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Von Genomen und Algorithmen – Welche Chancen bietet die Bioinformatik?

Der neue Informatik-Cluster der Hochschule Fresenius soll Experten aus unterschiedlichen Schwerpunkten zusammenführen, um gemeinsam an digitalen Forschungsprojekten und Lehrkonzepten zu arbeiten. Aber wieso ist interdisziplinäre Zusammenarbeit in diesem Bereich so wichtig?
Prof. Dr. Thorsten Daubenfeld, Leiter des Clusters und Studiendekan für Bioinformatik (B.Sc.) an der Hochschule Fresenius spricht im adhibeo-Interview über Anforderungen, Möglichkeiten und Chancen an der Schnittstelle zwischen Biologie und Informatik.

Informatik und Biologie sind zwei Bereiche, die man gedanklich nicht direkt miteinander verbinden würde. Wie passen die beiden Schwerpunkte zusammen?

Um es auf den Punkt zu bringen: sehr gut. In der biologischen Forschung wird zunehmend mit Algorithmen und computergestützten Analysemethoden gearbeitet, um beispielsweise die genetische Veranlagung für bestimmte Krankheiten oder die Wirkungsweise von Medikamenten vorhersagen zu können – und das im Sinne personalisierter Medizin angepasst auf individuelle Personen.

Wie kommt da die Informatik ins Spiel?

Die Biologie ist ein sehr komplexes Fachgebiet. Nehmen wir zum Beispiel die Genanalyse. Im menschlichen Genom finden sich mehr als drei Milliarden Basenpaare. Stellen Sie sich das vor wie eine sehr lange Abfolge der Buchstaben A, C, G und T. Die exakte Abfolge dieser Buchstaben ist der Bauplan unseres Körpers und diesen möchten wir Wissenschaftler natürlich gerne lesen. Würde man dies manuell durchführen und ca. eine Sekunde pro Basenpaar benötigen, wäre man fast 100 Jahre alleine mit dem Lesen eines einzigen Genoms beschäftigt. Und dann hätte man noch lange nicht verstanden, was der Text bedeutet. Um zum Beispiel einen DNA-Test zu machen, müsste man bereits zwei Genome miteinander vergleichen. Damit man solche Analysen also effektiv durchführen kann, braucht man Algorithmen und computergestützte Auswertungsmethoden, wie sie in der modernen Bioinformatik eingesetzt werden.

Wofür werden die Ergebnisse solcher Analysen dann genutzt?

Kann ich möglichst schnell ein Genom komplett auswerten, bin ich beispielsweise in der Lage Mutationen zu erkennen, die auf eine genetische Veranlagung für Alzheimer hinweisen. Auch bei Vaterschaftstests wird DNA miteinander verglichen.
Ein weiteres Anwendungsgebiet der Bioinformatik ist die Herstellung von Medikamenten zur Behandlung von Krebserkrankungen oder Multipler Sklerose.

Wie funktioniert das genau?

Krebszellen im Körper benötigen vereinfacht gesagt Enzyme, ohne die sie sich nicht vermehren können. Pharmazeutische Wirkstoffe können gezielt an solche Enzyme binden und sie dadurch ausschalten. Die Zelle kann nach der Behandlung mit dem Wirkstoff das Enzym nicht mehr verwenden und alle damit verbundenen Systeme der Zelle fallen aus. Dabei müssen die Wirkstoffe aber auf das Enzym so gut angepasst sein wie ein Schlüssel zu einem Schloss. Um die Struktur der unterschiedlichen „Schlösser“ bei jedem einzelnen Menschen erkennen zu können, versuchen Bioinformatiker anhand einer DNA-Sequenz, welche den Bauplan des Enzyms enthält, die Struktur des Enzyms mit spezieller Software zu modellieren. Dabei sind oft nur Teile der DNA-Sequenz für die korrekte Funktion des Enzyms wichtig. Der Bioinformatiker kann folglich am Computer durch geschickte Kombination von Sequenzbruchstücken neue und effizientere Enzyme für die Biotechnologie vorhersagen. Solche optimierten Enzyme werden dann von Biologen in die Zellen kloniert, die dann das neue Enzym herstellen, das später als Medikament Anwendung findet.

Was muss man mitbringen, um im Bereich der Bioinformatik arbeiten zu können?

Um zu wissen, welche Informationen überhaupt gebraucht werden, muss man biochemische Prozesse verstehen. Man verbindet quasi die eigene Erfahrung, die man sich im Studium im Labor angeeignet hat, mit den erworbenen Kenntnissen aus dem Bereich Informatik. Diese Verbindung ist sehr wichtig. Im beruflichen Alltag arbeitet der Bioinformatiker mit Messwerten aus dem Labor, die dann mithilfe von algorithmischen Verfahren ausgewertet werden. Im Studium der Bioinformatik lernt man, hierfür sowohl die richtigen Fragen zu stellen als dann dann auch die passenden Antworten zu geben.

Wie wird sich die Branche in Zukunft entwickeln?

Ich erwarte, dass Biotechnologie und Algorithmen in Zukunft immer enger zusammenwachsen werden. Hier bietet vor allem das sich entwickelnde Feld der Synthetischen Biologie enorme Möglichkeiten. Gerade in der Behandlung von Erkrankungen wie Krebs oder von Gendefekten werden große Möglichkeiten entstehen. Diese bringen aber auch ethische Herausforderungen mit sich, die einen intensiveren Austausch zwischen Naturwissenschaften, Industrie, Politik und der Öffentlichkeit erfordern werden. Insgesamt ist die Bioinformatik ein unglaublich breites und spannendes Feld mit zahlreichen Arbeitsmöglichkeiten – von der klassischen IT-Branche über die Pharmaindustrie bis hin zu Wissenschaft und Forschung im Bereich Biologie.
Die Zukunft der Menschheit entsteht an der Schnittstelle von Biotechnologie und Algorithmen. Und genau dort setzen wir mit dem Studiengang Bioinformatik an der Hochschule Fresenius an.

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