Bioinformatik: ein einführendes Lehrbuch
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Berlin
Springer Spektrum
[2021]
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Inhaltsverzeichnis Teil I 1 2 Wie funktioniert Bioinformatik? Sequenzanalyse: Die Sprache des Lebens entziffern. 1.1 Wie starte ich meine Bioinformatikanalyse? Nützliche Links 3 und Tools. 1.2 Proteinanalysen sind einfach mit dem richtigen Tool. 1.3 Übungsaufgaben zum 1. Kapitel. Literatur. 7 14 20 24 Magische RNA. 2.1 RNA-Sequenzen sind biologisch aktiv. 2.2 Analyse von RNA-Sequenz,-Struktur und-Funktion?.·. 27 27 30 33 37 2.3 Übungsaufgaben zum 2. Kapitel. Literatur. 3 Genome - molekulare Landkarten von Lebewesen. 3.1 Genome sequenzieren - Genome buchstabieren. 3.2 Das Humangenom entziffert. 3.3 Ein Steckbrief des Humangenoms. 3.4 Übungsaufgaben zum 3. Kapitel.
Literatur. 4 5 Stoffwechsel modellieren und neue Antibiotika finden. 39 39 42 43 46 49 4.1 Wie kann ich den Stoffwechsel bioinformatiseli modellieren?. 4.2 Nützliche Werkzeuge zur Stoffwechselmodellierung. 4.3 Übungsaufgaben zum 4. Kapitel. Literatur. 51 52 55 57 59 Systembiologie und Krankheitsursachen aufdecken. 61 5.1 Anwendungsbeispiel: Wie kommt es bei Phosphorylierung zur Herzschwäche?. 62 v
Inhaltsverzeichnis VI 5.2 Generalisierung: Wie baut man ein systembiologisches Modell?. 5.3 Übungsaufgaben zum 5. Kapitel. Literatur. Teil II 6 67 73 78 Wie verstehe ich Bioinformatik? Superschnelle Sequenzvergleiche erkennen, welche Moleküle vorliegen. 83 Schnelles Suchen: BLAST als Beispiel für eine heuristische Suche. 84 6.2 Pflege von Datenbanken und Beschleunigung von Programmen. 6.3 Übungsaufgaben zum 6. Kapitel. Literatm. 85 90 91 6.1 7 Signalkaskaden durch Messen der kodierten Information besser verstehen. 7.1 Kodieren mit Bits. 7.2 Die verschiedenen Ebenen der Kodierung. 7.3 Kodierung besser verstehen. 7.4 Übungsaufgaben zum 7. Kapitel.
Literatur. 8 Wann hört ein Computer zu rechnen auf?. Wann wird es denn für den Computer schwierig?. Komplexität und Rechenzeit einiger Algorithmen. Informatische Lösungsansätze für rechenintensive Bioinformatikprobleme. 8.4 NP-Probleme sind nicht leicht zu fassen. 8.5 Übungsaufgaben zum 8. Kapitel. Literatur. 8.1 8.2 8.3 9 Komplexe Systeme verhalten sich grundsätzlich ähnlich. 9.1 Komplexe Systeme und ihr Verhalten. Komplexe Systeme durch Omics-Techniken erschließen. Typische Verhaltensweisen von Systemen. Systemingredienzien: Emergenz, modularer Bau, positive und negative Signal-Rückgabe-Schleifen . 9.5 Pioniere der Systemwissenschaften. 9.6 Welche Systembiologie-Software kann ich nehmen?. 9.7 Übungsaufgaben zum 9. Kapitel.
Literatur. 9.2 9.3 9.4 93 93 95 96 98 100 103 104 106 107 109 111 113 115 115 120 123 126 128 131 133 135
Inhaltsverzeichnis io Evolution mit dem Computer besser vergleichen 10.1 Wie würde ein Kurzüberblick über die Evolution von der Entstehung des Lebens bis heute aussehen?. 138 10.2 Evolution betrachten: konservierte und variable Bereiche. 10.3 Evolution messen: Sequenz und Sekundärstruktur. 10.4 Evolution beschreiben: phylogenetische Stammbäume. 10.5 Proteinevolution: Domänen erkennen. 10.6 Übungsaufgaben zum 10. Kapitel. Literatur. 11 Design-Prinzipien einer Zelle. 11.1 Bioinformatik bringt einen Überblick über das Design einer Zelle. 11,2 Bioinformatik zeigt Detaileinblicke über die Molekularbiologie der Zelle. 157 11.3 Übungsaufgaben zum 11. Kapitel. Literatur. Teil III 12 137 142 143 145 147 150 152 155 156 164 170 Was ist das magisch Faszinierende an Bioinformatik? Leben entwickelt immer neue Information im Dialog mit der Umwelt. . . 12.1 Molekulare Wörter geben immer nur im Kontext der Zelle einen
Sinn. 176 12.2 Druckfehler werden in der Zelle ständig wegselektiert. 12.3 Übungsaufgaben zum 12. Kapitel. Literatur. 13 VII Leben erfindet immer neue Ebenen der Sprache. 13.1 Die verschiedenen Sprachen und Codes in einer Zelle. 13.2 Es entstehen immer neue molekulare, zelluläre und interzelluläre Sprachebenen und -arten. 192 175 180 185 186 189 190 Innovation: synthetische Biologie. 195 Neue Ebenen der Kommunikation durch Technik. 197 Das Internet - eine neue Ebene der Kommunikation. 198 Eine parallele Sprachebene: natürliches und analoges Rechnen. 199 Zukünftige Ebene der Kommunikation: der Nanozellulose-Chip. 201 Die Sprache des Lebens technisch mithilfe der synthetischen Biologie nutzen. 204 13.9 Übungsaufgaben zum 13. Kapitel. 211 Literatur. 213 13.3 13.4 13.5 13.6 13.7 13.8 14 Wir können über uns nachdenken - der Computer nicht. 14.1
Menschen hinterfragen,Computer folgen Programmen. 14.2 Künstliche Intelligenz. 215 216 217
Inhaltsverzeichnis VIII 14.3 Aktuelle Anwendungen der Künstlichen Intelligenz in der Bioinformatik. 221 14.4 Biologische Intelligenz. 14.5 Übungsaufgaben zum 14. Kapitel. Literatur. 15 Wie ist unser eigenes, extrem leistungsfähiges Gehirn aufgebaut?. 15.1 Modulare Bauweise führt zu immer neuen Eigenschaften - bis hin zum Bewusstsein. 232 15.2 Bioinformatik hilft, das Gehirn besser zu beschreiben. 15.3 Gehirnbaupläne. 15.4 Mögliche Ziele. 15.5 Übungsaufgaben zum 15. Kapitel. ■ Literatur. 16 225 226 228 231 235 237 239 240 242 Bioinformatik verbindet das Leben mit dem Universum und dem ganzen Rest. 243 16.1 Probleme lösen mithilfe der Bioinformatik. 244 Globale Probleme modellieren und
mildern. Globale Digitalisierung und persönlicher Freiraum. Welche Aufgaben ergeben sich für eine moderne Bioinformatik im Internetzeitalter?. 16.5 Übungsaufgaben zum 16. Kapitel. Literatur. 247 252 17 Schlussbetrachtung und Zusammenfassung. 263 16.2 16.3 16.4 Teil IV 256 258 259 Glossar, Tutorial, Lösungen und Weblinks 18 Glossar. 269 19 Tutorial: ein Überblick zu wichtigen Datenbanken und Programmen . 287 287 19.1 19.2 19.3 19.4 19.5 19.6 20 Genomische Daten: von der Sequenz zur Struktur und Funktion. RNA: Sequenz-, Struktur-Analyse und Kontrolle der Genexpression. 299 Proteine: Informationen, Struktur, Domänen, Lokalisation, Sekretion und Transport. 304 Zelluläre Kommunikation, Signalkaskaden, Metabolismus, Shannon-Entropie. 311 Leben erfindet immer neue Ebenender Sprache. Einführung in das Programmieren (Meta-Tutorial). Lösungen zu den
Übungsaufgaben. 20.1 20.2 Sequenzanalyse: Die Sprache des Lebensentziffern. Magische RNA. 317 319 331 331 335
Inhaltsverzeichnis Genome - molekulare Landkarten von Lebewesen. Stoffwechsel modellieren und neue Antibiotika finden. Systembiologie und Krankheitsursachen aufdecken. Superschnelle Sequenzvergleiche erkennen, welche Moleküle vorliegen. 348 20.7 Signalkaskaden durch Messen der kodierten Information besser verstehen. 351 20.8 Wann hört ein Computer zu rechnen auf?. 20.9 Komplexe Systeme verhalten sich grundsätzlich ähnlich. 20.10 Evolution mit dem Computer besser vergleichen. 20.11 Design-Prinzipien einer Zelle. 20.12 Leben entwickelt immer neue Information im Dialog mit der Umwelt. 367 20.13 Leben erfindet immer neue Ebenen der Sprache. 20.14 Wir können über uns nachdenken - der Computer nicht. 20.15 Wie ist unser eigenes, extrem leistungsfähiges Gehirn aufgebaut?. 20.16 Bioinformatik verbindet das Leben mit dem Universum und dem ganzen Rest. 377 Literatur. 20.3 20.4 20.5 20.6 IX
340 343 344 356 357 359 362 369 374 376 378 Übersicht zu wichtigen Datenbanken und Programmen und deren allgemeinen Verwendung. 379 Stichwortverzeichnis. 385 |
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Inhaltsverzeichnis Teil I 1 2 Wie funktioniert Bioinformatik? Sequenzanalyse: Die Sprache des Lebens entziffern. 1.1 Wie starte ich meine Bioinformatikanalyse? Nützliche Links 3 und Tools. 1.2 Proteinanalysen sind einfach mit dem richtigen Tool. 1.3 Übungsaufgaben zum 1. Kapitel. Literatur. 7 14 20 24 Magische RNA. 2.1 RNA-Sequenzen sind biologisch aktiv. 2.2 Analyse von RNA-Sequenz,-Struktur und-Funktion?.·. 27 27 30 33 37 2.3 Übungsaufgaben zum 2. Kapitel. Literatur. 3 Genome - molekulare Landkarten von Lebewesen. 3.1 Genome sequenzieren - Genome buchstabieren. 3.2 Das Humangenom entziffert. 3.3 Ein Steckbrief des Humangenoms. 3.4 Übungsaufgaben zum 3. Kapitel.
Literatur. 4 5 Stoffwechsel modellieren und neue Antibiotika finden. 39 39 42 43 46 49 4.1 Wie kann ich den Stoffwechsel bioinformatiseli modellieren?. 4.2 Nützliche Werkzeuge zur Stoffwechselmodellierung. 4.3 Übungsaufgaben zum 4. Kapitel. Literatur. 51 52 55 57 59 Systembiologie und Krankheitsursachen aufdecken. 61 5.1 Anwendungsbeispiel: Wie kommt es bei Phosphorylierung zur Herzschwäche?. 62 v
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Literatur. 8 Wann hört ein Computer zu rechnen auf?. Wann wird es denn für den Computer schwierig?. Komplexität und Rechenzeit einiger Algorithmen. Informatische Lösungsansätze für rechenintensive Bioinformatikprobleme. 8.4 NP-Probleme sind nicht leicht zu fassen. 8.5 Übungsaufgaben zum 8. Kapitel. Literatur. 8.1 8.2 8.3 9 Komplexe Systeme verhalten sich grundsätzlich ähnlich. 9.1 Komplexe Systeme und ihr Verhalten. Komplexe Systeme durch Omics-Techniken erschließen. Typische Verhaltensweisen von Systemen. Systemingredienzien: Emergenz, modularer Bau, positive und negative Signal-Rückgabe-Schleifen . 9.5 Pioniere der Systemwissenschaften. 9.6 Welche Systembiologie-Software kann ich nehmen?. 9.7 Übungsaufgaben zum 9. Kapitel.
Literatur. 9.2 9.3 9.4 93 93 95 96 98 100 103 104 106 107 109 111 113 115 115 120 123 126 128 131 133 135
Inhaltsverzeichnis io Evolution mit dem Computer besser vergleichen 10.1 Wie würde ein Kurzüberblick über die Evolution von der Entstehung des Lebens bis heute aussehen?. 138 10.2 Evolution betrachten: konservierte und variable Bereiche. 10.3 Evolution messen: Sequenz und Sekundärstruktur. 10.4 Evolution beschreiben: phylogenetische Stammbäume. 10.5 Proteinevolution: Domänen erkennen. 10.6 Übungsaufgaben zum 10. Kapitel. Literatur. 11 Design-Prinzipien einer Zelle. 11.1 Bioinformatik bringt einen Überblick über das Design einer Zelle. 11,2 Bioinformatik zeigt Detaileinblicke über die Molekularbiologie der Zelle. 157 11.3 Übungsaufgaben zum 11. Kapitel. Literatur. Teil III 12 137 142 143 145 147 150 152 155 156 164 170 Was ist das magisch Faszinierende an Bioinformatik? Leben entwickelt immer neue Information im Dialog mit der Umwelt. . . 12.1 Molekulare Wörter geben immer nur im Kontext der Zelle einen
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Inhaltsverzeichnis VIII 14.3 Aktuelle Anwendungen der Künstlichen Intelligenz in der Bioinformatik. 221 14.4 Biologische Intelligenz. 14.5 Übungsaufgaben zum 14. Kapitel. Literatur. 15 Wie ist unser eigenes, extrem leistungsfähiges Gehirn aufgebaut?. 15.1 Modulare Bauweise führt zu immer neuen Eigenschaften - bis hin zum Bewusstsein. 232 15.2 Bioinformatik hilft, das Gehirn besser zu beschreiben. 15.3 Gehirnbaupläne. 15.4 Mögliche Ziele. 15.5 Übungsaufgaben zum 15. Kapitel. ■ Literatur. 16 225 226 228 231 235 237 239 240 242 Bioinformatik verbindet das Leben mit dem Universum und dem ganzen Rest. 243 16.1 Probleme lösen mithilfe der Bioinformatik. 244 Globale Probleme modellieren und
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Übungsaufgaben. 20.1 20.2 Sequenzanalyse: Die Sprache des Lebensentziffern. Magische RNA. 317 319 331 331 335
Inhaltsverzeichnis Genome - molekulare Landkarten von Lebewesen. Stoffwechsel modellieren und neue Antibiotika finden. Systembiologie und Krankheitsursachen aufdecken. Superschnelle Sequenzvergleiche erkennen, welche Moleküle vorliegen. 348 20.7 Signalkaskaden durch Messen der kodierten Information besser verstehen. 351 20.8 Wann hört ein Computer zu rechnen auf?. 20.9 Komplexe Systeme verhalten sich grundsätzlich ähnlich. 20.10 Evolution mit dem Computer besser vergleichen. 20.11 Design-Prinzipien einer Zelle. 20.12 Leben entwickelt immer neue Information im Dialog mit der Umwelt. 367 20.13 Leben erfindet immer neue Ebenen der Sprache. 20.14 Wir können über uns nachdenken - der Computer nicht. 20.15 Wie ist unser eigenes, extrem leistungsfähiges Gehirn aufgebaut?. 20.16 Bioinformatik verbindet das Leben mit dem Universum und dem ganzen Rest. 377 Literatur. 20.3 20.4 20.5 20.6 IX
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