Die Jagd nach den Signalen der Gene
Braunschweiger Forscher entschlüsseln das Erbgut mit den Kurven der Mathematik
Wissenschaftlicher Fortschritt spielt sich heute immer öfter an Schnittstellen ab. Das sind jene Regionen, in denen Disziplinen verschmelzen. Eine echte Revolution bietet die Fusion von Biologie und Informatik. Ein neuer Durchbruch an der Gesellschaft für Biotechnologische Forschung (GBF) verheißt die Genomanalyse in bislang ungeahntem Tempo.
Das ist wichtig, weil die Enträtselung der Eigenschaften des Erbgutes aller Arten der Schlüssel zum Verständnis fundamentaler Lebensvorgänge ist. Und natürlich geht es um die Frage: Wie entstehen Krankheiten, und wie können sie besiegt werden? "Wenn wir wirklich ernst machen mit der Bioinformatik, dann müssen wir die Innovationen auf beiden Feldern zusammenführen", sagt der GBF-Molekularbiologe Dr. Helmut Blöcker.
Blöcker und der Bioinformatiker Dr. Gerhard Kauer machten ernst – und erfanden ein neuartiges Verfahren. Arbeitstitel: "Handy-Technik für die Genomanalyse". Mittlerweile hat es die GBF zum Patent angemeldet. Es avancierte zum Referenzprojekt für das Braunschweiger Bioinformatik-Kompetenzzentrum "Intergenomics". Daran sind neben der GBF beteiligt: TU Braunschweig, Fachhochschule Braunschweig/Wolfenbüttel und die Wolfenbütteler Firma Biobase.
Im Kern geht es darum, bei der Erbgutanalyse nicht mehr auf Buchstabenketten zu setzen. Träger aller Erbinformationen ist die DNA. Das DNA-Molekül in der Form der berühmten Doppelhelix (siehe Graphik) besteht aus den vier organischen Basen Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T). Aus Milliarden von Kombinationen und Abfolgen von A,C,G und T ist beispielsweise das Genom des Menschen wie ein Mega-Puzzle zusammengesteckt. Der Rest ist reine Mathematik. Leistungsstarke Großrechner forschen tagelang nach "funktional interessanten Motiven": Gesetzmäßigkeiten im Buchstabenpuzzle, die zu Strukturen und Funktionen führen. Allein das Wort Motiv schien Blöcker und Kauer verräterisch: Tatsächlich geht es um Schau-Bilder, die zu Analogien führen.
Das ist etwas anderes als Buchstaben-Ketten. Blöcker, der Wissenschaft verständlich zu vermitteln vermag, nennt als Beispiel eine erfundene Kombination:
PETERPAULANDMARY
PETERPAULUNDMARIE
Obwohl diese Zeilen vom Informationsgehalt identisch sind, wird der Computer sie völlig korrekt als unterschiedlich identifizieren. "Also wollen wir DNA nicht nach Buchstaben, sondern nach physikalischen Eigenschaften, nach Signalen, vergleichen", sagt Blöcker. Das würde auf das Beispiel bezogen bedeuten: Beide Zeilen erzeugen Signale, die als gleiches Muster erkannt werden können.
Wie geht das? Man benötigt Zahlenwerte, die sich in mathematische Kurven umsetzen lassen – so wie die Ausschläge eines Seismographen oder das EKG beim Hausarzt. Blöcker und Kauer machten das so: Es braucht eine bestimmte Menge Energie, um die DNA-Doppelhelix an einer bestimmten Stelle zu öffnen. An die Stelle der Buchstaben treten Zahlen. Aneinandergereiht: schöne Kurven.
Gerhard Kauer: "Die Schmelz-Energiewerte werden eben durch Struktur und Biophysik der DNA festgelegt. Deshalb liefert das Verfahren sinnvolle und aussagekräftige Signale."
Vor allem geht es wesentlich schneller als bislang. Denn nun liegen die grundlegenden Lebensfunktionen gleichsam digital vor – und können bearbeitet werden wie Bilder oder Sprache. Die weit entwickelte Mathematik, die zu Spracherkennung mit dem Handy und Bildbearbeitung am Computer geführt hat, liefert das Vorbild. Sogar "Rauschen" kann unterdrückt werden: Zutage treten die wesentlichen Signale, die lupenreine Information.
Was diese Bioinformatik-Revolution für die Genomanalyse bedeutet, ist noch gar nicht abzuschätzen. "Das hier ist Neuland, das hat bislang noch keiner gemacht", sagt Helmut Blöcker, der als Koordinator des deutschen Humangenom-Projekts bereits an der konventionellen Entzifferung der menschlichen Erbinformation beteiligt war.
Bislang produzierte ein Technologie-Engpass eine Art ständig wachsende Warteschlange. Alle sechs Monate, rechnet Blöcker, verdoppeln sich die weltweit verfügbaren Gen-Informationen. Sie könnten längst im Kampf gegen Infektionen, Krebs oder Aids ausgewertet sein. Doch die Computer-Leistung verdoppelt sich nur alle 18 Monate. Das ist das Nadelöhr.
Beschleunigt wird natürlich auch der wichtige Vergleich von Genomen verschiedener Arten – zum Beispiel von Mensch und Maus oder Mensch und Schimpanse. Schon rückt für Blöcker die "Modellierung von Infektionsprozessen in Echtzeit-Nähe" ins Blickfeld. Mathe und Medizin: Am Ende kannst du die Krankheit ausrechnen. Zukunftsmusik. Die neue Technologie ist übrigens preiswert. Wenn jeder mit seinem Heimcomputer Bilder bearbeiten kann, dann könnte künftig auch jeder in Genomen blättern. Auch kleinere Firmen und Institute, die nicht über teure Superrechner verfügen, könnten dann beim weltweiten Gen-Puzzle mitspielen.
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