Bioinformatik

Die Bioinformatik (englisch bioinformatics, auch computational biology) ist eine Wissenschaft, die sich mit den informatischen Grundlagen und Anwendungen der Speicherung, Organisation und Analyse von biologischen Daten befasst. Anfangs stammten diese Daten hauptsächlich aus der Genetik, inzwischen wird die Bioinformatik aber auch in der Pharmazie, zur Vorhersage von Proteinstrukturen und -interaktion uvm. verwendet. Die Simulation und Berechnung von biologischen Experimenten und Daten wird auch als in silico-Berechnung bezeichnet.

Des Weiteren beschäftigt sich die Bioinformatik mit weiteren Feldern wie zum Beispiel: der Neuroinformatik oder der Bionik die sich mit der praktischen Umsetzung von Mensch-Maschine-Interaktionen beschäftigen bzw. das Verständnis des menschlichen Körpers voranbringen.

Die Bioinformatik beschäftigt sich auch mit neuen Konzepten der Informatik, zum Beispiel der Künstlichen Intelligenz oder der Spracherkennung.

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Bioinformatik auf DNA-Sequenzen

Die ersten reinen Bioinformatikanwendungen wurden für die DNA-Sequenzanalyse entwickelt. Dabei geht es primär um das schnelle Auffinden von Mustern in langen DNA-Sequenzen und die Lösung des Problems, wie man zwei oder mehr ähnliche Sequenzen so übereinander legt und gegeneinander ausrichtet, dass man eine möglichst optimale Übereinstimmung erzielt (sequence alignment). Zur Anwendung kommen dabei Algorithmen der dynamischen und heuristischen Programmierung. Seltener benötigt man bei biologischen Fragestellungen die Suche nach exakten Übereinstimmungen von kurzen Sequenzenabschnitten, typischerweise für hochkonservierte Signale wie Start- oder Stoppcodons.

Eine große Rolle spielt die Bioinformatik auch bei der Genomanalyse. Die in kleinen Einheiten sequenzierten DNA-Bruchstücke werden mit Hilfe bioinformatischer Methoden zu einer Gesamtsequenz zusammengefügt.

Des Weiteren wurden Methoden zum Auffinden von Genen in unbekannten DNA-Sequenzen entwickelt (Genvorhersage, engl. gene finding oder gene prediction). Dieses Problem wird mit verschiedenen Rechenmethoden und Algorithmen angegangen, darunter statistische Sequenzanalyse, Markow-Ketten, künstliche neuronale Netze zur Mustererkennung, etc.

Protein-Bioinformatik

  Mit der Aufklärung und weitreichenden Funktionsanalyse verschiedener vollständiger Genome verlagert sich der Schwerpunkt bioinformatischer Arbeit auf Fragestellungen der Proteomik, wie z. B. dem Problem der Proteinfaltung und Strukturvorhersage, also der Frage nach der Sekundär- oder Tertiärstruktur bei gegebener Aminosäuresequenz. Auch die Frage nach der Interaktion von Proteinen mit verschiedenen Liganden (Nukleinsäuren, anderen Proteinen oder auch kleineren Molekülen) wird untersucht, da sich daraus neben Erkenntnissen für die Grundlagenforschung auch wichtige Informationen für Medizin und Pharmazie ableiten lassen, beispielsweise darüber, wie ein durch eine Mutation verändertes Protein Körperfunktionen beeinflusst, oder welche Medikamente wie an verschiedenen Proteinen wirken. Da bioinformatische Informationen oft über viele Datenbanken verteilt sind (ca 350 weltweit), werden Bioinformatik Meta-Suchmaschinen (Bioinformatik-Harvester, Entrez) häufig benutzt. um entsprechende Informationen zu finden.

Phylogenie

Sowohl anhand von DNA- als auch von Aminosäuresequenzen lassen sich phylogenetische Bäume erstellen, die die evolutionäre Entwicklung der heutigen Lebewesen aus größtenteils unbekannten und daher hypothetischen Vorfahren darstellen.

Datenbanken und Annotationen

Ein nicht unerheblicher Teil der Arbeit eines Bioinformatikers besteht - neben mathematisch anspruchsvollen Analysen - in der Datenaufbereitung und Speicherung in geeignet indizierten und verlinkten biologischen Datenbanken. Die verwirrende Vielfalt von DNA- (z. B. GenBank) und Proteindatenbanken (z. B. UniProt/SwissProt) weltweit führte bisher oft zu redundanter und damit fehlerlastiger Datenhaltung, zumal DNA-Sequenzen teils in Fragmenten, teils in vollständig assemblierten Genomen vorliegen. Idealerweise würde die Speicherung von Genom- und Proteomdaten eine Rekonstruktion der Regelwerke eines gesamten Organismus erlauben. Die gewünschte Abbildung von identifizierten Proteinen zu "ihrem" Gen und umgekehrt sowie die Zuordnung von Proteinen zu einem metabolischen Pfad ist aber noch nicht in Sicht.

Ein wesentlicher Punkt neben fehlerbehafteten Einträgen und doppelter Datenhaltung unter unterschiedlichen Schlüsseln ist die weitgehende Abwesenheit von kontrollierter Vokabularien und Ontologien, die eine Zuordnung von Funktionsbezeichnungen quer durch alle Ebenen ermöglichen. Das Gene Ontology-Konsortium (GO) versucht derzeit, eine konsistente Nomenklatur für die Funktion, den Prozess und der Zelllokalisation von Gen-Produkten zu erstellen.

Forschung

Forschungsinstitute im deutschsprachigen Raum, die sich mit Bioinformatik beschäftigen, sind u. a.

• Biozentrum der Universität Basel
• Deutsche Krebsforschungszentrum
• European Molecular Biology Laboratory
• Max-Planck-Institute für Biochemie, Molekulargenetik und Informatik
• In Österreich bietet die Private Universität für Gesundheitswissenschaften, Medizinische Informatik und Technik Tirol (UMIT) neben breit gefächerten Forschungstätigkeiten u. a. Magister- und Doktoratsstudien in den Bereichen Medizinische Informatik und Biomedizinische Informatik an.

Der Bioinformatik wird im englischen Sprachraum oft die computational biology gegenübergestellt, die einen weiteren Bereich als die klassische Bioinformatik abdeckt, meist benutzt man beide Begriffe jedoch synonym.

Siehe auch

• Studium Bioinformatik
• Neuroinformatik
• Chemoinformatik
• Metagenomik
• Biocomputing

Literatur

• Gibas und Jambek: Einführung in die praktische Bioinformatik, O'Reilly, 2002, ISBN 3-89721-289-7