Bioinformatik: Erkenntnisse aus der Datenflut

Die riesigen Datenmengen, die in der Mikrobiologie anfallen, sind nur mit einem großen Aufwand an Informationsverarbeitung zu bewältigen. Die Bioinformatik soll den Engpass überwinden helfen, der bei der Entwicklung der benötigten Informatik-Methoden entstanden ist. Datenbanktechnik hilft, die Daten abzulegen, wiederzufinden und auf vielfältige Weise miteinander zu verknüpfen. Um die Daten zu Informationen und schließlich Erkenntnissen zu verdichten, bedient man sich formaler Modelle. Hierbei finden mathematische, zunehmend aber auch informatische Methoden Anwendung. Ziel ist es, biologische Systeme und Prozesse qualitativ und quantitativ immer umfassender darstellen, simulieren, analysieren und prognostizieren zu können – und so besser zu verstehen. In Deutschland wurden im Jahre 2001 fünf Bioinformatik-Kompetenzzentren mit einer Anschubfinanzierung des BMBF eingerichtet. Eines davon befindet sich in Braunschweig, es hat den Namen Intergenomics und soll die Interaktion zwischen Genomen aufklären helfen, insbesondere Infektionsprozesse. In diesem Beitrag werden nach einer Einführung in Probleme und Ansätze der Bioinformatik und des Intergenomics-Kompetenzzentrums Arbeiten in unserem eigenen Teilprojekt vorgestellt. Hier werden z.Z. drei Ansätze verfolgt: (1) Suche nach Bildern in Textdokumenten (PDF) aufgrund der Bildbeschriftungen, (2) diskrete Modellierung und Simulation von Signaltransduktionswegen und (3) Koevolution von Datenbankschemata und Ontologien zur Verbesserung der Datenintegration

Unterwegs in chemischen Räumen : Chemieinformatik und Moleküldesign

Wie findet man einen neuen Wirkstoff? Die pharmazeutisch-chemische Forschung steht mit diesem Vorhaben vor einer scheinbar unlösbaren Aufgabe, denn der "chemische Raum" aller wirkstoffartigen Moleküle ist unvorstellbar groß. So wurde geschätzt, dass man prinzipiell aus 1060 bis 10100 verschiedenen Verbindungen die geeigneten Kandidaten auswählen kann. Zum Vergleich: Seit dem Urknall sollen "nur" etwa 10 hoch 18 Sekunden, etwa 14 Milliarden Jahre, vergangen sein. Dies bedeutet, dass der chemische Raum praktisch unendlich ist. Aus dieser Überlegung lassen sich zumindest zwei Schlussfolgerungen ziehen: Zum einen gibt es die begründete Hoffnung, dass ein Molekül mit der gewünschten Aktivität existiert, zum anderen stellt sich die Frage, wie diese unvorstellbar große Zahl chemischer Verbindungen systematisch durchmustert werden kann? Doch die Situation ist nicht so hoffnungslos, wie sie auf den ersten Blick erscheint. Dies zeigt die erfolgreiche Entwicklung immer neuer Medikamente. Das Forschungsgebiet der Chemieinformatik befasst sich mit der Entwicklung von intelligenten Lösungsansätzen, die Chemikern bei dieser Suche nach den "Nadeln im riesigen Heuhaufen" helfen können

Einfluss von Kopienzahlvariationen auf die Tumorentwicklung

Tumorentstehung ist ein Prozess, bei dem die Abläufe innerhalb der Zelle schrittweise verändert werden. Die vielfältigen Interaktionen bei der Tumorentstehung sind jedoch bislang nicht vollständig erforscht. Bisher wurden vorwiegend Genexpressionsanalysen genutzt, die jedoch nur eine Zeitaufnahme aller Genexpressionen innerhalb der Zelle darstellen und somit allein nicht ausreichend zur Charakterisierung eines Tumors. Wir haben mithilfe von Affymetrix Mouse Diversity Genotyping Microarrays Mausbrustdrüsengewebe entsprechend unserem Dreistufen-Mausmodell analysiert und die Kopienzahländerungen berechnet. Wir fanden eine zunehmende stufenweise Änderung von den transgenen zu den Tumorproben. Die Berechnung von chromosomalen Segmenten mit gleicher Kopienzahl zeigte deutliche Fragmentmuster. Unsere Analysen zeigen, dass die Tumorentstehung ein schrittweiser Prozess ist, der sowohl durch Amplifikationen als auch Deletionen chromosomaler Abschnitte definiert ist. Wir fanden charakteristisch konservierte Fragmentierungsmuster und individuelle Unterschiede welche zur Tumorgenese beitragen

Philosophie und biomedizinische Forschung

Die bahnbrechenden wissenschaftlichen Ergebnisse der letzten Jahre erzwingen eine neue philosophische Auseinandersetzung mit den Grundkategorien der Biologie und der benachbarten Disziplinen. Insbesondere die Anwendung neuer informationstechnischer Mittel in der biomedizinischen Forschung und die damit verbundene, kontinuierlich zunehmende Datenflut sowie die Notwendigkeit, ihrer Herr zu werden, erfordern ein konsequentes Nachdenken darüber, wie biologische Daten systematisiert und klassifiziert werden können. Dafür wiederum bedarf es robuster Theorien von Grundbegriffen wie Art, Spezies, Teil, Ganzes, Funktion, Prozess, Fragment, Sequenz, Expression, Grenze, Locus, Umwelt, System usw. Solche Begriffe gehören zum impliziten Wissen jedes Biologen. Sie spiegeln einerseits eine Dimension der biologischen Wirklichkeit wider, die auch vor dem Hintergrund der biologischen Evolution unverändert bleibt. Andererseits verlangt deren theoretische Behandlung nach zeitgemäßen Analoga der in der traditionellen aristotelischen Metaphysik entwickelten Methoden. Zugleich können so die explizit formulierten Theorien und Definitionen bereitgestellt werden, die für computergestützte Informationssysteme unabdingbar sind. Das Entwickeln derartiger Theorien und Definitionen ist eine Aufgabe der Philosophie, die in diesem Sinne herausgefordert ist, zwischen Biologie und Informatik zu vermitteln

Realisierung eines Extraktionswerkzeugs zur Untersuchung von Trends in Themengebieten der Lebenswissenschaften

Der Fokus dieser Arbeit liegt darin ein Werkzeug zur Trendanalyse bereitzustellen, welches den interessierten Nutzer mit Daten versorgt, auf welchen weiterführend gearbeitet werden kann. Das Ziel ist die Extraktion von relevanten Publikationen am Beispiel von PubMed und wichtige Informationen wie das Veröffentlichungsdatum, Titel, Autor sowie Themengebiet dieser Artikel bereit zu stellen