Merkmale ihrer Vermehrung als genetische Information in der DNA gespeichert (Clark & Pazdernik, 2009, S. 32). Um Proteine synthetisieren zu können, erfolgt zunächst die Transkription der DNA in mRNA, welche anschließend in ein Protein translatiert wird. In vitro sind zusätzliche Übertragungsformen möglich, die das Zentrale Dogma umkehren können, z. B. erfolgt in der Reversen Transkription die Gewinnung von cDNA ausgehend von RNA. AS = Aminosäuresequenz, P = Protein. Ferner können von der Aminosäuresequenz durch computergestütze Methoden (Annotation) kodierende DNA-Sequenzen (CDS) vorhergesagt werden

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2. Zusammenfassung

Dieses Kapitel gibt Ihnen einen kurzen Einblick in die genetischen und biochemischen Grundlagen von der DNA bis zum funktionsfähigen Protein, um ein besseres Verständnis für die fachlichen Grundlagen der biotechnologischen Arbeitsweisen sicherzustellen.