Vom Netzwerk zum System

Neues Max-Planck-Partnerinstitut in Shanghai konzentriert sich auf die Erforschung biologischer Netzwerke

Ein „Partner Institute for Computational and Theoretical Biology“ haben die Max-Planck-Gesellschaft und die Chinesische Akademie der Wissenschaften jetzt in Shanghai offiziell gegründet. MPG-Gründungsdirektor des neuen Instituts ist der Mathematiker Prof. Andreas Dress, bisher Universität Bielefeld und Max-Planck-Institut für Mathematik in den Naturwissenschaften. Chinesischer Kodirektor ist der Populationsgenetiker Prof. Li Jin, der vom College of Medicine der University of Cincinnati, USA, kommt und zugleich Professor an der Fudan University in Shanghai ist. Während die von Prof. Dress geleitete Abteilung für Kombinatorische Geometrie sich speziell mit dem vernetzten Zusammenwirken von Proteinen und Stoffwechselprodukten in gesunden und kranken Zellen beschäftigen wird, sollen in der Abteilung für Genetik und Bioinformatik von Prof. Li Jin die molekulare Evolution menschlicher Populationen untersucht sowie genetische Grundlagen komplexer menschlicher Krankheiten identifiziert werden. Das Partnerinstitut wird eng mit experimentellen und biomathematischen Forschungsinstituten in China, Deutschland sowie in anderen Ländern zusammenarbeiten. Die Gründungszeremonie fand am 25. Mai 2005 in Shanghai statt.

„Es gibt nichts Praktischeres als eine gute Theorie“. Dieses Zitat von Ludwig Boltzmann ist gewissermaßen das Leitmotiv des neuen Instituts. Denn in der Biologie setzt sich heute mehr und mehr eine informationsbasierte Sichtweise beim Verständnis von Lebensprozessen durch: Allein in einer Zelle wirken an unterschiedlichen Orten gleichzeitig Zehntausende Moleküle in verschiedenen Konzentrationen. Wie entsteht aus diesem „molekularen Rauschen“ Information, wie werden daraus Signale generiert oder aus der Umgebung empfangen, unterdrückt oder weiter gegeben? Wie entsteht aus dem Milliardenfachen Miteinander von Molekülen Leben?

Um Antwort auf solche Fragen zu finden, bemühen sich Wissenschaftler heute darum, die Lebensvorgänge als Ganzes, als ein System zu verstehen. Doch dabei werden immer größere Datenmengen erzeugt, die es auszuwerten gilt, wenn man zu neuen Erkenntnissen über einen Organismus kommen will: Hierbei helfen neue theoretische und mathematische Ansätze sowie die Modellierung solcher Systeme im Computer.

Von aktuellem Interesse ist dabei zum einen das Verständnis komplexer Vorgänge in biomolekularen Netzwerken und Zellsystemen mit Methoden der Kombinatorischen Geometrie. „Netzwerke sind Schnappschüsse eines komplexen Systems und ein System umfasst Netzwerke in Aktion“, sagt Prof. Andreas Dress, einer der Institutsdirektoren. Erst die detaillierte Erfassung der zellulären Abläufe führt zu einem tieferen Verständnis der extrem komplexen Prozesse in menschlichen Organismus und letztlich auch zur Entwicklung neuer Medikamente. Speziell will sich Dress in seiner Gruppe auf Protein- und Stoffwechselnetzwerke in gesunden sowie in Krebszellen konzentrieren.

Netzwerke spielen auch auf der Ebene des gesamten Organismus – und dort besonders bei der Arbeitsweise unseres Erbguts – eine entscheidende Rolle. Prof. Li Jin, der zweite Direktor des Partnerinstituts, beschäftigt sich speziell mit der Variabilität des menschlichen Genoms zwischen einzelnen Individuen, die nur 0,1 Prozent des Erbguts ausmacht. Was uns Menschen voneinander unterscheidet, wird durch winzige Unterscheide der DNS-Sequenz, die single nucleotide polymorphisms (SNPs), geprägt. Ein Set von gleichzeitig vererbten SNPs in einer Region des Erbguts bezeichnet man als „Haplotyp“. Deren Erforschung hilft einerseits, Fragen zu Ursprung, Verwandtschaft, Geschichte, Struktur und Migrationsmuster menschlicher Populationen zu beantworten (molekulare Anthropologie). Andererseits stehen einige Genvarianten bzw. die von ihnen kodierten Proteine mit bestimmten Krankheiten in einem Zusammenhang. Diese zu ergründen, wird dazu beitragen, näher an die biologischen Wurzeln von Volkskrankheiten zu kommen und entsprechende Wirkstoffe zu entwickeln. Daneben sucht man auch nach Genvarianten, die für das individuelle Ansprechen auf Wirkstoffe bzw. das Auftreten von Nebenwirkungen verantwortlich sind (Pharmakogenomik).

Direktoren des Instituts

Prof. Andreas Dress (Jahrgang 1938) studierte Mathematik in Berlin, Tübingen und Kiel, promovierte 1962 und habilitierte sich 1965. Er war über viele Jahre Mitglied des Institute for Advanced Studies in Princeton, USA, und seit 1969 Professor für Mathematik an der Universität Bielefeld. Dress war Gastwissenschaftler an vielen renommierten Universitäten und Forschungsinstituten weltweit und ist Mitherausgeber von sieben internationalen Fachzeitschriften. Seit 2003 ist Dress zudem Gastwissenschaftler am Max-Planck-Institut für Mathematik in den Naturwissenschaften in Leipzig. Sein aktuelles Forschungsinteresse gilt der Phylogenetischen Kombinatorik, der Molekularen Evolution sowie der Nutzung topologischer Methoden in der Proteomik und Computational Chemistry.

Prof. Li Jin (Jahrgang 1963) studierte Genetik an der Fudan Universität in Shanhai, promoviert 1994 in Biomedical Science/Genetics an der University of Texas in Houston, USA, und war bis 1996 Postdoc-Fellow im Medical Genetics Program der Stanford University School of Medicine (Betreuung: Prof. L.L. Cavalli-Sforza). Prof. Jin ist seit 2001 Full Professor der University of Cincinatti, USA, und Direktor des Center for Anthropological Studies der Fudan University in Shanghai, China. Prof. Lin war daneben als Consultant in einer Reihe von amerikanischen Biotechnologie-Unternehmen tätig. Er ist Mitherausgeber mehrerer internationaler Fachzeitschriften. Seine Hauptarbeitsgebiete sind Humane und Medizinische Genetik, Populationsgenetik und Genetische Anthropologie sowie Genomik und Bioinformatik.

Institutsorganisation

Das Partnerinstitut soll aus drei Abteilungen und mehreren Nachwuchsgruppen bestehen und rechtlich wie administrativ in den Campus der „Shanghai Institutes of Biological Sciences“ (SIBS) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) integriert werden. Es wird gleichzeitig jedoch wesentliche strukturelle Merkmale eines Max-Planck-Instituts aufweisen – insbesondere hinsichtlich der Verfahren zur Sicherung einer hohen Qualität der wissenschaftlichen Arbeit. Eine wichtige Aufgabe des Instituts ist zudem die interdisziplinäre Heranbildung chinesischer Nachwuchswissenschaftler auf dem Gebiet der Biomathematik.

Finanzierung

Während der fünfjährigen Aufbauphase übernimmt die Chinesische Akademie der Wissenschaften zwei Drittel der erforderlichen Kosten. Ein Drittel, d.h. insgesamt 2,5 Mio. Euro, stellt das Bundesministerium für Bildung und Forschung aus der Projektförderung zur Verfügung. Die neue Forschungseinrichtung wird sowohl das stark experimentell ausgerichtete Themenspektrum am SIBS in Shanghai als auch eine Reihe von Projekten in Max-Planck-Instituten in Deutschland durch Forschungsarbeiten im Bereich der Theoretischen und Computer-gestützten Biologie ergänzen. Zudem sind Kooperationen mit dem in Shanghai angesiedelten Institut Pasteur of Shanghai/Chinese Academy of Sciences vorgesehen.