Proteinmoleküle, die molekularen „Werkzeuge“ eines jeden Organismus, werden durch Milliarden von Basenpaaren der DNA kodiert. Dadurch entstehen gigantische Datenmengen, die die menschliche Auffassungsgabe bedeutend überschreiten. An dieser Stelle kommen Instrumente der Informatik und Mathematik zum Einsatz. Im Zusammenspiel mit biologischen Fragestellungen bilden sie die (noch junge) Wissenschaft Bioinformatik. Diese lieferte in den vergangenen Jahren interdisziplinär anwendbare Ergebnisse. So wurde beispielsweise zur Entschlüsselung des menschlichen Genoms 2003 entscheidend durch bioinformatische Datenaufbereitung beigetragen. Allerdings steigerte sich seitdem der computertechnische Standard der Biowissenschaften enorm. So gilt es heute nicht mehr nur biologische Daten zu sammeln und einfache Analysen mittels Computeralgorithmen durchzuführen. Zunehmend werden durch gewonnene Datensätze und fachübergreifenden Wissen Simulations- und Visualisierungstechniken entwickelt. Außerdem werden biologische Systeme modelliert, um deren Strukturen zu verstehen. Ergebnisse dieser Art sind beispielsweise in den Bereichen Diagnostik und Pharmazie essentiell. Ein offener Austausch zwischen forschenden Bioinformatikern ist somit absolut wünschenswert.
Ein Format dieser Art von Zusammenkunft bildet das „Central German Meeting on Bioinformatics“, welches 2015 an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) zum ersten Mal stattfand. Am 14. und 15. Juni dieses Jahres lud die Hochschule Mittweida, im Zentrum Mittelsachsens, zum sogenannten Mittelerde-Meeting ein. So bekamen Studenten und Wissenschaftler die Chance sich über aktuelle Themen und Anwendungen der Bioinformatik auszutauschen.
Die Mittweidaer Hochschulangehörigen Dr. Tina Geweninger, Prof. Röbbe Wünschiers, Dr. Torsten Bullmann, Robert Leidenfrost, Prof. Dirk Labudde und Florian Kaiser führten durch das zweitägige Meeting im Studio B des Grunert-de-Jácome-Baus. In 27 Vorträgen stellten Gäste der Universitäten Halle, Jena, Leipzig, Dresden und auch Posen die aktuellen Arbeiten ihrer Forschungsgruppen vor, darunter die Gebiete Maschinelles Lernen, Transkriptomik und Modellierung sowie Metabolomik, Sequenzierung, Strukturen und Evolution. Weiterhin präsentierte sich die gastgebende Hochschule durch eigene Projekte der Bioinformatics Group Mittweida (BigM) sowie der Fachgruppe Biotechnologie/Chemie.
Die Entscheidungssache Bioinformatik
Dr. Marika Kaden von der Hochschule Mittweida präsentierte Interpretationsvorgänge biologischer Klassifizierungsmuster. Sie betonte dabei, dass es immer eine Herausforderung sei, geeignete Algorithmen für konkrete Problemstellungen auszuwählen, da biologische Daten erst in mathematische Strukturen überführt werden müssen, um sie auswertbar zu machen. So ist es wesentlich zu wissen, welche Daten genutzt werden und auf welches Ziel hingearbeitet werden soll. Mit Entscheidungsbäumen und Neuronalen Netzen sei damit nur eine geringe Teilmenge der zur Verfügung stehenden Werkzeuge der Informationsverarbeitung genannt. Ebenso muss auf dieser Ebene abstrahiert werden, welches Modell für welchen Zweck angebracht ist. Ein Fallbeispiel zu dieser Überlegung trug Dr. Jan Grau von der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg in seiner Präsentation bei. Bei der Forschung über das Xanthomonas-Pflanzen-Pathosystem untersucht er vor allem Proteine, die spezifische Gene aktivieren können, wodurch Mutationen entstehen. Die Pflanzen, die von diesen Bakterien befallen sind, bringen weniger Ertrag. Wird dieser Wirkmechanismus aber verstanden, können Pflanzen gezüchtet werden, die gegen den Bakterienbefall immun wären bzw. Schutzmechanismen entwickeln. Dazu nannte er unter anderen die sogenannten Hidden-Markov-Modelle, mit denen solche unbekannte Zustände modelliert werden.
Mit vorhandenen Daten neue Erkenntnisse erlangen
Doch nicht nur der Einsatz von Computertechniken und der darauffolgenden Auswertung waren die Themen im diesjährigen Mittelerde-Meeting, sondern auch die Möglichkeit, bereits vorhandene Daten und Erkenntnisse zu nutzen, um neu aufgetretene Problemstellungen zu klären. Ioana Lemnian von der MLU stellte dazu ihre Arbeit zu Halictus rubicundus, der Furchenbiene, vor. Mittels Datenvergleich wurde die genetische Ursache für das gegensätzliche Sozialerhalten innerhalb der Spezies untersucht. Dies gestaltet sich nämlich nicht nur, wie allgemein bekannt, als staatenbildend. Die Bienen können auch als Einzelgänger leben. Da sich die Verhaltensweisen bei der Furchenbiene klimabedingt zeigen, wurden dafür Sequenzdaten von den Tieren beider Verhaltensformen aus Nordirland und Deutschland genutzt, um Differenzierungen innerhalb der Genexpression zu erkennen. Später wurden Daten weiterer Klimaregionen hinzugenommen. Mit Erkenntnissen solcher Analysen könnten weiterführende ökologische und evolutionäre Forschungen und Entwicklungen gemacht werden, die dem Bienensterben entgegenwirken. Auch Pawan Singh, Mitglied der BigM, stellte seine mittels Datenabgleich gewonnenen Erkenntnisse vor. In seinem Vortrag über die Strukturanalyse des Sexualhormons Estradiol hob er die Bedeutung von Datenbanken hervor. Unerlässlich für die Arbeit mit Datenbanken sei die Möglichkeit diese nach bestimmten Inhalten zu durchsuchen. Das sei sowohl mit selbstgeschriebenen Programmen machbar als auch mit den auf den Bioplattformen zu findenden Onlinetools. Innerhalb der Biodatenbank „Pfam“ glich Singh die Struktur vom Estradiol mit weiteren Molekülen ab, um die spezifischen Bindungsstellen des Hormons zu erschließen. Mit Erfolg. Erkenntnisse dieser Art sind sehr wertvoll. Sind nämlich die Bindungsstellen von Molekülen bekannt, können darauf aufbauend entsprechende Pharmazeutika entwickelt werden.
Es spielt eine entscheidende Rolle die Struktur von Proteinen zu kennen, um auf deren Funktion schließen zu können. Die Anordnung der Moleküle, Bindungen und Winkel zueinander sind dabei wichtige Merkmale. Dr. Maciey Milostan von der TU Posen sprach dazu von eigens erstellten Algorithmen, die dazu dienen, die Beziehung zwischen Sequenz- und Strukturähnlichkeiten von Biomolekülen darzustellen. Im Fokus des Beitrages von Maximilian Fichtner vom Matthias-Schleiden-Institut der Uni Jena stand die damit verbundene Anfälligkeit, dass sich Proteine inkorrekt entwickeln und damit Krankheiten hervorrufen.
Highlights in Mittelerde
Einen taxonomischen Denkanstoß gab Prof. Ivo Große von der MLU. Dazu sprach er im Keynote talk über das Sanduhrenmuster der Embryonalentwicklung. Dieses beschreibt die Beobachtung, dass die befruchteten Eizellen verschiedener Taxa zu Beginn Ihrer Entwicklung unterschiedliche phänotypische Formen aufweisen, sich im Embryonalstadium bedeutend ähneln und in späteren Stadien der Zellentwicklung wieder stark divergieren. Dies wurde ebenfalls bei Pflanzen beobachtet. Mit der Motivation, Gene zu finden, die seit der Entwicklung des Lebens existieren und weitervererbt werden, untersuchte Prof. Große dazu die Verwandtschaftsverhältnisse verschiedener Organismen. Dadurch konnte zwischen alten und jungen Genen differenziert werden. Die als alt identifizierten Gene stehen somit für den Ursprung der Entwicklung des Lebens.
Neben Vorträgen gab das Meeting vor allem auch die Möglichkeit ins Gespräch zu kommen und Kontakte zu knüpfen. Auch für Studenten war das Mittelerde-Meeting frei zugänglich. Weitere Forschungsprojekte wurden zusätzlich in Form von Postern ausgestellt, die Anlass für weitere Gespräche lieferten. Am Ende des Meetings wurden Preise für das beste Poster und das beste Paper verliehen. Aus diesem ging die FSU Jena gleich zweimal hervor: mit dem ersten Preis für das beste Poster mit dem Titel: „Viral host prediction with deep learning“ und einem weiterer Preis für das beste Paper mit dem Titel: „Metabolomics going bioinformatics: small molecule identification with Sirius 4“.
Für einen feierlichen Ausklang des diesjährigen Mittelerde-Meetings sorgte Mittweidas Bioinformatik- und Forensikprofessor Dirk Labudde mit der Übergabe des Rings an Prof. Michael Schröder. Damit steht fest, dass im nächsten Jahr ein weiteres Central German Meeting on Bioinformatics stattfinden wird. Mittelerde wird sich dann an der Technischen Universität Dresden befinden.
Text: Lisa C. Prudnikow
Fotos: Helmut Hammer