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Der Titel u.a

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Ich habe die Erweiterung "et al" bei Biologen verschiedener Nationalitäten gefunden wie: Avery et al.; Tayloret al usw.

Meine Frage: 1. Was bedeutet das? 2. Warum nur Biologen?


Der lateinische Satz usw (abgekürzt et al.) bedeutet und andere.

Es beschränkt sich nicht auf Biologen oder auf Menschen verschiedener Nationalitäten. Wenn ich mich auf diesen Computergrafik-Artikel beziehe, kann ich ihn als "das Papier von Henrik Jensen et al. über die physikalisch basierte Modellierung von Feuer" bezeichnen.

Beachten Sie, dass die Erweiterung von et al. kann auch sein et al und et aliae, die die männliche und weibliche Form sind; usw ist die neutrale Form.


Liste der 'Großen Bücher'

Zusammengestellt aus Nachrichten an die AP Biology Electronic Discussion Group, ist dies eine Sammlung von "biologischen" Büchern zum Vergnügen, zum Lesen, für Hintergrundwissen und für Schüleraufgaben. Bitte wenden Sie sich an AP Central, um Titel hinzuzufügen oder eine Auswahl kurz mit Anmerkungen zu versehen.

Copyright-Daten mit freundlicher Genehmigung von Amazon.com. Belletristik ist mit einem gekennzeichnet (F) und Sachbücher mit einem (NF).

Agosta, William C. | Chemische Kommunikation: Die Sprache der Pheromone (1992) (NF)
Pheromone werden bei einer Vielzahl von Tieren zur Fortpflanzung, Gebietsmarkierung, Signalgebung und anderen Kommunikationsformen verwendet.

Agosta, William C. | Bombardier-Käfer und Fieberbäume: Ein genauer Blick auf chemische Kriegsführung und Signale bei Tieren und Pflanzen (1997) (NF)
Ein Buch mit hervorragenden Erklärungen zum Einsatz von Chemikalien in lebenden Organismen.

Agosta, William C. | Diebe, Betrüger und Mörder: Geschichten der Chemie in der Natur (2002) (NF)
Eine Sammlung von Geschichten, die mit dem Faden der Chemie verwoben sind – Antibiotika, Enzyme bei Extremophilen, komplizierte chemische Kommunikation bei Insekten usw.

Alvarez, Walter | T-Rex und der Krater des Untergangs (1998) (NF) (1999) (NF)
Eine Beschreibung der Beweise, die die Produktion des Chicxulub-Kraters in Mexiko durch einen Asteroiden und das Aussterben der Dinosaurier in Verbindung bringen.

Andrews, Lori B. | Das Klonzeitalter: Abenteuer in der neuen Welt der Reproduktionstechnologie (1999) (NF)
Reproduktionstechnik und das damit verbundene Recht für den Laien.

Angier, Natalie | Die Schönheit des Tieres (1996) (NF)
Ein Buch mit Essays über Organismen, mit denen wir uns normalerweise nicht befassen – unterteilt in sieben Kapitel mit den Titeln „Lieben“, „Schlüpfen“, „Tanzen“, „Sterben“, „Anpassen“, „Heilen“ und „Erschaffen“.

Agosta, William C. | Diebe, Betrüger und Mörder: Geschichten der Chemie in der Natur (2002) (NF)
Eine Sammlung von Geschichten, die mit dem Faden der Chemie verwoben sind – Antibiotika, Enzyme bei Extremophilen, komplizierte chemische Kommunikation bei Insekten usw.

Angier, Natalie | Natürliche Obsessionen: Das Streben, die tiefsten Geheimnisse der Krebszelle zu lüften (1999) (NF)
Die Arbeit junger Wissenschaftler in den Bereichen Molekulargenetik und Krebsgenetik.

Anthony, Piers | Tatham Hügel (1991) (F)
Eine Geschichte der amerikanischen Ureinwohner, die sich um Skelette dreht, die in einem Hügel ausgegraben wurden, der in einem Pfadfinderlager in Florida entdeckt wurde.

Asimov, Isaac | Quellen des Lebens (1960) (F)
Das mittlere Buch einer Reihe von drei biochemischen Büchern befasst sich mit dem Ursprung des Lebens, Molekülen (einschließlich DNA), spontaner Generation und Evolution.

Asimov, Isaac | Fantastische Reise (1966) (F)
Ein medizinisches Team wird miniaturisiert und in den Blutkreislauf eines VIPs injiziert, um ein Blutgerinnsel zu zerstören, das sein Leben bedroht.

Auel, Jean | Der Clan des Höhlenbären (1983), Das Tal der Pferde (1983), Die Mammutjäger (1986), Die Ebenen der Passage (1993), Unterstände aus Stein (2003) (F)
Eine Geschichte über eine Cro-Magnon-Frau, die von Neandertalern aufgezogen wurde und die die Wege anderer wie sie lernen muss, als sie aus der Neandertaler-Gemeinschaft ausgeschlossen wird.

Bakker, Robert T. | Die Dinosaurier-Häresien: Neue Theorien, die das Geheimnis der Dinosaurier und ihres Aussterbens entschlüsseln (1986) (NF)
Unterstützung für Bakkers umstrittene Ansicht von Dinosauriern als aktive, warmblütige, intelligente Wesen.

Bär, Greg | Darwins Radio (1999) (F)
Etwas, das Millionen von Jahren in unseren Genen geschlafen hat, wacht auf und beschleunigt die menschliche Evolution.

Benchley, Peter | Tier (1993) (F)
Ein riesiger Tintenfisch terrorisiert Bermuda.

Benchley, Peter | Weißer Hai (1996) (F)
Nazis machen aus einem Mann eine Kreatur.

Benson, Ann | Seuchengeschichten (1997) (F)
Die Geschichte von zwei Plagen, die verbunden sind, obwohl die Plagen Hunderte von Jahren trennen.

Benson, Ann | Die brennende Straße (1999) (F)
Die Fortsetzung von Seuchengeschichten.

Bernstein, Leonard, Alan Winkler und Linda Zierdt-Warsha | Multikulturelle Frauen der Wissenschaft (Taschenbuch 1996) (NF)
Eine Zusammenstellung von 37 praktischen Aktivitäten und Experimenten, die Beschreibungen der Arbeit von Wissenschaftlerinnen aus der ganzen Welt begleiten.

Bodanis, David | Das geheime Haus: 24 Stunden in der seltsamen und unerwarteten Welt, in der wir unsere Nächte und Tage verbringen (1986) (NF)
Alles, was wir schon immer wissen wollten (oder nicht wissen wollten) über die mikroskopisch kleinen Organismen, die auf und um uns herum leben.

Mutiger, Gary | Elixier (Taschenbuch 2001) (F)
Ein Wissenschaftler stolpert über ein "Jungbrunnen-Medikament".

Browne, Janet | Die Macht des Ortes (2002) (NF)
Der zweite Teil der Darwin-Biographie beginnt mit der Ankunft von Briefen von Wallace und geht bis zu seinem Tod.

Browne, Janet | Charles Darwin: Reisen (1995) (NF)
Verfolgt das interessante Leben von Darwin von der Geburt bis 1858 kurz vor seiner Veröffentlichung von Entstehung der Arten.

Bronowski, Jacob | Wissenschaft und menschliche Werte (1999) (NF)
Zum Nachdenken anregende Essays über die Wissenschaft als integraler Bestandteil unserer Kultur.

Bybee, Rodger W. Herausgeber | NSTA:Evolution in Perspective: Das Kompendium des Lehrers für Naturwissenschaften (2004) (NF)
Zwölf verschiedene Artikel über die Rolle eines Lehrers bei der Präsentation und Förderung eines Verständnisses der Evolutionstheorie als fortlaufendes wissenschaftliches Unterfangen. (Siehe vollständige Rezension auf der Website der NSTA-Publikationen)

Bryson, Bill | Eine kurze Geschichte von fast allem (2003) (NF)
Berichtet, wie Menschen die wichtigsten Konzepte der Wissenschaft herausgefunden haben, vom Zeitalter des Universums über die Kontinentalverschiebung bis hin zur Funktionsweise von Zellen, komplett mit interessanten Dialogen der berühmten Wahrheitssucher der Welt.

Cannell, Stephen J. | Die Werkstatt des Teufels (1999) (F)
Prionen werden in dieser Geschichte von dem Mann, der Regie führte, als Biowaffen-Agent verwendet Die Rockford-Akten, Das A-Team, und Der Kommis.

Karte, Orson Scott | Xenozid (1999) (F)
Die Geschichte eines Versuchs, ein hochadaptives Virus auf dem Planeten Lusitania zu kontrollieren.

Carroll, Sean | Endlose Formen am schönsten: Die neue Wissenschaft von Evo Devo und die Entstehung des Tierreichs (2005) (NF)
Ein Blick auf die Entwicklungsbiologie und ihre Beziehung zur Evolution dokumentiert, wie sich Gene, die die Embryonalentwicklung regulieren, "entwickelt" haben und neue Körpermuster und bessere Anpassungen für das Überleben geschaffen haben.

Carson, Rachel | Das Meer um uns herum (1951) (NF)
Empfehlungen zur Pflege der Meere, die auch nach mehr als 50 Jahren noch zeitgemäß sind.

Carson, Rachel | Stille Quelle (1962) (NF)
Carsons klassisches Exposé über Gifte in der Umwelt und wie sie sich im Gewebe von Tieren anreichern.

Fall, John | Der erste Reiter (2001) (F)
Die Grippeepidemie von 1918 könnte von einem Bioterroristen wieder ausgelöst werden.

Fall, John | Der Genesis-Code (2001) (F)
Frauen werden mit Zellproben befruchtet, die DNA von Reliquien enthalten, die mit Christus in Verbindung stehen.

Schließen, William T. | Ebola: Durch die Augen des Volkes (Taschenbuch 2001) (NF)
Ein dokumentarischer Roman von Glenn Closes Vater, der das erste Auftreten von Ebola in einer katholischen Mission in Zaire aufzeichnet.

Colborn, Theo et al. | Unsere gestohlene Zukunft (1997) (NF)
Die Auswirkungen synthetischer Chemikalien in der Umwelt auf die menschliche Fortpflanzung, Entwicklung und Krankheit.

Koch, Robin | Terminal (1993) (F)
Ein Medizinstudent aus Harvard untersucht eine Klinik mit einer 100-prozentigen Heilungsrate für eine seltene Krebserkrankung.

Koch, Robin | Akzeptables Risiko (1995) (F)
Eine interessante Verbindung zwischen Antidepressiva und den Hexenprozessen von Salem.

Koch Robin | Chromosom 6 (1997) (F)
Genetische Forschung, Entwicklung von Primaten und Klonen für die Transplantation.

Koch, Robin | Toxin (2001) (F)
Eine Untersuchung der Rindfleischverpackungs- und Schlachthofindustrie und Eco 0157-Infektionen.

Cornwell, Patricia | Porträt eines Mörders: Jack the Ripper-Fall geschlossen (2002) (NF)
Cornwell verwendet aktuelle forensische Techniken, um Beweise dafür zu sammeln, dass Walter Sickert, ein bekannter Londoner Künstler, Jack the Ripper war.

Cousins, Norman | Von Kopf bis Fuß: Die Biologie der Hoffnung und die heilende Kraft des menschlichen Geistes (1990) (NF)
Eigener Bericht des Autors über den Einsatz von Humortherapie zur Überwindung von Krebs.

Crichton, Michael | Der Andromeda-Stamm (1969) (F)
Ein Satellit kehrt mit einem unbekannten pathogenen "Organismus" aus dem Weltraum zurück.

Crichton, Michael | Fünf Patienten: Das Krankenhaus erklärt (1970) (NF)
Die positiven und negativen Aspekte des Gesundheitssystems durch die Linse von fünf aktuellen Fallstudien.

Crichton, Michael | Jurassic Park (1990) (F)
Eine neue Art von Themenpark mit geklonten Dinosauriern geht schief.

Crichton, Michael | Kongo (1994) (F)
Eine Untersuchung eines Forscherteams, das von einer "unbekannten" Spezies angegriffen wurde.

Crichton, Michael | Zeitleiste (1999) (F)
Eine Zeitreise in die mittelalterliche Vergangenheit geht schief.

Darnton, John | Das Experiment (1999) (F)
Eine Geschichte über Klonen, genetische Krankheiten und ethische Fragen.

Darnton, John | Neandertaler (2001) (F)
Eine Gruppe von Neandertalern wird in der Gegenwart gefunden.

Darwin, Charles | Entstehung der Arten (1859) (NF)
Darwins ursprüngliche Arbeit, die die natürliche Selektion als Mechanismus der Evolution darstellte.

Davidson, Osha G. | The Enchanted Braid: Die Natur am Korallenriff meistern (1998) (NF)
Die Auswertung des Zustands der Korallenriffe der Erde zeigt, dass 10 Prozent nicht mehr zu helfen sind und weitere 30 Prozent in ernsthafter Gefahr sind.

Dawkins, Marian Stempel | Obwohl nur unsere Augen? Die Suche nach Tierbewusstsein (1993) (NF)
Ein Bericht über das, was derzeit über das Bewusstsein von Tieren bekannt ist.

Dawkins, Richard | Die Geschichte der Vorfahren: Eine Pilgerreise in die Morgenröte der Evolution (2005) (NF)
In der Zeit rückwärts wird die Evolution des Menschen und vieler anderer Organismen mit Fossilien, DNA und vergleichender Anatomie bis zu den "Anfängen" verfolgt. ("Gute Grafiken und Fotos")

Dawkins, Richard | Der blinde Uhrmacher: Warum die Evolutionsbeweise ein Universum ohne Design offenbart (1986) (NF)
Eine Diskussion, die den Darwinismus als Erklärung unserer Existenz unterstützt, um den Anhängern des intelligenten Designs entgegenzuwirken.

Dawkins, Richard | Das egoistische Gen, 2. Aufl. (1989) (NF)
Dawkins argumentiert, dass unsere Gene uns erhalten, um mehr Gene zu produzieren.

Dawkins, Richard | River Out of Eden: Eine darwinistische Sicht des Lebens (1995) (NF)
Betrachtet genetische und mitochondriale Beweise für die Evolution und betrachtet die natürliche Auslese aus der „Genperspektive“.

Dethier, Vincent | Eine Fliege kennen (1989) (NF)
Cartoons und Humor erzählen Geschichten von Neugier und Begeisterung für die wissenschaftliche Methode.

Diamant, Jared M. | Der dritte Schimpanse: Die Evolution und Zukunft des menschlichen Tieres (1992) (NF)
Diamond wirft einen Blick auf die menschliche Evolution, um herauszufinden, wie wir mehr als nur ein Schimpanse wurden.

Diamant, Jared M. | Waffen, Keime und Stahl: Das Schicksal der menschlichen Gesellschaften (1997) (NF)
Eine Untersuchung der menschlichen Natur, Geschichte und Politik, um zu erklären, wie Europa die Neue Welt, Afrika und Asien erobert hat.

Dillard, Annie | Pilgrim at Tinker Creek (1998), Einem Stein das Sprechen beibringen: Expeditionen und Begegnungen (1983) (NF)
Sammlungen von Aufsätzen zu Dillards Naturbeobachtungen.

Dixon, Bernard, Hrsg. | Von der Schöpfung zum Chaos: Klassisches Schreiben in der Wissenschaft (1989) (NF)
Eine Sammlung von Schriften, die die wichtigsten wissenschaftlichen Untersuchungen der letzten 150 Jahre darstellen.

Djerassi, Carl | Das Dilemma des Kantors (1989) (F)
Zwei Wissenschaftler, die den Nobelpreis für Krebsforschung erhalten, stehen im Verdacht, Daten gefälscht zu haben.

Dorris, Michael | Die gebrochene Schnur: Der anhaltende Kampf einer Familie mit dem fetalen Alkoholsyndrom (1989) (NF)
Die Geschichte der Adoption des Autors eines jungen indianischen Jungen, der an fetalem Alkoholsyndrom leidet.

Doyle, Rodger P. | Die medizinischen Kriege (1983) (NF)
Krankheit und ihre Ursachen.

Dugatkin, Lee Alan | Betrügende Affen und Bürgerbienen: Die Natur der Zusammenarbeit bei Tieren und Menschen (1999) (NF)
Eine Erklärung, warum sich Tiere gegenseitig helfen.

Durden, Kent | Geschenke eines Adlers (1972) (NF)
Der Bericht des Autors über die Rettung eines Steinadler-Nestlings.

Eckert, Allan W. | Der große Auk (1963) (F)
Eine fiktive, aber glaubwürdige Geschichte darüber, wie Menschen zum Aussterben einer Spezies beitragen.

Eckert, Allan W. | The Silent Sky: Das unglaubliche Aussterben der Reisetaube (1983) (NF)
Eckert liefert einen Roman um die Rolle des Menschen beim Aussterben der Reisetaube.

Ehrlich, Paul | Die Bevölkerungsbombe (1976) (NF)
Eine Behandlung der Bevölkerungsexplosion ohne Berücksichtigung der Möglichkeit technologischer Entwicklungen.

Eiseley, Loren | Die immense Reise (1957) (NF)
Eine Sammlung von Essays zur Evolution aus der Sicht eines Anthropologen.

Ellis, Mel et al. | Das Land, immer das Land (1998) (NF)
Essays über die Natur – ein Kapitel für jeden Monat des Jahres.

Feynman, Richard P. | "Sicher machen Sie Witze, Mr. Feynman!" Abenteuer eines neugierigen Charakters (1999) (NF)
Ein Buch mit Anekdoten über das Leben des Nobelpreisträgers, das auch ein Laie verstehen kann und das unterhält und gleichzeitig aufklärt.

Fossey, Diana Gorillas im Nebel (1983) (NF)
Fosseys eigene Geschichte über die Arbeit mit Gorillas im abgelegenen afrikanischen Regenwald.

Frank-Kamenetskii, Maxim D. | DNA entwirren: Das wichtigste Molekül des Lebens (1997) (NF)
Was war seit 1996 über DNA und das Gebiet der Molekulargenetik bekannt?

Franklin, Jon | Moleküle des Geistes: Die schöne neue Wissenschaft der molekularen Psychologie (1987) (NF)
Der Zusammenhang zwischen chemischen Ungleichgewichten im Gehirn und psychischen Erkrankungen.

Gallo, Robert | Virusjagd: AIDS, Krebs und das menschliche Retrovirus: Eine Geschichte der wissenschaftlichen Entdeckung (1991) (NF)
Eine Verteidigung gegen die Vorwürfe unethischen Verhaltens, die während Gallos Entdeckung des AIDS-Virus erhoben wurden.

Garrett, Laurie | Die kommende Pest: Neu auftretende Krankheiten in einer aus dem Gleichgewicht geratenen Welt (1995) (NF)
Garretts Dissertation über neu auftretende und wieder auftretende Krankheiten.

Gear, Kathleen und W. Michael | Volk des Wolfes (1994), Volk des Feuers (1992), Menschen der Erde (1994) (F)
Ein Anthropologen-Ehepaar schreibt über die Ureinwohner Nordamerikas, bevor die Geschichte geschrieben wurde.

Guten Tag, Jane | Im Schatten des Menschen (1983) (NF)
Goodalls Geschichte ihrer Arbeit mit Schimpansen.

Guten Tag, Jane | Durch ein Fenster: Meine dreißig Jahre bei den Schimpansen von Gombe (1990) (NF)
Die Fortsetzung von Im Schatten des Menschen.

Guten Tag, Jane | Grund der Hoffnung: Eine spirituelle Reise (1999) (NF)
Eine Erweiterung von Goodalls erstem Buch mit mehr Betonung ihrer Philosophie.

Gould, Stephen Jay | Seit Darwin: Reflexionen in der Naturgeschichte (1977), Der Daumen des Pandas: Mehr Reflexionen in der Naturgeschichte (1980), Hühnerzähne und Pferdezehen (1983), Das Lächeln des Flamingos: Reflexionen in der Naturgeschichte (1985), Bully für Brontosaurus: Reflexionen in der Naturgeschichte (1991), Wunderbares Leben: Die Burgess of Shale und die Natur der Geschichte (1998), Das Fehlmaß des Menschen (1999) (NF)
Essays über Evolution und Naturgeschichte.

Grace, Eric S. | Biotechnologie entpackt: Versprechen und Realitäten (1997) (NF)
Bietet die Grundlagen über DNA und eine Erklärung der Gentechnik.

Hagen, Joel, Douglas Allchin und Fred Singer | Biologie machen (1997) (NF)
Dokumentiert die Entdeckung der Ursache von Beriberi, den Prozess der Chemiosmose, die Details des Krebs-Zyklus und vieles mehr.

Hamer, Dekan | Mit unseren Genen leben: Warum sie wichtiger sind, als Sie denken (1998) (NF)
Ein Blick auf die möglichen Verbindungen zwischen unseren Genen und unserer Persönlichkeit, sexueller Orientierung, risikoreichem Verhalten usw.

Heersink, Mary | E. coli 0157: Die wahre Geschichte des Kampfes einer Mutter mit einer Killermikrobe (1996) (NF)
Eine Mutter schreibt über die bakterielle Infektion, die ihren Sohn beinahe getötet hätte, nachdem er auf einem Pfadfinderausflug falsch gekochte Hamburger gegessen hatte.

Heinrich, Bernd | Raben im Winter (1989) (NF)
Die Beobachtungen des Autors über das Verhalten von Raben über mehrere Maine-Winter.

Heiser, Charles Bixler | Von Pflanzen und Menschen (1992) (NF)
Eine Sammlung von Aufsätzen zur Ethnobotanik.

Henig, Robin | Eine tanzende Matrix: Reisen entlang der Virusgrenze (1993) (NF)
Eine etwas veraltete Behandlung neu auftretender Viren und wie unser Verhalten uns für Virusepidemien prädisponiert.

Henig, Robin | Der Mönch im Garten: Das verlorene und gefundene Genie von Gregor Mendel, dem Vater der Genetik (2000) (NF)
Die Geschichte von Mendel und den drei Wissenschaftlern, die später seine Arbeit wiederentdeckten.

Hoover, Helen | Geschenk des Hirsches (1966) (NF)
Die Geschichte der Erfahrungen einer Familie mit einer Weißwedelhirschfamilie, die sie mehrere Jahre lang besucht.

Hoover, Thomas | Lebensblut (Taschenbuch 2000) (F)
Eine Klinik in den Tropen rekrutiert junge Frauen für Fruchtbarkeitsexperimente, um Kinder zu produzieren, die über Adoptionsagenturen "verkauft" werden.

Horner, John | Digging Dinosaurs: Die Suche, die das Geheimnis der Baby-Dinosaurier enthüllte (1999) (NF)
Ein Blick auf Dinosaurierfossilien und die Menschen, die danach suchen.

Hoyle, Fred | Die Natur des Universums (1960) (NF)
Eine Sammlung von Radiogesprächen über Astronomie, die der Autor, ein berühmter britischer Astronom, in den 1950er Jahren verfasst hat.

Huxley, Aldous | Schöne neue Welt (1932) (F)
Ein provokatives Stück futuristischer Science-Fiction.

Johanson, Donald | Lucy: Die Anfänge der Menschheit (1981) (NF)
Einer Beschreibung des Findens und Analysierens von Lucy geht eine Geschichte der Paläoanthropologie voraus.

Jones, Steve | Darwins Geist (2000) (NF)
Wunderbare und leicht zu lesende, aktualisierte Version von Entstehung der Arten unter Verwendung des genauen Inhaltsverzeichnisses von Darwin (und vieler von Darwins Originalwörtern), aber Ersetzen der Beispiele aus dem 19. Jahrhundert durch moderne, die HerkunftArgumente zur natürlichen Auslese.

Karlen, Arno | Napoleons Drüsen und andere Unternehmungen in der Biogeschichte (1984) (NF)
Eine Diskussion darüber, wie Krankheiten die menschliche Geschichte beeinflusst haben.

Keller, Evelyn Fox | Ein Gefühl für den Organismus: Leben und Werk von Barbara McClintock (Taschenbuch 1984) (NF)
Eine Biographie des Nobelpreisträgers McClintock, dessen Arbeiten zu transponierbaren Genen seiner Zeit Jahrzehnte voraus waren.

Kingsolver, Barbara | Die Poisonwood-Bibel (1999) (F)
Eine Geschichte, die durch die Stimmen von vier Töchtern eines Baptisten-Missionars im Kongo erzählt wird.

Kingsolver, Barbara | Verlorener Sommer (2000) (F)
Naturthemen ziehen sich durch die Erzählung von drei Geschichten, die in Appalachia spielen.

Kolata, Gina | Grippe: Die Geschichte der großen Influenza-Pandemie (2001) (NF)
Die Geschichte, wie das Grippevirus am Ende des Ersten Weltkriegs 40 Millionen Menschen tötete, die Geschichten von Überlebenden recherchierte und die Ursachen dieser schrecklichen Epidemie und ihres Erbes analysierte.

Koontz, Dekan | Nutze die Nacht (1998), Nichts fürchten (1998) (F)
Die Hauptfigur ist gezwungen, nachts ihre Detektivarbeit zu verrichten, weil er an Xeroderma pigmentosa leidet, einer genetischen Krankheit, die es ihm unmöglich macht, genetische Schäden, die durch ultraviolettes Licht entstehen, zu reparieren.

Krakauer, Jon | In dünne Luft: Ein persönlicher Bericht über die Mount-Everest-Katastrophe (1997) (NF)
Krakauer war Teil der unglückseligen Mount-Everest-Expedition, bei der neun Menschen ums Leben kamen.

Kyle, Stephen | Jenseits der Erinnerung (2000) (F)
Ein Bioterrorist hat ein Virus auf die Welt gesetzt.

Lax, Eric | Der Schimmel in Dr. Floreys Mantel: Die Geschichte des Penicillin-Wunders (2004) (NF)
Die wahre Geschichte über die Entwicklung des Medikaments Penicillin nach seiner Entdeckung durch Alexander Fleming. ("eine interessante, aber schwierige Lektüre")

Leakey, Richard und Roger Lewin | Das sechste Aussterben: Biodiversität und ihr Überleben (1996) (NF)
Es herrscht Unsicherheit über die Ursachen der ersten fünf Massenaussterben, aber der Mensch ist der Schuldige des gegenwärtigen sechsten Massenaussterbens von Arten.

LeGuin, Ursula | Die linke Hand der Dunkelheit (1999) (F)
Die Geschichte eines Gesandten von der Erde, der zu einem anderen Planeten reist, um eine Beziehung zwischen den beiden Planeten herzustellen.

Leopold, Aldo | Sand County Almanach und Skizzen hier und da (1949) (NF)
Eine Reihe von Essays über die Pflanzen und Tiere, die mit der Farm des Autors in Wisconsin verbunden sind.

Leroi, Armand Marie | Mutanten: Über genetische Vielfalt und den menschlichen Körper (2003) (NF)
Bezieht die Variabilität auf die menschliche Embryologie und das Wachstum, diskutiert Rasse und seltsame genetische Bedingungen wie die der Straußenfüßer und siamesischen Zwillinge.

Levay, Simon | Das sexuelle Gehirn (1993) (NF)
Eine Diskussion des aktuellen Wissens über Sex und das Gehirn.

Levi-Montalcini, Rita | Lob der Unvollkommenheit (1988) (NF)
Autobiographie eines von zwei Wissenschaftlern, die 1984 den Nobelpreis für die Isolierung eines Nervenwachstumsfaktors bei Mäusen erhielten.

Lorenz, Konrad | König Salomos Ring (1952) (NF)
Ein Blick auf das Verhalten von Tieren durch die Augen des "Vaters der Ethologie".

Lynch, Patrick | Transportunternehmen (1996) (F)
Im Regenwald schlüpft ein Organismus, der hundertmal ansteckender ist als Ebola.

Lynch, Patrick | Omega (1997) (F)
Superbugs (Bakterien, die gegen alle bekannten Antibiotika resistent sind) sind in Los Angeles auf der Flucht und nur ein Superantibiotikum kann sie bekämpfen.

Lyons, Jeff | Altered Fates: Gentherapie und Umrüstung des menschlichen Lebens (1995) (NF)
Eine historische Behandlung des Potenzials und der Probleme der Gentherapie.

Lyons, Jeff | Gott spielen im Kindergarten (1985) (NF)
Eine warnende Diskussion über den Einsatz extremer Anstrengungen zur Rettung von Frühchen und behinderten Babys.

Maddox, Brenda | Rosalind Franklin: Die dunkle Dame der DNA (2003) (NF)
Ein sehr persönlicher Blick auf eine brillante Wissenschaftlerin, die für ihre Röntgenkristallographien von DNA, die Watson und Crick half, das Geheimnis der Doppelhelix zu lösen, nie die Anerkennung erhielt, die sie verdiente.

Ahorn, William | Tote Männer erzählen Geschichten: Die seltsamen und faszinierenden Fälle eines forensischen Pathologen (1994) (NF)
Dr. Maples erzählt die Geschichten seiner seltsamsten, interessantesten und makabersten Fälle.

Marion, Robert | War George Washington wirklich der Vater unseres Landes? (1994) (NF)
Spekulationen über die Auswirkungen genetischer Störungen und Krankheiten auf historische Persönlichkeiten wie JFK, Lincoln, Bonaparte usw.

Marr, John S. | Die elfte Plage (1999) (F)
Die 10 Plagen Ägyptens werden von einem Bioterroristen heimgesucht.

Massie, Robert K. | Nikolaus und Alexandra (1995) (F)
Massie, der Vater eines Hämophilen, schreibt einen fiktiven Bericht über Nikolaus II., den letzten russischen Zaren, und seine Frau Alexandra.

Mawer, Simon | Mendels Zwerg (1998) (F)
Mendels Ur-Ur-Ur-Neffe ist ein prominenter Genforscher, der an achondroplastischem Zwergwuchs leidet. Ein verstörendes Ende und erotische Passagen können dieses Buch für Studenten ungeeignet machen.

Mayr, Ernst | Das Wachstum des biologischen Denkens: Vielfalt, Evolution und Vererbung (1982) (NF)
Bespricht die Versuche des Menschen, die Vielfalt der Lebensformen auf der Erde zu klassifizieren und zu verstehen.

Mayr, Ernst | Auf dem Weg zu einer neuen Philosophie der Biologie: Beobachtungen eines Evolutionisten (1988) (NF)
Verbindet die Wissenschaft der Biologie, Philosophie und Evolution.

Mayr, Ernst | Ein langes Argument: Charles Darwin und die Entstehung des modernen evolutionären Denkens (1991) (NF)
Eine Analyse von Darwins Evolutionstheorien und deren Auswirkungen auf die Wissenschaft.

Mayr, Ernst | Das ist Biologie: Die Wissenschaft der lebenden Welt (1997) (NF)
Verfolgt die Entwicklung der Biologie von den alten Griechen bis zum Zeitalter der Biotechnologie und stellt Beziehungen zu Geschichte und Ethik her.

Mayr, Ernst | Was ist Evolution? (2001) (NF)
Er argumentiert, dass die Evolution keine Theorie, sondern eine Tatsache ist – liefert interessante Beweise für die Bevölkerung und endet mit "How Did Mankind Evolve?"

McGrayne, Sharon Bertsch | Nobelpreisträgerinnen für die Wissenschaft: Ihr Leben, ihre Kämpfe und bedeutsame Entdeckungen (1993) (NF)
Die Geschichte von 14 Frauen, die entweder den Nobelpreis gewonnen oder von einer anderen Wissenschaftlerin zum Gewinn beigetragen haben.

McGrayne, Sharon Bertsch | Prometheans im Labor: Chemie und die Entstehung der modernen Welt (2001) (NF)
Von Nylon über Dünger bis DDT – Geschichten von neun Chemikern, die die Aufregung und Bedeutung ihrer Arbeit in der modernen Welt nach Hause bringen.

McNamee, Gregory, Hrsg. | Der Sierra Club-Leser (Taschenbuch 1995) (NF)
Eine Sammlung von Schriften aus dem Sierra Club.

Mitchell, W.J.T. | Der letzte Dinosaurier: Das Leben und die Zeiten einer Kulturikone (1998) (NF)
Ein Blick auf das sich entwickelnde Bild des Dinosauriers.

Mones, Paul | Die Gerechtigkeit verfolgen (1996) (NF)
Mones berichtet über das erste Mal, dass in den USA DNA-Fingerabdrücke verwendet wurden, um einen Serienmörder zu verurteilen.

Montgomery, Sy | Wandern mit den Menschenaffen: Jane Goodall, Dian Fossey, Birute Galdikas (1991) (NF)
Die Geschichten von drei großen Primatologen, die ihr Leben der Erforschung einer anderen Primatenart gewidmet haben.

Morris, Desmond | Der nackte Affe: Die Studie eines Zoologen über das menschliche Tier (1967) (NF)
Eine Untersuchung des Menschen aus wissenschaftlicher Sicht.

Morris, M. E. | Biostreik (Taschenbuch 1996) (F)
Ein außer Kontrolle geratener Frachter voller tödlicher Bakterien muss gestoppt werden.

Mowat, Farley | Weine niemals Wolf (1963) (NF)
Mowat erzählt von seinen Abenteuern mit einer Wolfsfamilie.

Mowat, Farley | Woman in the Mists: Die Geschichte von Dian Fossey und den Berggorillas (1988) (NF)
Die Geschichte von Fosseys Leben mit den Gorillas von Ruanda, Afrika, und eine Theorie, warum sie ermordet wurde.

Mullis, Kary | Nackt im Gedankenfeld tanzen (1998) (NF)
Eine Beschreibung der Abenteuer des Autors auf dem Weg zur Erfindung der PCR.

Nesse, Randolph M., M.D. und George C. Williams | Warum wir krank werden: Die neue Wissenschaft der Darwinistischen Medizin (1995) (NF)
Beschreibt Krankheit als wichtig für die Verbesserung unserer Anpassung an unsere Umwelt (Entwicklung von Fieber, Niesen usw.) und stellt neue Wege zur Behandlung von Problemen auf der Grundlage darwinistischer Prinzipien auf.

Edel, Holcomb | Weiter: Kommende Ära in der Medizin (1988) (NF)
Eine Vorhersage der Zukunft von Medizin und Technik.

Oldstone, Michael | Viren, Seuchen und Geschichte (1998) (NF)
Der Einfluss übertragbarer Krankheiten auf die Geschichte.

Oppel, Kenneth | Die Heilung des Teufels (2001) (F)
Ein Gefängnisinsasse mag das Heilmittel gegen Krebs im Blut haben, aber es kann mehr sein, als Dr. Laura Donaldson erwartet hatte.

Peattie, Donald C. | Blühende Erde: Holzstiche von Paul Landacre (1991) (NF)
Ein Nachdruck des Buches über die Geschichte des Pflanzenreichs von 1939.

Perutz, Max F. | Ist Wissenschaft notwendig? Essays über Wissenschaft und Wissenschaftler (1989) (NF)
Ein Buch mit Essays eines mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Molekularbiologen.

Peters, C.J., et al. | Virus Hunter: Dreißig Jahre Kampf gegen heiße Viren auf der ganzen Welt (1997) (NF)
C. J. Peters sah die meisten der neu auftretenden Viren während seiner CDC-Jahre und lebte, um die Geschichte zu erzählen.

Plotkin, Mark J. | Geschichten eines Schamanenlehrlings: Ein Ethnobotaniker auf der Suche nach neuen Medikamenten im Amazonas-Regenwald (1993) (NF)
Plotkin hat versucht, von südamerikanischen Schamanen alles über die medizinische Verwendung von Pflanzen zu erfahren, bevor sie aussterben.

Pohl, Friedrich | Tschernobyl (1987) (F)
Der Autor reiste nach Moskau, um die Fakten zu sammeln, die in diesem fiktiven Bericht über die russische Atomkatastrophe verwendet wurden.

Poole, Joyce | Erwachsenwerden mit Elefanten: A Memoiren (1996) (NF)
Die Geschichte von Elefanten, ihrem Lebensraum und wie Menschen sie gefährden.

Preston, Richard | Die heiße Zone (1995) (F)
Eine erschreckende Geschichte eines Ebola-Ausbruchs.

Preston, Richard | Das Cobra-Event (1997) (F)
Eine bioterroristische Geschichte über die Verbreitung gentechnisch veränderter Krankheitserreger.

Preston, Richard | Der Dämon im Gefrierschrank: Eine wahre Geschichte (2002) (NF)
Die Geschichte und Ausrottung des Pockenvirus.

Quammen, David | Flug des Leguans: Ein seitlicher Blick auf Wissenschaft und Natur (1988) (NF)
Eine Sammlung von Naturaufsätzen, die ursprünglich in Draußen Zeitschrift.

Quammen, David | Das Lied des Dodo: Inselbiogeographie im Zeitalter des Aussterbens (1996) (NF)
Eine Studie zur Inselbiogeographie und wie sie sich auf das Aussterben und den Naturschutz auswirkt.

Quinn, Daniel | Ismael, 5. Aufl. (1995), Die Geschichte von (1996), Mein Ismael: Eine Fortsetzung (1997) (F)
Quinns ungewöhnlicher Geschichtenerzähler erzählt Geschichten von einer spirituellen Reise mit ökologischen Untertönen, die er drei verschiedenen Schülern erzählt.

Raup, David M. | Aussterben: Schlechte Gene oder Pech (1991) (NF)
Theorien zum Aussterben.

Reichs, Kathy | Deja Dead (1997), Tod du Jour (1999), Tödliche Entscheidungen (2000) (F)
Reichs ist eine forensische Anthropologin, deren Hauptfigur Temperance Brennan dieselbe ist und die ihre Zeit genau wie Reichs zwischen North Carolina und Kanada aufteilt.

Restak, Richard | Rezeptoren: Das Gehirn hat seinen eigenen Geist (1994) (NF)

Rhodes, Richard | Tödliche Feste: Die „Prion“-Kontroverse und die öffentliche Gesundheit (1997) (NF)
Ein Blick in die jahrzehntelange Erforschung von Krankheiten wie Kuru, Scrapie und Rinderwahnsinn.

Ridley, Matt | Genom: Die Autobiographie einer Art in 23 Kapiteln (2000) (NF)
Die Geschichte eines Gens auf jedem unserer Chromosomen und wie es die Entwicklung beeinflusst.

Ridley, Matt | Natur durch Pflege – Gene, Erfahrung & was uns menschlich macht (2003)(NF)
Untersucht die Argumente zwischen Natur und Pflege und präsentiert neue Beweise dafür, dass komplizierte Beziehungen zwischen Genen und der Umwelt sie voneinander abhängig machen.

Roberts, Royston M. | Serendipity: Zufallsentdeckungen in der Wissenschaft (1989) (NF)
Eine Sammlung von Geschichten über zufällige Entdeckungen, die die Wissenschaft verändert haben.

Roueche, Berton | Elf blaue Männer und andere Erzählungen der medizinischen Erkennung (1953), Der orangefarbene Mann und andere Erzählungen der medizinischen Erkennung (1971) (NF)
Eine Sammlung von Aufsätzen über medizinische Störungen und deren Erkennung.

Ryan, Frank | Virus X: Verfolgung der neuen Killer-Plagen aus der Gegenwart und in die Zukunft (1997) (NF)
Eine weniger sensationelle Geschichte über neu auftretende und wieder auftauchende Viren als Laurie Garretts Buch.

Sacks, Oliver | Die Insel der Farbenblinden (1997) (NF)
Der Autor untersucht die totale Farbenblindheit und eine seltene Art von Lähmung angesichts ihres Auftretens in den Populationen der pazifischen Inseln, einschließlich Anthropologie, Botanik und Medizin.

Sagan, Carl | Die Drachen von Eden: Spekulationen über die Evolution der menschlichen Intelligenz (1977) (NF)
Ein etwas veralteter Blick auf die Evolution des menschlichen Gehirns.

Sagan, Carl | Die von Dämonen heimgesuchte Welt: Wissenschaft als Kerze im Dunkeln (1996) (NF)
Ein Blick darauf, wie Wissenschaft funktioniert und wie wissenschaftliches kritisches Denken in anderen Disziplinen eingesetzt werden kann.

Sagan, Carl und Ann Durian | Shadows of Forgotten Ahnen: Eine Suche nach dem, was wir sind (1992) (NF)
Ein Blick auf die Evolution des Menschen beginnend mit dem Urknall.

Sayre, Anne | Rosalind Franklin und DNA (1978) (NF)
Franklin hat den Nobelpreis für die Entdeckung der DNA-Struktur nicht mehr überlebt, aber ihre Beiträge waren von unschätzbarem Wert.

Schlosser, Eric | Fast-Food-Nation: Die dunkle Seite der All-American-Mahlzeit (2001) (NF)
Ein beunruhigender Blick auf die leeren und überschüssigen Kalorien, ungesunde Menüs und gefährliche Praktiken und Verarbeitungen, die diejenigen treffen können, die in Fastfood-Restaurants speisen.

Schreiber, Whitley et al. | Ende der Natur: Die Folgen des 20. Jahrhunderts (1986) (F)
Eine warnende Geschichte darüber, was passieren wird, wenn wir die Umwelt weiterhin so schnell zerstören wie im 20. Jahrhundert.

Shnayerson, Michael und Mark Plotkin | Die Killer im Inneren: Der tödliche Aufstieg arzneimittelresistenter Bakterien (2003) (NF)
Mit dem Fokus auf Staphylokokken-, Streptokokken- und Darmbakterien werden Antibiotikaresistenzen erklärt und Warnungen bezüglich des Übergebrauchs von Medikamenten sowohl bei Menschen als auch bei Nutztieren gemacht. Vorschläge zur Minderung der Probleme und zur Suche nach neuen Antibiotikaquellen werden diskutiert.

Silverstein, Hermann | Beweisfäden (1997) (NF)
Ein Blick in die Forensik mit Beispielen aus der Praxis.

Slack, J. M. W. | Egg and Ego: Eine fast wahre Lebensgeschichte im Biologielabor (1999) (NF)
Weisheiten für jeden, der in die Wissenschaft einsteigen möchte.

Stein, Irving | Der Ursprung: Ein biografischer Roman von Charles Darwin (1980) (F)
Eine fiktive biografische Darstellung von Darwins Leben.

Sykes, Brian | Die sieben Töchter von Eva: Die Wissenschaft, die unsere genetische Abstammung enthüllt (2001) (NF)
Wie die Entschlüsselung mitochondrialer DNA Fragen zur menschlichen Herkunft beantwortet.

Thomas, Lewis | Das Leben einer Zelle: Notizen eines Biologiebeobachters (1978), Die Medusa und die Schnecke: Weitere Notizen eines Biologiebeobachters (1979), Die fragile Spezies (1992), Die jüngste Wissenschaft: Notizen eines Medizin-Beobachters (1984) (NF)
Thomas Sammlungen von Essays über das Leben.

Vonnegut, Kurt | Galapagos (1987) (F)
Eine futuristische Geschichte vom Ende der Welt, die auf den Galapagos-Inseln spielt.

Wabaugh, Joseph | Die Blutung (1991) (F)
Ein Roman, der auf dem Fall der ersten Verwendung von DNA-Fingerabdrücken bei einer britischen Vergewaltigungs- und Mordermittlung basiert.

Warner, William | Schöne Schwimmer: Wassermänner, Krabben und die Chesapeake Bay (1976) (NF)
Die Geschichte des Lebens an der Chesapeake Bay.

Watson, James | Die Doppelhelix (1968) (NF)
Watsons Bericht über die Ereignisse, die zur Entdeckung der DNA-Struktur führten.

Watson, James | DNA: Das Geheimnis des Lebens (2003) (NF)
Eine Geschichte der DNA von Mendel bis zur Genomsequenzierung.

Weinberg, Samantha | Ein Fisch in der Zeit gefangen: Die Suche nach dem Quastenflosser (2000) (NF)
Die Geschichte der Suche nach dem Quastenflosser.

Weiner, Jonathan | Der Schnabel des Finken: Eine Geschichte der Evolution in unserer Zeit (1994) (NF)
Die Geschichte von Rosemary und Peter Grant, die seit 20 Jahren die Schnabelentwicklung bei Finken auf der Insel Daphne auf den Galapagos-Inseln beobachten.

Weiner, Jonathan | Zeit, Liebe und Erinnerung: Ein großer Biologe und seine Suche nach den Ursprüngen des Verhaltens (1999) (NF)
Eine Biographie von Seymour Benzer, dem Mann, der entdeckte, wie man virale DNA verwendet, um ein Gen zu kartieren.

Weissman, Gerald | The Woods Hole Cantata: Essays über Wissenschaft und Gesellschaft (1985) (NF)
Eine Sammlung von Essays, die die Parallelen zwischen Wissenschaft und Gesellschaft aufzeigen.

White, Ryan und Ann Marie Cunningham | Ryan White: Meine eigene Geschichte (1991) (NF)
Eine Biografie von Ryan White, einem der berühmtesten AIDS-Opfer.

Wills, Christopher | Gelbfieber, schwarze Göttin: Die Verwicklung von Menschen und Seuchen (1997) (NF)
Ein Blick darauf, wie sich Krankheiten auf die Geschichte ausgewirkt haben, zusätzlich zu einer Analyse aktueller Krankheiten.

Wilson, Charles | Ausgestorben (1997) (F)
Die Golfküste wird von einem Megalodon terrorisiert, "vermutlich ausgestorben" Vorfahren des Weißen Hais (nur größer).

Wilson, Edward O. | Die Vielfalt des Lebens (1992) (NF)
Ein Blick auf den Verlust von Vielfalt, seine Auswirkungen und einige Lösungsansätze.

Wilson, Edward O. | Soziobiologie: Die neue Synthese: Fünfundzwanzigste Jubiläumsausgabe (2000) (NF)
Eine Beschreibung der damals neuen Wissenschaft der Soziobiologie (das Studium der biologischen Grundlagen des Sozialverhaltens).

Wimpier, Eric P. | Warum Gänse nicht fettleibig werden (und wir schon): Wie sich die Überlebensstrategien der Evolution auf unseren Alltag auswirken (1998) (NF)
Wirft einen Blick darauf, wie Tiere (einschließlich Menschen) Strategien entwickelt haben, um ihnen beim Überleben zu helfen.

Zimmer, Carl | Am Rande des Wassers: Fische mit Fingern, Wale mit Zehen und wie das Leben an Land kam und zurück ins Meer ging (1998) (NF)
Die Geschichte der Wirbeltierentwicklung mit ausführlichen Beispielen.

Zimmer, Carl | Parasite Rex: In der bizarren Welt der gefährlichsten Kreaturen der Natur (2000) (NF)
Ein gründlicher Blick auf Parasiten.

Zimmer, Carl | Evolution: Der Triumph einer Idee (2001) (NF)
Eine Evolutionsgeschichte für den Laien.

Zimmermann, Barry E. | Killerkeime: Mikroben und Krankheiten, die die Menschheit bedrohen (1996) (NF)
Eine grafische Behandlung neu auftretender und wieder auftretender Krankheiten.

Tricia Glidewell hat 24 Jahre lang AP-Biologie in Atlanta unterrichtet und war 12 Jahre lang als AP-Leserin und Tabellenführerin tätig. Sie ist seit 15 Jahren Beraterin des College Boards und unterrichtet neue und erfahrene Lehrer im gesamten Südosten von eintägigen Workshops und einwöchigen Sommerinstituten. 1999 erhielt sie den Outstanding Biology Teacher Award des Bundesstaates Georgia.

Carolyn Schofield Bronston hat an der Memorial High School in Spring Branch und an der Robert E. Lee High School in Tyler in Texas unterrichtet. Sie ist seit 1979 als Beraterin für das College Board unterwegs, liest auch jeden Juni die AP-Prüfung und verfasste die Lehrerhandbuch – AP Biologie, hat die AP Teacher's Corner ins Leben gerufen, ist Mitglied des Biology Development Committee und dient als AP Biology Content Advisor für AP Central. Sie ist Gewinnerin des Presidential Award for Excellence, des OBTA for Texas, des Tandy Award und des Texas Excellence Award.


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Zusammenfassung des Autors

In den meisten Wissenschafts-, Medizin- und Technologieforschungsbereichen stellen Männer mehr als die Hälfte der Erwerbstätigen, insbesondere in den oberen Führungsebenen. Die meisten früheren Arbeiten kamen zu dem Schluss, dass der Gender Gap heute geringer ist als in der Vergangenheit, was den Eindruck erweckt, dass es bald gleich viele Forscherinnen und Forscher geben wird und dass die aktuellen Initiativen zur Rekrutierung und Bindung von Frauen angemessen funktionieren. Hier haben wir computergestützte Methoden verwendet, um die Anzahl der Autorinnen und Autoren zu bestimmen, die in >10 Millionen seit 2002 veröffentlichten wissenschaftlichen Arbeiten aufgeführt sind Medizin. Wir kommen zu dem Schluss, dass viele Forschungsrichtungen (z. B. Chirurgie, Informatik, Physik und Mathematik) in diesem Jahrhundert angesichts der heutigen Zunahme der Zahl von Autorinnen keine Geschlechterparität erreichen werden. Darüber hinaus ist das Geschlechtergefälle von Land zu Land sehr unterschiedlich, wobei Japan, Deutschland und die Schweiz auffallend wenige Autorinnen haben. Frauen wurden seltener beauftragt, „eingeladene“ Aufsätze zu schreiben, was der geschlechtsspezifischen Voreingenommenheit von Zeitschriftenredakteuren entspricht, und wurden seltener in Autorenpositionen gefunden, die normalerweise mit dem Dienstalter verbunden sind (d. h. der zuletzt aufgeführte oder alleinige Autor). Unsere Ergebnisse stützen die Notwendigkeit weiterer Reformen, um das Geschlechtergefälle zu schließen.

Zitat: Holman L, Stuart-Fox D, Hauser CE (2018) The Gender Gap in Science: Wie lange dauert es, bis Frauen gleichberechtigt vertreten sind? PLoS Biol 16(4): e2004956. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2004956

Wissenschaftlicher Redakteur: Cassidy Sugimoto, Indiana University Bloomington, Vereinigte Staaten von Amerika

Empfangen: 29. November 2017 Akzeptiert: 14. März 2018 Veröffentlicht: 19. April 2018

Urheberrechte ©: © 2018 Holmanet al. Dies ist ein Open-Access-Artikel, der unter den Bedingungen der Creative Commons Attribution License vertrieben wird und die uneingeschränkte Verwendung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium gestattet, sofern der ursprüngliche Autor und die Quelle angegeben werden.

Datenverfügbarkeit: R-Code, der zum Sammeln und Analysieren der Daten verwendet wird, sowie eine kompakte Zusammenfassung unseres Datensatzes sind unter https://github.com/lukeholman/genderGapCode archiviert. Eine Web-App zur Erkundung der Daten finden Sie unter https://lukeholman.github.io/genderGap/. Der komplette Datensatz ist im Open Science Framework (https://osf.io/bt9ya/) archiviert. Die zur Validierung der Methode der Geschlechterzuordnung verwendeten Daten (und die somit keine Primärdaten für diese Studie sind) wurden von einem Dritten bezogen. Diese Daten befinden sich derzeit in Vorbereitung für die Veröffentlichung und werden danach öffentlich zugänglich sein.

Finanzierung: School of BioSciences, Universität Melbourne. Startkapital für Luke Holman. Der Geldgeber spielte keine Rolle beim Studiendesign, der Datenerhebung und -analyse, der Entscheidung zur Veröffentlichung oder der Erstellung des Manuskripts.

Konkurrierende Interessen: Die Autoren haben erklärt, dass keine konkurrierenden Interessen bestehen.

Abkürzungen: ISI, Institute for Scientific Information MeSH, Medical Subject Heading NSF, National Science Foundation OA, Open-Access STEMM, Science, Technology, Engineering, Mathematics and Medicine


Die Ursprünge der Quantenbiologie

Die Quantenbiologie wird normalerweise als eine neue Disziplin angesehen, die aus neueren Forschungen hervorgegangen ist, die darauf hindeuten, dass biologische Phänomene wie Photosynthese, Enzymkatalyse, Vogelnavigation oder Geruchssinn nicht nur innerhalb der Grenzen der klassischen Physik operieren, sondern auch eine Reihe von nicht-triviale Merkmale der Quantenmechanik, wie Kohärenz, Tunneln und vielleicht Verschränkung. Obwohl die wichtigsten Erkenntnisse in den letzten zwei Jahrzehnten entstanden sind, reichen die Wurzeln der Quantenbiologie jedoch viel tiefer – bis zu den Quantenpionieren des frühen 20. Jahrhunderts. Wir werden argumentieren, dass einige der Erkenntnisse dieser bahnbrechenden Physiker für unser heutiges Verständnis der Quantenbiologie relevant bleiben.

1. Einleitung

Es gibt immer mehr Hinweise darauf, dass eine Reihe spezifischer Mechanismen in lebenden Zellen die nicht trivialen Eigenschaften der Quantenmechanik nutzen, wie langlebige Quantenkohärenz, Superposition, Quantentunneln und sogar Quantenverschränkung – Phänomene, die zuvor als relevant angesehen wurden meist auf der Ebene isolierter molekularer, atomarer und subatomarer Systeme oder bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt, und wurden daher als nicht relevant für die für das Leben verantwortlichen Mechanismen angesehen. Es ist wichtig, zu Beginn dieses Aufsatzes und bevor wir uns mit den Ursprüngen der Quantenbiologie befassen, klarzustellen, dass das, was derzeit unter dem Begriff „Quanten“ in der Quantenbiologie verstanden wird, dies tut nicht bedeutet einfach Quantisierung: die Diskretisierung von Elektronenenergien, um chemische Stabilität, Reaktivität, Bindung und Struktur in lebenden Zellen zu berücksichtigen. Die Quantisierung gilt eindeutig für alle Materie im mikroskopischen Maßstab und wurde seit langem in die Standard-Molekularbiologie und -Biochemie aufgenommen. Heute bezieht sich die Quantenbiologie auf eine kleine, aber wachsende Zahl von eher spezifischeren Phänomenen, die in Physik und Chemie wohlbekannt sind, aber bis vor kurzem angenommen wurden, dass sie in der komplexen Umgebung lebender Zellen keine bedeutende Rolle spielen. Für eine aktuelle Diskussion über die jüngsten Fortschritte in der Quantenbiologie und deren Bedeutung siehe beispielsweise [1–3].

Eines der berühmtesten Beispiele für die nicht triviale Rolle, die die Quantenmechanik in der Biologie spielen könnte, ist die behauptete langlebige Quantenkohärenz, die beim Transport von Exzitonenenergie bei der Photosynthese beobachtet wird [4–6]. Während dieses Thema umstritten bleibt, findet die Quantenmechanik eine etabliertere Rolle im Tunneln von Elektronen und Protonen in der Enzymkatalyse [7–9]. Über diese Beispiele der Quantenbiologie hinaus wurde die Quantenverschränkung mit der Vogelnavigation in Verbindung gebracht [10–12], während vorgeschlagen wurde, dass Quantentunneln am Riechen [13] und an der Mutation beteiligt ist [14,15]. Spekulativ haben einige einen Zusammenhang zwischen Quantenkohärenz und Bewusstsein vorgeschlagen [16,17], obwohl diese Ansicht innerhalb der neurobiologischen Gemeinschaft wenig Unterstützung findet.

Doch während das aktuelle Interesse an der Quantenbiologie und der Erforschung der oben genannten Phänomene und Mechanismen erst in den letzten zwei Jahrzehnten aufkam [18], reichen die Ursprünge des Themas viel weiter zurück, bis zu den Quantenpionieren des frühen 20. Jahrhunderts. Wir werden argumentieren, dass einige der Erkenntnisse, die von einer Reihe dieser Physiker geliefert wurden, für unser heutiges Verständnis der Quantenbiologie relevant bleiben.

Die Ursprünge der Quantenbiologie werden oft bis ins Jahr 1944 und die Veröffentlichung von Erwin Schrödingers berühmtem Buch zurückverfolgt. Was ist Leben? [19]. Doch schon zuvor hatten mehrere andere Quantenphysiker in die Biologie vorgedrungen. Der deutsche Physiker Pascual Jordan zum Beispiel veröffentlichte ein Jahr vor Schrödingers ein Buch mit dem Titel Physik und das Geheimnis des organischen Lebens [20], in dem er die Frage „Sind die Gesetze der Atomphysik und Quantenphysik für die Lebensvorgänge von ihrer Bedeutung?“ gestellt hatte. Tatsächlich hat Jordan über ein Jahrzehnt über diese Frage nachgedacht und den Begriff verwendet Quantenbiologie seit Ende der 1930er Jahre. Die düsteren Ursprünge, die sein Interesse an der Quantenbiologie motivierten und aufrechterhielten, sind untrennbar mit seiner politischen Sympathie für Nazi-Deutschland verbunden und spielen eine wichtige Rolle bei der Erklärung, warum das Feld nach Kriegsende nicht weiter florierte.

Die Quantenbiologie wurde tatsächlich kurz nach der Entwicklung der Quantenmechanik selbst geboren. 1927 war der mathematische Rahmen der neuen Quantenmechanik vorhanden, dank der Bemühungen von Bohr, Heisenberg, Pauli, Schrödinger, Dirac, Born, Jordan, Fermi und anderen. Errötet von ihrem Erfolg bei der Zähmung der Atomwelt und mit der Arroganz der Jugend auf ihrer Seite, verließen viele Quantenpioniere ihre Physiklabore und verließen ihre Tafeln, um neue wissenschaftliche Gebiete zu erobern. Die Mikrobiologie zusammen mit dem aufstrebenden Gebiet der Genetik und der Chromosomentheorie der Vererbung waren noch unerforschte Gebiete, und eine wachsende Zahl von Biophysikern und Biochemikern begann sich mehr als nur vorübergehend für diese Themen zu interessieren. Die Frage, ob die neue Atomphysik nicht auch etwas über die Bausteine ​​des Lebens zu sagen hat, lag daher für viele nahe.

Auch die Fortschritte in der Experimentalphysik zu dieser Zeit wirften neue Fragen auf. So wie Robert Hookes Mikroskop Mitte des 17. Jahrhunderts eine neue Welt des ganz Kleinen eröffnet hatte, so trugen neue Techniken und Schlüsselexperimente in den Jahrzehnten zwischen den beiden Weltkriegen dazu bei, den Grundstein für eine noch kleinere, molekulare Biologie zu legen. Dazu zählten die Entdeckung der Röntgen-Mutagenese durch H.J. Muller im Jahr 1927, Theodor Svedbergs Messung des Atomgewichts von Proteinen mit seiner berühmten Ultrazentrifuge Mitte der 1920er Jahre und später die Kristallisation eines Virus durch W.M. Stanley im Jahr 1935. Diese und andere Durchbrüche förderten das Gefühl des Optimismus, dass mit den Werkzeugen der Quantenmechanik endlich die Geheimnisse des Lebens enthüllt werden könnten.

Allerdings waren nicht alle so überzeugt, dass die Prinzipien der Physik und Chemie ausreichen würden, um die Biologie zu erklären. Einer dieser Kritiker war Niels Bohr selbst, und doch war es, wie wir sehen werden, Bohrs Pessimismus hinsichtlich der Bedeutung der Quantenmechanik bei der Entschlüsselung der Geheimnisse des Lebens, der paradoxerweise die Männer beeinflussen und inspirieren würde, die die Grundlagen der Quantenbiologie legen würden.

Gleichzeitig mit der Quantenrevolution in der Physik wurden enorme Fortschritte in der Biologie durch die neodarwinistische Synthese gemacht, die die wiederentdeckten Prinzipien der Mendelschen Vererbung mit den von Hugo de Vries und Thomas Hunt Morgan identifizierten Mutationen [21 ]. Es blieben jedoch viele Geheimnisse, insbesondere um die Natur des erblichen Materials. Mikroskopische Studien am Ende des 19. Jahrhunderts hatten sichtbare Chromosomenfasern mit Mendels erblichen Faktoren in Verbindung gebracht, die zu dieser Zeit „Gene“ genannt wurden. Biochemische Studien hatten ergeben, dass Chromosomen aus Proteinen und Nukleinsäuren bestehen, aber wie die genetische Information in gewöhnliche Chemikalien geschrieben und dann vererbt wurde, blieb ein völliges Rätsel. Darüber hinaus, obwohl die Idee von Vitalismus, die behauptete, dass es eine lebenswichtige „Lebenskraft“ gibt, die Organismen eine besondere Qualität verleiht, die in der unbelebten Materie fehlt, unter dem Einfluss der Fortschritte des 19. einige Aspekte des Lebens erforderten Prinzipien außerhalb der klassischen Wissenschaft. Zum Beispiel veröffentlichte der französische Philosoph Henri Bergson 1907 erstmals seine Kreative Entwicklung, in dem er argumentierte, dass Vererbung und Evolution von einem „elan vital“ oder „vitalen Impetus“ angetrieben werden, der den Lebenden eigen ist [22]. Viele Wissenschaftler blieben ähnlich unüberzeugt, dass die außergewöhnliche Dynamik des Lebens und der Vererbung durch klassische Wissenschaften wie Thermodynamik, organische Chemie und Physik erklärt werden könnte.

2. Die Organisten

Ein anderer Faktor, der die Geburt der Quantenbiologie beeinflusst, ist subtiler und hat mit der philosophischen Bewegung der Organismus das war bei vielen der führenden Wissenschaftler der Zeit beliebt. Der Organizismus war eine Reaktion auf zwei gegensätzliche Denkrichtungen in der Biologie. Der erste war Mechanismus, dessen Ursprünge mindestens so weit zurückreichen wie der französische Philosoph René Descartes, der behauptete, alle lebenden Organismen 1 seien im Wesentlichen Maschinen, die sich zwar in ihrer Komplexität, aber nicht im Prinzip von den Maschinen unterscheiden, die die industrielle Revolution vorangetrieben hatten. Die Bewegung neigte dazu, insofern reduktionistisch zu sein, als sie behauptete, dass in der Biologie wie bei allen anorganischen Phänomenen das Ganze nicht mehr als die Summe seiner Teile ist. Nach Ansicht der Mechanisten sollte alles Leben letztlich durch die grundlegenden Bausteine ​​der Materie und die sie verbindenden Kräfte erklärbar sein, die jeweils deterministischen physikalischen und chemischen Gesetzen gehorchen. Dem gegenüber steht der Vitalismus, der tief in den Religionen und Mythologien der Antike verwurzelt ist.

Die Organisten suchten einen Mittelweg. Sie akzeptierten, dass das Leben etwas Mysteriöses hat, behaupteten aber, dass das Mysterium könnten im Prinzip durch die Gesetze der Physik und Chemie erklärt werden - es müssen nur neue, noch unentdeckte Gesetze sein. Einer der frühen Befürworter des Organizismus war Ludwig von Bertalanffy, von dem allgemein anerkannt wird, dass er das interdisziplinäre Feld namens . gegründet hat Allgemeine Systemtheorie, das seitdem auf alles von der Biologie bis zur Kybernetik angewendet wurde. Seine Arbeiten gelten als Vorläufer der Systembiologie. In seinem Buch von 1928 Kritische Theorie der Bildung (Kritische Theorie der Morphogenese) [23] behauptete er, dass neue Organisationsprinzipien notwendig seien, um das Leben zu beschreiben. Seine Ideen beeinflussten viele andere Wissenschaftler, darunter den deutschen Physiker Pascual Jordan, der zusammen mit Max Born und Werner Heisenberg einer der Autoren des berühmten Dreimännerwerks von 1925 war. Dieses klassische Papier führte die Welt in die Matrixmechanik ein, den mathematischen Rahmen, auf dem die Quantenmechanik aufbaut. Im folgenden Jahr zog Jordan nach Kopenhagen, um mit Niels Bohr zu arbeiten.

1929 hielt Bohr vor dem Scandinavian Meeting of Natural Scientists einen Vortrag mit dem Titel „Die Atomtheorie und die grundlegenden Prinzipien der Beschreibung der Natur“ [24]. Nachdem er sich hauptsächlich auf die Erfolge der Quantenmechanik bei der Beschreibung der Natur der atomaren und subatomaren Welt konzentriert hatte, überlegte er, ob sie in der Biologie etwas zu sagen haben könnte:

Bevor ich zum Schluss komme, wäre es naheliegend, bei einer solchen gemeinsamen Naturforschertagung die Frage zu berühren, welches Licht auf die Problematik lebender Organismen durch die neusten Entwicklungen unserer hier geschilderten Kenntnisse über die atomaren Phänomene zu werfen ist. [24]

Es war nicht klar, worauf Bohr mit seiner Bemerkung über die „Probleme lebender Organismen“ hindeutete. Zu dieser Zeit versuchte er noch, seine philosophischen Ansichten, insbesondere zum Messproblem in der Quantenmechanik, sowie seine Ideen zur „Komplementarität“ zu klären, auf die wir weiter unten eingehen. Tatsächlich hatte er in seinem Vortrag von 1929 in seiner typisch vagen Art betont, dass

… die Entwicklung der Atomtheorie … hat uns zuallererst eine Erkenntnis von Gesetzen verschafft, die sich nicht in den Rahmen unserer gewohnten Wahrnehmungsweisen einordnen lassen Perspektiven, die gerade in der Diskussion um die Stellung lebender Organismen in unserem Weltbild vielleicht von entscheidender Bedeutung sein können. [24]

Aber trotz der Mehrdeutigkeit dieser Worte war Bohr dennoch eine äußerst charismatische und inspirierende Persönlichkeit, und sein Interesse an der Verbindung von Quantenmechanik und Leben ermutigte Pascual Jordan, seine eigenen Ideen weiterzuentwickeln. Nach seiner Rückkehr nach Deutschland und einer Anstellung an der Universität Rostock unterhielt Jordan in den nächsten Jahren einen regelmäßigen Briefwechsel mit Bohr über das Verhältnis von Physik und Biologie. Ihre Ideen gipfelten in der wohl ersten wissenschaftlichen Arbeit zur Quantenbiologie. Es wurde 1932 von Jordan geschrieben und erschien in der deutschen Zeitschrift Die Naturwissenschaften der Artikel trug den Titel „Die Quantenmechanik und die Grundprobleme der Biologie und Psychologie“ [25].

Jordan integrierte den Ansatz des Organizismus in sein Denken, indem er behauptete, dass die fehlenden Gesetze des Lebens die Regeln des Zufalls und der Wahrscheinlichkeit (der Indeterminismus) der Quantenwelt seien, die irgendwie in lebenden Organismen skaliert wurden. Er nannte dies seine „Verstärkertheorie“ und stützte sich auf Bohrs Vorstellung vom „irreversiblen Akt der Verstärkung“, der erforderlich ist, um die unscharfe Quantenrealität durch „Beobachten“ scharf zu fokussieren. Jordan glaubte, dass lebende Organismen in einzigartiger Weise in der Lage waren, diese Verstärkung auf eine Weise durchzuführen, die sich auffällig von unbelebter Materie wie einem Geigerzähler unterschied. Obwohl dies alles etwas vage erscheint – und das war es auch – ist der wichtige Punkt, dass Jordan überzeugt war, den Quantenindeterminismus von der subatomaren Welt auf die makroskopische Biologie ausweiten zu können. Er stellte sogar eine Verbindung mit dem freien Willen her, indem er eine Verbindung zwischen Quantenmechanik und Psychologie vorschlug.

Jordans Beharren darauf, dass lebende Organismen eine einzigartige Fähigkeit haben, das Quanten in die makroskopische Welt zu übertragen, hat viel Resonanz mit modernen Ansichten der Quantenbiologie. Er ging jedoch noch viel weiter und diskreditierte damit letztlich das gesamte Feld, indem er versuchte, seine Theorien in einer gegenseitigen Legitimation mit der NS-Philosophie zu verbinden. Und anders als zumindest von anderen deutschen Wissenschaftlern wie Heisenberg behauptet wurde, waren Jordans politische Ansichten nicht nur die eines Mannes, der vor dem heimtückisch feindseligen intellektuellen Klima des Deutschlands der 1930er Jahre kapitulierte, um sich „einzupassen“. Jordan hatte echte Sympathie für den Faschismus und die Nazi-Ideologie. Tatsächlich wurden seine biologischen Spekulationen zunehmend politisiert und mit der Nazi-Ideologie in Einklang gebracht. Er behauptete sogar, dass das Konzept eines einzigen diktatorischen Führers (Führers) oder Führers ein zentrales Lebensprinzip sei:

Wir wissen, dass es in einem Bakterium unter der enormen Anzahl von Molekülen, aus denen dieses … Wesen … besteht, eine sehr kleine Anzahl spezieller Moleküle gibt, die mit diktatorischer Autorität über den Gesamtorganismus ausgestattet sind, sie bilden ein Steuerungszentrum der lebenden Zelle. Die Absorption eines Lichtquants irgendwo außerhalb dieses Steuerungszentrums kann die Zelle ebensowenig töten, wie eine große Nation durch die Tötung eines einzigen Soldaten vernichtet werden kann. Aber die Absorption eines Lichtquants im Steuerungszentrum der Zelle kann den gesamten Organismus zu Tode und Auflösung bringen – ähnlich wie ein erfolgreich ausgeführter Angriff auf einen führenden Staatsmann eine ganze Natur in einen tiefgreifenden Auflösungsprozess versetzen kann. [25]

Dieser Versuch, die Nazi-Ideologie in die Biologie zu importieren, ist faszinierend und erschreckend zugleich. Jordan wies jedoch richtig darauf hin, dass unbelebte Objekte von der durchschnittlichen zufälligen Bewegung von Millionen von Teilchen beherrscht werden, so dass die Bewegung eines einzelnen Moleküls keinerlei Einfluss auf das gesamte Objekt hat. Diese Einsicht wird, wie wir sehen werden, normalerweise Erwin Schrödinger zugeschrieben, der später behauptete, dass sich das Leben aufgrund seiner Abhängigkeit von der Dynamik einer kleinen Anzahl von Molekülen von der anorganischen Chemie unterschied. Ähnlich argumentierte Jordan, dass die wenigen Moleküle, die die Dynamik lebender Zellen innerhalb des Steuerungszentrums kontrollieren, einen diktatorischen Einfluss haben, so dass Ereignisse auf Quantenebene, die ihre Bewegung bestimmen, wie das Heisenbergsche Unschärfeprinzip, verstärkt werden, um den gesamten Organismus zu beeinflussen.

Im August 1932, im selben Jahr, in dem Jordan seine Naturwissenschaften Auf dem Internationalen Kongress für Lichttherapie in Kopenhagen, Dänemark, hielt Niels Bohr einen weiteren wichtigen Vortrag [26]. Wie Jordan wurde er von der Ansicht der Organiker beeinflusst, dass die mysteriöse Zutat des Lebens noch zu entdecken sei, aber anstatt sich für Quantenunbestimmtheit zu entscheiden, behauptete Bohr, dass die mysteriöse Zutat ein Quantenkonzept sei, das er mitentwickelt hatte: Komplementarität. Oft als bezeichnet Welle-Teilchen-Dualität, war dies für viele ihrer Gründerväter der zentrale Grundsatz der Quantenmechanik. Tatsächlich ging für Bohr der Begriff der Komplementarität tiefer als die bloße Beschreibung der dualen Natur von Quanteneinheiten, und er versuchte später im Leben, ihn zu einem breiteren philosophischen Begriff zu erweitern. Aber in seiner einfachsten Form lässt es sich beispielsweise auf die Natur des Lichts anwenden, das sowohl wellen- als auch teilchenförmige Eigenschaften aufweisen kann, aber nie beides gleichzeitig: Die Eigenschaften sind komplementär. Bohr versuchte, diesen Begriff auf die Biologie auszudehnen, indem er argumentierte, dass es eine analoge Komplementarität zwischen der Funktionalität des Lebens und unserer Fähigkeit, es zu studieren, gebe. Auf einer Angeltour in der Ostsee um 1932 berichtet Werner Heisenberg von einem Gespräch über die Darwinsche Theorie, in dem Bohr Folgendes vorschlägt: „Einerseits heißt es, dass die Natur durch den Prozess der Vererbung [jede neue Lebensform], die große Mehrheit ablehnen und einige geeignete beibehalten. … Aber es gibt die zweite Behauptung: dass die neuen Formen durch rein zufällige Störungen der Genstruktur entstehen. Diese Behauptung ist viel fragwürdiger …“ [27, S. 114]. Einige Jahrzehnte und einen Weltkrieg später, in den frühen 1960er Jahren, beschäftigte sich Heisenberg mit derselben Frage, als er sich bei einem Treffen am Ufer des Starnberger Sees in Deutschland und einem Vortrag über Mutation und Selektion überlegte, ob „so etwas wie Absicht“ mit der Darwinschen Mutation in Verbindung gebracht wurden… Wir könnten fragen, ob das zu erreichende Ziel, die Möglichkeit, den Verlauf der Ereignisse zu beeinflussen, nicht beeinflusst werden kann. Wenn wir das tun, sind wir fast wieder bei der Quantentheorie. Denn die Wellenfunktion stellt eine Möglichkeit und kein tatsächliches Ereignis dar. Mit anderen Worten, die Art von Zufall, die in der Darwinschen Theorie eine so wichtige Rolle spielt, kann etwas sehr viel Subtileres sein, als wir denken, und zwar gerade deshalb, weil sie mit den Gesetzen der Quantenmechanik übereinstimmt“ [27, S. 242–243].

1931 kam ein weiterer junger deutscher Physiker, Max Delbrück, nach Kopenhagen, um mit Bohr zu arbeiten und sich von ihm inspirieren zu lassen. Trotz eines frühen Interesses an der Kernphysik wurde Delbrück von der Biophysik und insbesondere dem aufstrebenden Gebiet der Molekularbiologie fasziniert. 1935 war er einer von drei Autoren (die anderen sind der russische Biologe Nikolay Timofeev-Ressovsky und der deutsche Biophysiker Karl Zimmer) der bahnbrechenden Arbeit [28], die auch als Dreimännerwerk bekannt wurde, in der sie die Idee der Zieltheorie, von Friedrich Dessauer in den 1920er Jahren in Deutschland eingeführt, könnte verwendet werden, um die Größe eines Gens anhand seiner Anfälligkeit für ionisierende Strahlung wie Röntgenstrahlen abzuleiten. Sie nahmen an, dass ein Strahlungsquant ein lokalisiertes „Ziel“ von nur wenigen Molekülen innerhalb der Zelle treffen und beeinflussen würde. Ihr Aufsatz „Über die Natur der Genmutation und der Genstruktur“ sollte zum inspirierenden Ausgangspunkt für Erwin Schrödingers Buch werden. Was ist Leben? [19]. Delbrück hatte großen Einfluss auf die Molekulargenetik. 1937 verließ er Nazi-Deutschland und ließ sich in Amerika nieder, wo er schließlich US-Bürger wurde. 1969 erhielt er den Nobelpreis für die Entdeckung, dass Bakterien durch vorteilhafte genetische Mutationen Resistenzen gegen Viren entwickeln.

3. Der Cambridge Theoretical Biology Club

Das Interesse an der physischen Lebensgrundlage beschränkte sich nicht auf das europäische Festland. Im Sommer 1932 gründete eine interdisziplinäre Gruppe von Wissenschaftlern der Universität Cambridge den Theoretical Biology Club mit dem ehrgeizigen Ziel, „das große Problem“ zu lösen, ob Leben durch die Wirkung von Atomen und Molekülen erklärt werden kann. Das Ziel der Gruppe war es, wie ihre Kollegen in Deutschland und Österreich zu untersuchen, ob die „neue Physik“ (d. h. die Quantenmechanik) neue Gesetze in der Biologie liefern könnte. Sie hoffte auch, die reduktionistische Biologie mit einer organizistischen Philosophie zu verschmelzen, obwohl in diesem Fall vom Denken des großen Philosophen des 20. Jahrhunderts Alfred North Whitehead inspiriert.

Zu den Mitgliedern der Gruppe gehörten einige der einflussreichsten Wissenschaftler der Biologie des frühen 20 hatte Bertalanffys Buch aus dem Jahr 1928 ins Englische übersetzt, die Mathematikerin Dorothy Wrinch, die versuchte, die Proteinstruktur mit mathematischen Prinzipien abzuleiten, der Entwicklungsbiologe Conrad Waddington zusammen mit dem großen Evolutionsbiologen und Genetiker JBS Haldane. 1934 schrieb Haldane einen Aufsatz mit dem Titel „Quantenmechanik als Grundlage für die Philosophie“ [29], der mit der Begründung beginnt, dass

Biologen haben von der Revolution des menschlichen Denkens, die in den letzten fünf Jahren von den Physikern eingeleitet wurde, noch wenig Kenntnis genommen… . [29, p. 78]

Er befürwortet nie den Vitalismus, weist aber darauf hin, dass

Es wurde vorgeschlagen, dass, während die Gesetze der Physik in lebenden Organismen nicht verletzt werden, das Leben das Unbestimmtheitsprinzip ausnutzt, um bestimmte Ereignisse wahrscheinlicher zu machen, als sie es sonst gewesen wären. [29, p. 81]

Er verdeutlicht seine Position, indem er argumentiert, dass sich Leben auf molekularer Ebene von unbelebter Materie dadurch unterscheidet, dass es auf der Makroebene durch einzelne Ereignisse auf Quantenebene beeinflusst werden kann.

Werden Bakterien mit bestimmten Reagenzien erhitzt oder vergiftet, sinkt die Zahl der Überlebenden exponentiell. Darunter versteht man, dass das Leben der Zelle von einem einzelnen instabilen Molekül abhängt, dessen Veränderung seinen Tod zur Folge hat. Da die Umwandlung eines solchen Moleküls nach dem Unschärfeprinzip erfolgt, spielt dieses Prinzip im Leben von Bakterien eine große Rolle. Aber höhere Organismen, sogar Protozoen, verhalten sich so, als hinge ihr Leben von einer Reihe ähnlicher Moleküle ab. Das Unsicherheitsprinzip in dieser Form spielt in ihrem Leben eine untergeordnete Rolle. Sie sind durch die Gesetze der Statistik davor geschützt, ebenso wie große materielle Teilchen, die aus vielen Molekülen bestehen. [29, p. 82]

In den letzten Jahren der 1930er Jahre untersuchten eine Reihe einflussreicher Wissenschaftler auf beiden Seiten des Atlantiks die Auswirkungen der „neuen Physik“ auf die Biologie, angetrieben von einem wachsenden mechanistischen Bild der Biologie auf kleinstem Maßstab, aber unter dem Dach des Organismus. Die Zweite Welt griff jedoch ein, um weitere Fortschritte zu bremsen.

In der Zwischenzeit wurde Pascual Jordan zunehmend politisiert und immer entschlossener, seine Ideen in der Quantenbiologie mit der Nazi-Ideologie zu verbinden, in der Überzeugung, dass sie "nach dem Sieg als Symbol und Repräsentation der grenzenlosen Machtmittel des neuen Reiches stehen könnte". [32, p. 270]. 1941 veröffentlichte er das Buch Die Physik und das Geheimnis des organischen Lebens (Physik und das Geheimnis des Lebens) [20], in dem er weiterhin die Frage stellte: „Sind die Gesetze der Atom- und Quantenphysik von wesentlicher Bedeutung für das Leben?“ Nach der Niederlage Deutschlands wurden Jordans hochpolitisierte Ideen jedoch zum Gräuel. Die anderen Heiratsvermittler der vorgeschlagenen Verbindung zwischen Biologie und fundamentaler Physik wurden nach dem Zweiten Weltkrieg in alle Winde zerstreut, und die Physik, die von der Atombombe bis ins Mark erschüttert wurde, wandte sich traditionelleren Problemen zu.

Aber die Pläne für eine Gewerkschaft wurden nicht ganz aufgegeben. Einer der Pioniere der Quantenmechanik, Erwin Schrödinger, war nach der Machtübernahme der Nazis aus Deutschland geflohen. Er ließ sich in Irland nieder, wo er 1944 ein Buch veröffentlichte, dessen Titel die Frage „What is life?“ [19] war, dem wir uns nun zuwenden.

4. Bestellung ab Bestellung

In den 1940er Jahren war bekannt, dass die Vererbung durch Gene bestimmt wird, aber noch wusste niemand, woraus Gene bestehen. Schrödinger zeigte sich beeindruckt von der außergewöhnlich hohen Genauigkeit der genetischen Vererbung, die nachweislich mit Mutationsraten von weniger als 10 –8 pro Gen pro Generation verbunden war. Er behauptete, dass eine hohe Vererbungstreue durch die klassischen Gesetze nicht erklärt werden könne, weil die Gene zu klein seien.

Schrödingers Argumentation geht von einer Betrachtung der Gesetze der klassischen Physik und Chemie aus, etwa denen der Thermodynamik oder der Gasgesetze. Er nannte diese Gesetze „Ordnung aus Unordnung“, um die Tatsache widerzuspiegeln, dass ihre Ordnung ein Produkt der zugrunde liegenden ungeordneten molekularen Dynamik ist. Er wies darauf hin, dass ihre Genauigkeit durch 1/√ . begrenzt istn, wo n ist die Anzahl der beteiligten Teilchen. Ein mit einer Billion Teilchen gefüllter Ballon weicht also nur um einen Teil von 1 Million vom strengen Verhalten der Gasgesetze ab, wodurch relativ genaue Gasgesetze für solche makroskopischen Systeme bereitgestellt werden. Ein Ballon, der nur mit 100 Partikeln gefüllt ist, weicht jedoch um einen Teil von 10 (oder 10% Genauigkeit) vom ordnungsgemäßen Verhalten ab und erfährt dadurch erhebliche Abweichungen von den Gasgesetzen. Zum Beispiel bewegen sich alle Moleküle im Ballon manchmal zufällig in Richtung seines Zentrums, wodurch sich der Ballon bei konstanter Temperatur zusammenzieht, wodurch das Boyle-Gesetz verletzt wird. Dies, argumentierte er, erschaffe ein Problem beim Verständnis der physikalischen Grundlage für die Treue der Vererbung, da bekannt sei, dass Gene zu klein seien, um der Ordnung der Unordnungsgesetze zu unterliegen. Mit Hilfe der Target-Theorie schätzte er die Größe eines Gens auf nicht größer als ein Würfel mit Seiten von 300 Å, der maximal etwa 1 Million Atome enthält 1000 oder 0,1% – eindeutig viel höher als die beobachteten Mutationsraten. Schrödinger kam zu dem Schluss, dass die genauen Vererbungsgesetze nicht auf diesen klassischen Ordnungsgesetzen beruhen könnten. Er argumentierte, dass genetische Information auf molekularer Ebene als „ein ungewöhnlich großes Molekül, das ein Meisterwerk von hochdifferenzierter Ordnung sein muss, geschützt durch den Zauberstab der Quantentheorie“ kodiert werden müsse [19, S. 68]. Schrödinger nannte dieses Prinzip, von dem er behauptete, das Leben hänge von der Ordnung ab, und argumentierte, dass "unglaublich kleine Gruppen von Atomen, viel zu klein, um genaue statistische Gesetze darzustellen, eine dominierende Rolle bei den sehr geordneten und rechtmäßigen Vorgängen innerhalb eines lebenden Organismus spielen". “ [19, S. 20]. Zur Natur der Gene behauptete er, dass genetische Informationen von einem "komplizierteren organischen Molekül codiert werden müssen, in dem jedes Atom und jede Atomgruppe eine individuelle Rolle spielt, die nicht ganz der vieler anderer entspricht (wie es der Fall ist") in periodischer Struktur). Wir könnten das mit Recht einen aperiodischen Kristall oder Festkörper nennen … “ [19, S. 60–61]. Wie Jordans Verstärkerprinzip behauptete Schrödinger, dass das Leben empfindlich auf die Dynamik kleiner Teilchenzahlen reagiert und seine Struktur und Dynamik tatsächlich auf atomarer Ebene kodiert sind. Er schlug sogar vor, dass „Mutationen tatsächlich auf Quantensprünge im Genmolekül zurückzuführen sind“ [19, S. 34], wobei hier klar sein muss, dass Schrödinger mit „Quantensprüngen“ Quantentunneln durch eine endliche Potentialbarriere meinte und nicht die alte Vorstellung von Quantensprüngen von Elektronen zwischen Energieniveaus.

Schrödingers Buch beeinflusste sowohl James Watson als auch Francis Crick, die Mitentdecker der DNA-Doppelhelix, und war ein Faktor bei ihrer Entscheidung, die Natur der Gene zu untersuchen. Laut Watson „vertrat dieses Buch sehr elegant den Glauben, dass Gene die Schlüsselkomponenten lebender Zellen sind und dass wir, um zu verstehen, was Leben ist, wissen müssen, wie Gene agieren“ [31, S. 13]. Doch die Jahre nach der Veröffentlichung von Schrödingers Buch brachten die Entdeckung der DNA-Doppelhelix und den kometenhaften Aufstieg der Molekularbiologie, einer Disziplin, die sich weitgehend ohne Bezug auf Quantenphänomene entwickelte. Genklonen, Gentechnik, Genom-Fingerabdruck und Genom-Sequenzierung wurden von Biologen entwickelt, die im Großen und Ganzen damit zufrieden waren, die mathematisch herausfordernde Quantenwelt zu ignorieren.Physiker wiesen ebenfalls die Möglichkeit zurück, dass Quanteneffekte in der Biologie eine Rolle spielen könnten, insbesondere da ihr Nachweis in anorganischen physikalischen Systemen ein außergewöhnliches Maß an Kontrolle erforderte, das nur erreicht werden konnte, indem Systeme im Vakuum auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gehalten und von Umwelteinflüssen abgeschirmt wurden Störungen. Quantenphänomene wie Tunneln oder Quanteninterferenzeffekte hängen von einem System ab gut isoliert von seiner Umgebung. Dies wurde für biologisch relevante Zeitskalen innerhalb eines heißen, nassen und komplexen Systems wie einer lebenden Zelle als nicht nachhaltig erachtet.

Gelegentlich gab es jedoch auch Streifzüge im Grenzgebiet zwischen Biologie und Quantenmechanik. Als Watson und Crick ihre DNA-Struktur veröffentlichten, spekulierten sie, dass Mutationen durch Tautomerisierung von DNA-Basen von ihren üblichen Iminoformen zu den seltenen Enolformen verursacht werden könnten, die während der DNA-Replikation falsche Basenpaare produzieren könnten. Die Idee erhielt einen Quanten-Twist vom schwedischen Physiker Per-Olov Löwdin, der vorschlug [32], dass das Quantentunneln von Protonen die tautomeren Basen erzeugen könnte, und lieferte damit einen physikalischen Mechanismus für Schrödingers Spekulation, dass zufällige Punktmutationen einen Quantenursprung haben könnten. Aber nur wenige Genetiker wussten von Löwdins Arbeit oder wurden davon beeinflusst. So war die vorherrschende Ansicht in den 1960er Jahren – nicht nur unter Biologen, sondern auch unter Biophysikern und Biochemikern – die Vorstellung, dass die Quantenmechanik irgendeine besondere Rolle in lebenden Systemen spielte, im Großen und Ganzen ablehnend.

Ein Beispiel für die damalige Haltung findet sich in den Schriften von Christopher Longuet-Higgins, einem britischen theoretischen Chemiker, der durch mathematische Modellierung und Analyse wichtige Beiträge zur Molekularchemie leistete. 1962 verfasste Longuet-Higgins einen Aufsatz mit dem Titel „Quantenmechanik und Biologie“ [33], in dem er alle Versuche, die Bedeutung der Quantenmechanik in der Biologie zu rechtfertigen, niederschmetterte:

Heutzutage lächeln wir über das Konzept einer „Lebenskraft“, die das Wachstum lebender Materie steuert, aber vor einigen Jahren schien es, dass diese Kraft unter dem falschen Namen [der Quantenbiologie] in die Biochemie zurückkehrt … Man könnte sich seltsame Kräfte vorstellen von quantenmechanischer Natur … bei der Atome durch eine Art Tunneleffekt geschickt neu angeordnet werden. Aber wenn ein Biochemiker anfängt, die quantenmechanische Sprache auf diese nebulöse Weise zu verwenden, können wir berechtigterweise vermuten, dass er Unsinn redet. Ich erinnere mich, dass vor einigen Jahren eine Diskussion über das mögliche Auftreten weitreichender quantenmechanischer Kräfte zwischen Enzymen und ihren Substraten geführt wurde. Es war jedoch völlig richtig, eine solche Hypothese mit Zurückhaltung zu behandeln, nicht nur wegen der Schwachheit der experimentellen Beweise, sondern auch wegen der großen Schwierigkeit, eine solche Idee mit der allgemeinen Theorie der intermolekularen Kräfte in Einklang zu bringen. [33, p. 209]

Die Haltung von Longuet-Higgins war sehr typisch für die Haltung zur Quantenbiologie in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts, und diese Skepsis war weitgehend berechtigt.

Fassen wir dann die Rolle der frühen Quantenpioniere zusammen. Die Organiker wie von Bertalanffy waren überzeugt, dass die deterministischen klassischen Gesetze der Physik und Chemie nicht ausreichten, um die Phänomene des Lebens zu erklären, und dass es noch eine fehlende Zutat zu entdecken gab. Quantenphysiker wie Bohr, Schrödinger und Jordan nahmen dies als Hinweis und schlugen vor, dass die Quantenphysik diese fehlende Zutat sei. Sie griffen die Begriffe der Komplementarität und des Unsicherheitsprinzips auf, um zu behaupten, dass Messung und Quantenzufälligkeit eine Rolle bei der Evolution spielen könnten, vielleicht sogar eine Richtungskontrolle für den Evolutionsprozess bieten könnten. Diese Behauptung wurde jedoch weitgehend in Misskredit gebracht, und fast alle Biologen sind nach wie vor mit der Vorstellung verbunden, dass der Mutationsantrieb der Evolution keine Richtung gibt. Zurück blieben vage Vorstellungen über eine zentrale Rolle, die manche Physiker wie Eugene Wigner dem Leben bzw. dem Bewusstsein als der magischen Zutat zur Lösung des Messproblems zuschrieben [34]. Auch diese Idee wurde weitgehend diskreditiert.

Andererseits identifizierten sowohl Jordan als auch Schrödinger einen realen Berührungspunkt zwischen Quanten- und biologischen Prozessen, der für die heutige Arbeit in der Quantenbiologie von hoher Relevanz ist: Makroskopische biologische Phänomene können durch die Dynamik relativ kleiner Teilchenzahlen ausgelöst werden, deren Verhalten beherrscht oder zumindest beeinflusst von den nicht-trivialen Quantenphänomenen wie der Unsicherheit. Jordan schrieb von einer „sehr kleinen Zahl spezieller Moleküle, die mit diktatorischer Autorität über den gesamten Organismus ausgestattet sind“ [20, S. 157] während Schrödinger darauf bestand, dass „unglaublich kleine Atomgruppen … eine dominierende Rolle in den sehr geordneten und rechtmäßigen Vorgängen innerhalb eines lebenden Organismus spielen“ [19, S. 20]. Schrödinger wies weiter darauf hin, dass dieses Vertrauen auf die Dynamik kleiner Teilchenzahlen biologische Systeme mit ihrem Ordnungs-von-Ordnungs-Prinzip von makroskopischen unbelebten Systemen trennt, die von Gesetzen beherrscht werden, die dem Ordnungs-von-Unordnungs-Prinzip gehorchen. Diese Ideen wurden von einigen Biologen wie Haldane aufgegriffen, die in ähnlicher Weise darauf bestanden, dass „höhere Organismen, sogar Protozoen, sich so verhalten, als hinge ihr Leben von einer Reihe ähnlicher Moleküle ab“ [31, S. 82]. Obwohl sich diese Quantenpioniere entsprechend den Interessen ihrer Zeit besonders für die Rolle des Unschärferelationsprinzips im Leben interessierten, sind ihre Erkenntnisse auf die nicht trivialen quantenmechanischen Phänomene wie Kohärenz, Tunnelung und Verschränkung übertragbar, die im Mittelpunkt stehen der modernsten Quantenbiologie. Bedeutsam ist auch Schrödingers Behauptung, dass „der lebende Organismus ein makroskopisches System zu sein scheint, das sich in seinem Verhalten teilweise einem rein mechanischen (im Gegensatz zum thermodynamischen) Verhalten nähert, zu dem alle Systeme tendieren, wenn sich die Temperatur dem absoluten Nullpunkt nähert und die molekulare Unordnung ist“ entfernt“ [19, S. 68–69]“. Schrödinger hat damit im Wesentlichen die Rolle des zufälligen Einflusses der thermischen Bewegung herausgearbeitet, was wir heute als „Umweltdekohärenz“ bezeichnen [35], die das Quanten von der klassischen Welt unterscheidet, eine Erkenntnis, die oft zurückgeführt wird auf die Arbeit von Dieter Zeh [36]. Schrödinger behauptet im Wesentlichen, dass lebende Systeme die Dekohärenz irgendwie umgehen, eine Idee, die mit modernen Arbeiten zur Rolle von Umgebungslärm bei der Aufrechterhaltung der Kohärenz in lebenden Zellen übereinstimmt.

Im Großen und Ganzen glaubten die meisten Biologen jedoch weiterhin, dass das Leben durch alle bekannten statistischen Gesetze der klassischen Chemie und Physik angemessen erklärt wird. Im Jahr 1993 versammelte sich eine Sammlung bedeutender Wissenschaftler aus der ganzen Welt (Steven Jay Gould, Lewis Woolpert, Stuart Kauffman und viele andere) zu einem Treffen am Trinity College in Dublin, Irland, um den halben Jahrestag seines berühmten Vortrags von 1943 über zu feiern welches das buch Was ist Leben? [19] basiert. Das Buch, Was ist das Leben: Die nächsten fünfzig Jahre [37] ist eine Sammlung von Aufsätzen, die von den Teilnehmern des Treffens verfasst wurden. In den meisten Kapiteln wird die Quantenmechanik jedoch kaum oder gar nicht erwähnt. Schrödingers kühnes Heiratsantrag zwischen den Disziplinen schien in Vergessenheit geraten zu sein.

Während der 1960er und 1970er Jahre blieben jedoch einige Physiker übrig, die die Möglichkeit in Betracht gezogen haben, dass die Quantenmechanik eine Schlüsselrolle in der Biologie spielt. So schlug beispielsweise der in Deutschland geborene britische Physiker Herbert Fröhlich eine Theorie vor, in der die quantenmechanische Kohärenz, heute als Fröhlich-Kohärenz bekannt, eine wichtige Rolle in biologischen Systemen spielt [38-40]. Ein biologisches System, das einen solchen Kohärenzzustand erreicht, wird als Fröhlich-Kondensat bezeichnet. Er argumentierte, dass die biologische Organisation durch kohärente angeregte Zustände auf molekularer Ebene erleichtert wird, angetrieben durch den Energiefluss, der durch Stoffwechselprozesse bereitgestellt wird, die molekulare Schwingungen im Terahertz-Bereich erzeugen. Obwohl sehr umstritten, besteht derzeit ein Interesse daran, diese Hypothese experimentell mit verfügbaren Quellen intensiver Terahertz-Strahlung zu überprüfen [41].

5. Aktuelles Denken

Trotz Fröhlichs Arbeiten wurden die meisten Quantenphysiker in der zweiten Hälfte des 20 notwendig für nicht-triviale Quanteneffekte. Aus theoretischer Sicht muss ein mikroskopisches biologisches System, wie ein biomolekularer Komplex innerhalb einer Zelle, notwendigerweise als offenes Quantensystem in dem Sinne behandelt werden, dass es niemals von seiner Umgebung isoliert ist. Stattdessen muss es kontinuierlich mit Energie aus seiner Umgebung versorgt werden, um seine niedrige Entropie und seinen Zustand außerhalb des Gleichgewichts beizubehalten, sowie dem unvermeidlichen zufälligen thermischen Rauschen seiner Umgebung ausgesetzt zu sein. Daher wurde erwartet, dass sich alle empfindlichen Quanteneffekte wie Quantensuperposition und Kohärenz sehr schnell auflösen (dekoheren), was zur Unterdrückung jeder gut kontrollierten Quantendynamik führt. Diese Überlegungen veranlassten Physiker und Biologen (die sich überhaupt mit der Frage beschäftigten), zu dem Schluss, dass Quantenphänomene wahrscheinlich keine bedeutende Rolle in der Biologie spielen würden.

Dennoch wird zunehmend erkannt, dass lebende Systeme, wie Jordan und Schrödinger argumentierten, doch von der Dynamik einer kleinen Anzahl von Molekülen abhängen können, die sehr gut lokalisiert sind (die sich nur über wenige Nanometer erstrecken – die Größenordnung von Biomolekülen wie Proteinen .). ) und kann über sehr kurze Zeitskalen (oft in der Größenordnung von Pikosekunden) stattfinden. Diese relative Isolation in Raum, Komplexität und Zeit könnte es nicht-trivialen, rein quantenmechanischen Prozessen ermöglichen, in lebenden Systemen eine wichtige Rolle zu spielen, bevor sie durch die von der Umgebung induzierte Dekohärenz weggespült werden kann. Inzwischen gibt es immer mehr Beweise dafür, dass dies tatsächlich der Fall ist.

Der Status der Quantenbiologie änderte sich in den letzten Jahrzehnten des 20 Verschränkung in der Vogelnavigation und Quantentunneln im Geruchssinn. Theoretische und experimentelle Ansätze haben auch die Rolle des Protonentunnelns bei der Bildung von DNA-Basentautomeren untersucht [14]. Abbildung 1 zeigt eine Zeitleiste mit den wichtigsten Entdeckungen und Veröffentlichungen in der Quantenbiologie.

Abbildung 1. Zeitleiste wichtiger Meilensteine ​​in der Entwicklung der Quantenbiologie (QB) im 20. und frühen 21. Jahrhundert. Die Kästen beziehen sich auf folgende Quellen: 1929 [24], 1932 [25], 1941 [20], 1944 [19], 1953 [42], 1963 [32], 1966 [43], 1974 [44], 1976 [ 45–48], 1989 [49], 2000 [50], 2007 [4]. FMO, Fenna-Matthews-Olson.

In den letzten Jahren ist das Interesse einer noch kleinen, aber wachsenden Gruppe von theoretischen Quantenphysikern und Chemikern, experimentellen Biochemikern und Spektroskopern, die ernsthafte theoretische und experimentelle Studien zu Quanteneffekten in der Biologie durchführen, stark gewachsen.

Tatsächlich ist die Situation wahrscheinlich noch interessanter. Arbeiten in der Quanteninformationstheorie haben gezeigt, dass (thermisches) Umgebungsrauschen in stationären Nichtgleichgewichtssystemen tatsächlich Unterstützung die Existenz von Quantenkohärenz, die es, wie Schrödinger vorhersagte, ermöglicht, dass sich die Dynamik lebender Systeme denen eines „rein mechanischen (im Gegensatz zu thermodynamischen) Verhaltens annähert, zu dem alle Systeme tendieren, wenn sich die Temperatur dem absoluten Nullpunkt nähert und die molekulare Unordnung beseitigt ist“. “ [19, S. 69]. Neuere Arbeiten haben gezeigt, dass die Beibehaltung der Quantendynamik in biologischen Systemen eng mit Umweltfluktuationen auf biologisch relevanten Längen- und Zeitskalen verbunden ist [51–55].

Diese neuere Forschung fügt der Erkenntnis von Jordan und Schrödinger eine zusätzliche Ebene hinzu, dass Phänomene mit kleinen Anzahlen von Teilchen, die einer biologischen Verstärkung unterliegen (wie das Erbmaterial), erstklassige Kandidaten für die Quantenbiologie waren. Die neue Forschung erweitert die Rolle der Quantenbiologie auf komplexere Systeme, in denen die Quantendynamik durch ein fein abgestimmtes und konstruktives Zusammenspiel zwischen dem Quantensystem und seiner Umgebung verbessert und nicht weggespült werden könnte.

Die Quantenbiologie hat sich von den Erkenntnissen der Quantenpioniere des frühen 20. Jahrhunderts weit entfernt. Phänomene wie Quantentunneln und Quantenkohärenz werden heute allgemein als an lebenswichtigen Prozessen für alle lebenden Zellen beteiligt, wie etwa der Energieübertragung und der Enzymwirkung, akzeptiert. Die Debatte hat sich nun von der Frage, ob Quantenkohärenz und Tunneling beteiligt sind, auf die Rolle verlagert, die sie spielen. Andere Bereiche der Quantenbiologie, wie etwa der Geruchssinn, die Magnetorezeption oder die Mutation, bleiben spekulativer, zumindest teilweise, weil die experimentellen Systeme nicht so präzise physikalische Messungen durchführen.

Unbestritten bleibt, dass die Quantendynamik, die zweifellos in lebenden Systemen stattfindet, 3,5 Milliarden Jahre lang optimierter Evolution unterzogen wurde. Es ist wahrscheinlich, dass das Leben in dieser Zeit gelernt hat, Quantensysteme auf eine Weise zu manipulieren, die wir noch nicht vollständig verstehen. Sie mussten vielleicht viele Jahrzehnte warten, aber die Quantenpioniere waren in der Tat zu Recht gespannt auf die Zukunft der Quantenbiologie.

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Autorenbeiträge

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Gennamenfehler sind in der wissenschaftlichen Literatur weit verbreitet

Die Tabellenkalkulationssoftware Microsoft Excel ist bekannt dafür, Gennamen in Datums- und Gleitkommazahlen umzuwandeln, wenn sie mit Standardeinstellungen verwendet wird. Ein programmatischer Scan führender Genomik-Zeitschriften zeigt, dass etwa ein Fünftel der Veröffentlichungen mit ergänzenden Excel-Genlisten fehlerhafte Gennamenkonvertierungen enthalten.

Das Problem, dass Excel-Software (Microsoft Corp., Redmond, WA, USA) Gensymbole versehentlich in Datums- und Gleitkommazahlen umwandelt, wurde ursprünglich im Jahr 2004 beschrieben [1]. Gensymbole wie 2. SEPT (Sept. 2) und 1. MÄRZ [Membrane-Associated Ring Finger (C3HC4) 1, E3 Ubiquitin Protein Ligase] werden standardmäßig in „2-Sep“ bzw. „1-Mar“ umgewandelt. Darüber hinaus wurde beschrieben, dass RIKEN-Identifikatoren automatisch in Gleitkommazahlen umgewandelt werden (d. h. von Zugang „2310009E13“ zu „2.31E+13“). Seit diesem Bericht haben wir weitere Fälle aufgedeckt, in denen Gensymbole in ergänzenden Daten kürzlich veröffentlichter Artikel in Datumsangaben umgewandelt wurden (z.2. SEPT“ umgewandelt in „2006/09/02“). Dies deutet darauf hin, dass Gennamenfehler in ergänzenden Dateien, die Artikel begleiten, weiterhin ein Problem darstellen. Eine versehentliche Gensymbolkonvertierung ist problematisch, da diese ergänzenden Dateien eine wichtige Ressource in der Genomik-Community sind, die häufig wiederverwendet wird. Unser Ziel ist es hier, das Bewusstsein für das Problem zu schärfen.

Wir haben ergänzende Dateien aus 18 Zeitschriften, die zwischen 2005 und 2015 veröffentlicht wurden, heruntergeladen und mithilfe einer Reihe von Shell-Skripten überprüft. Excel-Dateien (.xls- und.xlsx-Suffixe) wurden mit ssconvert (v1.12.9) in tabellarisch getrennte Dateien (tsv) umgewandelt. Jedes Blatt innerhalb der Excel-Datei wurde in eine separate TSV-Datei konvertiert. Jede Datenspalte in der tsv-Datei wurde auf das Vorhandensein von Gensymbolen gescreent. Wenn die ersten 20 Zeilen einer Spalte fünf oder mehr Gensymbole enthielten, wurde vermutet, dass es sich um eine Liste von Gensymbolen handelt, und dann wurde eine Suche nach regulären Ausdrücken (Regex) der gesamten Spalte durchgeführt, um Gensymbolfehler zu identifizieren. Offizielle Gensymbole aus der Ensembl-Version 82, abgerufen im November 2015, wurden für Arabidopsis thaliana, Caenorhabditis elegans, Drosophila melanogaster, Danio rerio, Escherichia coli, Gallus gallus, Homo sapiens, Muskulatur, Oryza sativa und Saccharomyces cerevisiae [2]. Die verwendete Regex-Suche ähnelte der zuvor von Zeeberg und Kollegen [1] beschriebenen, mit dem zusätzlichen Bildschirm für Datumsangaben in anderen Formaten (z. B. TT/MM/JJ und MM-TT-JJ). Um die Analyse ergänzender Dateien aus multidisziplinären Zeitschriften zu beschleunigen, haben wir die überprüften Artikel auf diejenigen beschränkt, die das Schlüsselwort „Genom“ im Titel oder in der Zusammenfassung enthalten (Wissenschaft, Natur und Plus eins). Excel-Dateien (.xls und.xlsx), die im NCBI Gene Expression Omnibus (GEO) [3] hinterlegt sind, wurden ebenfalls auf die gleiche Weise gescreent (Dateien veröffentlicht 2005–2015). Alle überprüften URLs, Ergebnisse und Skripte, die in dieser Studie verwendet wurden, sind derzeit bei SourceForge verfügbar (https://sourceforge.net/projects/genenameerrorsscreen/). Skripte wurden auf Ubuntu v14.04 LTS mit GNU bash, Version 4.3.11, ausgeführt. Diese Ergebnisse wurden manuell verifiziert, indem Excel-Dateien von jedem Papier und jeder GEO-Datei heruntergeladen und überprüft wurden, bei denen der Verdacht auf Gennamenfehler bestand.

Ergänzende Dateien im Excel-Format aus 18 Zeitschriften, die zwischen 2005 und 2015 veröffentlicht wurden, wurden programmatisch auf das Vorhandensein von Gennamenfehlern überprüft. Insgesamt haben wir 35.175 ergänzende Excel-Dateien durchsucht und dabei 7467 Genlisten gefunden, die 3597 veröffentlichten Artikeln beigefügt waren. Wir haben jede Datei mit mutmaßlichen Gennamenfehlern heruntergeladen und geöffnet. Zehn falsch-positive Fälle wurden identifiziert. Wir bestätigten Gennamenfehler in 987 ergänzenden Dateien aus 704 veröffentlichten Artikeln (Tabelle 1 für einzelne Auflistungen, siehe Tabelle S1 in zusätzlicher Datei 1). Von den ausgewählten Zeitschriften beträgt der Anteil der veröffentlichten Artikel mit Excel-Dateien, die Genlisten enthalten, die von Gennamenfehlern betroffen sind, 19,6 %. Von den ausgewählten Zeitschriften Molekularbiologie und Evolution, Bioinformatik, DNA-Forschung und Genombiologie und Evolution den geringsten Anteil (<10 %) an befallenen Papieren auf (Abb. 1a). Zeitschriften mit dem höchsten Anteil an Aufsätzen mit betroffenen Ergänzungsdateien waren Nukleinsäureforschung, Genombiologie, Naturgenetik, Genomforschung, Gene und Entwicklung und Natur (>20 %). Es gab eine positive Korrelation zwischen dem Journal Impact Factor (JIF) 2015 und dem Anteil der betroffenen ergänzenden Genlisten (Spearman rho = 0,52, zweiseitig P Wert = 0,03), was auf größere und zahlreichere Datensätze zurückzuführen sein könnte, die High-JIF-Papiere begleiten. Bemerkenswert, BMC Bioinformatik, das Forum, in dem ursprünglich über das Problem der Excel-Gennamen berichtet wurde [1], leidet weiterhin unter Gennamenfehlern in 13,8 % der Arbeiten mit Excel-Genlisten. Tatsächlich ist die Zahl der Arbeiten mit Gennamenfehlern nach wie vor ein Problem (Abb. 1b). Schätzungen der linearen Regression zeigen, dass Gennamenfehler in ergänzenden Dateien in den letzten fünf Jahren mit einer jährlichen Rate von 15 % zugenommen haben und damit die Zunahme der veröffentlichten Artikel (3,8 % pro Jahr) übertroffen haben.Wir überprüften 4321 Excel-Dateien, die bei NCBI GEO [3] hinterlegt wurden, identifizierten 574 Dateien mit Genlisten und stellten fest, dass 228 (39,7 %) davon Gennamenfehler enthalten. Diese sind in Tabelle S1 in Zusatzdatei 1 aufgeführt.

Prävalenz von Gennamenfehlern in ergänzenden Excel-Dateien. ein Prozentsatz der veröffentlichten Artikel mit ergänzenden Genlisten in Excel-Dateien, die von Gennamenfehlern betroffen sind. B Zunahme der Gennamenfehler pro Jahr


6. Ergänzende Informationen

Daten, die für die Interpretation der Ergebnisse des Hauptpapiers wesentlich sind, sollten in das Hauptpapier aufgenommen werden. Ergänzende Informationen bieten Zugang zu unterstützenden Daten, die nicht im gedruckten Artikel oder PDF erscheinen, aber die endgültige Version eines Online-Artikels begleiten.

Diese Daten werden einem Peer-Review unterzogen und unterliegen denselben Kriterien wie die Daten, die im Papier selbst veröffentlicht werden sollen. Während des Peer-Reviews werden Redakteure und Gutachter gebeten, zu beurteilen, ob ergänzende Informationen zur Untermauerung der Ergebnisse einer Arbeit angemessen und unerlässlich sind.

Alle ergänzenden Daten werden streng limitiert auf insgesamt 50 MB pro Artikel (ohne Filmdateien und Cover-Art-Einreichungen).

Wir akzeptieren Dateien - wie Datensätze, Filme, Audio, Abbildungen und Tabellen - als ergänzende Informationen. Beschreibungen von computergestützten, mathematischen und statistischen Analysen, einschließlich R-Code, und weitere Details zu experimentellen Protokollen, die bereits im Abschnitt Materialien und Methoden des Hauptartikels beschrieben wurden, können auch als ergänzende Materialien und Methoden enthalten sein. Der Hauptartikel muss jedoch vollständige Informationen, die es dem Leser ermöglichen, alle durchgeführten Experimente zu verstehen. Als ergänzendes Material können auch Tabellen mit Datensätzen oder Auflistungsmaterialien wie Oligonukleotid-Primer, Antikörper oder Stämme bereitgestellt werden.

Wir akzeptieren KEINE Textdateien, die zusätzliche Ergebnisse oder Diskussionen im Zusammenhang mit dem Artikel enthalten. Diese sollten in den Artikel selbst aufgenommen werden. Sehr große Dateien oder solche, die eine spezielle Software erfordern, sind als Zusatzinformationen nicht geeignet. Bei großen Datensätzen, z.B. Bildgebungsdaten entnehmen Sie bitte unseren Richtlinien zur Datenablage.

Die Kriterien für jeden zusätzlichen Informationstyp sind in der folgenden Tabelle aufgeführt. Die Gesamtzahl der ergänzenden Informationen aller Art (Abbildungen, Tabellen, Filme etc.) pro Artikel sollte die Gesamtzahl der Abbildungen und Tabellen des Hauptartikels nicht überschreiten.

max. 6 Stück pro Artikel (sollte die Gesamtzahl der Abbildungen/Tabellen im Hauptartikel nicht überschreiten)

Mit Ausnahme von Filmen (siehe Abschnitt zur Vorbereitung der Filme) und großen Tischen Alle Zusatzinformationen, einschließlich Filmtitel und Bildunterschriften, sollten in einer einzigen PDF-Datei zusammengefasst werden. Wenn Ihre Tabelle sehr groß ist oder Sie möchten, dass die Leser die Daten exportieren und/oder bearbeiten können, möchten wir, dass Sie sie als Microsoft Excel-Datei übermitteln.

Verwenden Sie ein vom Hauptartikel abweichendes Nummerierungssystem und verwenden Sie das Format Abb. S1, Abb. S2, Tabelle S1 usw. Falls sich eine Zusatzabbildung auf eine bestimmte Abbildung im Text bezieht, zitieren Sie sie bitte so nah an dieser Abbildung wie möglich. Bitte platzieren Sie aus Gründen der Übersichtlichkeit jede Abbildung neben der entsprechenden Legende im Zusatzinformations-PDF. Bitte geben Sie für jede Abbildung eine Legende und für jede Tabelle einen Titel an.

Bitte beachten Sie, dass ergänzende Informationsdateien von JEB nicht kopiert werden und Autoren daher sicherstellen müssen, dass alle Dateien vor der Einreichung sorgfältig geprüft werden und der Stil der Begriffe und Abbildungen dem des Artikels entspricht. Die Änderung von Zusatzinformationen nach der Veröffentlichung erfordert eine formelle Korrektur.

Nehmen Sie im Text des Hauptartikels mindestens einmal auf jede Zusatzinformation Bezug.


Abstrakt

Synthetische Biologen kommen in zwei große Klassen. Man verwendet unnatürliche Moleküle, um aufkommende Verhaltensweisen aus der natürlichen Biologie zu reproduzieren, mit dem Ziel, künstliches Leben zu erschaffen. Der andere sucht austauschbare Teile aus der natürlichen Biologie, um sie zu Systemen zusammenzusetzen, die unnatürlich funktionieren. In jedem Fall zwingt ein synthetisches Ziel Wissenschaftler dazu, Neuland zu betreten, um Probleme zu begegnen und zu lösen, die durch Analyse nicht leicht zu finden sind. Dies treibt die Entstehung neuer Paradigmen in einer Weise voran, die die Analyse nicht ohne weiteres tun kann. Die Synthetische Biologie hat Diagnosewerkzeuge hervorgebracht, die die Versorgung von Patienten mit Infektionskrankheiten verbessern, sowie Geräte, die oszillieren, kriechen und Tic-Tac-Toe spielen.

Diejenigen, die mit der Wissenschaft vertraut sind, wissen, dass Streitigkeiten über Marken intensiver (und im lüsternen Sinne interessanter) sein können als Streitigkeiten über Inhalte. Die Synthetische Biologie hat einen solchen Streit im Entstehen.

Der Titel „Synthetic Biology“ erschien 1980 in der Literatur, als er von Barbara Hobom verwendet wurde, um Bakterien zu beschreiben, die mit rekombinanter DNA-Technologie gentechnisch verändert worden waren 1 . Diese Bakterien sind lebende (also biologische) Systeme, die durch menschliche Eingriffe (dh synthetisch) verändert wurden. In dieser Hinsicht war Synthetische Biologie weitgehend gleichbedeutend mit „Bioengineering“.

Im Jahr 2000 wurde der Begriff „synthetische Biologie“ erneut von Eric Kool und anderen Rednern auf der Jahrestagung der American Chemical Society in San Francisco 2 eingeführt. Hier wurde der Begriff verwendet, um die Synthese von unnatürlichen organischen Molekülen zu beschreiben, die in lebenden Systemen funktionieren. Im weiteren Sinne wurde der Begriff in Bezug auf Bemühungen zur „Neugestaltung des Lebens“ verwendet 3,4,5 . Diese Verwendung des Begriffs ist eine Erweiterung des Konzepts der „biomimetischen Chemie“, bei der die organische Synthese verwendet wird, um künstliche Moleküle zu erzeugen, die das Verhalten von Teilen der Biologie, typischerweise Enzymen, rekapitulieren 6 . Die synthetische Biologie hat jedoch einen breiteren Anwendungsbereich, indem sie versucht, in unnatürlichen chemischen Systemen die emergenten Eigenschaften lebender Systeme 7 , einschließlich Vererbung, Genetik und Evolution, nachzubilden 3,4,5,8 . Synthetische Biologen versuchen, Komponenten zusammenzusetzen, die nicht natürlich sind (also synthetisch), um chemische Systeme zu erzeugen, die die Darwinsche Evolution (also biologische) unterstützen. Durch die Synthese auf synthetische Weise hoffen diese Wissenschaftler, die nicht-synthetische Biologie, also die „natürliche“ Biologie, zu verstehen. Diese Motivation ist in der biomimetischen Chemie ähnlich, wo synthetische Enzymmodelle für das Verständnis natürlicher Enzyme wichtig sind.

In jüngerer Zeit hat eine Ingenieurgemeinschaft dem Titel eine weitere Bedeutung verliehen. Diese Gemeinschaft versucht, aus lebenden Systemen austauschbare Teile zu extrahieren, die getestet, als Konstruktionseinheiten validiert und wieder zusammengebaut werden könnten, um Geräte zu schaffen, die Analoga in lebenden Systemen haben könnten (oder auch nicht). Die Teile stammen aus natürlichen lebenden Systemen (dh sie sind biologisch), ihr Zusammenbau ist jedoch unnatürlich. Daher könnte ein technisches Ziel darin bestehen, biologische Komponenten (wie Proteine, die DNA binden, und die DNA-Sequenzen, die sie binden) zusammenzusetzen, um beispielsweise Ausgaben analog zu denen eines Computers zu erzeugen.

Eine gemeinsame Basis zwischen den Gemeinschaften der „synthetischen Biologie“ und der Ingenieurwissenschaften liegt in der globalen Strategie, mit der Wissenschaftler ihren Gegenstand verstehen, Entdeckungen machen und Paradigmen auf den Kopf stellen. Synthese bietet Möglichkeiten, diese Ziele zu erreichen, die Beobachtung und Analyse nicht bieten. Der Einsatz der Synthese als Ergänzung zur Analyse wird ein Hauptthema dieser Übersichtsarbeit sein (Kasten 1).

Die Synthetische Biologie hat bereits viele Errungenschaften vorzuweisen. Die Bemühungen, synthetische genetische Systeme zu entwickeln, haben diagnostische Werkzeuge hervorgebracht, wie beispielsweise der Branched DNA Assay von Bayer (in einem späteren Abschnitt beschrieben), der jährlich dazu beiträgt, die Versorgung von etwa 400.000 HIV- und Hepatitisviren-infizierten Patienten zu verbessern 10,11,12 . Diese und andere künstliche genetische Systeme unterstützen nun primitive genetische Prozesse, einschließlich der Replikation mit der Möglichkeit von Mutation 13,14, Selektion 15 und Evolution. Die synthetische Biologie hat auch einige interessante Spielzeuge aus biomolekularen Teilen hervorgebracht, darunter Systeme, die schwingen 16 und einfache Berechnungen durchführen 17 .

Für technische Zwecke eignen sich Teile am besten, wenn sie eigenständig zum Ganzen beitragen. Diese 'Unabhängigkeitseigenschaft' ermöglicht es, das Verhalten einer Baugruppe vorherzusagen. Daher ist es sinnvoll, diese Rezension so zu strukturieren, dass sie der Suche nach unabhängig austauschbaren Teilen folgt.

Diese Suche erweist sich als interessant. In der Molekularwissenschaft ist bekannt, dass die einfachsten Baueinheiten (die atomaren Teile) nicht immer unabhängig zum Verhalten einer molekularen Anordnung (des Ganzen) beitragen. In der makroskopischen physikalischen Welt tun Baueinheiten dies häufig, insbesondere wenn sie dafür ausgelegt sind (wie zum Beispiel bei der modularen Softwaremontage). Letztlich ist die Synthetische Biologie als Ingenieurdisziplin erfolgreich oder scheitert, je nachdem, wo Unabhängigkeitsnäherungen im Kontinuum zwischen der atomaren und der makroskopischen Welt nützlich werden.

Als Wissenschaft kann die Synthetische Biologie auf unterschiedliche Weise bewertet werden. Indem wir die Einsichten, Entdeckungen und Paradigmenwechsel messen, die von der synthetischen Biologie angetrieben werden, fragen wir hier, ob der synthetische Ansatz in einer Weise beigetragen hat, die allein durch Analyse nicht ohne weiteres möglich ist.

Auf der Suche nach austauschbaren Teilen: DNA

Wie Watson und Crick vor 52 Jahren beschrieben haben, ist DNA modular aufgebaut. Im reduktionistischen Sinne kann DNA als zwei antiparallele Stränge beschrieben werden. Jeder Strang besteht aus vier verschiedenen Nukleotidbausteinen, die ihrerseits aus Zuckern, Phosphaten und Nukleobasen zusammengesetzt sind. Diese wiederum sind aus Kohlenstoff-, Stickstoff-, Sauerstoff-, Phosphor- und Wasserstoffatomen aufgebaut.

Im Watson-Crick-Modell tragen Nukleotidpaare unabhängig zur Stabilität eines Duplex bei. In Wirklichkeit ist dies eine gute Annäherung. DNA-Duplexe können mit beachtlichem Erfolg entworfen werden, indem nur zwei Regeln angewendet werden: A-Paare mit T und G-Paare mit C. Ein Modell zweiter Ordnung funktioniert sehr gut, indem es nur den Effekt benachbarter Basenpaare in die Berechnung einbezieht 18 . Obwohl eine gewisse Diversität in der Nukleinsäurestruktur und -funktion nicht durch solch einfache Regeln erfasst wird (zum Beispiel die von Z-DNA 19 , G QUARTETS 20 und katalytischer RNA 21 ), verwenden die meisten Molekularbiologen diese Diversität nur gelegentlich.

Die Eleganz des Watson-Crick-Modells hat dazu geführt, dass die meisten Molekularbiologen die chemische Besonderheit solcher Regeln übersehen. Kein anderes molekulares System lässt sich so einfach beschreiben. Zum Beispiel ist das Verhalten eines Proteins im Allgemeinen keine transparente Funktion, weder linear noch anderweitig, des Verhaltens seiner konstituierenden Aminosäuren, auch nicht als Näherung. Die Macht der Watson-Crick-Regeln reichte dennoch aus, um bei den meisten, die erkannten, dass die molekulare Erkennung der Doppelhelix-Struktur in der DNA ein „gelöstes Problem“ sei, Selbstzufriedenheit zu wecken.

Die Rolle des DNA-Rückgrats bei der molekularen Erkennung. Diese Selbstgefälligkeit wurde nur durch die Synthese von Nukleinsäuren beseitigt. Ab den 1980er Jahren begannen sich einige synthetische Biologen zu fragen, ob DNA und RNA die einzigen molekularen Strukturen seien, die die Genetik auf der Erde oder anderswo unterstützen könnten 3,22,23 . Andere Biologen versuchten auf der Suche nach technologischen Zielen, Module in der DNA-Struktur zu ersetzen, um DNA-Analoga zu schaffen, die beispielsweise passiv in Zellen eindringen würden, aber dennoch die Regel „A-Paare mit T, G-Paare mit C“ unterstützen könnten, mit dem Ziel die Leistung intrazellulärer Nukleinsäuren auf eine sequenzspezifische "Antisense"-Weise zu unterbrechen 24 .

Diese Antisense-Idee war einfach in Cartoon-Form. Es wurde angenommen, dass das Phosphat-Rückgrat hauptsächlich für die Untauglichkeit der DNA als Medikament verantwortlich ist: Die sich wiederholenden Rückgrat-Phosphate verhinderten, dass sich Nukleinsäuren in Lipidphasen aufspalten, ein Vorgang, der für den passiven Eintritt von Molekülen in die Zellen als essentiell angesehen wird. Das Phosphat-Ribose-Rückgrat ist auch die Erkennungsstelle für Nukleasen. Dieses Wissen und die Tatsache, dass das Watson-Crick-Modell keine besondere Rolle für die Phosphate bei der molekularen Erkennung vorschlug, legten nahe, dass das Rückgrat verändert werden könnte, ohne die Paarungsregeln zu beeinflussen.

Der Versuch, nichtionische Rückgrate zu synthetisieren, veränderte die etablierte Ansicht der Nukleinsäurestruktur. Fast 100 Linker wurden synthetisiert, um den 2′-Desoxyribose-Zucker zu ersetzen, beginnend mit dem ersten von den Labors Pitha 25 und Benner 26. Fast alle Analoga, denen die REPEATING CHARGE fehlte, zeigten eine schlechtere regelbasierte molekulare Erkennung. Selbst mit den erfolgreichsten ungeladenen Analoga (wie den von Nielsen und seiner Gruppe 27 entwickelten polyamidgebundenen Nukleinsäureanaloga (PNA)) unterstützten Moleküle mit mehr als 15 oder 20 Baueinheiten im Allgemeinen keine regelbasierte Duplexbildung. Bei anderen ungeladenen Systemen tritt der Ausfall früher auf 28 .

Diese Entdeckung war für die Antisense-Industrie bedauerlich, hatte jedoch einen deutlichen Einfluss auf unser Verständnis der DNA. Die sich wiederholende Ladung im DNA-Rückgrat konnte nicht mehr als entbehrliche Unannehmlichkeit angesehen werden. Das gleiche gilt für das Ribose-Rückgrat der RNA: Obwohl mehrere Rückgrate (wie THREOSE-DNA oder LOCKED NUCLEIC AIDS) genauso gut oder besser funktionieren als Ribose 24,29,30 , funktionieren die meisten Ersatzstoffe weniger gut. Das Rückgrat ist nicht nur ein Gerüst, um die Nukleobasen an Ort und Stelle zu halten, sondern spielt eine wichtige Rolle bei der molekularen Erkennung, die für die Genetik von zentraler Bedeutung ist.

Evolution genetischer Moleküle. Das obige Beispiel veranschaulicht, wie die Synthese Entdeckungen und Paradigmenwechsel vorantreibt. Das Versäumnis, nichtionische DNA-Analoga zu erhalten, die eine regelbasierte Paarung beibehalten, veranlasste die Wissenschaftler, über die chemischen Strukturen nachzudenken, die zur Unterstützung der Darwinschen Evolution erforderlich sein könnten.

Insbesondere muss ein genetisches Molekül Veränderungen (Mutationen) erleiden können, ohne seine physikalischen Gesamteigenschaften merklich zu verändern. Auch dieses Merkmal ist in chemischen Systemen (zum Beispiel in Proteinen) selten. Da jedoch die Ladung die physikalischen Eigenschaften eines Moleküls dominiert, sollte eine sich wiederholende Ladung es ermöglichen, Anhängsel (die Nukleobasen im Fall von DNA und RNA) zu ersetzen, ohne das dominante Verhalten eines genetischen Systems zu ändern 31 . Dies hat zu der Vermutung geführt, dass eine sich wiederholende Ladung ein universelles Merkmal genetischer Moleküle sein könnte, die in Wasser wirken 31 .

Darüber hinaus hatte die Entdeckung, dass Ribose einer der besseren Rückgratzucker zur Unterstützung der molekularen Erkennung ist, 24,32 Auswirkungen auf die Entstehung des Lebens auf der Erde. Mitte der 1990er Jahre hatte Miller kommentiert, dass Ribose aufgrund der Leichtigkeit, mit der sich Ribose beim Erhitzen als Zucker zersetzt 33 , das erste genetische System auf der Erde nicht hätte unterstützen können. Die Ergebnisse der Synthese, die darauf hindeuteten, dass Ribose besonders gut für die Genetik ist, trieben Bemühungen an, präbiotische Wege zur Ribose zu finden, die ihre intrinsische Instabilität überwinden würden 34,35 .

Schaffung synthetischer genetischer Systeme. Auch die Synthese mit Fokus auf die Nukleobasen führte zu Entdeckungen. Die Watson-Crick-Paarungsregeln ergeben sich aus zwei Regeln der chemischen Komplementarität. Die erste, Größenkomplementarität, paart große Purine mit kleinen Pyrimidinen. Die zweite, Wasserstoffbrücken-Komplementarität, paart Wasserstoffbrücken-Donoren einer Nukleobase mit Wasserstoffbrücken-Akzeptoren der anderen.

Wenn die Paarung von Nukleobasen tatsächlich so einfach wäre, sollte es möglich sein, Atome innerhalb der Nukleobasen (auf dem Papier) zu bewegen, um unnatürliche Nukleobasen zu synthetisieren, die immer noch nach den Regeln der Größe und der Komplementarität von Wasserstoffbrücken paaren würden, aber anders als die natürlichen Nukleobasen. Tatsächlich kann man durch Mischen der Wasserstoffbrücken abgebenden und aufnehmenden Gruppen leicht acht zusätzliche synthetische Nukleobasen erzeugen, die vier zusätzliche Basenpaare bilden (Abb. 1).

Teile der Nukleobasen der DNA können als austauschbare Baumodule verwendet werden. Die blauen Einheiten sind die Wasserstoffbrückendonor-(D)-Ansammlungen von Atomen. Die roten Einheiten sind die Wasserstoffbrückenakzeptor (A) Ansammlungen von Atomen. ein | Die vier Standardnukleobasen sind gezeigt. B | Das Mischen der Wasserstoffbrücken-Donor- und -Akzeptor-Module erzeugt acht zusätzliche Nukleotide, die ein synthetisches genetisches System bilden. Diese synthetischen Basen wurden in einem künstlichen genetischen System verwendet, das die darwinistische Evolution unterstützen kann. A, Adenin C, Cytosin G, Guanin Pu, Purin Py, Pyrimidin T, Thymin.

In diesem Fall zeigte die Synthese, dass die Nukleobasenpaarung so einfach ist, wie es das Watson-Crick-Modell impliziert. Ein synthetisches genetisches Alphabet mit bis zu 12 unabhängig replizierbaren Nukleobasenpaaren kann durch einen erweiterten Satz von Watson-Crick-Regeln unterstützt werden 36 . Darüber hinaus wandelt eine kleine Menge Protein-Engineering natürliche Polymerasen in Polymerasen um, die Komponenten eines erweiterten genetischen Alphabets in einer Polymerase-Kettenreaktion akzeptieren 14 . Dadurch wurde zum ersten Mal ein synthetisches genetisches System geschaffen, das wiederholt kopiert werden kann, mit dem Mutationsniveau, das erforderlich ist, um Anpassung und Evolution zu unterstützen.

Bei der Suche nach synthetischen Systemen, die solche emergenten Eigenschaften nachbilden könnten, haben synthetische Biologen viel entdeckt. Beispielsweise wurde vorgeschlagen, dass DNA-Polymerasen die kleine Furche eines DNA-Duplex scannen, um nach nicht geteilten Elektronenpaaren als Erkennungsmerkmal zu suchen 37 . Es wurde ebenfalls vorgeschlagen, dass dieses Scannen der kleinen Furche für die hohe Genauigkeit der DNA-Replikation wesentlich ist. Bemühungen, Polymerasen zu erhalten, um die Evolution des künstlichen genetischen Systems zu unterstützen, führten zu der Entdeckung, dass das Scannen kleiner Rillen nicht ein wesentliches Merkmal aller Polymerasen ist.

Heute ist das Bemühen, ein synthetisches chemisches System herzustellen, das der Darwinschen Evolution fähig ist, ein wichtiger Schwerpunkt des Chemical Bonding Program der National Science Foundation. Hier wurden die Details der chemischen Strukturen von Nukleobasen bestimmt, die für die Unterstützung der Genetik essentiell sind, mit dem Ziel, spezifische chemische Probleme zu reparieren, die die Verwendung bestimmter Komponenten eines erweiterten genetischen Alphabets einschränken. Zum Beispiel leiden mehrere Komponenten eines künstlichen genetischen Systems unter EPIMERISIERUNG, die durch Hinzufügen von Nitrosubstituenten zu den Nukleobasen behoben wurde 38 . Eine weitere Komponente des künstlichen Systems, Iso-Guanosin, hat eine geringfügige TAUTOMERISCHE Form, die sich mit Thymidin kreuzt und eine signifikante Anzahl von Mutationen in Polymerase-Kettenreaktionen hervorruft. Dieser Defekt wurde gelöst, indem ein Stickstoff in der Struktur durch ein Kohlenstoffatom ersetzt wurde 39 .

Da es eine regelbasierte molekulare Erkennung ermöglicht, die orthogonal zur Erkennung durch natürliche DNA ist, wird dieses synthetische genetische System heute in der Klinik eingesetzt. Als Teil des verzweigten DNA-Diagnostik-Assays VERSANT 40 von Bayer hilft die Synthetische Biologie bei der Versorgung von etwa 400.000 HIV- und Hepatitis-Viren-Patienten pro Jahr 10,11 (Abb. 2).

Das nachzuweisende Ziel-RNA-Molekül (der Analyt) wird durch die Hybridisierung des Analyten an eine Reihe von Einfangsonden an den Kunststoff eines Mikrowells (unten) angeheftet. Dieser Komplex fängt dann durch Hybridisierung eine Zielsonde ein, die wiederum an ein Vorverstärkermolekül hybridisiert, wodurch der Analyt zwischen der Einfangsonde und dem Vorverstärker "sandwich" wird. Der Vorverstärker fängt ein verzweigtes DNA-Dendrimer (Verstärker) ein, das an jedem Zweig mehrere Signalmoleküle enthält.Als Folge der Verzweigung sammelt ein einzelner Analyt eine große Anzahl von Signalmolekülen im Mikrowell. Diese Assays verwenden das in Abb. 1 gezeigte erweiterte genetische Alphabet. Wenn Standardnukleotide verwendet wurden, um die signalgebende Nanostruktur aufzubauen, wurde ein signifikantes Rauschen beobachtet, da in der biologischen Probe vorhandene Nicht-Ziel-DNA von den Sonden in der Mikrotiterplatte eingefangen wurde in Abwesenheit von Analyten. Der Einbau von Komponenten des künstlichen genetischen Alphabets in das Dendrimer reduzierte das Rauschen. Infolgedessen hilft der Assay jetzt bei der Pflege von etwa 400.000 Patienten pro Jahr, da er nur acht Moleküle der Analyt-DNA in einer Probe nachweisen kann.

Auf der Suche nach austauschbaren Teilen: Proteine

Die Aminosäure als Baustein in Proteinen. Die synthetische Biologie von Nukleinsäuren ist erfolgreich, weil die sich wiederholende Ladung im Rückgrat den unabhängigen Austausch der Nukleotidteile ermöglicht (obwohl wir die Tatsache anerkennen, dass einige RNA-Strukturen, wie z. B. G-reiche Sequenzen, selbst problematisch zu entwickeln sind). Proteine ​​haben leider keine sich wiederholende Ladung, daher war das Engineering schwieriger.

Vorschläge zur Entwicklung von Proteinen, deren austauschbare Einheit die Aminosäure ist, sind so alt wie die rekombinante DNA-Technologie 41,42 . Diese Idee wurde 1983 von Kevin Ulmer, dem damaligen Direktor der explorativen Forschung bei Genex43, in einem technischen Kontext diskutiert. In Ulmers Vision würden synthetische Biologen zunächst das Verhalten von Proteinen verändern, indem sie Aminosäure-BAUMODULE in den natürlichen Proteinen ersetzen. Die Ersatzstoffe würden aus dem Standardsatz von 20 natürlichen Aminosäuren stammen und würden nach primitiven Konstruktionsprinzipien ausgewählt, um spezifische Ziele zu erreichen, die durch die gewünschten Eigenschaften des synthetischen Proteins definiert werden. Solche primitiven Prinzipien könnten zum Beispiel geladene Reste am oberen und unteren Ende von α-Helices platzieren oder die Komplementarität der Aminosäuregröße im aktiven Zentrum eines Enzyms strategisch verändern.

Es wurde erwartet, dass ein Design, das auf solchen primitiven Regeln basiert, häufig scheitert. Ein Scheitern würde jedoch die Entwicklung besserer Konstruktionsregeln vorantreiben 44 . Dies würde einen Zyklus erzeugen, der die Festlegung eines Ziels, den Austausch von Aminosäuren zur Erzeugung von Proteinen zur Erreichung des Ziels unter Verwendung der verbesserten Designregeln, gefolgt von Erfolg und Misserfolg, Verfeinerung der Designregeln und der Festlegung neuer Ziele beinhaltet. Dieser Prozess könnte Jahrzehnte andauern und vielleicht sogar einige der aufstrebenden Eigenschaften erzeugen, die biologische Systeme charakterisieren. Diese Vision bleibt weitgehend unrealisiert. Die 20-jährige Erfahrung seit Ulmers Vorstellung seiner Vision hat gezeigt, dass das Verhalten eines Proteins keine einfache Kombination unabhängiger Beiträge der einzelnen Aminosäuren ist 45 .

Das Scheitern der Unabhängigkeitsannäherung wurde größtenteils erwartet 46 . Erstens interagieren Aminosäuren in einer gefalteten Polypeptidsequenz stark mit anderen, sogar mit Aminosäuren, die in der Polypeptidkette entfernt liegen 47 . Noch ernster ist, dass selbst die einfachsten molekularen Wechselwirkungen kaum verstanden werden. Auch heute noch kann die chemische Theorie den Gefrierpunkt von Wasser 48 , die Löslichkeit einfacher Salze in Wasser 49 oder die Packung von Kristallen einfacher organischer Moleküle 50 nicht rückgängig machen. Die Proteinfaltung ist in einer Hinsicht ein Aggregat dieser besonderen Prozesse. Von einer Theorie, die die Einzelheiten nicht bewältigen kann, wird nicht erwartet, dass sie das Ganze beherrscht. Dennoch wird der Syntheseaufwand entscheidend sein, um diese Grenzen der Theorie aufzuzeigen und zu überwinden.

Es werden ernsthafte Anstrengungen unternommen, um die Computerwerkzeuge zu verbessern, die für das Design und die Konstruktion von Proteinen erforderlich sind 51,52,53 . Einige haben versucht, Designprinzipien zu verbessern, indem sie ROTAMER von Aminosäuren untersucht haben, bei denen unterschiedliche Anordnungen von Seitenkettenatomen als Baumodule verwendet werden, anstatt die Aminosäuren selbst 54 . Kleine Proteinfalten haben sich auf die Vereinfachung von Designproblemen konzentriert 55 . Darunter elegante Exemplare aus den Labors von Imperiali, Allemann und Mayo.

Heute wird die Technologie des Aminosäureersatzes durch eine Kombination aus Berechnung, Design, Screening, Auswahl und Glück durchgeführt 56 . Trotzdem war das Ergebnis positiv 57 durch den Aminosäureaustausch sind viele nützliche Enzyme entstanden, darunter Polymerasen für die DNA-Sequenzierung 58 , reverse Transkriptasen, die PCR verwenden, um synthetische genetische Systeme zu amplifizieren 14 und Enzyme in kommerziellen Waschmitteln 59 . Aber diese sind weit entfernt von einer synthetischen Biologie, die die entstehenden Eigenschaften lebender Systeme erfasst.

Die Proteinfalteinheit als Baumodul. Proteine ​​werden aus Sekundärstruktureinheiten aufgebaut, einschließlich der α-Helix und des β-Strangs 60 . Dies führte zu der Idee, dass solche sekundären Strukturelemente als austauschbare Teile dienen könnten, um das Proteindesign zu unterstützen 61 .

Besonders erfolgreich ist es Kaiser und seinen vielen Schülern, die amphiphile Helix als austauschbare Baueinheit einzusetzen. In einer amphiphilen Sekundärstruktur sind hydrophobe und hydrophile Aminosäureseitenketten in der Reihenfolge so angeordnet, dass eine hydrophile Seite der Einheit dem Wasser zugewandt ist, während eine hydrophobe Seite in der Proteinfalte vergraben sein kann. Von solchen amphiphilen Strukturen wird erwartet, dass sie sich spontan in Wasser packen.

Mit dieser Strategie hat DeGrado et al. entwarfen ein künstliches Polypeptid, das einige der Faltungs- und biologischen Eigenschaften von Mellitin, einem Protein aus einem Bienenstich, reproduzierte, ohne seine genaue Sequenz zu reproduzieren 62 . Das entworfene Peptid war amphiphil, und das Modell schlug vor, dass seine hydrophobe Seite sich in der hydrophoben Membran einer Zelle vergräbt. Amphiphile Helices als Einheiten werden seitdem häufig genutzt 63 . Analoge Ansätze haben den β-Strang als Architekturmodul 64 verwendet.

Mehrere Laboratorien haben daran gearbeitet, neue biologische Eigenschaften, einschließlich Schablonenreplikation, zu erstellen, indem sekundäre Strukturelemente als austauschbare Gebäudemodule verwendet wurden. Beispielsweise entwarf das Labor von Ghadiri ein Peptid durch Zusammenbau von α-helikalen Coiled-Coils, um eine Peptidligase 65 und einen Peptidreplikator 66 zu erhalten (Fig. 3).

ein | EIN de novo Peptidligasen entwickelt. α-helikale Peptide A und B binden an das elektrostatisch komplementäre α-helikale Peptid C, um den ternären C·A·B-Komplex zu bilden, der aus zwei Coiled-Coils besteht. Peptid A hat einen modifizierten Aminoterminus, der mit dem chemisch modifizierten Carboxylterminus von Peptid B bei der Bildung des ternären Komplexes reagiert. Die Reaktion der Peptide A und B ist eine Ligation, die das Produkt C·P bildet (C·P * steht für die chemische Reaktion zwischen A und B, um P zu produzieren). B | Schema des Peptidreplikators basierend auf der in Teil dargestellten Reaktion ein, die die Reaktion von Peptid A mit Peptid B unter Bildung eines ternären Komplexes mit Peptid C zeigt. Die Peptide AL , BL und C LL bestehen aus L-Aminosäuren, während die Peptide AD , BD und C DD aus D- bestehen. Aminosäuren. Die Peptide C LL und C DD werden autokatalytisch templatgesteuert durch die Reaktion der Vorstufen A L mit B L bzw. A D mit B D hergestellt. Daher ist dieser Replikator stereochemisch selektiv und produziert nur Produkte (C LL und C DD ), die isomerenrein sind. Teil B geändert, mit Genehmigung, von Ref. 65 © American Chemical Society (2001) und von Natur Art.-Nr. 66 © (2001) Macmillan Magazines Ltd.

Viele dieser Arbeiten fallen direkt unter die Definition der biomimetischen Chemie, da sie isolierte Verhaltensweisen natürlicher biologischer Systeme reproduzieren. Dazu gehört die Verwendung amphiphiler Helices als Designelemente, um ein synthetisches Enzym zu schaffen, das die Decarboxylierung von Oxalacetat 67 katalysiert. Weitere Arbeiten mit modularem Design haben dieses künstliche Enzym verbessert 68 . Auf der Grundlage des modularen Aufbaus von Sekundärstruktur-Baueinheiten wird nun auf diese Weise eine breite Palette von katalytischen Aktivitäten gesucht. Dazu gehören künstliche Enzyme, die die Esterhydrolyse katalysieren 69 , Phenol mit molekularem Sauerstoff oxidieren 70 und Aldolreaktionen katalysieren 71 .

Trotz dieser Erfolge bleiben Helices und Stränge als Baumodule zur Unterstützung der synthetischen Biologie in Proteinen eine Herausforderung. Selbst wenn sich amphiphile Elemente in Wasser zu einer Falte zusammenlagern, ist die innere Packung oft dynamisch (ein „geschmolzenes Kügelchen“). Nachfolgendes Design, Versuch und Glück sind erforderlich, um den dynamischen Kern zu verfeinern, um ihn steif zu machen. Trivialerweise sind viele Proteindesign-Projekte einfach deshalb gescheitert, weil Proteine ​​dazu neigen, auszufallen. Das Rückgrat von Proteinen trägt keine sich wiederholende Ladung (wie Nukleinsäuren), stattdessen ist die sich wiederholende Einheit ein Dipol (die Amidbindung), der sich gut für die Selbstaggregation eignet. Ein Großteil des Proteindesigns ist daher ein Versuch, Peptide zu entwickeln, die in Wasser gelöst bleiben.

Es wurde vorgeschlagen, dass die natürliche Selektion sekundäre Strukturelemente als austauschbare Teile bei der Konstruktion neuer Proteine ​​verwendet haben könnte. Spuren eines solchen Austauschs könnten in sehr alten Schritten zur Konstruktion von Proteinen nachgewiesen werden 72 . Aber die in letzter Zeit weit verbreitete Rekrutierung von Funktionen (Proteine ​​mit einer Sequenzidentität von 50% können sehr unterschiedliche Reaktionen katalysieren 73 ) scheint hauptsächlich durch Punktmutation, Insertion und Deletion entstanden zu sein.

Das natürliche Protein als technische Einheit. Auf dem Weg von der atomaren zur makroskopischen Welt betrachtet der nächste Schritt gefaltete Proteine ​​als austauschbare Teile. Die Biosphäre enthält Proteine ​​mit unterschiedlichsten physikalischen und katalytischen Eigenschaften. Seit mehreren Jahrzehnten fragen sich Stoffwechselingenieure, ob diese zu Baumodulen zusammengebaut werden können, um neue Wege zu schaffen, die zumindest einige der neu entstehenden Eigenschaften biologischer Systeme erfassen. Dies könnte geschehen, ohne das schwierige Problem der Konstruktion künstlicher Proteine ​​von Grund auf lösen zu müssen.

Die einfachste Idee hinter dem Metabolic Engineering bestand darin, den Stoffwechsel einer Zelle einfach umzuleiten, indem man ihre genetische Ausstattung verändert 74 . Dies wurde lange Zeit auf nicht rationale Weise erreicht. Fermentationsstämme, die durch klassisches Screening und Selektion gewonnen wurden, werden in der Industrie weit verbreitet verwendet (z. B. bei der Synthese von Zitronensäure) 75 . Das Aufkommen der rekombinanten DNA-Technologie hat zu verstärkten Bemühungen geführt, Enzyme aus einer Reihe von Organismen auszuwählen und auszuwählen und diese Enzyme dann zu einem einzigen Organismus zusammenzusetzen, um Produkte herzustellen, die für den Organismus möglicherweise nicht nativ sind. Fukui zum Beispiel et al. 76 konstruierte einen Stamm des Bakteriums Ralstonia eutropha die in der Lage war, aus Fructose Poly(3-hydroxybutyrat-co-3-hydroxyhexanoat) herzustellen (Abb. 4a). Der Stamm wurde durch die Einführung von Genen für verschiedene Schritte im Stoffwechselweg von zwei anderen Mikroorganismen zusätzlich zu R. eutropha.

ein | Die Kombination von Enzymen aus drei Quellen in a Ralstonia eutropha Der Wirt erzeugte einen Stamm, der große Mengen eines Poly(3-hydroxybutyrat-co-3-hydroxyhexanoat)-Polymers aus Fructose produzierte. Alle Enzyme von Ralstonia eutropha sind schwarz dargestellt, während die von Areomonas caviae und Streptomyces cinnamonensis sind grün bzw. rot dargestellt. Mit Genehmigung geändert aus Ref. 76 © American Chemical Society (2002). B | Die Kombination von Enzymen aus drei Quellen in einem Escherichia coli Der Wirt erzeugte einen Stamm des Bakteriums, der eine Vorstufe für Artemisinin, ein Antimalariamittel, produzierte. Die Herausforderung dieses Experiments lag in der Notwendigkeit, den Weg zur Erkennung und Vermeidung von Metaboliten-Toxizität zu begrenzen und gleichzeitig die Ausbeute des gewünschten Produkts zu optimieren. Die allgemeine Methodik für das Pfaddesign bestand darin, einen konstruierten Mevalonat-Pfad zu verwenden, der in E coli, anstelle des im Organismus nativen DXP (1-Desoxy-D-Xylulose-5-Phosphat)-Wegs. Die verwendeten synthetischen Operons sind dargestellt und die Metaboliten des konstruierten Stoffwechselwegs sind in Rot dargestellt. Im gentechnisch veränderten Mevalonat-Pfad ist der Fan von Genen aus ERG12 zu ispA existieren auf mehreren Plasmiden, um den Weg zur Optimierung des Produkts abzustimmen und gleichzeitig Metabolit-Toxizität zu vermeiden. Wie unten in der Abbildung dargestellt, ist die E coli Stamm DYM1, ein Stamm mit einem Mangel an Isoprenoidsynthese, wurde verwendet, da festgestellt wurde, dass der DXP-Weg die Produktausbeute begrenzt, wahrscheinlich aufgrund einer nicht erkannten Verbindung zwischen dem Weg und physiologischen Kontrollelementen im Organismus. Verwendete Enzyme (isoliert aus Saccharomyces cerevisiae wenn nicht anders angegeben): ADS, Amorphadien-Synthase A nach B, Acetoacetyl-CoA-Thiolase (E coli) dxs, 1-Desoxy-D-Xylulose-5-Phosphat-Synthase ERG12, Mevalonatkinase ERG8, Phosphomevalonatkinase HMGS, HMG-CoA-Synthase id, IPP-Isomerase (E coli) ippHp, IPP-Isomerase (H. pluvialis) ispA, FPP-Synthase (E coli) ispC, 1-Desoxy-D-xylulose 5-Phosphat-Reduktoisomerase MVD1, Mevalonatpyrophosphatdecarboxylase tHMGR, verkürzte HMG-CoA-Reduktase. Pathway-Zwischenprodukte: AA-CoA, Acetoacetly-CoA A-CoA, Acetyl-CoA CDP-Me, 4-Diphosphocytidyl-2-C-Methyl-D-Erythritol CDP-ME2P, 4-Diphosphocytidyl-2-C-Methyl-D- Erythritol-2-phosphat DMAPP, Dimethylallylpyrophosphat DXP, 1-Desoxy-D-xylulose-5-phosphat FPP, Farnesylpyrophosphat G3P, Glyceraldehyd-3-phosphat HMB4PP, 1-Hydroxy-2-methyl-2-(E)-butenyl-4-pyrophosphat HMG-CoA, Hydroxymethylglutaryl-CoA IPP, Isopentenylpyrophosphat Mav-P, Mevalonat-5-Phosphat ME-2,4cPP, 2-C-Methyl-D-Erythritol 2,4-Cyclopyrophosphat MEP, 2-C-Methyl-D-Erythritol 4-Phosphat Mev-PP, Mevalonatpyrophosphat. Angepasst, mit Genehmigung, von Natur Biotechnologie Art.-Nr. 77 © (2003) Macmillan Magazines Ltd.

Ein analoges Beispiel stammt aus der Abteilung für Synthetische Biologie der Abteilung für Physikalische Biowissenschaften des Lawrence Berkeley National Laboratory 77 . Hier entwickelten die Forscher einen Stamm von Escherichia coli die Amorphadien synthetisieren könnten, eine Isoprenoid-Vorstufe des Malariamedikaments Artemisinin. Der Weg kombinierte die Acetoacetyl-CoA-Thiolase (kodiert durch die A nach B Gen) von E coli, eine Isopentenylpyrophosphat-Isomerase aus Haematococus pluvialis, und mehrere Enzyme aus Saccharomyces cerevisiae (Abb. 4b). Die Gates Foundation finanziert nun die Ausweitung dieses Prozesses im Rahmen ihrer Mission, kostengünstige Medikamente für die Dritte Welt zu entwickeln.

Wie Khosla und Keasling feststellten 78 , erfordert Metabolic Engineering im Allgemeinen mehr, als nur Enzyme in einer Zelle zusammenzuwerfen. Das Erreichen eines synthetischen Ziels (hier eine Sorte, die ein bestimmtes Produkt produziert) erfordert das Management komplexer metabolischer und regulatorischer Prozesse. Um dieses Ziel zu verfolgen, kann man nicht umhin, den Stoffwechsel und seine aufkommenden Verhaltensweisen zu erlernen, einschließlich der Regulierung des Stoffwechsels und des Ausmaßes, in dem Enzyme aus verschiedenen Quellen unabhängig voneinander kombiniert werden können. Synthese fördert also das Entdecken und Lernen.

Verwendung von Genen und genetischen Elementen. Eine Möglichkeit, nach austauschbaren Teilen zu suchen, besteht darin, die Teile zu identifizieren, die in der natürlichen Evolution verwendet werden. Das archetypische Beispiel für Modularität in der Evolution findet sich in genetischen Regulations- und Signalwegen. Dabei fungieren Proteinkombinationen oft als molekulare Schalter, das heißt, sie werden durch vorgeschaltete Ereignisse (Ligandenbindung, eine chemische Reaktion oder die Bewegung von Komponenten an neue Orte) stimuliert und erzeugen einen Output, der dann als Input für noch ein Schalter. Die Rekrutierung und der Austausch einzelner Proteine ​​auf solchen Wegen während der eukaryotischen Evolution hat viele logische Netzwerke hervorgebracht, die das zelluläre Verhalten kontrollieren 79 .

Angesichts dieses natürlichen Präzedenzfalls besteht ein Ziel der synthetischen Biologie darin, die Proteine ​​selbst als Baumodule zu verwenden und künstliche Regelkreise zu synthetisieren, die vorselektierte Ein- und Ausgänge haben. Nach wie vor besteht die Motivation nicht so sehr darin, „Spielzeug“ zu konstruieren, sondern vielmehr die Herausforderung eines synthetischen Ziels zu nutzen, um Prinzipien zu entdecken, die die Chemie der Signalübertragung mit aufkommenden regulatorischen Eigenschaften in der komplexen Biologie verbinden.

Mehrere Beispiele zeigen, wie dies geschehen könnte. In Signaltransduktionswegen, an denen Rezeptor-Tyrosin-Kinasen beteiligt sind, werden Tyrosin-enthaltende Motive autophosphoryliert. Diese docken dann an die Src-Homologie-2-(SH2)- und Phosphotyrosin-bindenden (PTB)-Domänen von Adapterproteinen an, die wiederum Signalwege aktivieren, die spezifische zelluläre Reaktionen auslösen. Das durch diese Ereignisse erzeugte Signal hängt von den Details der Adapterproteine ​​ab. Beispielsweise wird die SH2-Domäne des Wachstumsfaktorrezeptor-gebundenen Protein 2 (GRB2)-Adapters von zwei Src-Homologie-3-Domänen (SH3) flankiert. Diese binden Proteine ​​wie den Guanin-Nukleotid-Austauschfaktor Sohn von Sevenless Homolog 2 (SOS2) und das GRB2-assoziierte Bindungsprotein 1 (GAB1) Docking-Protein, die dann helfen, den Ras- bzw. Phosphatidylinositol-3'-Kinase-Weg zu aktivieren. GRB2 koppelt daher die phosphorylierten Motive an Signalwege, die zum Überleben, Wachstum und Proliferation von Zellen führen. Unterschiedliche Kombinationen führen zum gegenteiligen Ergebnis. Autophosphorylierte Todesrezeptoren binden beispielsweise Adaptoren, wie fas (TNFRSF6)-assoziiert über die Todesdomäne (FADD), gefolgt von einem analogen Signalprozess, der den Zelltod durch Apoptose fördert.

In einer faszinierenden Studie aus Pawsons Gruppe 80 wurden wachstumsfördernde und todfördernde Module neu angeordnet. In dieser Arbeit wurden die Phosphotyrosin-Erkennungsdomänen von GRB2 – entweder die SH2-Domäne oder die ShcA-Phosphotyrosin-bindende Domäne – mit der Todeseffektordomäne von FADD fusioniert. Bei der Transformation des Konstrukts in Fibroblasten lenkten die synthetischen Adapter die normalerweise zum Wachstum führenden Signale um, sodass sie stattdessen zum Zelltod führten. Hier bestätigte das synthetische Ziel die Leistungsfähigkeit (und zum Teil auch die zugrundeliegende Korrektheit) eines modularen Regulierungsmodells durch dieses System.

Es ist klar, dass diese Art der Umstrukturierung bestehender Regulierungskomponenten in Zukunft dazu genutzt wird, die Signalisierung allgemeiner zu verkabeln. Hier wurde die Analogie zum Aufbau elektrischer Schaltungen von Hasty . verwendet et al. 81 , die kürzlich einige der spektakulären Errungenschaften in diesem Bereich bewertet haben (zusammengefasst in Kasten 2).

Synthetische biologische „Spielzeuge“ können ebenfalls hergestellt werden. Zum Beispiel wurde ein künstliches oszillatorisches Netzwerk (ein 'Repressilator') in E coli von Elowitz und Leibler 16 (Abb. 5) Diese synthetischen Biologen platzierten in einem E coli Wir beherbergen drei transkriptionale Repressorsysteme, die zusammen nicht Teil eines natürlichen biologischen Systems sind, und koppeln diese an die Synthese des grün fluoreszierenden Proteins. Der Fluoreszenzausgang der Zelle oszillierte als Funktion der Zeit und lieferte ein visuelles Signal des Zustands des Oszillators in der Zelle. Die Schwingungsperiode von Stunden war länger als die typische Zeit, um einen Zellteilungszyklus abzuschließen. Dies weist darauf hin, dass der Zustand des Oszillators von Generation zu Generation weitergegeben wurde und Eigentum einer Zellkolonie wurde.

ein | Schematische Darstellung des Regulationsmusters, das die Grundlage eines Repressilators bildet.Drei Gen-Promotor-Paare sind so angeordnet, dass das Produkt, das aus der Expression des Gens nach einem Promotor stammt, ein Repressor für den nächsten Promotor im Zyklus ist. Schwarze Verbindungslinien zeigen, dass Promotor PLlacO1 kontrolliert die Transkription des Gens tetR-lite, das Tetracyclin-Repressorprotein TetR unterdrückt PLtetO1, der nächste Promotor in der Sequenz. PLtetO1 wiederum steuert die Transkription von cI-lite, und das Protein CI reprimiert den Promotor PR. Schließlich PR steuert den Ausdruck von lacI-lite, und das Lactose-Repressor-Protein LacI reprimiert PLlacO1, Abschluss des Zyklus. Das Suffix '-lite“ bezieht sich auf das Vorhandensein von Tags, die die Abbaurate der Proteine ​​erhöhen. B | Das Lumineszenzmuster eines Reporterplasmids, das GFP unter der transkriptionellen Kontrolle des PLtetO1-Promotor, wenn das Reporterkonstrukt auf an . übertragen wird Escherichia coli in Gegenwart des Repressilators. Wie die experimentelle Kurve zeigt, führt die vom Repressilator ausgedrückte Oszillation des TetR-Repressors zu der zeitabhängigen Oszillation von GFP Ausdruck. Balken am unteren Rand des Diagramms zeigen das Timing von Zellteilungsereignissen. Die Schwingungsdauer ist länger als die Zellteilungszeit, und der Schwingungszyklus setzt sich in den nachfolgenden Generationen fort. Angepasst, mit Genehmigung, von Natur Art.-Nr. 16 © (2000) Macmillan Magazines Ltd.

Der Repressilator ist natürlich ein synthetisches Äquivalent zu Schwingungssystemen, die in der gesamten Biologie zu finden sind 82 . Das Ziel, einen synthetischen Oszillator herzustellen, könnte daher zu einem tieferen Verständnis natürlicher Oszillatoren führen. Zum Beispiel zeigte der Repressilator ein lautes Verhalten. Dies könnte durch stochastische Fluktuationen seiner Bestandteilsmoleküle entstehen, die in sehr wenigen Kopien in einzelnen Zellen vorhanden sind. Es könnte auch eine Wechselwirkung zwischen den synthetischen Teilen oder zwischen den synthetischen Teilen und den natürlichen Teilen des chemisch komplexen biologischen Wirts widerspiegeln. Damit diese Art von Netzwerkdesign zu einem besseren Verständnis natürlich vorkommender Netzwerke führt, müssen wir zur Analyse zurückkehren. Eine detaillierte analytische Untersuchung des synthetischen Systems ist ebenso erforderlich wie bei den synthetischen genetischen Systemen oder den oben beschriebenen synthetischen Stoffwechselwegen.

Andere Spielzeugsysteme sind im letzten Jahr entstanden. Einige davon beinhalten andere Biomoleküle als Proteine. Beispielsweise wurde unter Verwendung von Desoxyribozymen als Modulen 83 ein molekularer Automat gebaut, der interaktiv Tic-Tac-Toe gegen einen menschlichen Gegner spielt. Das System basiert auf einem Netzwerk von 23 LOGIC GATES im molekularen Maßstab und einem konstitutiv aktiven Desoxyribozym. Diese sind in neun Vertiefungen (3 x 3) angeordnet, die dem Spielplan entsprechen. Um eine Bewegung zu machen, analysiert der molekulare Automat das Input-Oligonukleotid, das mit einer bestimmten Bewegung des menschlichen Gegners verbunden ist, und zeigt eine Bewegung durch Fluoreszenzsignalisierung in einem Antwortfeld an.

Wo liegen die Gefahren der Synthetischen Biologie?

Ein provokanter Titel wie „Synthetic Biology“ suggeriert ein Gefahrenpotenzial. Dementsprechend wurde im vergangenen Jahr ein „Asilomar für die synthetische Biologie“ 84 gefordert, ein Hinweis auf eine Konferenz in Monterey im Jahr 1975, die die öffentlichen Gefahren der rekombinanten DNA-Technologie erörterte, die die oben diskutierte synthetische Biologie unterstützt.

Vieles von dem, was derzeit als synthetische Biologie bezeichnet wird, ist deckungsgleich mit der rekombinanten DNA-Technologie, die vor 30 Jahren in Asilomar diskutiert wurde. Dazu gehören Bakterien, die heterologe Gene exprimieren, Proteine, in denen Aminosäuren ersetzt wurden, und Zellen mit veränderten Regulationswegen. Wenn Sie einer alten Technologie einen neuen Namen geben, entsteht keine neue Gefahr.

Diejenigen, die künstliche chemische Systeme schaffen wollen, um Darwinsche Prozesse zu unterstützen, erschaffen jedoch etwas Neues. Wir müssen die Möglichkeit in Betracht ziehen, dass diese künstlichen Systeme Schaden anrichten können, wenn sie beispielsweise aus dem Labor entweichen. Für die Beurteilung dieses Gefährdungspotentials ist ein allgemeiner Grundsatz der Biologie relevant. Je stärker sich ein künstliches lebendes System von natürlichen biologischen Systemen unterscheidet, desto unwahrscheinlicher ist es, dass das künstliche System in der natürlichen Welt überleben wird. Ein lebender Organismus überlebt, wenn er Zugang zu den Ressourcen hat, die er benötigt, und ist besser geeignet als konkurrierende Organismen, diese zurückzugewinnen. Daher würde eine vollständig synthetische Lebensform mit acht Nukleotiden (Abb. 1) in ihrem genetischen Alphabet nur sehr schwer überleben, wenn sie aus dem Labor entkommen würde. Was würde es essen? Woher sollte es seine unnatürlichen Nukleoside bekommen?

Dieses allgemeine Prinzip gilt auch für weniger exotische Beispiele von konstruiertem Leben. Die 30-jährige Erfahrung mit genetisch veränderten Organismen seit Asilomar hat gezeigt, dass praktisch jeder vom Menschen geschaffene Organismus weniger fit ist als sein natürliches Gegenstück in einer natürlichen Umgebung. Wenn sie überhaupt in der Umwelt überleben, tun sie dies entweder unter der Pflege eines aufmerksamen Menschen oder indem sie ihre konstruierten Eigenschaften ausstoßen. Daher ein E coli entwickelt, um Tic-Tac-Toe zu spielen, könnte im menschlichen Darm überleben, würde dies jedoch wahrscheinlich tun, indem es seine spielerischen Fähigkeiten über Bord werfen würde.

Der Verlust genetischer Informationen ist viel einfacher, als neue Informationen zu erhalten. Im Gegensatz zu der Kraft darwinistischer Prozesse, die das Jurassic Park-Prinzip („Leben findet einen Weg“) impliziert, sind darwinistische Prozesse sehr konservativ, wenn es um die Schaffung neuer Funktionen geht. Bei der Bewältigung neuer Probleme machen darwinistische Systeme kleine Schritte von dem, was sie bereits haben, sie sind keine Innovatoren im großen Maßstab. Aussterben sind eine Folge davon, wenn sich die Umweltherausforderungen zu schnell ändern, als dass die Darwinschen Prozesse Schritt halten könnten.

Dies zeigt sich zum Beispiel beim natürlichen Leben. Das Ebola-Virus würde sich schneller ausbreiten, wenn es in der Luft übertragen würde und weniger virulent würde, ebenso wie Milzbrandbakterien, die von einem infizierten menschlichen Wirt auf einen nicht infizierten Menschen übertragen werden könnten. Die Tatsache, dass diese Merkmale bei diesen Infektionserregern nicht aufgetreten sind, weist auf die Schwierigkeit hin, die die Darwinsche Evolution hat, solche neuartigen Eigenschaften in bestehenden Organismen zu erzeugen. Tatsächlich ist die gefährlichste Art der Biotechnik diejenige, die überhaupt keine Technik ist, sondern einen bereits vorhandenen virulenten Wirkstoff genau reproduziert. Die Synthese des Pockenvirus 85 ist vielleicht das riskanteste Beispiel der synthetischen Biologie aus jüngster Zeit.

Die bisherige Diskussion setzt das Fehlen von Böswilligkeit voraus. Angenommen, man wollte tatsächlich Schaden anrichten? Würde man gentechnisch manipulieren E coli Ricin tragen, um eine Bedrohung zu schaffen? Oder Treibstoff und Dünger in einen gemieteten Lastwagen legen und vor einem Bundesgebäude zur Detonation bringen? Wir kennen die Antwort auf diese Frage für eine Person, die Timothy McVeigh vor zehn Jahren mit der letzteren Methode am Bundesgebäude in Oklahoma City beschädigte. Wir wissen es nicht für alle Individuen.

Beim International Meeting on Synthetic Biology 2004 in Boston drehte sich eine Diskussion um die „Hackerkultur“, die sich auf diejenigen bezog, die Computerviren erzeugen. Wie immer dann, wenn Ressourcen von produktiven zu unproduktiven Aktivitäten umgeleitet werden, verursachen Computerviren und Spam den Tod von Menschen. Was ist, wenn eine Gruppe von Menschen sich aufmacht, ein Ebola-Virus in der Luft zu erzeugen? Und was, wenn ein synthetischer Biologe, der sich das Man-on-the-Mond-Ziel gesetzt hat, ein solches Virus zu erschaffen, mehr darüber zu erfahren, wie Viren in der Luft übertragen werden, dem Biohacker (durch die veröffentlichte Literatur) sagt, wie es geht?

Diesem Risiko muss jedoch der potenzielle Nutzen der synthetischen Biologie gegenübergestellt werden. Die Geschichte bietet nur einen teilweisen Leitfaden. Zum Beispiel verbot die Stadt Cambridge 1975 die Forschung an rekombinanter DNA, um die von ihr als Gefahr empfundene Technologie in den Griff zu bekommen. Im selben Jahrzehnt entwickelte sich weltweit ein schlecht definiertes Syndrom, das bei Patienten mit „erworbener Immunschwäche“ festgestellt wurde, als wichtige Gesundheitskrise. Ohne die von der Stadt Cambridge verbotene Technologie wäre es schwierig gewesen, herauszufinden, was das menschliche Immunschwächevirus ist, geschweige denn, heute Wirkstoffe in der Hand zu haben, die die Infektion bekämpfen. Heute, da SARS, Vogelgrippe und andere Infektionskrankheiten aus Tierpopulationen auftauchen, zeichnet die rekombinante DNA-Technologie unsere Fähigkeit aus, diese Bedrohung heute zu bewältigen und was vor einem Jahrhundert möglich war.

Dies könnte das letzte Mal sein, dass ein kurzer Überblick über die synthetische Biologie versucht, Arbeiten zu umfassen, die von der organischen Chemie bis hin zu interzellulären Wechselwirkungen reichen. Auch im Jahr 2005 wurde viel getan, um den einzelnen hier diskutierten Themen gerecht zu werden. Einige davon werden in Kasten 3 erwähnt.

Wirklich austauschbare Teile wurden bisher nur durch Anwendung der synthetischen Biologie auf Nukleinsäuren erhalten. Hier scheint die Unabhängigkeitsnäherung aufgrund der sich wiederholenden Ladung am Rückgrat ausreichend zu sein, die konstant bleibt, während die informationshaltigen Nukleobasen verändert werden. Die sich wiederholende Ladung dominiert die physikalischen Eigenschaften des Moleküls insgesamt, wodurch die Teile unabhängig voneinander ersetzt werden können.

Aufgrund der Robustheit der austauschbaren Teile in erweiterten genetischen Informationssystemen vermuten wir, dass damit zunächst ein künstliches chemisches System erhalten wird, das die Darwinsche Evolution unterstützt – die Brücke zwischen Nicht-Leben und Leben 86 –. Hier kann das Man-on-the-Moon-Ziel nicht umhin, unser Verständnis der Beziehung zwischen Chemie und Leben zu vertiefen.

Um dasselbe mit Proteinen zu erreichen, ist die Entwicklung grundlegender chemischer Theorien erforderlich, einschließlich eines besseren Verständnisses des Verhaltens von Wasser, der Auflösung von Salzen in Wasser und der Packung organischer Moleküle. Eine gezielte Reihe von Experimenten, gepaart mit der entsprechenden Theorie, würde dazu beitragen, dass sich dieses System schneller entwickelt. Wie bei der synthetischen Biologie von Nukleinsäuren wird die Chemie die Entwicklung dieses Gebiets vorantreiben.

Gefaltete Proteinmodule verhalten sich ausreichend unabhängig, um nützliche Baumodule in der synthetischen Biologie zu sein. Hier erwarten wir in den nächsten Jahren viel spannende Arbeit, da synthetische Biologen mit der chemischen Realität kämpfen, bestimmen, welche Module sich unabhängig verhalten und dementsprechend synthetische Ziele definieren. Hier wird die Synthese ihre Kraft als Ergänzung zur Analyse bei der Entwicklung von Theorien und der Modifikation von Paradigmen im Zusammenhang mit der genetischen Regulation demonstrieren. Die Festlegung ehrgeiziger Syntheseziele kann nicht umhin, unser Verständnis der engen Beziehung zwischen Chemie und Leben auf regulatorischer Ebene zu vertiefen und die entstehenden Eigenschaften komplexer biologischer Systeme besser zu verstehen.

Kasten 1 | Was Synthese leisten kann, was Beobachtung und Analyse nicht können

Die wissenschaftliche Methode erfasst das gesamte Spektrum menschlicher Aktivitäten. Biowissenschaftler können damit die Nahrungssuche von Elchen 87 beobachten oder mit Röntgenkristallographie die Molekülstruktur des Ribosoms 88 bestimmen, obwohl die intellektuellen Verfahren jeweils wenig gemeinsam haben.

Ein Thema ist jedoch universell: Für Humanwissenschaftler ist es leicht, sich davon zu überzeugen, dass Daten Muster enthalten, die sie nicht enthalten, zu dem Schluss zu kommen, dass Muster Modelle unterstützen, wenn sie es nicht brauchen, und zu glauben, dass Modelle Wahrheit sind, was sie nicht sind. Diese Bemerkungen sind nicht abwertend. Sie spiegeln dieselben Prozesse im menschlichen Geist wider, die es ihm ermöglichen, effektiv und kreativ zu sein. Obwohl die in der Schule gelehrte „wissenschaftliche Methode“ auf ungefilterte Beobachtungen, eine offene Datenanalyse und wertneutrale Experimente setzt, hängt das Ergebnis der Wissenschaft daher nicht davon ab, wie gut sie diese weitgehend fiktive Idee erfüllt, sondern wie Nun, Wissenschaftler verwalten die Werte und Filter, die mit dem menschlichen Denken natürlich einhergehen.

Synthesis bietet eine Möglichkeit, diese zu verwalten. Synthesis definiert ein ehrgeiziges „Put-a-man-on-the-moon“-Ziel. Auf diese Weise zwingt es Wissenschaftler und Ingenieure, bei der Verfolgung des Ziels Neuland zu durchqueren. Dies erfordert die Lösung von ungeschriebenen Problemen, die normalerweise weder durch Beobachtung noch durch Analyse angetroffen werden. Außerdem können die Probleme nicht ignoriert werden, wenn sie einem Paradigma widersprechen. Wenn die Daten bei der Analyse der Theorie widersprechen, werden die Daten (so oft nicht) verworfen, um die Theorie zu schützen. Wenn man dies jedoch tut, wenn man einen Orbiter um den Mars bringt, stürzt der Orbiter ab 89 . Aus diesem Grund treibt die Synthese die Entwicklung von Paradigmen voran, jedoch wird dieser schwer fassbare Begriff definiert 90,91 .

Dies wird in der Chemie gut veranschaulicht, die seit langem über leistungsfähige Synthesewerkzeuge verfügt. So schrieb der verstorbene Robert Woodward beispielsweise die Entdeckung der der Orbitalsymmetrie von Molekülen zugrunde liegenden Regeln, für die Roald Hoffmann und Kenichi Fukui 1981 den Nobelpreis für Chemie erhielten, auf Probleme bei der Synthese von Vitamin B12 zu (Ref. 92). . Da Vitamin B12 ein großes Molekül mit vielen sterogenen (chiralen) Zentren ist, war die Synthese von B12 für die Chemie damals gleichbedeutend mit einem „Man-auf-dem-Mond“-Ziel. Das Erreichen dieses Ziels führte nicht nur zu einem Syntheseweg zu einem komplexen Molekül, sondern, was noch wichtiger ist, zu einem besseren Verständnis der chemischen Bindung, die durch die bloße Beobachtung der Struktur von B12 nicht zugänglich war. Es trieb auch die Entwicklung moderner Analysewerkzeuge wie der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie voran.

Für viele andere Bereiche stehen ähnlich leistungsfähige synthetische Werkzeuge nicht zur Verfügung. Planetenwissenschaftler und Sternphysiker können heute keine neuen Planeten oder Sterne synthetisieren, um Theorien und Modelle über diese Systeme zu testen. Im Gegensatz dazu hat die Biologie diese Werkzeuge im letzten Vierteljahrhundert entwickelt. Während dieser Zeit synthetisierten Biologen im Sinne von Barbara Hobom Teile lebender Systeme, um ihre Ideen zu testen. Die Kombination von Chemie, Biologie und Ingenieurwissenschaften ist nun an dem Punkt angelangt, an dem das „Man-auf-dem-Mond“-Ziel nahe kommt: die Schaffung künstlicher darwinistischer Systeme. Eine der Erfolgskennzahlen der synthetischen Biologie wird sein, wie gut die Bemühungen, bestehende biologische Teile zu Maschinen zusammenzubauen, und wie gut die Bemühungen, künstliche Systeme zu schaffen, die die entstehenden Eigenschaften lebender Systeme reproduzieren, neue Entdeckungen und neue Theorien vorantreiben.

Kasten 2 | Regelkreise entwickeln

Die Konstruktion molekularer Schaltkreise wurde kürzlich von Hasty et al. 81 Dieser Artikel sollte für weitere Einzelheiten zu den unten kurz betrachteten Fällen und für weitere Beispiele zu Rate gezogen werden.

In einem Experiment in Hefe haben Lim und seine Mitarbeiter die Mapk-Signalgebung 93 und einen als N-WASP bekannten Aktin-Regulierungsschalter 94,95 neu verdrahtet. N-WASP trägt eine Ausgangsregion, die (isoliert) die Polymerisation von Aktin durch Bindung des Aktin-verwandten Proteins (Arp) 2/3-Komplexes stimuliert (siehe Teil a der Abbildung). Diese Aktivität wird jedoch durch zwei Module aus N-WASP, einem stark basischen (B) Motiv und einer Guanosin 5'-Triphosphatase (GTPase)-Bindungsdomäne (GBD) autoinhibiert. Diese binden an zwei aktivierende Inputs, das Phosphoinositid Pip2 und die aktivierte GTPase Cdc42, wobei die jeweilige Bindung die Autohemmung stört. Da die beiden aktivierenden Eingänge kooperativ funktionieren, verhält sich N-WASP wie ein "UND"-Gatter, der Ausgang ist nur dann positiv (Aktin wird polymerisiert), wenn sowohl Pip2- als auch Cdc42-Eingänge vorhanden sind.

Lim und Mitarbeiter versuchten dann, die Eingabesteuerung von N-WASP neu zu programmieren. Sie banden ein nicht verwandtes modulares Domäne-Ligand-Paar (eine PDZ-Domäne und ihr verwandter C-terminaler Peptidligand) an das Ende der N-WASP-Ausgangsdomäne (siehe Teil b der Abbildung). Sie erwarteten, dass dies eine unnatürliche autoinhibitorische Wechselwirkung hervorruft, die durch die kompetitive Bindung eines externen PDZ-Liganden aufgehoben werden könnte. Unter basalen Bedingungen war dieser synthetische Schalter nicht aktiv. Die unnatürliche autoinhibitorische Wechselwirkung wurde dann durch Zugabe des PDZ-Liganden entfernt. Die maximale Aktivität lag nahe der der isolierten Ausgangsdomäne. Das Ergebnis war der gleiche Schalter, der jedoch von einem anderen Aktivator eingeschaltet wurde.

Der synthetische Biologe versuchte dann, UND-Gatter zu konstruieren, indem er zwei unnatürliche modulare Domänen-Ligand-Paare an die N-WASP-Ausgabedomäne anknüpfte und die beiden natürlichen Module (B und GBD) ersetzte. Insgesamt wurden 34 Konstrukte synthetisiert und auf ihr Gating-Verhalten untersucht.

Wie für jedes reale chemische System erwartet, hing der Output von den Konzentrationen der Inputmoleküle ab und war im technischen Sinne nicht vorhersehbar. Einige Schalter zeigten eine geringe basale Repression. Andere konnten nicht aktiviert werden. Einige zeigten antagonistisches Gating, wobei eine Eingabe aktiviert und die andere unterdrückt wurde. Einige zeigten eine ODER-Verknüpfung, bei der der eine oder andere Eingang einen positiven Ausgang erzeugte.

Dennoch zeigte etwa die Hälfte der synthetischen Konstrukte positives UND-Gating, wobei beide Eingaben erforderlich waren, um eine positive Ausgabe zu erzeugen. Diese Input-Output-Beziehung war analog zu der bei nativem N-WASP, wurde jedoch aus einem synthetischen System unter Verwendung nichtnatürlicher Aktivatoren erhalten. Abbildung mit Genehmigung geändert aus Lit. 95 © (2004) Elsevier Science.

Kasten 3 | Andere Richtungen in der synthetischen Biologie

Mit dem Aufkommen synthetischer Methoden haben sich die verschiedenen Aktivitäten, die den Titel „synthetische Biologie“ beanspruchen können, über das hinaus erweitert, was in einem einzigen Artikel behandelt werden kann. Hier sind nur drei weitere Themen der Disziplin aufgeführt, die jeweils mit einer führenden Referenz versehen sind.

Ein Beispiel ist der „Top-down“-Ansatz in der synthetischen Biologie, der von Venter und seinen Kollegen entwickelt wurde 96 . Diese Autoren haben einem lebenden Bakterium Gene entzogen, um den minimalen Satz von Genen zu bestimmen, der erforderlich ist, um eine zelluläre Lebensform zu unterstützen. Die Bestimmung der minimalen biologischen Funktionen, die zur Erhaltung des Lebens erforderlich sind, wird für das Verständnis primitiver Organismen sowohl im funktionalen als auch im evolutionären Kontext wichtig sein. Darüber hinaus werden synthetische Biologen, die einen „bottom-up“-Ansatz praktizieren, diese Informationen als entscheidend für die Entwicklung synthetischer biologischer Systeme empfinden, die alle notwendigen Komponenten – entweder in Form von Genen oder ihren synthetischen Äquivalenten – enthalten, die zur Erhaltung des Lebens oder eine gewünschte biologische Eigenschaft.

Verschiedene Arten von künstlichem Leben, die leben in silico 97 wurden als eine Form der „synthetischen Biologie“ vorgeschlagen. Dieser Ansatz beinhaltet die Verwendung von Simulationen, um rechnerische Analoga des entstehenden Verhaltens lebender Systeme zu entwickeln. Viele dieser künstlichen Lebensformen konkurrieren innerhalb eines Computers um Ressourcen (wie Computerprozessorzyklen) und entwickeln sich daher weiter.

Eine weitere Art der synthetischen Biologie verwendet einzelne Zellen als austauschbare Teile und versucht, die Zell-Zell-Kommunikation zu manipulieren. Dies wurde kürzlich in Ref. 98.


Die Kunst der Theoretischen Biologie

Dieses wunderschön gestaltete Buch sammelt Bilder, die während des Forschungsprozesses in allen Bereichen der theoretischen Biologie entstanden sind. Datenanalyse, numerische Bearbeitung eines Modells oder Simulationsergebnisse liefern beeindruckende Bilder, die für sich allein Kunstwerke darstellen. Der Ansatz des Buches besteht darin, für jede Visualisierung eine anschauliche Zusammenfassung des wissenschaftlichen Hintergrunds sowie einen Umriss der künstlerischen Vision zu präsentieren.

Franziska Matthäus studierte Biophysik an der Humboldt-Universität zu Berlin und promovierte an der Polnischen Akademie der Wissenschaften in Warschau. Sie arbeitete als Postdoc, Gruppenleiterin und Juniorprofessorin in Heidelberg und Würzburg und hält heute die Giersch-Professur Bioinformatik an der Goethe-Universität Frankfurt, angegliedert an das Frankfurt Institute for Applied Sciences (FIAS). Sie interessiert sich für die chemische und mechanische Regulation der Zellmotilität und verwendet eine Kombination aus Bild- und Datenanalyse sowie mathematischen Modellen, um besser zu verstehen, wie kollektives Verhalten oder Muster aus interner Regulation und Zell-Zell-Interaktion entstehen.

Sebastian Matthäus studierte Kommunikationsdesign an der Fachhochschule Potsdam. Seit 2006 ist er Gründer und Leiter des Grafikdesignbüros „Grenzfarben“ in Berlin. Er ist Experte für Illustration & Animation, arbeitet für große deutsche Zeitungen und Firmen, unterstützt aber auch interaktive Ausstellungen.

Dr. Sarah Anne Harris ist Associate Professor für Biologische Physik an der University of Leeds. Sie war schon immer daran interessiert zu verstehen, wie biologische Systeme ihre erstaunlichen Funktionen innerhalb der Grenzen der physikalischen Gesetze erfüllen. Während ihres Bachelor-Abschlusses in Physik an der University of Oxford promovierte sie 2001 an der School of Pharmacy der University of Nottingham. Heute ist sie in der Gruppe Theoretische Physik der School of Physics and Astronomy und Teil von das Astbury Center for Structural Molecular Biology. Ihre Forschung nutzt Hochleistungs-Supercomputing, um zu modellieren, wie sich biologische Moleküle bewegen und interagieren.

Thomas Hillen, Dr. rer. nat., ist Professor und Associate Chair Research am Department of Mathematical and Statistical Sciences der University of Alberta in Kanada. Er studierte an den Universitäten Münster und Tübingen in Deutschland, bevor er 2001 nach Kanada zog. Er hat fünf Lehrbücher und über 80 Zeitschriftenpublikationen veröffentlicht. Derzeit ist Dr. Hillen Präsident der Canadian Applied and Industrial Mathematical Society (CAIMS). Dr. Hillens Forschung konzentriert sich auf die mathematische Modellierung von Krebs und Krebsbehandlung. Er ist motiviert, fortschrittliche mathematische Methoden zum Wohle der Allgemeinheit einzusetzen.


Der Titel et al. - Biologie

Der amerikanische Biologielehrer

Der amerikanische Biologielehrer wurde entwickelt, um die Lehre der K-16 Biologie und Biowissenschaften zu unterstützen. Die Zeitschrift enthält Artikel zu Biologie insgesamt, ethischen Fragen in der Biologie und Unterrichtsstrategien für Klassenzimmer, Labore und Feldforschung.

Unten sind Listen mit diesem Titel Meist gelesen und Zuletzt zitiert Artikel. Die Meist gelesen Artikel sind die Artikel, die auf der neuen Plattform am häufigsten heruntergeladen wurden. Die Zuletzt zitiert Die Artikelliste verwendet Crossref-zitiert-nach-Daten (heruntergeladen am 1. und 15. eines jeden Monats), um automatisch die Artikel zu identifizieren, die im letzten Monat die meisten neuen Zitate erhalten haben. Hier erscheinen nicht die Artikel mit den meisten Zitierungen insgesamt, sondern die zuletzt am häufigsten zitierten Artikel.