Schlüsselkonzepte der Biologie, Genetik und Materialwissenschaften

Präformationslehre

Im 18. Jahrhundert führte die sehr rudimentäre Mikroskopbeobachtung von Spermien zu der Annahme, dass diese kleine Männer, sogenannte Homunculi, enthielten, die sich nach der Befruchtung zum vollständigen Individuum entwickeln würden.

Epigenetik

Die Epigenetik befasst sich mit vererbbaren Veränderungen der Genexpression, die nicht auf Änderungen der DNA-Sequenz selbst zurückzuführen sind, sondern auf Modifikationen, die die Struktur und Zugänglichkeit der DNA beeinflussen.

Pangenesis

Die Pangenesis-Theorie besagt, dass jedes Organ im Körper der Eltern kleine Partikel (Gemmulae) produziert, die durch das Blut zu den Geschlechtsorganen wandern und sich dann auf die Nachkommen übertragen.

Keimplasma-Theorie

Die Keimplasma-Theorie besagt, dass das Keimplasma, das aus den reproduktiven Geweben besteht, die gesamte Erbinformation enthält und sich unverändert von Generation zu Generation fortsetzt. Veränderungen im Keimplasma können zu erblichen Veränderungen im Organismus führen.

Uniformitätsgesetz (1. Mendelsches Gesetz)

Das Uniformitätsgesetz (1. Mendelsches Gesetz) besagt, dass bei der Kreuzung zweier reinerbiger Eltern, die sich in einem Merkmal unterscheiden (z.B. gelbe und grüne Pflanzen), alle Individuen der ersten Filialgeneration (F1) in Bezug auf das untersuchte Merkmal uniform sind.

Spaltungsgesetz (2. Mendelsches Gesetz)

Das Spaltungsgesetz (2. Mendelsches Gesetz) besagt, dass die erblichen Faktoren (Allele) bei der Gametenbildung voneinander getrennt werden, sodass jede Gamete nur einen Faktor für ein bestimmtes Merkmal erhält. Bei der Kreuzung von Hybriden (F1-Generation) treten die Merkmale in der nachfolgenden Generation (F2) in bestimmten Zahlenverhältnissen wieder auf.

Unabhängigkeitsgesetz (3. Mendelsches Gesetz)

Das Unabhängigkeitsgesetz (3. Mendelsches Gesetz) besagt, dass bei der Kreuzung von Individuen, die sich in zwei oder mehr Merkmalen unterscheiden, die Erbanlagen für diese Merkmale unabhängig voneinander an die Nachkommen weitergegeben werden. Zum Beispiel können bei Erbsen die Merkmale 'Farbe' (gelb/grün) und 'Oberfläche' (glatt/runzlig) unabhängig voneinander vererbt werden.

Molekularbiologie

Die Molekularbiologie erforscht das Leben auf molekularer Ebene. Sie befasst sich mit der Struktur der DNA und den Prozessen, die die Anweisungen für den Aufbau und die Funktion jedes Lebewesens ausführen.

DNA (Desoxyribonukleinsäure)

Die DNA (Desoxyribonukleinsäure) ist eine doppelhelikale Struktur, die aus zwei antiparallelen Strängen von Nukleotiden besteht. Diese Nukleotide enthalten die Basen Adenin (A), Thymin (T), Cytosin (C) und Guanin (G), die sich komplementär paaren (A mit T, C mit G).

Gen

Ein Gen ist ein spezifisches Fragment der DNA, das die Information für die Synthese eines bestimmten Proteins oder einer funktionellen RNA enthält.

Rekombinante DNA

Rekombinante DNA ist ein DNA-Molekül, das durch die künstliche Verbindung von DNA-Fragmenten aus verschiedenen Quellen oder Organismen entsteht. Diese Technik ermöglicht es, neue DNA in einen Organismus einzuführen, was zu genetischen Veränderungen führen kann, wie der Modifikation bestehender Funktionen oder dem Ausdruck neuer Merkmale. Ein Beispiel hierfür ist die Produktion von Proteinen, die normalerweise nicht im Wirtsorganismus vorkommen; diese werden als rekombinante Proteine bezeichnet. Dieser Prozess wird durch Gentechnik gesteuert und unterscheidet sich von der natürlichen genetischen Rekombination, die ohne menschliches Eingreifen innerhalb der Zelle abläuft.

Transkription

Die Transkription ist der Prozess der Synthese von Boten-RNA (mRNA) anhand einer DNA-Vorlage. Dabei werden die Basen der DNA in die komplementären Basen der RNA übersetzt, wobei Thymin (T) in der DNA durch Uracil (U) in der RNA ersetzt wird. Die neu synthetisierte mRNA durchläuft im Zellkern eine Reifung, bei der nicht-kodierende Sequenzen (Introns) entfernt werden, bevor sie zu den Ribosomen transportiert wird.

Proteinsynthese und Translation

Die Proteinsynthese, auch Translation genannt, ist der anabole Prozess, bei dem Proteine aus Aminosäuren gebildet werden. Sie folgt auf die Transkription der DNA in RNA. Da es zwanzig verschiedene Aminosäuren, aber nur vier Nukleotide in der RNA (Adenin, Uracil, Cytosin und Guanin) gibt, kann die Beziehung nicht eins zu eins sein. Auch eine Codierung durch zwei Nukleotide pro Aminosäure wäre unzureichend, da dies nur sechzehn (4x4) mögliche Kombinationen ergäbe.

DNA-Replikation

Die DNA-Replikation ist der Prozess, bei dem zwei identische Kopien eines DNA-Moleküls synthetisiert werden, wobei jeder der ursprünglichen Stränge als Vorlage (Template) für einen neuen Strang dient.

Künstliche Besamung

Die künstliche Besamung ist eine Methode der assistierten Reproduktion, bei der Spermien mit speziellen Instrumenten und Techniken in die weiblichen Geschlechtsorgane (z.B. Gebärmutter oder Eileiter) eingebracht werden, um die natürliche Begattung zu ersetzen oder zu unterstützen. Dies kann auch die Platzierung von Eizellen (z.B. intrafollikulär) umfassen.

Gentechnik (Genetic Engineering)

Die Gentechnik (Genetic Engineering) umfasst Techniken, die es ermöglichen, das Genom eines Organismus gezielt zu verändern und die DNA zu manipulieren.

Klonen (DNA-Klonierung)

Klonen im Kontext der DNA-Klonierung bedeutet die Herstellung von zwei oder mehr identischen Kopien eines DNA-Fragments. Hierfür werden oft Bakterien verwendet, da sie eine rasche Vervielfältigung ermöglichen, auch wenn sie nicht für alle komplexen Faktoren oder Modifikationen geeignet sind.

Polymerase

Eine Polymerase ist ein Enzym, das die Synthese von Nukleinsäuren (DNA oder RNA) katalysiert. Sie sind von entscheidender Bedeutung für Prozesse wie die DNA-Replikation (DNA-Polymerase) und die Transkription (RNA-Polymerase) bei der Zellteilung und Genexpression.

Genmutationen

Genmutationen betreffen ein einzelnes Gen und entstehen durch die Veränderung, den Verlust oder den Gewinn eines oder mehrerer Nukleotide innerhalb der DNA-Sequenz.

Chromosomenmutationen

Chromosomenmutationen wirken sich auf die Struktur oder Anzahl der Chromosomen aus. Wenn diese Mutationen somatische Zellen betreffen, können sie zur Entstehung von Tumoren führen, haben aber keine Auswirkungen auf die Nachkommen. Treten sie jedoch in Keimzellen auf, können die Veränderungen an die nachfolgenden Generationen weitergegeben werden.

Das menschliche Genomprojekt

Das menschliche Genomprojekt, ein 10-Jahres-Projekt, führte am 26. Juni 2000 zur Veröffentlichung der ersten vollständigen Sequenz des menschlichen Genoms. Dies ist von großer Bedeutung, da Gene und Krankheiten in direktem Zusammenhang stehen, auch wenn die genauen Funktionsweisen noch nicht vollständig verstanden sind. Die Ergebnisse dieses Projekts zeigten, dass das menschliche Genom aus 46 Chromosomen besteht, aufgeteilt in zwei Sätze von 23: 44 Autosomen und 2 Geschlechtschromosomen. Ein großer Teil der DNA (etwa 95%) kodiert keine Proteine, spielt aber eine wichtige regulatorische Rolle.

Biotechnologie

Die Biotechnologie ist die Wissenschaft, die lebende Organismen oder deren Bestandteile nutzt, um Produkte zu gewinnen oder zu verändern, sowie Pflanzen, Tiere und Mikroorganismen für spezielle Zwecke zu verbessern oder zu entwickeln.

Klonen (Arten des Klonens)

Klonen bezeichnet die Herstellung genetisch identischer Kopien. Man kann DNA, Zellen und ganze Organismen klonen.

• DNA-Klonierung

  • Natürliche Replikation
  • Labor: Polymerase-Kettenreaktion (PCR)

• Zellklonierung

  • Natürlich: Mitose
  • Labor: Zellkultur

• Organismenklonierung

  • Natürlich: Asexuelle Reproduktion
  • Labor: Kerntransfer (z.B. bei Dolly dem Schaf)

Therapeutisches Klonen

Therapeutisches Klonen, das in einigen Ländern legal ist, beinhaltet die Erzeugung eines Embryos durch die Implantation des Erbguts einer Körperzelle in eine entkernte Eizelle. Ziel ist es, aus diesem Embryo Stammzellen zu gewinnen und im Labor zu kultivieren, um sie für medizinische Zwecke (z.B. Geweberegeneration) zu nutzen.

Rohstoffe (Feedstock)

Rohstoffe (Feedstock) sind Materialien, die direkt aus der Natur gewonnen werden und deren direkte Nutzung in der Regel ausgeschlossen ist, da sie erst verarbeitet werden müssen.

Verarbeitete Materialien

Verarbeitete Materialien sind das Ergebnis der Umwandlung von Rohstoffen in nützliche Materialien, die für weitere Anwendungen oder als Endprodukte dienen.

Synthetische Materialien

Synthetische Materialien werden durch eine Reihe von künstlichen chemischen Transformationen hergestellt.

Materialforschung und -entwicklung

Die Materialforschung und -entwicklung zielt darauf ab, die Eigenschaften bestehender Materialien zu verbessern oder völlig neue Materialien zu entwickeln. Dies geschieht unter Berücksichtigung von Faktoren wie Wirtschaftlichkeit, Leistung im Einsatz und Umweltverträglichkeit.

Metalle

Metalle sind chemische Elemente, die bei Raumtemperatur meist fest sind, gute Leiter für Wärme und Elektrizität darstellen und zum Rosten neigen (mit Ausnahmen wie Gold, Platin und Nickel). Sie können in reiner Form oder als Legierungen (vermischte Metalle) verwendet werden. Die Gewinnung von Metallen umfasst verschiedene Prozesse und Techniken, wie zum Beispiel die Herstellung von Stahl.

Polymere

Polymere sind Makromoleküle, die aus Tausenden von sich wiederholenden einfachen Moleküleinheiten (Monomeren) bestehen.

• Arten von Polymeren

  • Natürliche Polymere: Kommen direkt aus Pflanzen und Tieren (z.B. Zellulose, Proteine).
  • Halbsynthetische Polymere: Sind natürliche Polymere, die durch chemische Prozesse modifiziert wurden.
  • Synthetische Polymere: Werden durch kontrollierte Polymerisationsprozesse vom Menschen hergestellt.

Nanotechnologie

Die Nanotechnologie ist die Wissenschaft und Technik, die sich mit der Herstellung und Manipulation von Strukturen und Maschinen im molekularen Größenbereich befasst, oft durch den Aufbau von Materialien Atom für Atom. Anwendungsbereiche umfassen Nanocomputer, medizinische Anwendungen, Energieeffizienz und den Schutz vor Umweltzerstörung.