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Inwieweit ist es möglich zu verstehen, ob ein Bakterium ein Protein produzieren kann? (nur in silico!)

Inwieweit ist es möglich zu verstehen, ob ein Bakterium ein Protein produzieren kann? (nur in silico!)


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Ich muss eine Frage zu einer Teilaufgabe meiner Diplomarbeit beantworten: Können die Bakterien x produzieren das Protein Ja?

Ich habe natürlich bei Google und BLAST gesucht. Es gibt keine Daten, die belegen, dass dieses spezifische Bakterium diese Proteinsequenz jemals produziert hat.

Mein Betreuer der Abschlussarbeit möchte jedoch, dass ich tiefer einsteige[1], aber ich weiß nicht wie es geht in silico um eine richtige Antwort zu geben.

Was ich mit den vorliegenden Daten vorhabe, ist, eine DB auf localhost mit allen Versionen des Proteins zu erstellen, die in BLAST (Ich verwende Ruby, bin mir noch nicht sicher, wie ich all diese Daten im FASTA-Format abrufen kann, aber ich werde es herausfinden) und alle in BLAST aufgelisteten Bakterienstämme und führen einen Fuzzy-String-Matching durch.

Das ist wie Brute-Force. Nachdem ich eine mögliche Punktzahl habe, kann ich die nächstgelegene Punktzahl von allen erhalten, sie ein wenig studieren und dann meine Antwort abgeben.

Gibt es eine andere Möglichkeit, dieses Problem anzugehen, um eine angemessene, zumindest teilweise ausgefeilte Antwort zu liefern?

HINWEIS: Ich habe keinen Zugriff auf irgendein Labor, keines Experiment muss in silico durchgeführt werden.

[1] Mein Vorgesetzter glaubt, dass, WENN dieses Bakterium dieses Protein bräuchte, es in der Lage wäre, es nach Belieben zu produzieren, ohne Mutationen zu erleiden. Und da sein Engagement und sein Wissen über die Molekularbiologie beängstigend sind, ist es schwer zu glauben, dass er falsch liegt.


Ihr Problem wird schließlich darauf hinauslaufen, Ihre Sequenz in den Blast-Datenbanken zu durchsuchen. Die Durchführung von Blast scheint wahrscheinlich der beste Weg zu sein, um herauszufinden, ob Ihre Bakterien dieses spezifische Protein exprimiert haben oder nicht. Wenn Sie es mit Blast nicht in der nächsten Spezies finden konnten, versuchen Sie es mit PSI-BLAST, das Ihnen entfernte Homologe zurückgibt, anhand derer Sie sehen können, ob Ihr Protein in der anderen Bakterienspezies exprimiert wird.


Darmmikroben

Darm Mikrobiota, Darm Flora, oder Mikrobiom sind die Mikroorganismen einschließlich Bakterien, Archaeen und Pilzen, die im Verdauungstrakt des Menschen [1] und anderer Tiere einschließlich Insekten leben. Das gastrointestinale Metagenom ist das Aggregat aller Genome der Darmmikrobiota. [2] [3] Der Darm ist der Hauptstandort der menschlichen Mikrobiota. [4]


Abstrakt

Synthetische Biologie ist ein Forschungsgebiet, das den forschenden Charakter der Biologie mit dem konstruktiven Charakter der Ingenieurwissenschaften verbindet. Die Bemühungen in der synthetischen Biologie haben sich weitgehend auf die Entwicklung und Perfektionierung von genetischen Geräten und kleinen Modulen konzentriert, die aus diesen Geräten hergestellt werden. Um Zellen jedoch als echte „programmierbare“ Einheiten zu betrachten, ist es jetzt unerlässlich, effektive Strategien für den Zusammenbau von Geräten und Modulen zu komplizierten, anpassbaren Systemen im größeren Maßstab zu entwickeln. Die Fähigkeit, solche Systeme zu schaffen, wird zu innovativen Ansätzen für ein breites Anwendungsspektrum führen, wie z. B. Bioremediation, nachhaltige Energieerzeugung und biomedizinische Therapien.


Synthetische Biologie und der Aufstieg der 'Spinnenziegen'

Freckles sieht aus wie ein ganz normales Kind. Sie hat strahlende Augen, ein gesundes weißes Fell und spielt glücklich mit Pudding, Sweetie und ihren fünf anderen Geschwistern, genau wie man es sich junge Ziegen vorstellen kann. Bis ich sie abwehre, kaut sie sehr gerne an meiner Hose herum. Für den zufälligen Beobachter und für Ziegenhirten zeigt sie keine Anzeichen dafür, dass sie keine ganz normale Hofziege ist.

Aber Freckles ist alles andere als normal. Sie ist eine außergewöhnliche Schöpfung, ein Tier, das vor dem 21. Jahrhundert zu keinem Zeitpunkt in der Geschichte existieren konnte. Sie ist ganz Ziege, aber sie hat in jeder ihrer Zellen etwas Besonderes: Sommersprossen ist auch ein Teil der Spinne.

Das ist es, was wir jetzt mit Genetik tun können: extreme Kreuzungen. Wenn es in der Biologie des 20. Sommersprossen ist das Ergebnis der Gentechnik. Aber unsere Beherrschung der DNA-Manipulation hat sich zu einer noch extremeren Form des Bastelns entwickelt, die allgemein als "synthetische Biologie" bezeichnet wird. Ich habe dieses aufstrebende Feld verfolgt, seit ich vor 10 Jahren meine Doktorarbeit in Genetik abgeschlossen habe, aber im letzten Jahr intensiv als Moderator für den Flaggschiff-Wissenschaftszweig der BBC, Horizont.

Freckles ist die Kreation von Randy Lewis, einem Professor für Genetik an der Utah State University. Die Farm ist ein Außenposten der Universität, wo sie moderne Landwirtschaftstechniken erforschen, Tierhaltung lehren und was man unweigerlich als "Ziegenspinne" bezeichnet. Randy hat wie viele andere Wissenschaftler hier in Logan, Utah, die Landwirtschaft im Blut. Obwohl eine Kreatur, die teils Ziege, teils Spinne ist, wie eine Science-Fiction-Idee erscheinen mag, ist es für Randy einfach fortschrittliche Landwirtschaft: Tiere züchten, um Dinge zu produzieren, die wir wollen.

„Wir interessieren uns für Dragline-Seide – die Seide, mit der sich Spinnen fangen, wenn sie fallen“, sagt er mir in seinem Mittelwesten-Lilt. "Es ist stärker als Kevlar. Es hat wirklich einige erstaunliche Eigenschaften für jede Art von Faser."

In gewisser Weise sind Spinnenziegen eine Erweiterung der Landwirtschaft, die wir seit 10.000 Jahren betreiben. Alle Nutztiere und Acker wurden sorgfältig gezüchtet, jede Kreuzung ist ein eigenes genetisches Experiment. "Das Problem ist, man kann keine Spinnen züchten", sagt Randy mit einem fast komischen, ausdruckslosen Gesicht. "Sie sind sehr kannibalisch." Er und sein Team nahmen das Gen, das für die Dragline-Seide kodiert, von einer Orb-Weaver-Spinne und platzierten es in die DNA, die die Milchproduktion in den Eutern anregt. Dieser genetische Schaltkreis wurde dann in ein Ei eingefügt und einer Mutterziege implantiert. Wenn Freckles jetzt Laktat hat, ist ihre Milch voller Spinnenseidenprotein.

Wir melken Sommersprossen zusammen und verarbeiten sie im Labor, um nur die Seidenproteine ​​​​zu hinterlassen. Mit einem Glasstab heben wir vorsichtig eine einzelne Faser aus einer ganz offensichtlich Spinnenseide heraus und spulen sie auf eine Rolle. Es hat erstaunliche und wünschenswerte Eigenschaften, weshalb Randys scheinbar bizarre Forschung so solide finanziert wird. "Im medizinischen Bereich wissen wir bereits, dass wir Spinnenseide herstellen können, die gut genug ist, um bei der Bandreparatur verwendet zu werden", sagt er mir. "Wir wissen bereits, dass wir es als Gummiband stark genug machen können. Wir haben einige Studien durchgeführt, die zeigen, dass Sie es in den Körper einbringen können und Sie keine Entzündungen bekommen und krank werden. Wir hoffen, dass wir in ein paar Jahren Wir werden testen, um genau die besten Designs und die besten Materialien zu sehen, die wir daraus herstellen können."

Die Anweisungen für alle Lebewesen, die jemals gelebt haben (soweit wir wissen), sind in den DNA-Code geschrieben, der im Herzen lebender Zellen versteckt ist. Angesichts der verwirrenden Vielfalt des Lebens auf der Erde ist dieses System unglaublich konservativ. Alles Leben basiert auf einem Alphabet von nur vier Buchstaben, die in der richtigen Reihenfolge Proteine ​​​​buchstabieren. Und alles Leben besteht aus oder durch Proteine. Das bedeutet also, dass der Code zur Herstellung von Seide in einer Spinne in genau der gleichen Sprache geschrieben ist wie der Code zur Herstellung von Ziegenmilch.

Seit dem Aufkommen der Gentechnik sind wir in der Lage, die Universalität dieses Codes zu nutzen und DNA-Stücke einer beliebigen Spezies in jede andere einzufügen. Die Identifizierung der genetischen Grundlage aller Krebsarten und Erbkrankheiten kam von dieser Technologie: Menschen- oder Mausgene wurden in Bakterien gespleißt, damit wir diese beschädigten Code-Stücke untersuchen und damit experimentieren konnten. Jetzt ist diese Bearbeitungstechnologie so weit fortgeschritten, dass alle Bits des DNA-Codes zwischen allen Arten effektiv austauschbar sind. Tatsächlich sind Sommersprossen und die anderen Spinnenziegen nicht einmal auf dem neuesten Stand. Das lose definierte Gebiet der synthetischen Biologie umfasst mittlerweile noch extremere Formen genetischer Basteleien.

Die bislang auffälligsten Schlagzeilen kamen, als der amerikanische Biologe Craig Venter 2010 verkündete, er habe die erste synthetische Lebensform der Welt erschaffen. Synthia, auch bekannt Mykoplasmen-Mykoide JCVI-syn 1.0 war eine Zelle, deren genetischer Code, kopiert und modifiziert von einem bestehenden Bakterium, nicht von ihrem Elternteil, sondern von einem Computer zusammengesetzt worden war. Dieser Code, einschließlich literarischer Zitate und Website-Adressen, wurde dann in das ausgeweidete Chassis einer anderen ähnlichen Zelle geklemmt und das Ganze hochgefahren. Es lebte und es hatte noch nie gelebt.

Aber zu sagen, er habe "das Leben geschaffen", ist eine Behauptung, die Venter – ein Meister der PR und ein versierter Wissenschaftler – anheizen und die Presse aufsaugen ließ. Genauer gesagt, er hat das Leben neu gestartet, sein Ziel war es, eine lebende Schablone zu schaffen, auf der neue genetische Funktionen aufgebaut werden könnten. Dennoch bleibt es eine erstaunliche technische Errungenschaft, die unsere Dominanz über die DNA zeigt.

Die Wissenschaftler, die in der synthetischen Biologie arbeiten, haben oft eine oberflächliche, reduktionistische Sicht auf ihr Tun. Ron Weiss, Professor am Massachusetts Institute of Technology, ist ein Begründer dieses Gebiets, ein Purist, der anfing, beim Programmieren von Computern mit dem Code des Lebens herumzufummeln. „Ich beschloss, das zu nehmen, was wir in der Informatik verstehen, und es auf die Programmierbiologie anzuwenden. Für mich ist das wirklich die Essenz der synthetischen Biologie.“

Das mag oberflächlich klingen. Lebensformen sind auf jeder Ebene komplex. Wenn wir aus den Milliarden, die wir für das Lesen unseres eigenen genetischen Codes ausgegeben haben, etwas Konkretes gelernt haben, dann, dass die Biologie chaotisch ist. Wissenschaftler sind oft verwirrt von verblüffenden "Rauschen" in den Molekülen, aus denen lebende Organismen bestehen, unvorhersehbare Variationen inmitten einer unergründlichen Raffinesse. Weiss und seine Mitstreiter von der BioBricks Foundation wollen den ganzen Lärm in der Biologie aus dem Weg räumen und in reine Technik verwandeln, bei der Organismen wie Maschinen behandelt werden können und ihr Innenleben Bestandteile sind.

Gene haben sich über Millionen von Jahren entwickelt, um ihren Wirten das Überleben zu ermöglichen, indem sie sehr spezifische Funktionen haben. Durch die Standardisierung dieser genetischen Elemente in einem Online-Register kann jeder sie in beliebiger Reihenfolge zusammensetzen, um biologische Schaltkreise mit einem ganz bestimmten Zweck zu erstellen. Selbst die verwendete Sprache ist eher der Stoff der Elektrotechnik als der traditionellen Biologie.

"Stellen Sie sich ein Programm vor, ein Stück DNA, das in eine Zelle eindringt und sagt: 'Wenn Krebs, dann stelle ein Protein her, das die Krebszelle tötet, wenn nicht, geh einfach weg.' Das ist eine Art Programm, das wir jetzt schreiben und implementieren und in lebenden Zellen testen können." Was Ron Weiss beschreibt, ist eine Studie, die sein Team im vergangenen Herbst veröffentlicht hat und die zeigt, dass sie durch die Verwendung der Logik von Computerschaltkreisen in Kombination mit BioBricks-Teilen eine Krebs-Attentäterzelle gebaut haben. Die Logik des genetischen Schaltkreises unterscheidet zunächst anhand von fünf Kriterien eine Krebszelle von einer gesunden Zelle. Es zerstört dann die Tumorzelle, wenn sie diese Bedingungen erfüllt. Dieses Scharfschützen-Targeting ist das Gegenteil des Donnerbüchsen-Ansatzes der Chemotherapie, der mit rücksichtsloser Hingabe sowohl Tumore als auch gesunde Zellen zerstören kann.

In den letzten Jahren hat sich BioBricks zu einem globalen Phänomen entwickelt. Das Register der biologischen Standardteile enthält derzeit Tausende von DNA-Bits, die alle frei verfügbar sind, und diese Demokratisierung der Wissenschaft ist in das Ethos von BioBricks integriert. Jedes Jahr treten Bachelor-Studenten in einem internationalen Wettbewerb an, um sich ein Problem auszudenken und seine Lösung zu entwerfen und zu bauen, wobei nur die in der Registrierung verfügbaren Teile verwendet werden. Die Europameister von 2011 vom Imperial College London entwarfen ein System zur Verhinderung der Bodenerosion und der Umwandlung von Land in Wüste. In diesen Teams gibt es eine Remix-Kultur, die ernst genommen wird (der Hauptpreis ist ein silberner Legostein) und sie haben unterschiedliche Hintergründe – Mathematik, Ingenieurwesen, sogar Astrophysik – und sind frei von den eng definierten wissenschaftlichen Disziplinen, in denen ich meine DNA-Forschung betrieben habe.

Der einfache Zugang zu dieser hochmodernen Technologie ist atemberaubend. Letzten Sommer hing ich in einem Vorort von Sunnyvale, Kalifornien, bei einem Treffen von Hobbyisten der synthetischen Biologie am Wochenende ab, die sich selbst als "Bio-Hacker" mit dem hervorragenden Namen BioCurious bezeichneten. Dort lernten Gymnasiasten Biologie, indem sie fluoreszierende Proteine ​​aus Tiefseequallen in Bakterien einführten, um sie im Dunkeln leuchten zu lassen. 2009 erhielten drei Wissenschaftler für diese Arbeit den Nobelpreis. Schon jetzt ist es buchstäblich ein Kinderspiel.

Wie bei jeder großen Revolution gibt es diejenigen, die einen Mord begehen, nachdem die Türen aufgestoßen wurden. Am anderen Ende der Skala der Open-Source- und Open-Access-Utopie von BioBricks entstehen kommerzielle Unternehmen der synthetischen Biologie. Die Technologie mag neu sein, aber die Felder sind es nicht. Da die synthetische Biologie erst wenige Jahre alt ist, liegen die intensivsten Bereiche der kommerzialisierten synthetischen Biologie in der Kraftstoff- und Arzneimittelherstellung. Kalifornische Biotech-Unternehmen wie LS9 und Amyris haben Millionen von Dollar in die Entwicklung synthetischer Organismen investiert, die Diesel produzieren. In seinen futuristischen Labors in Emeryville hat Amyris Bierhefe so modifiziert, dass statt Zucker zu Alkohol fermentiert wird, Diesel aus jeder Zelle sickert. Dieser synthetische Biodiesel wird in Brasilien bereits zum Antrieb von Lkw eingesetzt. Das Ziel von Amyris besteht darin, von Pilotanlagen bis zur Produktion im industriellen Maßstab zu skalieren. Als ich Chief Science Officer Jack Newman frage, ob ihr Biosprit das Erdöl ersetzen soll, ist er misstrauisch zurückhaltend: "Ich freue mich über eine Milliarde Liter."

Eine bedeutende Befürchtung hat weniger mit der Wissenschaft zu tun als mit den sich verschiebenden wirtschaftlichen Machtverhältnissen. Technologiewächter und Kampagnengruppen wie Friends of the Earth und ETC Group forderten zunächst unrealistisch ein vollständiges Verbot der synthetischen Biologie, obwohl eine praktikable Definition fehlte. ETC hat seine Haltung geändert, um sich auf die Industrialisierung dieser Prozesse zu konzentrieren, insbesondere auf die Tatsache, dass synthetische Biodiesel-Organismen Nahrung benötigen.

Jim Thomas, der für ETC arbeitet, ist leidenschaftlich der Meinung, dass sich die Kontrolle über die Kraftstoffproduktion einfach von einer Gruppe von Konzerngiganten auf eine andere verlagert. „Große Unternehmen kaufen Landstücke auf, um Zuckerrohr anzubauen, und füttern es dann in Bottiche mit synthetischen Mikroben, um Kraftstoffe herzustellen“, erzählt er mir. "Synthetische Organismen sollten zu diesem Zeitpunkt nicht in der Umwelt vorhanden sein, sie sollten nicht in der Industrie sein. Das ist unverantwortlich und unangemessen."

Die Kultur der Biologie verändert sich schnell und Wissenschaftler und die Öffentlichkeit müssen Schritt halten. Die Synthetische Biologie hat das Potenzial, eine neue industrielle Revolution hervorzurufen. Es ist vielleicht die bestimmende Technologie für das 21. Jahrhundert, und es geschieht jetzt. Ohne einen informierten öffentlichen Diskurs kann die Angst vor dieser beispiellosen und manchmal beunruhigenden Technologie das weltverändernde Versprechen, das sie in sich birgt, behindern.

"Vorhersagen sind sehr schwierig, vor allem in Bezug auf die Zukunft", wie der große Physiker Niels Bohr einmal sagte. Aber Science-Fiction kam nie annähernd an die Aussichten heran, die mit dem Aufkommen der synthetischen Biologie einhergingen. Es ist jetzt leicht, sich eine Welt vorzustellen, in der Ihre gerissenen Bänder durch solche aus Spinnenseide ersetzt werden, die von Ziegen produziert wird, in der die Medizin von lebenden, programmierbaren Maschinen serviert wird, die nur die Zellen suchen und zerstören, die die Krankheit verursachen, und in der Sie herumfahren werden Auto mit Dieselkraftstoff aus Bierhefe. Willkommen in der Zukunft.


Mythen der Impfstoffherstellung

In den letzten Tagen ist die Frage aufgekommen, warum nicht mehr Pharmaunternehmen für die Impfstoffproduktion engagiert wurden. Es ist hauptsächlich auf diesen Tweet zurückzuführen:

Das Problem ist, soweit ich das beurteilen kann, einfach falsch. Es gibt nicht “Dutzende anderer Pharmaunternehmen”, die “bereit stehen”, diese mRNA-Impfstoffe herzustellen. Für mich verrät dies einen Mangel an Wissen darüber, was diese Impfstoffe sind und wie sie hergestellt werden. Obwohl ich kein Pharmahersteller bin, bin ich im Allgemeinen Pharmaforscher. Daher würde ich gerne diese Lücke schließen, und hier ist es nicht möglich, plötzlich Dutzende von Unternehmen dazu zu bringen, die Impfstoffe Pfizer/BioNTech und Moderna auf den Markt zu bringen.

Das erste, was Sie verstehen müssen, ist, dass dies natürlich keine traditionellen Impfstoffe sind. Deshalb kamen sie so schnell. An mRNA als Impfstofftechnologie wird seit etwa zwanzig bis fünfundzwanzig Jahren gearbeitet, soweit ich das beurteilen kann, und (wie ich nie müde werde zu erwähnen) sind wir sehr glücklich, dass es (und vor kurzem) mehrere geklappt hat seiner noch offenen Probleme kurz vor dem Eintreffen dieser Pandemie. Vor fünf Jahren hätten wir einfach nicht innerhalb eines Jahres von der Sequenz zum Impfstoff gelangen können. Und ich meine, dass “wir” sowohl “wir die Biopharmaindustrie” als auch “wir die menschliche Rasse” bedeuten.

Lassen Sie mich an dieser Stelle kurz auf eine noch weniger fundierte Einstellung eingehen, die ebenfalls im Umlauf ist. Ich habe eine Reihe von Leuten gesehen, die so etwas sagten wie “Wir hatten den Impfstoff im Februar! Es hat nur bis Ende des Jahres gedauert, bis es wegen der FDA eingeführt wurde! ” Die Hauptsache, die ich zu dieser Idee sagen werde, ist, dass niemand, der tatsächlich an Impfstoffen arbeitet, in irgendeiner Funktion Zeit dafür hat Stellungnahme. Nicht alle Impfstoffideen funktionieren – wir sehen das bereits beim aktuellen Coronavirus, und wenn Sie mit einigen Leuten darüber sprechen möchten, dann schlage ich vor, dass Sie GlaxoSmithKline und Sanofi anrufen und sie fragen, was mit ihrer Initiale passiert ist Kandidat, und wenn Sie schon dabei sind, rufen Sie Merck an und fragen Sie, was mit ihren beiden passiert ist. Beachten Sie, dass ich gerade drei der größten und erfahrensten Pharmaunternehmen der Welt genannt habe, die alle zu kurz gekommen sind. Also nein, wir hatten im Februar keinen “Impfstoff”.

Einer der anderen Gründe, warum wir es damals nicht hatten, ist das ganze Problem, herauszufinden, wie man das Zeug herstellt, und das bringt uns zurück zur heutigen Diskussion. Wie werden die Impfstoffe Moderna und Pfizer/BioNTech hergestellt? Und was hindert “Dutzende anderer Pharmaunternehmen” daran, dasselbe zu tun? Lassen Sie uns auf diese Details eingehen und halten Sie noch einmal kurz inne, um sich vorzustellen, James Hamblin oben zu bitten, tatsächlich mit der Benennung von “Dutzenden” von Pharmaunternehmen zu beginnen. Hat jemand ein gutes Über/Unter, wie viele Namen abgeklappert werden würden?

OK, schauen wir uns die tatsächlichen Lieferketten an. Das informativste Stück, das ich dazu gesehen habe, stammt von Jonas Neubert – Ich habe es schon einmal empfohlen, und jetzt ist es absolut an der Zeit, es wieder zu empfehlen. Diesen ausführlichen Artikel muss ich auch noch erwähnen bei der Washington Post, die sich auf den Pfizer/BioNTech-Impfstoff konzentriert, und dieser bei KHN über Produktionsengpässe im Allgemeinen. Sie sollten auch diesen Twitter-Thread von Rajeev Venkayya lesen, der auch weiß, wovon er spricht, wenn es um die Herstellung von Impfstoffen geht. All dies wird Details behandeln, die ich heute nicht einmal erreichen werde!

Es liegt nicht in meiner Natur, da ich selbst eine junge Person in der Arzneimittelforschung bin, aber ich werde alle F&E-Fragen hinter den verschiedenen Komponenten komplett umgehen und dies einfach als einen Herstellungsprozess behandeln, der vom Himmel gefallen ist in seiner endgültigen Form. Um eine große Menge an Hintergrundinformationen und Details in die vereinfachten Schritte zu destillieren, haben wir:

OK, Sie haben jetzt die mRNA-Coronavirus-Impfstoffe hergestellt und in die Welt verschickt, also lehnen Sie sich zurück und öffnen Sie einen kalten. Sie werden dieses Stadium jedoch nicht ohne einige bedeutende Herausforderungen erreichen. Lassen Sie uns diese Schritt für Schritt durchgehen. Die DNA-Produktion in Step One ist nicht schlecht. Wie im Artikel von Neubert ausgeführt wird, macht Pfizer dies in Saint Louis selbst, und Moderna lagert dies an die große und leistungsfähige Schweizer Firma Lonza (Update: Ein Großteil der Lonza-Arbeiten wird in Portsmouth, NH . durchgeführt). Die Produktion von DNA-Plasmiden im industriellen Maßstab ist ziemlich gut durchdacht (und denken Sie daran, dass “industrieller Maßstab” für DNA “ein paar Gramm” bedeutet. Es ist nicht etwas, was Sie in Ihrer Garage tun können – wie Bei jedem Schritt in diesem Prozess gibt es eine Menge Reinigung und Qualitätskontrolle, um sicherzustellen, dass Sie es herstellen Exakt was du denkst, dass du es machst und dass es aussieht? Exakt innerhalb der gleichen Spezifikationen wie das letzte Mal, als Sie es gemacht haben. Aber genau darin sind die Leute in der Biopharma-Produktion gut, und es gibt viele Leute, die das können. Davon abgesehen sind viele von ihnen damit beschäftigt, dies nur für die Impfstoffe zu tun, aber wenn wir mehr von dieser DNA bräuchten, könnten wir sicher mehr produzieren.

Aber wir tun es nicht. Das ist nicht der geschwindigkeitsbegrenzende Schritt. Ebenso wenig wie Schritt zwei, die Transkription in mRNA. Pfizer und BioNTech tun dies in Andover, MA und in BioNTech-Anlagen in Deutschland. Sie haben eine Produktion in Idar-Oberstein (eine Stadt, die ich 1988 während meiner Postdoc-Zeit an einem Wochenende im kalten Regen besucht habe!) Der Moderna-mRNA-Schritt wird auch in der Schweiz von Lonza abgewickelt. Dies ist als industrieller Prozess sicherlich nicht so üblich, da die Menschen RNA-Spezies erst seit relativ kurzer Zeit als eigentliche Arzneimittelsubstanzen behandeln, die es wert sind, in großem Maßstab hergestellt zu werden. Wenn ich jemand anderen bitten müsste, mir weitere Tüten mit maßgeschneiderter mRNA herzustellen, könnte ich mich an Alnylam wenden (die eine Produktionsstätte in Norton, MA haben, obwohl sie diese natürlich für ihre eigenen Medikamente verwenden!), aber dies würde die Zahl der Impfstofffläschchen, die am anderen Ende des Prozesses herauskommen, nicht erhöhen. Die RNA-Produktion ist sicherlich eher geschwindigkeitsbegrenzend als Schritt Eins, aber es ist nichts im Vergleich zu den wirklichen Engpässen, die kommen werden.

Nun zu den Lipiden in Schritt drei. Dies muss nicht nacheinander erfolgen wie der DNA/RNA-Schritt, natürlich – die für die Formulierung benötigten Lipide sind ein ganz anderer Herstellungsprozess. Wie der Neubert-Artikel Ihnen zeigt, beziehen Pfizer und BioNTech alles von einer britischen Firma namens Croda, wobei die Produktion wahrscheinlich in der Stadt Alabaster, Alabama, läuft, die (im Gegensatz zu Idar-Oberstein) ich sicher bin, dass ich sie habe nicht hat besucht. Nun braucht jeder dieser Impfstoffe einige seltsame Lipide mit positiv geladenen Gruppen, die ein entscheidender Teil der Formulierung sind. Diese sind sicherlich nicht trivial im Maßstab herzustellen, aber sie sind immer noch kleine Moleküle mit relativ einfachen Strukturen. Ich bin mir sicher, dass sich Fässer dieser Dinger aus Mangel an Nachfrage nicht in der Fabrik stapeln, aber ich glaube auch nicht, dass sie das limitierende Reagenz in der Herstellung sind. Wenn es sein müsste, könnten Sie sicher einige andere Hersteller auf den neuesten Stand bringen.

Ich werde zu Schritt fünf und Schritt sechs überspringen. Diese laufen sicherlich gut, aber sie sind eher traditionelle Funktionen eines Pharmaunternehmens (oder eines anderen Herstellerunternehmens). Es ist wahr, dass das Fill-and-Finish von pharmazeutischen Fläschchen in dieser Größenordnung Sie auf weniger Spieler einschränkt, als sie beispielsweise beim Einmachen von Thunfisch involviert wären. Aber diese Leute sind bereits involviert. Pfizer tut dies in Kalamazoo und in Puurs, Belgien, und BioNTech tut dies an mehreren Standorten in Deutschland und der Schweiz, sowohl in eigenen Werken als auch über mindestens zwei Vertragsfirmen. Moderna lagert dies unterdessen an einige der großen Player in den USA und Europa aus: Catalent, Rovi und Recipharm. Jeder in diesem Teil des Fertigungsgeschäfts weiß seit Monaten, dass ein großer Impfstoff-Push kommt, und hat die Fläschchenherstellung hochgefahren, alle verfügbaren Produktionslinien auf den neuesten Stand gebracht und überall Verträge mit jedem unterzeichnet, der welche hat Art fortgeschrittener Impfbemühungen.

Ah, aber jetzt kommen wir zurück zu Schritt vier. Wie Neubert sagt: “Willkommen am Flaschenhals!” Aus einer Mischung aus mRNA und einer Reihe von Lipiden eine wohldefinierte Mischung fester Nanopartikel mit konsistenter mRNA-Verkapselung zu machen, nun, das ist der schwierige Teil. Moderna scheint diesen Schritt im eigenen Haus zu tun, obwohl Details rar sind, und Pfizer/BioNTech scheint dies in Kalamazoo, MI und wahrscheinlich auch in Europa zu tun. Jeder wird mit ziemlicher Sicherheit eine Art speziell gebautes Mikrofluidik-Gerät verwenden müssen, um dies zu erreichen – Ich wäre äußerst überrascht, wenn ich feststellen würde, dass dies ohne eine solche Technologie möglich wäre. Mikrofluidik (seit einigen Jahren ein heißes Forschungsgebiet) beinhaltet Flüssigkeitsströmung durch sehr kleine Kanäle, was ein präzises Mischen und Timing in sehr kleinem Maßstab ermöglicht. Flüssigkeiten verhalten sich in dieser Größenordnung ganz anders, als wenn man sie aus Fässern gießt oder in Reaktoren pumpt (was wir in der traditionelleren Arzneimittelherstellung gewohnt sind). Das ist die ganze Idee. Meine eigene Vermutung, was eine solche Impfstoffmaschine beinhaltet, ist eine große Anzahl sehr kleiner Reaktionskammern, die parallel laufen und in die ebenso kleine und sehr genau kontrollierte Ströme der mRNA und der verschiedenen Lipidkomponenten gelangen. Sie müssen die Durchflussmengen, die Konzentrationen, die Temperatur und wer weiß was noch kontrollieren, und Sie können sicher sein, dass auch die Kanalgrößen und die Größe und Form der Mischkammern entscheidend sind.

Dies werden maßgeschneiderte Spezialmaschinen sein, und wenn Sie andere Pharmaunternehmen fragen, ob sie eine herumsitzen, lautet die Antwort “Natürlich nicht”. Dies ist nicht annähernd ein traditionelles Arzneimittelherstellungsverfahren. Und dies ist der Hauptgrund, warum Sie nicht einfach diese “Dutzende” anderer Unternehmen anrufen und sie bitten können, ihre bestehende Produktion auf die Herstellung von mRNA-Impfstoffen umzustellen. Es gibt nicht Dutzende von Unternehmen, die DNA-Vorlagen im erforderlichen Umfang herstellen. Es gibt definitiv nicht Dutzende von Unternehmen, die genug RNA herstellen können. Aber vor allem glaube ich, dass man zählen kann auf der einen Seite die Anzahl der Einrichtungen, die die kritischen Lipid-Nanopartikel herstellen können. Das bedeutet nicht, dass Sie nicht mehr von den Maschinen bauen können, aber ich würde annehmen, dass Pfizer, BioNTech, Moderna (und auch CureVac) die Produktionskapazitäten für diese Art von Erweiterung ebenfalls weitgehend ausgeschöpft haben.

Und vergessen wir nicht: Der Rest der Pharmaindustrie mobilisiert bereits. Sanofi, bereits einer der großen Impfstoffhersteller (und einer mit eigenem Interesse an mRNA), hat bereits angekündigt, Pfizer und BioNTech zu helfen. Aber schauen Sie sich die Zeitpläne an: Hier ist eines der größten und am besten vorbereiteten Unternehmen, das sich an einer Impfstoffproduktion beteiligen könnte, und es wird erst im August Auswirkungen haben. Es ist nicht klar, an welchen Phasen Sanofi beteiligt sein wird, aber Abfüllung und Verpackung sind definitiv beteiligt (und es gibt keine Details darüber, ob die LNP-Produktion erfolgt). Und Novartis hat einen Vertrag angekündigt, einen seiner Schweizer Standorte auch für Fill-and-Finish mit Produktion bis Mitte des Jahres zu nutzen. Bayer packt mit dem Kandidaten von CureVac an.

Das sind alles gute Neuigkeiten, aber es ist noch ein langer Weg von diesem Tweet, mit dem dieser ganze Beitrag begann. Es gibt nicht “Dutzende von Unternehmen, die bereit sind, Impfstoffe zu produzieren und “ diese Pandemie zu beenden”. Es sind dieselben wenigen großen Player, von denen Sie bereits gehört haben, und sie sitzen auch nicht herum und schauen zu. Etwas anderes zu behaupten ist eine Fantasie, und mit den Fakten sind wir besser dran.


Leben und Berechnung

Die Entdeckung der Prozesse, die die Regulation der Genexpression organisieren, gefolgt von der des genetischen Codes, verbreitete die Idee, dass das Leben als Ergebnis des Ausdrucks eines Programms dargestellt werden könnte, das als lineare Kette von Symbolen, der Kette von Nukleotide in DNA (Liberman, 1979, Yockey, 1992). Einige Jahrzehnte zuvor hatte Turing in einer bekannten Veröffentlichung vorgeschlagen, dass alle Berechnungen mit ganzen Zahlen sowie alle logischen Operationen durch eine einfache Maschine ausgeführt werden könnten, die ein Band mit einer linearen Folge von Symbolen, dem universellen Turing, liest und modifiziert Maschine (Turing, 1936–1937). Das Konzept des genetischen Programms entstand zu einer Zeit, als die ersten Computer so funktionierten, wie Turing, von Neumann und die vielen Theoretiker und Wissenschaftler vorhergesagt hatten, die den Zusammenhang zwischen der Arithmetik der ganzen Zahlen und der Logik entdeckt hatten [ Turing, 1946 ( 1986) von Neumann, 1958].

Das wichtigste Merkmal des Turing-Modells ist die Forderung nach einer physikalischen Trennung zwischen einer Zeichenkette, der Daten/Programm und ein Maschine mit spezifischen Eigenschaften ausgestattet, die es ihm ermöglichen, die Zeichenkette zu manipulieren (zu lesen und zu schreiben). Das genetische Programm wird von der Nukleotidkette ausgeführt, aus der das DNA-Molekül besteht. In Bezug auf Turingmaschinen wirft dies die einfache Frage auf: Können wir das Programm als a trennen Entität in der Zelle, und wenn ja, in welchem ​​Umfang? Grundlage der Gentechnik ist die Manipulation von DNA-Molekülen (echte oder künstlich konstruierte) und die Expression in fremden Zellen: Dies ist ein erster Machbarkeitsnachweis. Teile eines genetischen Programms können von einem Organismus auf einen anderen übertragen werden: Viele Bakterien produzieren heute menschliche Proteine. Darüber hinaus ist es nicht nur denkbar, Zellen zu konstruieren, die logische Aufgaben erfüllen, sondern dies wurde experimentell durchgeführt (Elowitz & Leibler, 2000 Buchler et al., 2003). Allerdings nutzen diese Experimente nur einen kleinen Teil des genetischen Programms: Lässt sich die Analogie auf das gesamte Genom ausdehnen? Nach der Entdeckung der natürlichen Transformation, die die DNA als Träger des genetischen Programms identifizierte, legte die Entdeckung der bakteriellen Sexualität nahe, dass der Austausch einer beträchtlichen Anzahl von Genen in der Bakterienwelt weit verbreitet ist (Hayes, 1952). Später wurde die unerwartete Identifizierung eines ausgedehnten und nicht außergewöhnlichen horizontalen Gentransfers in den vorhandenen Genomen von Bakterien ( Médigue et al., 1991 Hilario & Gogarten, 1993 Lawrence & Roth, 1996 Baumler, 1997 ) verlieh der Trennung zwischen Programm und Maschine weitere Substanz, da klar war, dass eine Vielzahl von Genen, die von außen kommen, exprimiert und 'verstanden' werden kann. durch jede Art von Bakterium.

Die große Bedeutung dieser Beobachtung und die Tatsache, dass sie in neu sequenzierten Genomen weit verbreitet ist ( Moszer et al., 1999 ), lieferte jedoch keinen endgültigen Beweis dafür, dass das einen Organismus definierende Programm als Ganzes extrahiert und in eine andere Umgebung gebracht werden könnte, in der es funktionieren könnte. Bei höheren Eukaryoten gab das Klonen des Mutterschafes Dolly einen Hinweis darauf, dass dies zutreffen könnte ( Wilmut et al., 1997). Ein Kern ist jedoch keine nackte DNA, und man könnte einwenden, dass beim Klonen von Tieren ein Großteil der Informationen von etwas anderem als DNA getragen wurde. Der Beweis dafür, dass das von einem Chromosom getragene genetische Programm unabhängig und ausreichend war, um den Aufbau einer Zelle zu fördern, wurde schließlich durch die kürzlich erfolgte Transplantation eines gesamten Genoms von einer bestimmten Spezies auf eine andere erbracht ( Lartigue et al., 2007). Dieser konzeptionelle Fortschritt perfektionierte die Analogie der Zelle als Turing-Maschine, indem er eine vollständige Trennung zwischen der Zellmaschinerie, die sich selbst reproduzieren muss, und den Daten/Programmen, die sich replizieren, zeigte. In der Tat bewies die letztere Arbeit, dass ein genetisches Programm eines Organismus in einen anderen Organismus eines unterschiedlich Spezies und würde sich dann als der durch das Programm definierte Organismus vermehren, anstelle des Organismus der ursprünglichen Empfangsmaschine (Abb. 1).

Eine Turing-Maschine beinhaltet die physische Trennung zwischen einer Maschine und dem Programm, das sie ausdrückt.

In diesem Zusammenhang wird noch bemerkenswerter, dass alle Prozesse der Molekularbiologie algorithmisch aufgebaut sind. Typischerweise haben Replikation, Transkription und Translation die gleiche Form: „Beginn – Kernaktion – Kontrollpunkt – Wiederholung – Ende“, wobei die Kernaktion die Verlängerung eines Polynukleotids oder einer Polypeptidkette ist. Während Checkpoints im Fall der Replikation untersucht wurden ( Yarmolinsky, 2000 ), wurde dies bei den anderen Prozessen selten durchgeführt, obwohl es einige Beispiele gibt, die eine koordinierende Rolle für bestimmte Codons bei der Translation nahelegen, z. B. Thanaraj & Argos (1996 ) . Im Gegensatz dazu folgt die Standardsystembiologie zwei verschiedenen Trends. Die erste zielt darauf ab, Protein- oder Stoffwechselnetzwerke darzustellen, und versucht zu zeigen, dass Modelle das Verhalten des Zellstoffwechsels vorhersagen (meistens handelt es sich dabei um eine Retrodikation, dh mithilfe von Modellen, um herauszufinden, was für ein aktuelles Beispiel bereits bekannt ist, siehe Price & Schmulewitsch, 2007). Der zweite Trend beschreibt die logischen Netzwerke regulatorischer Interaktionen, die versuchen, die logische Organisation der Genexpression nachzuahmen (Elowitz & Leibler, 2000 Buchler et al., 2003 D'Ari & Thomas, 2003 Alon, 2006). Merkwürdig ist daher, dass die Systembiologie ihre Entwicklungen im Allgemeinen nicht in den Rahmen der algorithmischen Konstruktion von Prozessen setzt und folglich Rekursivität nicht berücksichtigt. Information ist (noch) keine zentrale Kategorie in dieser neuen Disziplin ( de Marco, 2008 ).

Die Zurückhaltung der Forscher, Informationen als eine authentische Kategorie der Natur zu betrachten, legt nahe, dass es zum jetzigen Zeitpunkt der Literaturübersicht für den Leser immer noch schwierig sein könnte zu akzeptieren, dass sich eine Zelle wie ein Computer verhalten könnte. Welche Rolle würde die Berechnung im Evolutionsprozess spielen? Wir haben bereits einige Elemente der Antwort auf die Frage geliefert: Turing zeigte, dass die Konsequenz des Berechnungsprozesses in der von ihm skizzierten Richtung darin besteht, dass seine Maschine in der Lage wäre, jede erdenkliche logische oder rechnerische Operation durch Lesen und Schreiben auf a Daten-/Programmband. Anders gesagt, und auf eine Weise, die sich leichter auf die Biologie beziehen lässt, manipuliert die Maschine Informationen und kann, weil die Arithmetik unvollständig ist [wie in der obigen Einleitung dargestellt ( Hofstadter, 1979 )], schaffen Information. Die Maschine ist also im Wesentlichen unvorhersehbar ( Turing, 1936–1937 ), aber nicht zufällig – ganz im Gegenteil, auf sehr interessante Weise, da fehlende Vorhersagen nicht auf fehlenden Determinismus zurückzuführen sind, sondern auf eine schöpferische Handlung, die zu neuen Informationen führt. Wenn das Bild richtig ist, zeigt es, dass lebende Organismen diejenigen materiellen Systeme sind, die in der Lage sind, Informationen so zu manipulieren, dass sie unerwartete Lösungen hervorbringen, die es ihnen ermöglichen, in einer unvorhersehbaren Zukunft zu überleben ( Danchin, 2003, 2008a ).

Lebende Organismen sind daher unendlich weit entfernt von der Uhrwerksmechanik, die oberflächliche Gegner der Molekularbiologie mit der weit verbreiteten analytischen Haltung verbinden, die sie „Reduktionismus“ nennen (Lewontin, 1993). Hervorzuheben ist hier, dass die Maschine in der Turing-Maschine das Programm nicht nur lesen, sondern auch darauf schreiben darf. Wenn also die Vermutung der Zelle als Turing-Maschine zutrifft, sollten scheinbare Paradoxien wie die umstrittenen „adaptiven Mutationen“, die es der Zelle ermöglichen, neue Stoffwechselwege zu erfinden, nicht unerwartet sein ( Cairns et al., 1988 Danchin, 1988b). Wir werden diese Bemerkung weiter unten diskutieren. An dieser Stelle ist es nun unabdingbar, den Begriff der Information im Zusammenhang mit dem Nachfolger der Molekularbiologie, der Genomik und ihrem Avatar, der Systembiologie, eingehender zu erforschen.

Schließlich müssen wir anmerken, dass der algorithmische Ansatz, der präsentiert wird, wenn man das genetische Programm als authentisches Programm in einer Turingmaschine betrachtet ( Danchin, 2003 ), zwei völlig unterschiedliche Ebenen identifiziert: die Ebene des Programms und die Ebene der Maschine. Diese Unterscheidung ist konzeptionell wesentlich und ermöglicht es, die weit verbreitete Verwirrung zwischen Replikation und Reproduktion zu vermeiden ( Danchin, 2008a ). Diesen Unterschied, den wir weiter ausbauen werden, hat Freeman Dyson in seinem kurzen Buch über den Ursprung des Lebens anschaulich demonstriert, das er bewusst als Ursprünge des Lebens im Plural, um den Unterschied zwischen Replikationsursprung und Reproduktionsursprung hervorzuheben, wobei letzterer hauptsächlich aus Stoffwechselprozessen besteht ( Dyson, 1985 ). Reproduzieren, an sich, führt zu der von Leslie Orgel aufgezeigten Fehlerkatastrophe bei der Proteinsynthese ( Orgel, 1963 ) und wird bei der Vererbung oft als Mullers Ratsche erkannt ( Muller, 1932 ), während die Reproduktion nicht zum fortschreitenden Verfall verurteilt ist ( Dyson, 1985).


Inwieweit ist es möglich zu verstehen, ob ein Bakterium ein Protein produzieren kann? (nur in silico!) - Biologie

Viele Zellen können aufgrund eines oder mehrerer der folgenden Umstände nicht atmen:

  1. Der Zelle fehlt eine ausreichende Menge eines geeigneten anorganischen Endelektronenakzeptors, um die Zellatmung durchzuführen.
  2. Der Zelle fehlen Gene, um geeignete Komplexe und Elektronenträger im Elektronentransportsystem herzustellen.
  3. Der Zelle fehlen Gene, um ein oder mehrere Enzyme im Krebs-Zyklus herzustellen.

Während das Fehlen eines geeigneten anorganischen Endelektronenakzeptors umweltabhängig ist, sind die anderen beiden Bedingungen genetisch bedingt. So können viele Prokaryoten, einschließlich der Mitglieder der klinisch wichtigen Gattung Streptokokken, sind auch in Gegenwart von Sauerstoff dauerhaft nicht in der Lage zu atmen. Umgekehrt sind viele Prokaryonten fakultativ, das heißt, sollten sich die Umweltbedingungen ändern, um einen geeigneten anorganischen Endelektronenakzeptor für die Atmung bereitzustellen, werden Organismen, die alle dafür erforderlichen Gene enthalten, auf Zellatmung für den Glukosestoffwechsel umschalten, da die Atmung viel mehr ATP . ermöglicht Produktion pro Glukosemolekül.

Wenn keine Atmung stattfindet, muss NADH zu NAD + reoxidiert werden, um es als Elektronenträger für die Glykolyse, den einzigen Mechanismus der Zelle zur Produktion von ATP, wiederzuverwenden, um fortzufahren. Einige lebende Systeme verwenden ein organisches Molekül (üblicherweise Pyruvat) als letzten Elektronenakzeptor durch einen Prozess namens Fermentation. Die Fermentation beinhaltet kein Elektronentransportsystem und produziert direkt kein zusätzliches ATP, das über das hinausgeht, das während der Glykolyse durch Phosphorylierung auf Substratebene erzeugt wird. Fermentierende Organismen, Fermenter genannt, produzieren während der Glykolyse maximal zwei ATP-Moleküle pro Glucose. Tabelle 1 vergleicht die endgültigen Elektronenakzeptoren und Verfahren der ATP-Synthese bei der aeroben Atmung, der anaeroben Atmung und der Fermentation. Beachten Sie, dass die für die Glykolyse angegebene Anzahl von ATP-Molekülen davon ausgeht, dass Embden-Meyerhof-Parnas-Weg. Die Anzahl der ATP-Moleküle, die von Phosphorylierung auf Substratebene (SLP) gegen oxidative Phosphorylierung (OP) Sind angegeben.

Mikrobielle Fermentationsprozesse wurden von Menschen manipuliert und werden in großem Umfang bei der Herstellung verschiedener Lebensmittel und anderer kommerzieller Produkte, einschließlich Pharmazeutika, verwendet. Mikrobielle Fermentation kann auch nützlich sein, um Mikroben für diagnostische Zwecke zu identifizieren.

Die Fermentation durch einige Bakterien, wie die in Joghurt und anderen saueren Lebensmitteln, und durch Tiere in den Muskeln während des Sauerstoffmangels ist Milchsäuregärung. Die chemische Reaktion der Milchsäuregärung ist wie folgt:

Bakterien mehrerer grampositiver Gattungen, einschließlich Lactobazillen, Leuconostoc, und Streptokokken, werden kollektiv als die Milchsäurebakterien (LAB), und verschiedene Stämme sind in der Nahrungsmittelproduktion wichtig. Während Joghurt und Käse Bei der Milchproduktion denaturiert das stark saure Milieu, das durch die Milchsäuregärung entsteht, die in der Milch enthaltenen Proteine, wodurch sie sich verfestigen. Wenn Milchsäure das einzige Fermentationsprodukt ist, wird der Prozess als . bezeichnet homolaktische Gärung so ist es bei Lactobacillus delbrueckii und S. thermophile bei der Joghurtherstellung verwendet. Viele Bakterien führen jedoch heterolaktische Gärung, wobei eine Mischung aus Milchsäure, Ethanol und/oder Essigsäure und CO . erzeugt wird2 als Ergebnis wegen ihrer Verwendung des verzweigten Pentosephosphatwegs anstelle des EMP-Wegs für die Glykolyse. Ein wichtiger heterolaktischer Fermenter ist Leuconostoc mesenteroides, das zum Säuern von Gemüse wie Gurken und Kohl verwendet wird, um Essiggurken bzw. Sauerkraut zu produzieren.

Auch medizinisch sind Milchsäurebakterien wichtig. Die Produktion von Umgebungen mit niedrigem pH-Wert im Körper hemmt die Etablierung und das Wachstum von Krankheitserregern in diesen Bereichen. Zum Beispiel besteht die vaginale Mikrobiota größtenteils aus Milchsäurebakterien, aber wenn diese Bakterien reduziert werden, können sich Hefen vermehren und eine Hefeinfektion verursachen. Darüber hinaus sind Milchsäurebakterien wichtig für die Gesunderhaltung des Magen-Darm-Trakts und als solche der Hauptbestandteil von Probiotika.

Ein weiterer bekannter Fermentationsprozess ist Alkoholgärung, das Ethanol produziert. Die Ethanol-Fermentationsreaktion ist in Abbildung 1 dargestellt. In der ersten Reaktion wird das Enzym Pyruvatdecarboxylase entfernt eine Carboxylgruppe von Pyruvat, wodurch CO . freigesetzt wird2 Gas, während das Zwei-Kohlenstoff-Molekül Acetaldehyd produziert wird. Die zweite Reaktion, katalysiert durch das Enzym Alkoholdehydrogenase, überträgt ein Elektron von NADH auf Acetaldehyd, wodurch Ethanol und NAD + produziert werden. Die Ethanolfermentation von Pyruvat durch die Hefe Saccharomyces cerevisiae wird bei der Herstellung von alkoholischen Getränken verwendet und lässt durch CO . auch Brotprodukte steigen2 Produktion. Außerhalb der Lebensmittelindustrie ist die Ethanolfermentation von Pflanzenprodukten wichtig in Biotreibstoff Produktion.

Abbildung 1. Hier sind die chemischen Reaktionen der Alkoholgärung dargestellt. Die Ethanolfermentation ist wichtig bei der Herstellung von alkoholischen Getränken und Brot.

Neben der Milchsäuregärung und der Alkoholgärung finden in Prokaryonten viele weitere Gärungsmethoden statt, die alle dazu dienen, eine ausreichende NAD + -Versorgung für die Glykolyse zu gewährleisten (Tabelle 2). Ohne diese Wege würde keine Glykolyse stattfinden und kein ATP aus dem Abbau von Glukose gewonnen werden. Es ist zu beachten, dass die meisten Formen der Fermentation außer homolaktische Gärung produzieren Gas, üblicherweise CO2 und/oder Wasserstoffgas. Viele dieser verschiedenen Arten von Fermentationswegen werden auch in der Lebensmittelproduktion verwendet und führen jeweils zur Produktion verschiedener organischer Säuren, die zum einzigartigen Geschmack eines bestimmten fermentierten Lebensmittelprodukts beitragen. Die während produzierte Propionsäure Propionsäure-Fermentation trägt beispielsweise zum unverwechselbaren Geschmack von Schweizer Käse bei.

Einige Fermentationsprodukte sind außerhalb der Lebensmittelindustrie kommerziell von Bedeutung. Zum Beispiel chemische Lösungsmittel wie Aceton und Butanol werden während produziert Aceton-Butanol-Ethanol-Fermentation. Komplexe organische pharmazeutische Verbindungen, die in Antibiotika (z. B. Penicillin), Impfstoffen und Vitaminen verwendet werden, werden hergestellt durch gemischte Säuregärung. Fermentationsprodukte werden im Labor verwendet, um verschiedene Bakterien zu diagnostischen Zwecken zu differenzieren. Zum Beispiel sind enterische Bakterien für ihre Fähigkeit bekannt, eine gemischte Säurefermentation durchzuführen, wodurch der pH-Wert gesenkt wird, was mit einem pH-Indikator nachgewiesen werden kann. Ebenso kann die bakterielle Produktion von Acetoin während der Butandiol-Fermentation nachgewiesen werden. Die Gasproduktion aus der Fermentation kann auch in einem umgekehrten Durham-Rohr beobachtet werden, das das produzierte Gas in einer Brühe einfängt.

Mikroben können auch nach den Substraten, die sie fermentieren können, unterschieden werden. Zum Beispiel, E coli kann Laktose unter Bildung von Gas fermentieren, während einige seiner nahen gramnegativen Verwandten dies nicht können. Die Fähigkeit, den Zuckeralkohol Sorbit zu fermentieren, wird verwendet, um den pathogenen enterohämorrhagischen Stamm O157:H7 von zu identifizieren E coli denn im Gegensatz zu anderen E coli Stämme, es ist nicht in der Lage, Sorbitol zu fermentieren. Schließlich unterscheidet die Mannit-Fermentation die Mannit-Fermentation Staphylococcus aureus von anderen nicht-mannit-fermentierenden Staphylokokken.

Tabelle 2. Gemeinsame Fermentationswege
Weg Endprodukte Beispiel Mikroben Kommerzielle Produkte
Aceton-Butanol-Ethanol Aceton, Butanol, Ethanol, CO2 Clostridium acetobutylicum Kommerzielle Lösungsmittel, Benzinalternative
Alkohol Ethanol, CO2 Candida, Saccharomyces Bier Brot
Butandiol Ameisen- und Milchsäureethanol Acetoin 2,3 Butandiol CO2 Wasserstoffgas Klebsiella, Enterobacter Chardonnay-Wein
Buttersäure Buttersäure, CO2, Wasserstoffgas Clostridium butyricum Butter
Milchsäure Milchsäure Streptokokken, Lactobacillus Sauerkraut, Joghurt, Käse
Mischsäure Essig-, Ameisen-, Milch- und Bernsteinsäure Ethanol, CO2, Wasserstoffgas Escherichia, Shigella Essig, Kosmetik, Pharma
Propionsäure Essigsäure, Propionsäure, CO2 Propionibakterium, Bifidobakterium schweizer Käse

Denk darüber nach

  • Wann würde eine metabolisch vielseitige Mikrobe eine Fermentation statt einer Zellatmung durchführen?

Identifizierung von Bakterien mithilfe von API-Testpanels

Die Identifizierung eines mikrobiellen Isolats ist für die richtige Diagnose und angemessene Behandlung von Patienten unerlässlich. Wissenschaftler haben Techniken entwickelt, die Bakterien anhand ihrer biochemischen Eigenschaften identifizieren. Typischerweise untersuchen sie entweder die Verwendung bestimmter Kohlenstoffquellen als Substrate für Fermentationen oder andere Stoffwechselreaktionen oder identifizieren Fermentationsprodukte oder spezifische Enzyme, die in Reaktionen vorhanden sind. In der Vergangenheit haben Mikrobiologen einzelne Reagenzgläser und Platten verwendet, um biochemische Tests durchzuführen. Wissenschaftler, insbesondere in klinischen Labors, verwenden jedoch heute häufiger Einweg-Multitest-Panels aus Kunststoff, die eine Reihe von Miniaturreaktionsröhrchen enthalten, von denen jedes typischerweise ein bestimmtes Substrat und einen pH-Indikator enthält. Nach der Beimpfung des Testpanels mit einer kleinen Probe des betreffenden Mikrobens und der Inkubation können die Wissenschaftler die Ergebnisse mit einer Datenbank vergleichen, die die erwarteten Ergebnisse für spezifische biochemische Reaktionen für bekannte Mikroben enthält und so eine schnelle Identifizierung einer Probenmikrobe ermöglicht. Diese Testpanels haben es den Wissenschaftlern ermöglicht, die Kosten zu senken und gleichzeitig die Effizienz und Reproduzierbarkeit zu verbessern, indem sie eine größere Anzahl von Tests gleichzeitig durchführen.

Viele kommerzielle, miniaturisierte biochemische Testpanels decken eine Reihe klinisch wichtiger Gruppen von Bakterien und Hefen ab. Eines der frühesten und beliebtesten Testpanels ist das Analytical Profile Index (API) Panel, das in den 1970er Jahren erfunden wurde. Nachdem eine grundlegende Laborcharakterisierung eines bestimmten Stamms durchgeführt wurde, wie z. B. die Bestimmung der Gram-Morphologie des Stamms, kann ein geeigneter Teststreifen verwendet werden, der 10 bis 20 verschiedene biochemische Tests zur Unterscheidung von Stämmen innerhalb dieser mikrobiellen Gruppe enthält. Derzeit sind die verschiedenen API-Streifen kann verwendet werden, um schnell und einfach mehr als 600 Bakterienarten, sowohl aerob als auch anaerob, und etwa 100 verschiedene Hefearten zu identifizieren. Anhand der Farben der Reaktionen bei Anwesenheit von Stoffwechselendprodukten wird aufgrund der Anwesenheit von pH-Indikatoren aus den Ergebnissen ein Stoffwechselprofil erstellt (Abbildung 2). Mikrobiologen können dann das Profil der Probe mit der Datenbank vergleichen, um die spezifische Mikrobe zu identifizieren.

Abbildung 2. Der API 20NE-Teststreifen wird verwendet, um spezifische Stämme gramnegativer Bakterien außerhalb der Enterobacteriaceae zu identifizieren. Hier ist das Ergebnis eines API 20NE-Teststreifens für Photobacterium damselae ssp. piscicida.

Klinischer Fokus: Alex, Teil 2

Dieses Beispiel setzt die Geschichte von Alex fort, die in Energy Matter and Enzymes begann.

Viele der Symptome von Alex stimmen mit verschiedenen Infektionen überein, darunter Grippe und Lungenentzündung. Seine trägen Reflexe zusammen mit seiner Lichtempfindlichkeit und seinem steifen Nacken deuten jedoch auf eine mögliche Beteiligung des Zentralnervensystems hin, was möglicherweise darauf hindeutet Meningitis. Meningitis ist eine Infektion der Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit (CSF) um das Gehirn und das Rückenmark, die eine Entzündung der Hirnhäute, der Schutzschichten des Gehirns, verursacht. Meningitis kann durch Viren, Bakterien oder Pilze verursacht werden. Obwohl alle Formen der Meningitis schwerwiegend sind, ist die bakterielle Meningitis besonders schwerwiegend. Bakterielle Meningitis kann durch verschiedene Bakterien verursacht werden, aber das Bakterium Meningokokken, ein gramnegativer, bohnenförmiger Diplococcus, ist eine häufige Ursache und führt bei 5 bis 10 % der Patienten innerhalb von 1 bis 2 Tagen zum Tod.

Angesichts der potenziellen Schwere von Alex' Krankheit riet sein Arzt seinen Eltern, ihn ins Krankenhaus in der gambischen Hauptstadt Banjul zu bringen und ihn dort auf eine mögliche Hirnhautentzündung untersuchen und behandeln zu lassen. Nach einer 3-stündigen Fahrt ins Krankenhaus wurde Alex sofort eingeliefert. Ärzte nahmen eine Blutprobe und führten eine Lumbalpunktion durch, um seinen Liquor zu testen. Sie begannen auch sofort mit einer Behandlung mit dem Antibiotikum Ceftriaxon, dem Medikament der Wahl zur Behandlung von Meningitis, die durch N. meningitidis, ohne auf Labortestergebnisse zu warten.

  • Wie könnten biochemische Tests verwendet werden, um die Identität von zu bestätigen? N. meningitidis?
  • Warum entschieden sich die Ärzte von Alex, Antibiotika zu verabreichen, ohne auf die Testergebnisse zu warten?

Wir werden auf das Beispiel von Alex auf späteren Seiten zurückkommen.

Schlüsselkonzepte und Zusammenfassung

  • Bei der Fermentation wird ein organisches Molekül als letzten Elektronenakzeptor verwendet, um NAD + aus NADH zu regenerieren, damit die Glykolyse fortgesetzt werden kann.
  • Die Fermentation beinhaltet kein Elektronentransportsystem, und es wird kein ATP direkt durch den Fermentationsprozess hergestellt. Fermenter produzieren sehr wenig ATP – während der Glykolyse nur zwei ATP-Moleküle pro Glucosemolekül.
  • Mikrobielle Fermentationsverfahren werden zur Herstellung von Nahrungsmitteln und Pharmazeutika sowie zur Identifizierung von Mikroben verwendet.
  • Während der Milchsäuregärung nimmt Pyruvat Elektronen von NADH auf und wird zu Milchsäure reduziert. Mikroben Leistung homolaktische Gärung produzieren nur Milchsäure als Fermentationsprodukt Mikroben heterolaktische Gärung eine Mischung aus Milchsäure, Ethanol und/oder Essigsäure und CO . herstellen2.
  • Die Milchsäureproduktion durch die normale Mikrobiota verhindert das Wachstum von Krankheitserregern in bestimmten Körperregionen und ist wichtig für die Gesundheit des Magen-Darm-Trakts.
  • Bei der Ethanolfermentation wird Pyruvat zunächst decarboxyliert (freigesetzt von CO2) zu Acetaldehyd, das dann Elektronen von NADH aufnimmt und Acetaldehyd zu Ethanol reduziert. Die Ethanolfermentation wird zur Herstellung von alkoholischen Getränken, zum Aufgehen von Brotprodukten und zur Herstellung von Biokraftstoffen verwendet.
  • Fermentationsprodukte von Stoffwechselwegen (z. B. Propionsäurefermentation) verleihen Nahrungsmittelprodukten charakteristische Aromen. Durch Fermentation werden chemische Lösungsmittel (Aceton-Butanol-Ethanol-Fermentation) und Pharmazeutika (Mischsäure-Fermentation) hergestellt.
  • Bestimmte Arten von Mikroben können durch ihre Fermentationswege und Produkte unterschieden werden. Mikroben können auch nach den Substraten, die sie fermentieren können, unterschieden werden.

Mehrfachauswahl

Welchen der folgenden Zwecke hat die Fermentation?

  1. um ATP zu machen
  2. um Kohlenstoffmolekül-Zwischenprodukte für den Anabolismus herzustellen
  3. um NADH . zu machen
  4. um NAD + zu machen

Welches Molekül dient typischerweise während der Fermentation als letzter Elektronenakzeptor?

Welches Fermentationsprodukt ist für das Aufgehen von Brot wichtig?

Welches der folgenden ist kein kommerziell wichtiges Fermentationsprodukt?

Fülle die Lücke aus

Die Mikrobe, die für die Ethanolfermentation zur Herstellung von alkoholischen Getränken verantwortlich ist, ist ________.

________ führt zur Herstellung einer Mischung von Fermentationsprodukten, einschließlich Milchsäure, Ethanol und/oder Essigsäure und CO2.

Fermentierende Organismen produzieren ATP durch den Prozess von ________.

Passende

Ordnen Sie den Fermentationsweg dem richtigen kommerziellen Produkt zu, für dessen Herstellung er verwendet wird:


Inwieweit ist es möglich zu verstehen, ob ein Bakterium ein Protein produzieren kann? (nur in silico!) - Biologie

Eine nachhaltige lignocellulosehaltige Bioökonomie wird ohne die Überwindung von Hürden, die mit der strukturellen Komplexität der Lignin-Abfallströme verbunden sind, nicht realisiert.

Metabolik-Ingenieure nutzen robuste, natürlich vorkommende Trichterpfade, die ein breites Spektrum von Substraten in einige wenige Schlüsselzwischenprodukte für die Ringspaltung und die Umwandlung in zentrale Metaboliten umwandeln.

Eine Erweiterung der Reaktionsbedingungen und des Substratspektrums für die Lignin-Depolymerisation und die Trichterbildung von Enzymen sollten die Lignin-Valorisierung durch Mikroorganismen verbessern.

Lignin ist das zweithäufigste Biopolymer auf der Erde und eine Hauptquelle für aromatische Verbindungen, wird jedoch aufgrund seiner heterogenen und widerspenstigen Natur stark zu wenig genutzt. Mikroorganismen haben effiziente Mechanismen entwickelt, die diese Herausforderungen überwinden, um Lignin zu depolymerisieren und komplexe Mischungen von Lignin-abgeleiteten Monomeren zu zentralen Metaboliten zu leiten. Dieser Aufsatz fasst die jüngsten Bemühungen der synthetischen Biologie zur Verbesserung der Lignindepolymerisation und des aromatischen Katabolismus in bakteriellen und pilzlichen Wirten für die Herstellung natürlicher und neuartiger Bioprodukte zusammen. Wir heben auch die Schwierigkeiten bei der Entwicklung komplexer Phänotypen hervor und diskutieren die Aussichten für die Zukunft der biologischen Verwertung von Lignin.


Antigenvariation bei Viren

Antigenvariation tritt auch bei bestimmten Typen behüllter Viren auf, einschließlich Influenzaviren, die zwei Formen antigenischer Variation aufweisen: Antigendrift und Antigenverschiebung (Abbildung (PageIndex<9>)). Antigendrift ist das Ergebnis von Punktmutationen, die leichte Veränderungen der Spike-Proteine ​​Hämagglutinin (H) und Neuraminidase (N) verursachen. Auf der anderen Seite ist die Antigenverschiebung eine wesentliche Veränderung der Spike-Proteine ​​aufgrund von Gen-Reassortierung. Diese Neuordnung der Antigenverschiebung tritt typischerweise auf, wenn zwei verschiedene Influenzaviren denselben Wirt infizieren.

Die Rate der Antigenvariation bei Influenzaviren ist sehr hoch, was es dem Immunsystem erschwert, die vielen verschiedenen Influenzavirusstämme zu erkennen. Obwohl der Körper durch natürliche Exposition oder Impfung eine Immunität gegen einen Stamm entwickeln kann, führen antigene Variationen dazu, dass ständig neue Stämme entstehen, die das Immunsystem nicht erkennt. Dies ist der Hauptgrund dafür, dass jährlich Impfstoffe gegen das Influenzavirus verabreicht werden müssen. Jedes Jahr bietet der Grippeimpfstoff Schutz vor den am häufigsten vorkommenden Stämmen für dieses Jahr, aber im folgenden Jahr können neue oder andere Stämme häufiger auftreten.

Abbildung (PageIndex<9>): Antigendrift und Antigenverschiebung bei Influenzaviren. (a) Bei der Antigendrift führen Mutationen in den Genen für die Oberflächenproteine ​​Neuraminidase und/oder Hämagglutinin im Laufe der Zeit zu kleinen antigenen Veränderungen. (b) Beim Antigenshift führt die gleichzeitige Infektion einer Zelle mit zwei verschiedenen Influenzaviren zu einer Vermischung der Gene. Das resultierende Virus besitzt eine Mischung der Proteine ​​der ursprünglichen Viren. Influenza-Pandemien können oft auf Antigenverschiebungen zurückgeführt werden.

Für eine weitere Erklärung, wie Antigenverschiebung und Drift auftreten, sehen Sie sich dieses Video an.

  1. Beschreiben Sie die Rolle von Adhäsinen im viralen Tropismus.
  2. Erklären Sie den Unterschied zwischen Antigendrift und Antigenverschiebung.

Eine schnelle Einführung in Elemente der Biologie - Zellen, Moleküle, Gene, funktionelle Genomik, Microarrays

Dies ist eine kurze Einführung in die Molekularbiologie mit Schwerpunkt auf Genomik und Bioinformatik. Es richtet sich an Wissenschaftler, Ingenieure, Computerprogrammierer oder jeden mit wissenschaftlichem Hintergrund oder starkem Interesse, aber ohne Biologie-Hintergrund, und vor allem für diejenigen, die dem EBI beitreten. Einerseits haben wir versucht, den Inhalt auf das absolute Minimum zu reduzieren, das notwendig ist, um Bioinformatik einen Sinn zu geben, und andererseits genug zu belassen, um zu zeigen, warum es interessant ist.

Haftungsausschluss: Die meisten Biologen sind sich einig, dass es in der Biologie nur sehr wenige strenge Regeln gibt und dass die meisten Regeln Ausnahmen haben. Daher ist das, was hier geschrieben wird, möglicherweise nicht immer genau richtig.

Inhalt

1. Organismen und Zellen

Alle Organismen bestehen aus kleinen Zellen, die normalerweise zu klein sind, um mit bloßem Auge gesehen zu werden, aber groß genug für ein optisches Mikroskop. Jede Zelle ist ein komplexes System, das aus vielen verschiedenen Bausteinen besteht, die in einem Membranbeutel eingeschlossen sind. Es gibt einzellige (bestehend aus nur einer Zelle) und mehrzellige Organismen. Bakterien und Bäckerhefe sind Beispiele für einzellige Organismen – jede einzelne Zelle kann in einer geeigneten Umgebung überleben und sich unabhängig vermehren.

Es gibt schätzungsweise etwa 6x10 13 Zellen in einem menschlichen Körper, von etwa 320 verschiedenen Typen. Zum Beispiel gibt es unter vielen anderen verschiedene Arten von Hautzellen, Muskelzellen, Gehirnzellen (Neuronen). Die Anzahl der Zelltypen ist nicht genau definiert, sie hängt von der Ähnlichkeitsschwelle ab (mit welchem ​​Detaillierungsgrad möchten wir die Zelltypen unterscheiden, z. B. ist es unwahrscheinlich, dass wir zwei identische Zellen in ein Organismus, wenn wir die Anzahl ihrer Moleküle zählen). Die Zellgrößen können je nach Zelltyp und Umständen variieren. Zum Beispiel hat ein menschliches rotes Blutkörperchen einen Durchmesser von etwa 5 Mikrometer (0,005 mm), während einige Neuronen etwa 1 m lang sind (vom Rückenmark bis zum Bein). Typischerweise liegt der Durchmesser von Tier- und Pflanzenzellen zwischen 10 und 100 Mikrometer.

Es gibt zwei Arten von Organismen - Eukaryonten und Prokaryonten bzw. zwei Arten von Zellen.Bakterien gehören zu den Prokaryoten. Die meisten Organismen, die wir sehen können, wie Bäume, Gräser, Blumen, Unkraut, Würmer, Fliegen, Mäuse, Katzen, Hunde, Menschen, Pilze und Hefen sind jedoch Eukaryoten. Die Unterscheidung zwischen Eukaryoten und Prokaryoten ist ziemlich wichtig, da viele der zellulären Bausteine ​​und Lebensprozesse in diesen beiden Organismentypen sehr unterschiedlich sind. Es wird angenommen, dass dies das Ergebnis verschiedener evolutionärer Wege ist. Evolution ist ein wichtiges Konzept in der Biologie, ein Sprichwort sagt, dass Dinge in der Biologie nur im Kontext der Evolution Sinn machen. Die meisten Wissenschaftler glauben, dass vor etwa 3,8 Milliarden Jahren das erste Leben auf der Erde entstanden ist. Die ältesten versteinerten Knochen, die gefunden wurden, die Knochen von anatomisch modernen Menschen ähneln, sind etwa 100.000 bis 200.000 Jahre alt. Niemand weiß wirklich, wie das Leben auf der Erde entstanden ist, aber es gibt viele wissenschaftliche Beweise dafür, wie es sich entwickelt haben könnte.

Viren sind keine ganz lebenden Organismen, aber wenn sie sich in einer lebenden Wirtszelle befinden, zeigen sie einige Merkmale eines lebenden Organismus. Viren sind zu klein, um in einem optischen Mikroskop gesehen zu werden, aber groß genug, um ihre Struktur in einem Elektronenmikroskop zu erkennen (die charakteristische Größe des Virus beträgt etwa 0,05 bis 0,1 Mikrometer, während die Wellenlänge von grünem Licht etwa 0,5 Mikrometer beträgt).

Prokaryontische Zellen sind kleiner als eukaryontische Zellen (eine typische Größe einer prokaryontischen Zelle beträgt etwa 1 Mikrometer im Durchmesser) und haben eine einfachere Struktur (z. B. haben sie keine inneren Zellmembranen, die in Eukaryonten immer vorhanden sind, siehe unten). Prokaryonten sind einzellige Organismen, aber beachten Sie, dass eine einzelne Zelle nicht bedeutet, dass ein Organismus ein Prokaryont ist. Kleiner als Eukaryonten zu sein bedeutet nicht, dass Prokaryonten weniger wichtig sind – zum Beispiel ist es ziemlich wahrscheinlich, dass die Anzahl der Bakterien, die im Mund und Verdauungstrakt eines Menschen leben, größer ist als die Anzahl der eukaryontischen Zellen im selben Individuum und viele dieser Bakterien sind für ein normales Leben des Menschen notwendig (diese Zahlen sind eher schwer abzuschätzen, eher eine Hypothese). Prokaryoten werden manchmal auch als Mikroben bezeichnet.

Ein Modell einer eukaryotischen Zelle (Bild aus dem Online-Biologiebuch)

Eine eukaryotische Zelle besitzt einen Zellkern, der durch eine Membran vom Rest der Zelle getrennt ist. Der Zellkern enthält Chromosomen, die Träger des Erbguts (Abschnitt 3). In eukaryotischen Zellen gibt es interne membranumschlossene Kompartimente, Organellen genannt, z. B. Zentriolen, Lysosomen, Golgi-Komplexe, Mitochondrien u. Die Mitochondrien kommen in allen Eukaryoten vor und sind auf die Energiegewinnung (Atmung) spezialisiert. Chloroplasten sind Organellen in Pflanzenzellen, die mit Licht Zucker produzieren. Licht ist die ultimative Energiequelle für fast alles Leben auf der Erde. Der Bereich der Zelle außerhalb des Zellkerns und der Organellen wird als Zytoplasma bezeichnet. Membranen sind komplexe Strukturen und sie stellen eine wirksame Barriere zur Umwelt dar und regulieren den Fluss von Nahrung, Energie und Informationen in und aus der Zelle. Es gibt eine Theorie, dass Mitochondrien Prokaryonten sind, die in eukaryotischen Zellen leben.

Ein wesentliches Merkmal der meisten (Prokaryoten und Eukaryoten) lebenden Zellen ist ihre Fähigkeit, in einer geeigneten Umgebung zu wachsen und sich einer Zellteilung zu unterziehen. Das Wachstum einer einzelnen Zelle und ihre anschließende Teilung wird als Zellzyklus bezeichnet. Allerdings wachsen und teilen sich nicht alle Zellen kontinuierlich, beispielsweise durchlaufen Neuronen nur eine anfängliche Wachstumsphase. Prokaryonten, insbesondere Bakterien, vermehren sich äußerst erfolgreich – es ist wahrscheinlich, dass die natürliche Selektion einzellige Organismen begünstigt hat, die schnell wachsen und sich teilen können. Vielzellige Organismen beginnen ihr Leben typischerweise als einzelne Zelle, normalerweise als Ergebnis der Verschmelzung einer männlichen und einer weiblichen Geschlechtszelle (Gameten). Die einzelne Zelle muss wachsen, sich teilen und in verschiedene Zelltypen differenzieren, um Gewebe und in höheren Eukarotien Organe zu produzieren. Zellteilung und Differenzierung müssen kontrolliert werden. Krebszellen wachsen unkontrolliert und können Tumore bilden. Die Entwicklung einzelner Zellen zu komplexen Organismen ist an sich ein Forschungsgebiet, das als Entwicklungsbiologie bezeichnet wird. Der diesjährige Nobelpreis für Physiologie oder Medizin wurde Wissenschaftlern für die Entdeckung wichtiger Regulatoren des Zellzyklus verliehen.

Zellen bestehen aus Molekülen.

2. Moleküle des Lebens

Es gibt vier grundlegende Arten von Molekülen, die am Leben beteiligt sind: (1) kleine Moleküle, (2) Proteine, (3) DNA und (4) RNA. Proteine, DNA und RNA werden zusammenfassend als biologische Makromoleküle bezeichnet.

2.1. Kleine Moleküle

Diese können die Bausteine ​​der Makromoleküle sein oder eigenständige Funktionen haben, beispielsweise als Signalübertragung oder als Energie- oder Materialquelle für eine Zelle. Einige wichtige Beispiele neben Wasser sind Zucker, Fettsäuren, Aminosäuren und Nukleotide. Beispielsweise werden biologische Membranen aus Fettsäuren aufgebaut, in die Makromoleküle eingebettet sind. Es gibt 20 verschiedene Aminosäuremoleküle, die die Bausteine ​​für Proteine ​​sind (genauer gesagt gibt es 19 Aminosäuren und eine, die eine etwas andere Struktur hat und daher Iminosäure genannt wird).

Dies sind drei Beispiele für Aminosäuremoleküle, es gibt 17 weitere. Sie unterscheiden sich durch R-Seitenketten, die ihre Eigenschaften bestimmen, und die Reihenfolge dieser verschiedenen Aminosäuren innerhalb des Proteins bestimmt die dreidimensionale Struktur des Proteins. Es gibt eine Konvention, dass jede Aminosäure mit einem Buchstaben im lateinischen Alphabet bezeichnet wird, zum Beispiel wird Arginin mit R bezeichnet, Histidin mit H, Lysin mit L und es gibt 20 solcher Buchstaben.

2.2 Proteine

Proteine ​​sind die Hauptbausteine ​​und funktionellen Moleküle der Zelle und machen fast 20 % des Gewichts einer eukaryotischen Zelle aus, den größten Beitrag nach Wasser (70 %). Unter anderem gibt es

  • Strukturproteine, die man sich als Grundbausteine ​​des Organismus vorstellen kann. Ein Beispiel ist Kollagen, das das wichtigste Strukturprotein von Bindegewebe und Knochen ist.
  • Enzyme, die eine Vielzahl biochemischer Reaktionen durchführen (katalysieren), wie zum Beispiel das Verändern, Zusammenfügen oder Zerkleinern anderer Moleküle. Zusammen werden diese Reaktionen und die von ihnen gebildeten Wege als Stoffwechsel bezeichnet. Beispielsweise wird der erste Schritt im Glykolyseweg, die Umwandlung von Glukose in Glukose-6-phosphat, durch das Enzym Hexokinase katalysiert. Normalerweise sind Enzyme sehr spezifisch und katalysieren nur einen einzigen Reaktionstyp, jedoch kann dasselbe Enzym in mehr als einem Reaktionsweg eine Rolle spielen.
  • Transmembranproteine ​​sind der Schlüssel zur Aufrechterhaltung der zellulären Umgebung, zur Regulierung des Zellvolumens, zur Extraktion und Konzentration kleiner Moleküle aus der extrazellulären Umgebung und zur Erzeugung von Ionengradienten, die für die Funktion von Muskel- und Nervenzellen unerlässlich sind. Ein Beispiel ist die Natrium-/Kaliumpumpe.

Proteine ​​haben eine komplexe dreidimensionale (3D) Struktur (siehe Abbildung unten). Vier Ebenen der Proteinstruktur sind unterscheidbar:

    Proteine ​​sind Ketten aus 20 verschiedenen Arten von Aminosäuren, die im Prinzip in beliebiger linearer Reihenfolge aneinandergefügt werden können, manchmal auch Polypeptidketten genannt. Diese Aminosäuresequenz ist als Primärstruktur bekannt und kann als eine Kette von 20 verschiedenen Symbolen dargestellt werden (d. h. ein Wort über dem gemeinsamen Alphabet von 20 Buchstaben). Informationen zu verschiedenen Proteinsequenzen und den funktionellen Rollen der jeweiligen Proteine ​​finden Sie in der Swissprot-Datenbank. Swissprot ist ein Gemeinschaftsprojekt des EBI und des Schweizerischen Instituts für Bioinformatik (SIB). Die Länge des Proteinmoleküls kann von wenigen bis zu vielen Tausend Aminosäuren variieren. Insulin ist beispielsweise ein kleines Protein und besteht aus 51 Aminosäuren, während Titin

Proteine ​​sind viel zu klein, um in einem optischen Mikroskop gesehen zu werden - eine charakteristische Proteingröße variiert von etwa 3 bis 10 Nanometer (nm), dh 3 bis 10 mal 10 -9 m, und ihre Struktur zu lösen (dh zu entdecken) ist a schwierige und teure Übung (ungefähr 󌍢.000 - �.000 pro neuartiger Struktur), die mit einer Vielzahl von Methoden durchgeführt wird, darunter Röntgenkristallographie, Kernspinresonanzspektroskopie und fortschrittliche Elektronenmikroskopie. MSD ist eine Datenbank bekannter Proteinstrukturen, die am EBI untergebracht und entwickelt wird. Die folgenden Bilder zeigen die Struktur der Triosephosphat-Isomerase, visualisiert mit dem RasMol-Softwarepaket, einem 3D-Viewer für MSD-Strukturen.

In diesem Bild sind die magentafarbenen Bits Alpha-Helices, während die gelben Bits Beta-Stränge sind.

Eine alternative Ansicht, in der die beiden Monomereinheiten hervorgehoben sind. Die Größe dieses Proteins im kristallisierten Zustand beträgt etwa 13 x 7 x 5 nm. Die obigen Bilder sind nur Modelle dieser Moleküle, da die Moleküle zwei kleine sind, um ein ‘reales’ Bild zu haben. Sie können zum Beispiel keine konventionelle Farbe haben, sie sind in ständiger Bewegung, und wenn wir in eine feinere Struktur hineinzoomen, spielen Quanteneffekte wie die Heisenbergsche Unschärferelation eine Rolle.

In öffentlichen Datenbanken sind etwa 15.000 Proteinstrukturen hinterlegt, von denen sich viele jedoch sehr ähneln. Ob zwei Proteinstrukturen als ähnlich oder unterschiedlich betrachtet werden, hängt von der Ähnlichkeitsschwelle ab (wie bei Zelltypen). Strukturbiologen gehen davon aus, dass derzeit etwa 1.500 verschiedene repräsentative Proteinstrukturen bekannt sind.

Alle vier Strukturebenen werden im Wesentlichen durch die Primärstruktur (d. h. die Aminosäuresequenz) plus die physikalisch-chemische Umgebung bestimmt, in der sich das Molekül befindet. Die Vorhersage der Proteinstruktur aus der Aminosäuresequenz ist eines der wichtigsten Probleme der Computerbiologie (ein anderer Name für Bioinformatik, obwohl einige versuchen, zwischen diesen beiden Begriffen zu unterscheiden) und noch lange nicht gelöst. Charakteristische, häufig wiederkehrende Strukturelemente werden als Proteindomänen bezeichnet. Manchmal ist es möglich, diese Domänen in Proteinen unbekannter Struktur zu identifizieren, wenn ihre Sequenz der einer bekannten Strukturdomäne ähnelt. Strukturdomänen werden oft mit einer bestimmten Proteinfunktion assoziiert. Proteinähnlichkeit wird auch als das Ergebnis einer evolutionären Verwandtschaft angesehen.

Wie groß sind die Proteine ​​und Zellen im Vergleich? Ein Sprichwort besagt, dass die Größe keine Rolle spielt. Dennoch können vergleichende Größen von Bedeutung sein, insbesondere wenn wir versuchen, uns die zellulären Prozesse vorzustellen, die in den nächsten Abschnitten beschrieben werden. Eine typische lineare Abmessung (Durchmesser) eines globulären Proteins beträgt etwa 5 × 10 –9 m, während eine eukaryotische Zelle etwa 5 × 10 –5 m beträgt. Dies bedeutet, dass eine Zelle etwa 10.000 Mal größer ist als ein Protein linear. Wenn wir alternativ das durchschnittliche Gewicht einer menschlichen Zelle auf etwa 10 -9 g schätzen und daran denken, dass Proteine ​​etwa ein Fünftel der Zellmasse ausmachen, dann nehmen wir an, dass das Gewicht eines durchschnittlichen Proteins etwa 10 -19 g beträgt (sagen wir Hämoglobin ist 64.500 Atomeinheiten, von denen jede 1,66 x 10 -24 g groß ist, sehen wir, dass es 0,2 x 10 -9 / 10 -19 Proteine ​​pro Zelle gibt, was zwei Milliarden (2 x 10 9 ) entspricht. Dies sind natürlich sehr grobe Schätzungen, die von Zelle zu Zelle variieren würden. Wenn wir uns daran erinnern, dass es etwa 6 x 10 13 Zellen gibt, sehen wir, dass es 30.000 Mal mehr Zellen pro Mensch gibt als Proteine ​​pro Zelle. Dies kann ein Hinweis auf die relative Komplexität eines Menschen im Vergleich zu einem einzelligen Organismus sein (eine ähnliche Schätzung bezüglich der relativen Komplexität eines Elefanten oder Dinosauriers und eines Menschen mag für einen Menschen nicht schmeichelhaft sein).

Obwohl Kräfte wie Wasserstoffbrücken einzeln schwach sind, kann die Summe all dieser schwachen Kräfte, wenn zwei oder mehr biologische Makromoleküle mit komplementären Formen einander nahe kommen, dazu führen, dass die Moleküle ziemlich stark wechselwirken, z. Tatsächlich spielen solche schwachen intermolekularen Kräfte und Wechselwirkungen eine fundamentale Rolle im Leben und sind die Grundlage praktisch aller biologischen Prozesse. Zum Beispiel können viele Proteine ​​zu großen Proteinkomplexen zusammenkleben, wie der Hefe-RNA-Polymerase II, die die genetische Information liest und transkribiert (siehe Abschnitt 3.3), die 10 Untereinheiten hat und deren Struktur kürzlich aufgeklärt wurde. Diese schwachen Wechselwirkungen liegen auch der Funktionsweise von Mikroarrays zugrunde, die im letzten Abschnitt diskutiert wird.

2.3. DNA

DNA ist das wichtigste Informationsträgermolekül in einer Zelle. DNA kann einzel- oder doppelsträngig sein. Ein einzelsträngiges DNA-Molekül, auch Polynukleotid genannt, ist eine Kette kleiner Moleküle, die Nukleotide genannt werden. Es gibt vier verschiedene Nukleotide, die in zwei Typen unterteilt sind, Purine: Adenosin und Guanin und Pyrimidine: Cytosin und Thymin. Sie werden normalerweise als Basen bezeichnet (tatsächlich sind Basen das einzige Unterscheidungselement zwischen verschiedenen Nukleotiden, siehe Abbildung unten) und werden mit ihren Anfangsbuchstaben A , C , G und T bezeichnet (nicht zu verwechseln mit Aminosäuren!).

Verschiedene Nukleotide können in beliebiger Reihenfolge miteinander verknüpft werden, um beispielsweise ein Polynukleotid zu bilden, wie hier

Polynukleotide können von beliebiger Länge sein und können jede beliebige Sequenz aufweisen. Die beiden Enden dieses Moleküls sind chemisch unterschiedlich, d. h. die Sequenz hat eine Direktionalität wie diese

Die Enden des Polynukleotids sind entweder 5' und 3' markiert (dies hat chemische Gründe in der Nummerierung der –OH-Gruppen des Zuckerrings) nach Konvention wird DNA normalerweise mit 5' links und 3' rechts geschrieben, mit der Kodierung Strang oben. Zwei solcher Stränge werden als komplementär bezeichnet, wenn einer durch gegenseitigen Austausch von A mit T und C mit G und Änderung der Richtung des Moleküls in die entgegengesetzte Weise voneinander erhalten werden kann. Zum Beispiel,

ist komplementär zu dem oben angegebenen Polynukleotid.
Bestimmte Nukleotidpaare können schwache Bindungen zwischen ihnen eingehen. A bindet an T, C bindet an G (genauer gesagt können zwischen jedem A-T-Paar zwei Wasserstoffbrückenbindungen und zwischen jedem C-G-Paar drei Wasserstoffbrückenbindungen gebildet werden). Obwohl solche Wechselwirkungen einzeln schwach sind, neigen sie, wenn sich zwei längere komplementäre Polynukleotidketten treffen, dazu, zusammenzukleben, wie hier

Vertikale Linien zwischen zwei Strängen stellen die Kräfte zwischen ihnen dar (um genauer zu sein, könnten wir Dreifachlinien zwischen jedem C und G und Doppellinien zwischen A und T zeichnen), wie unten gezeigt. Die Paare A-T und G-C werden Basenpaare (bp) genannt. Die Länge eines DNA-Moleküls wird normalerweise in Basenpaaren oder Nukleotiden (nt) gemessen, was in diesem Zusammenhang dasselbe ist.

Zwei komplementäre Polynukleotidketten bilden eine stabile Struktur, die einer Helix ähnelt und als DNA-Doppelhelix bekannt ist. Etwa 10 bp in dieser Struktur nehmen eine volle Umdrehung ein, die etwa 3,4 nm lang ist.

Diese Struktur wurde erstmals 1953 in Cambridge von Watson und Crick (mit Hilfe anderer) entdeckt, und der Geburtsort dieser Struktur wird oft als der Eagle Pub in der Bene't Street angesehen. Später bekamen sie für diese Entdeckung den Nobelpreis, mehr dazu im Buch von Watson – Die Doppelhelix.

Watson und Crick bei ihrem DNA-Modellmolekül

Bemerkenswert ist, dass zwei komplementäre DNA-Polypeptide fast unabhängig von der Sequenz der Nukleotide eine stabile Doppelhelix bilden. Dies macht das DNA-Molekül zu einem perfekten Medium für die Informationsspeicherung. Beachten Sie, dass, da die Stränge komplementär sind, jeder den anderen vollständig bestimmt, daher reicht es zu Informationszwecken aus, nur einen Strang der Genommoleküle anzugeben. Somit kann das im obigen Beispiel verwendete Molekül für viele informationsbezogene Zwecke als CGATTCAACGATGC dargestellt werden. Die maximale Informationsmenge, die in einem solchen Molekül kodiert werden kann, beträgt daher das 2-Bit-fache der Länge der Sequenz. Wenn man bedenkt, dass der Abstand zwischen Nukleotidpaaren in einer DNA ungefähr 0,34 nm beträgt, können wir berechnen, dass die lineare Informationsspeicherdichte in der DNA ungefähr 6x10 8 Bit/cm beträgt, was ungefähr 75 GB oder 12,5 CD-ROMs pro cm entspricht.

Die Komplementarität zweier DNA-Stränge wird zum Kopieren (Vermehren) von DNA-Molekülen in einem als DNA-Replikation bekannten Prozess genutzt, bei dem eine doppelsträngige DNA in zwei identische repliziert wird. (Die DNA-Doppelhelix wickelt sich während des Prozesses ab und gabelt sich, und ein neuer komplementärer Strang wird durch eine spezifische molekulare Maschinerie an jedem Zweig der Gabelung synthetisiert. Nach Abschluss des Prozesses gibt es zwei DNA-Moleküle, die mit dem ursprünglichen identisch sind.) In einer Zelle dies geschieht während der Zellteilung (siehe Abschnitt 1) ​​und eine mit dem Original identische Kopie geht an jede der neuen Zellen.

Beachten Sie, dass fehlgepaarte Komponenten zwischen Polynukleotidsträngen möglich sind, wenn die Gesamtsumme der schwachen Kräfte zwischen den komplementären Nukleotiden stark genug ist. Also die Moleküle mögen

sind chemisch möglich, obwohl sie in einer lebenden Zelle selten sein können. Mehr Bindungen, d. h. mehr komplementäre Paare, machen das Molekül stabiler. Wenn nicht genügend Bindungen vorhanden sind, kann die zweisträngige Molekülstruktur schwach werden und die Stränge können sich lösen. Die Anzahl der Glieder, die benötigt werden, um die Doppelhelix zusammenzuhalten, hängt von der Temperatur (sog. Schmelztemperatur) und anderen Umweltfaktoren ab. DNA, die nicht mehr in der helikalen Form vorliegt, wird als denaturiert bezeichnet.

2.4. RNA

RNA-ähnliche DNA ist aus Nukleotiden aufgebaut. Anstelle des Pyrimidin-Thymins (T) enthält es jedoch ein alternatives Uracil (U), das in der DNA nicht vorkommt. Aufgrund dieses geringen Unterschieds bilden RNA keine Doppelhelix, sondern sind normalerweise einzelsträngig, können aber aufgrund komplementärer Verknüpfungen zwischen den Teilen desselben Strangs eine komplexe räumliche Struktur aufweisen (wie z. B. bei tRNA, Abschnitt 4.2). RMA hat verschiedene Funktionen in einer Zelle, von denen einige im nächsten Abschnitt diskutiert werden, z. B. sind mRNA und tRNA funktionell unterschiedliche RNA-Typen, die beide für die in Abschnitt 3.3 diskutierte Proteinsynthese benötigt werden.

RNA kann komplementär an einen Einzelstrang eines DNA-Moleküls binden, obwohl T durch U ersetzt ist, also Moleküle wie dieses

möglich sind und tatsächlich eine wichtige Rolle in Lebensprozessen und in der Biotechnologie spielen.

Es gibt eine Hypothese, dass das erste Leben auf der Erde möglicherweise auf RNA beruhte. RNA kann genetische Informationen kodieren, ist replizierbar, bildet komplexe 3D-Strukturen und kann auch als Katalysator für bestimmte chemische Reaktionen im Zusammenhang mit dem Spleißen wirken (siehe Abschnitt 3.3).

3. Gene und Genome

3.1 Chromosomen, Genome und Sequenzierung

In einer typischen Zelle gibt es ein oder mehrere lange doppelsträngige DNA-Moleküle, die als Chromosomen organisiert sind. In Eukaryoten haben Chromosomen eine komplexe Struktur, bei der die DNA um Strukturproteine, die Histone genannt wird, gewunden ist. Ein Mensch hat 23 Chromosomenpaare, die groß genug sind, um in einem optischen Mikroskop gesehen zu werden. Die Gesamtlänge der DNA in einer menschlichen Zelle würde, wenn wir sie ausdehnen könnten, mehr als 1 m betragen. Mitochondrien (Abschnitt 1) ​​enthalten auch DNA, aber die Menge ist im Vergleich zur chromasomalen DNA winzig. Chromasomale und mitochondriale DNA bilden das Genom des Organismus. Alle Organismen haben Genome und es wird angenommen, dass sie fast alle Erbinformationen des Organismus kodieren. Bei Eukaryoten befinden sich Chromosomen im Kern (abgesehen von mitochondrialen Genomen), die von der Kernmembran enthalten sind. Alle Zellen in einem Organismus enthalten (mit wenigen Ausnahmen) identische Genome als Ergebnis der DNA-Replikation bei jeder Zellteilung.

Es gibt eine molekulare Maschinerie in Zellen, die beide DNA-Stränge intakt und komplementär hält (d. h. wenn ein Strang beschädigt ist, wird er unter Verwendung des zweiten als Matrize repariert). Dies ist wichtig, da DNA-Schäden (verursacht durch Umweltfaktoren wie Strahlung) zu Brüchen in einem oder beiden Strängen oder zu Fehlpaarungen der Basen führen können, was unter anderem die DNA-Replikation stören würde. Wird beschädigte DNA nicht repariert, kann dies zu Zelltod oder Tumoren führen. Veränderungen der genomischen DNA werden als Mutationen bezeichnet.

Die Gesamtgröße des Genoms unterscheidet sich bei verschiedenen Organismen erheblich, wie in der folgenden Tabelle angegeben.


Schau das Video: La secrezione delle proteine (November 2022).