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Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Einleitung

1. Einleitung

Zusammenfassung
Immer wieder finden Begriffe wie Biotechnologie, Genetik und Bioinformatik Einzug in die Schlagzeilen. Als Auslöser dieser Entwicklung, die häufig sogar als der Beginn einer neuen Ära bezeichnet wird, diente eine Entdeckung, die vor ziemlich genau 50 Jahren gemacht wurde, nämlich die Entdeckung der Doppelhelix-Struktur der DNA durch Watson und Crick im Jahr 1953. Der Boom der Molekularbiologie setzte sich stetig fort und zog, unter anderem durch die Einrichtung des Human-Genom-Projekts in den 90er Jahren und die Präsentation des Klon-Schafes „Dolly“, immer weitere Kreise. Im Jahre 2000 schließlich verkündeten Forscher die vollständige Sequenzierung der DNA des Menschen.
Hans-Joachim Böckenhauer, Dirk Bongartz

Einführung und grundlegende Algorithmen

Frontmatter

2. Grundlagen der Molekularbiologie

Zusammenfassung
Wenn man wie in diesem Buch Fragestellungen im Bereich der Molekularbiologie behandeln will, so ist zur Entwicklung und Bewertung der abstrakten Modelle und Techniken die Kenntnis zumindest grundlegender Zusammenhänge in der Molekularbiologie erforderlich. Wir widmen daher dieses Kapitel dem Basiswissen über die Biomoleküle, die wir im weiteren Verlauf des Buches betrachten werden. Die Darstellungen der Sachverhalte sind dabei wiederum Abstraktionen und Zusammenfassungen aller molekularbiologischen Kenntnisse, sie erheben weder Anspruch auf Vollständigkeit noch auf Detailgenauigkeit. Sie sollen dem Leser einen Überblick über die grundlegenden Zusammenhänge geben, so dass die nachfolgend in diesem Buch beschriebenen Problemstellungen auf einer soliden Datenbasis von Seiten der Molekularbiologie fußen. Dementsprechend werden wir auf die Details verzichten, die für das Verständnis des weiteren Textes nicht unbedingt erforderlich sind.
Hans-Joachim Böckenhauer, Dirk Bongartz

3. Grundlagen: Strings, Graphen und Algorithmen

Zusammenfassung
In diesem Kapitel geben wir eine sehr kurze Übersicht über die im weiteren Verlauf benötigten grundlegenden Definitionen und Konzepte für den Umgang mit Strings, Graphen und Algorithmen. Das Ziel dieses Kapitels ist es dabei, dem Leser die wichtigsten Konzepte noch einmal in Erinnerung zu rufen, und unsere Notationen festzulegen. In Abschnitt 3.4 haben wir Hinweise auf einige einführende Lehrbücher zusammengestellt, in denen die hier nur kurz umrissenen Sachverhalte ausführlicher und in größerer Tiefe behandelt werden.
Hans-Joachim Böckenhauer, Dirk Bongartz

4. String-Algorithmen

Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden wir einige grundlegende Algorithmen und Datenstrukturen für den Umgang mit Strings vorstellen. Hierzu gehören Verfahren zum exakten Vergleich von Strings und zum Auffinden von Wiederholungen in Strings. Die hier vorgestellten Methoden können zum Teil schon direkt genutzt werden, um Problemstellungen zu behandeln, die in der Molekularbiologie auftreten, wie zum Beispiel die Bestimmung von Wiederholungen in einer DNA-Sequenz. Andere der vorgestellten Ansätze werden wir in späteren Kapiteln des Buches als Teilprozeduren nutzen, mit deren Hilfe wir dann komplexere Probleme lösen können.
Hans-Joachim Böckenhauer, Dirk Bongartz

5. Alignment-Verfahren

Zusammenfassung
Nachdem wir in dem vorangegangenen Kapitel einige grundlegende Algorithmen für das exakte String-Matching vorgestellt haben, werden wir uns in diesem Kapitel mit Problemen auseinandersetzen, die zum Beispiel im Umgang mit fehlerhaften String-Daten auftreten. Da die Daten, die uns in molekularbiologischen Anwendungen zur Verfügung stehen, immer experimentell gewonnen wurden, und somit mit Messfehlern behaftet sein können, wollen wir die Fragestellungen des vorherigen Kapitels verallgemeinern: Statt zwei Strings exakt miteinander zu vergleichen, möchten wir wissen, ob die gegebenen Strings ungefähr übereinstimmen, oder ob ein gegebenes Muster ungefähr als Teilstring in einem gegebenen Text vorkommt. Um dieses Ziel zu erreichen, werden wir in diesem Kapitel verschiedene Ähnlichkeitsmaße für Strings definieren, und Algorithmen zum Vergleich von Strings vorstellen. Die Idee dieser so genannten Alignment-Verfahren besteht darin, die Strings durch Einfügen von Lücken so gegeneinander auszurichten, dass möglichst viele Positionen übereinstimmen.
Hans-Joachim Böckenhauer, Dirk Bongartz

Sequenzierung von DNA

Frontmatter

6. Problemstellung, Einleitung und Übersicht

Zusammenfassung
Die Sequenzierung von DNA, also die Bestimmung der Abfolge der Basen in einem Nucleinsäuremolekül, ist eine wesentliche Aufgabe im Bereich der Molekularbiologie, die zu einer Vielzahl kombinatorischer Fragestellungen führt, welche eine Unterstützung durch die Informatik zur Lösung dieser Aufgabe nahezu unumgänglich macht. Doch bevor wir auf die einzelnen Ansätze zur Bewältigung dieser Aufgabe und die damit verbundenen Modellierungen eingehen, wollen wir kurz die Wichtigkeit dieses Themenbereichs erläutern.
Hans-Joachim Böckenhauer, Dirk Bongartz

7. Physikalische Kartierung

Zusammenfassung
Im vorangegangenen Kapitel haben wir bereits grob angedeutet, was wir unter dem Begriff der physikalischen Kartierung verstehen und wozu wir die physikalische Kartierung im Kontext der DNA-Sequenzierung verwenden können. Wir werden hier diese Bedeutung präzisieren und Verfahren zur Erstellung solcher Karten und die zugehörigen algorithmischen Probleme untersuchen.
Hans-Joachim Böckenhauer, Dirk Bongartz

8. Bestimmung der Basensequenz

Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden wir uns mit dem Vorgang der Sequenzierung von DNA bzw. von Nucleotidsequenzen im Allgemeinen beschäftigen. Darunter verstehen wir die Bestimmung der Basenabfolge in einem Nucleinsäuremolekül. Im Folgenden werden wir exemplarisch die DNA als ein solches Nucleinsäuremolekül betrachten.
Hans-Joachim Böckenhauer, Dirk Bongartz

Weitere molekularbiologische Problemstellungen

Frontmatter

9. Bestimmung von Signalen in DNA-Sequenzen

Zusammenfassung
In den vorangegangenen Kapiteln haben wir gesehen, wie man die Sequenz von DNA-Molekülen bestimmen kann. Als nächstes stellt sich uns nun die Frage, wie man die Bedeutung einer solchen DNA-Sequenz herausfinden kann. Mit einigen Ansätzen zur Lösung dieser Frage wollen wir uns in diesem Kapitel befassen. Etwas konkreter geht es darum, in einer gegebenen DNA-Sequenz interessante Regionen, so genannte Signale, zu finden. Bei solchen Signalen handelt es sich zum Beispiel um Restriktionsstellen, Bindungsstellen von Proteinen, oder auch um Gene oder bestimmte Teile von Genen.
Hans-Joachim Böckenhauer, Dirk Bongartz

10. Vergleich von Genomen

Zusammenfassung
Im Kapitel 5 haben wir gesehen, wie man DNA-Sequenzen miteinander vergleichen kann. Für diesen Vergleich haben wir als Maßstab genommen, wieviele lokale Mutationen man benötigt, um die eine Sequenz in die andere umzuwandeln. Neben diesen lokalen Mutationen, durch die jeweils eine einzelne Base gelöscht, hinzugefügt oder verändert werden kann, treten in der Natur aber auch noch Mutationen auf, die eine DNA-Sequenz auf höherer Ebene verändern können. Beispiele für solche Mutationen sind das Ausschneiden größerer Teile eines Chromosoms und das Wiedereinfügen dieser Teile an anderer Stelle oder auch in anderer Orientierung.
Hans-Joachim Böckenhauer, Dirk Bongartz

11. Phylogenetische Bäume

Zusammenfassung
Eine wesentliche Fragestellung in der Biologie ist die Rekonstruktion von Verwandtschaftsbeziehungen innerhalb einer gegebenen Menge biologischer Objekte. Bei diesen Objekten kann es sich zum Beispiel um verschiedene biologische Arten oder auch um einzelne Gene handeln. In diesem Zusammenhang bezeichnet man solche Objekte meist als Taxa 1. Der am häufigsten verfolgte Ansatz zur Bestimmung von Verwandtschaftsbeziehungen ist die Konstruktion eines so genannten phylogenetischen Baums, kurz auch Phylogenie genannt. Hierbei handelt es sich um einen Baum, in dem jedem Blatt genau eines der Taxa zugeordnet ist, und dessen innere Knoten hypothetische Vorfahren dieser Taxa repräsentieren, so dass der Abstand zweier Taxa in diesem Baum einem Maß für die Verwandtschaft dieser zwei Taxa entspricht.
Hans-Joachim Böckenhauer, Dirk Bongartz

12. Höherdimensionale Strukturen von Biomolekülen

Zusammenfassung
In den vorangegangenen Kapiteln haben wir uns fast ausschließlich mit der so genannten Primärstruktur, also der linearen Abfolge der elementaren Bausteine in den jeweils betrachteten Molekülen, befasst. Für die Funktion in einem Lebewesen ist demgegenüber aber die räumliche Struktur der Moleküle von entscheidender Bedeutung. Sie ermöglicht oder verhindert die Bindung an andere Moleküle und bestimmt auf diese Weise die eigentliche Funktion des Moleküls.
Hans-Joachim Böckenhauer, Dirk Bongartz

Backmatter

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