Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Evolution ist berechenbar

11.11.2014

Prognosen über die künftige Evolution von Organismen waren lange Zeit pure Spekulation. Ein internationales Team von Wissenschaftlern hat eine Software entwickelt, die die Entwicklung von sich asexuell vermehrenden Organismen wie Viren oder Krebszellen berechnen kann.

Sie testeten das Programm erstmals an der historischen Entwicklung des Grippevirus A/H3N2: Der Algorithmus konnte den vorherrschenden Virustyp der nächsten Saison meist gut bis sehr gut bestimmen.


Stammbaum von HA1-Grippesequenzen (Mai 2006 bis Ende Februar 2007, siehe Einfärbung) und Sequenzen von Okt. 2007 bis Ende März 2008 (in grau). Der Algorithmus sagt zuverlässig eine Sequenz voraus. Dr. Richard Neher / Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Eine Kombination dieses Ansatzes mit anderen Methoden könnte in naher Zukunft die Treffsicherheit der Prognosen noch weiter erhöhen. Auch die Entwicklung von HIV und Noroviren sowie von Krebszellen lässt sich damit prognostizieren.

Der Rechenalgorithmus der Tübinger Forscher beruht auf einer einfachen Idee: Von der Verteilung der Äste eines Stammbaums schließt er auf die Überlebensfähigkeit – sprich: die biologische Fitness – eines Organismus. Besonders fitte Abstammungslinien haben mehr Nachkommen und ihr Stammbaum weißt deshalb mehr Verzweigungen auf.

Reich verzweigte Zweige eines Stammbaums repräsentieren deshalb die Linien, die sich voraussichtlich in Zukunft durchsetzen werden. „Die Evolution vorherzusagen ist der ultimative Test für unser Verständnis von Evolution“, sagt Richard Neher vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie. Solche Vorhersagen sind darüber hinaus nützlich, um Impfstoffe gegen sich schnell entwickelnde Krankheitserreger wie Grippeviren herzustellen.

Die Software basiert auf zwei Grundannahmen: Die Organismen unterliegen einer dauerhaften, gerichteten Selektion, und Mutationen verändern die Überlebensfähigkeit der einzelnen Individuen in kleinen Schritten. Der Algorithmus benötigt dann als Input den Stammbaum, der aus den Gen-Analysen der verschiedenen Linien des Organismus gewonnen wird.

Seine Zuverlässigkeit hat der Algorithmus in der Praxis bereits bewiesen. Die Forscher testeten den Algorithmus an der Entwicklung des Grippevirus A/H3N2 in den Jahren zwischen 1995 und 2013 in Asien und Nordamerika. Aus den Gen-Daten des Oberflächenrezeptors Hämagluttinin 1 eines Jahres erstellten sie einen Stammbaum, aus dem das Programm dann für die kommende Grippesaison die Viruslinien mit der höchsten Fitness errechnete.

„Unser Algorithmus bestimmte in 30 Prozent der Fälle den Virus-Typ, aus dem der vorherrschende Typ des nächsten Jahres hervorging. In 16 des 19 Jahre umfassenden Zeitraums machte er zudem aussagekräftige Prognosen über den Virustyp der nächsten Saison. Das legt nahe, dass die Fitness des Grippevirus maßgeblich von Mutationen bestimmt wird, die jede für sich nur einen kleinen Effekt haben und die sich mit der Zeit anhäufen“, sagt Neher.

Die Tübinger Forscher haben darüber hinaus die Entwicklung von A/H3N2 mit Prognosen verglichen, die Forscher aus Köln und New York im Frühjahr 2014 veröffentlicht hatten. Dieser Algorithmus bestimmt anhand langer Zeitserien von Gen-Daten der Grippeviren, welcher Virustyp im nächsten Jahr dominant sein wird und ist spezifisch für Grippe entwickelt worden. Dabei zeigte sich, dass die Prognosen aus Tübingen ähnlich zuverlässig sind, obwohl der zugrunde liegende Algorithmus viel einfacher ist und auf viele unterschiedliche Organismen angewandt werden kann. .

Eine Kombination des Programms mit Modellen über die Verbreitung und Übertragung von Krankheitserregern könnte die Vorhersagekraft des Algorithmus noch weiter verbessern. „Unser Modell funktioniert ohne historische Daten und braucht auch keine detaillierten Kenntnisse darüber, wie das Erbgut eines Organismus seine Fitness beeinflusst. Dadurch ist die Software vielseitiger und lässt sich bei anderen Virenarten sowie Bakterien und Krebszellen anwenden“, sagt Neher. Als nächstes wollen die Wissenschaftler sie auf HI- und Noroviren anwenden.


Originalpublikation:
Predicting evolution from the shape of genealogical trees
Richard A. Neher, Colin A. Russell, and Boris I. Shraiman
eLife, 11. November 2014; DOI: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.03568 
eLife 2014;3:e03568

Nadja Winter | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://eb.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Licht zur Herstellung energiereicher Chemikalien nutzen
21.05.2018 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

nachricht Junger Embryo verspeist gefährliche Zelle
18.05.2018 | Rudolf-Virchow-Zentrum für Experimentelle Biomedizin der Universität Würzburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Bose-Einstein-Kondensat im Riesenatom - Universität Stuttgart untersucht exotisches Quantenobjekt

Passt eine ultrakalte Wolke aus zehntausenden Rubidium-Atomen in ein einzelnes Riesenatom? Forscherinnen und Forschern am 5. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart ist dies erstmals gelungen. Sie zeigten einen ganz neuen Ansatz, die Wechselwirkung von geladenen Kernen mit neutralen Atomen bei weitaus niedrigeren Temperaturen zu untersuchen, als es bisher möglich war. Dies könnte einen wichtigen Schritt darstellen, um in Zukunft quantenmechanische Effekte in der Atom-Ion Wechselwirkung zu studieren. Das renommierte Fachjournal Physical Review Letters und das populärwissenschaftliche Begleitjournal Physics berichteten darüber.*)

In dem Experiment regten die Forscherinnen und Forscher ein Elektron eines einzelnen Atoms in einem Bose-Einstein-Kondensat mit Laserstrahlen in einen riesigen...

Im Focus: Algorithmen für die Leberchirurgie – weltweit sicherer operieren

Die Leber durchlaufen vier komplex verwobene Gefäßsysteme. Die chirurgische Entfernung von Tumoren ist daher oft eine schwierige Aufgabe. Das Fraunhofer-Institut für Bildgestützte Medizin MEVIS hat Algorithmen entwickelt, die die Bilddaten von Patienten analysieren und chirurgische Risiken berechnen. Leberkrebsoperationen werden damit besser planbar und sicherer.

Jährlich erkranken weltweit 750.000 Menschen neu an Leberkrebs, viele weitere entwickeln Lebermetastasen aufgrund anderer Krebserkrankungen. Ein chirurgischer...

Im Focus: Positronen leuchten besser

Leuchtstoffe werden schon lange benutzt, im Alltag zum Beispiel im Bildschirm von Fernsehgeräten oder in PC-Monitoren, in der Wissenschaft zum Untersuchen von Plasmen, Teilchen- oder Antiteilchenstrahlen. Gleich ob Teilchen oder Antiteilchen – treffen sie auf einen Leuchtstoff auf, regen sie ihn zum Lumineszieren an. Unbekannt war jedoch bisher, dass die Lichtausbeute mit Elektronen wesentlich niedriger ist als mit Positronen, ihren Antiteilchen. Dies hat Dr. Eve Stenson im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching und Greifswald jetzt beim Vorbereiten von Experimenten mit Materie-Antimaterie-Plasmen entdeckt.

„Wäre Antimaterie nicht so schwierig herzustellen, könnte man auf eine Ära hochleuchtender Niederspannungs-Displays hoffen, in der die Leuchtschirme nicht von...

Im Focus: Erklärung für rätselhafte Quantenoszillationen gefunden

Sogenannte Quanten-Vielteilchen-„Scars“ lassen Quantensysteme länger außerhalb des Gleichgewichtszustandes verweilen. Studie wurde in Nature Physics veröffentlicht

Forschern der Harvard Universität und des MIT war es vor kurzem gelungen, eine Rekordzahl von 53 Atomen einzufangen und ihren Quantenzustand einzeln zu...

Im Focus: Explanation for puzzling quantum oscillations has been found

So-called quantum many-body scars allow quantum systems to stay out of equilibrium much longer, explaining experiment | Study published in Nature Physics

Recently, researchers from Harvard and MIT succeeded in trapping a record 53 atoms and individually controlling their quantum state, realizing what is called a...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

„Data Science“ – Theorie und Anwendung: Internationale Tagung unter Leitung der Uni Paderborn

18.05.2018 | Veranstaltungen

Visual-Computing an Bord der MS Wissenschaft

17.05.2018 | Veranstaltungen

Tagung »Anlagenbau und -betrieb der Zukunft«

17.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Bose-Einstein-Kondensat im Riesenatom - Universität Stuttgart untersucht exotisches Quantenobjekt

18.05.2018 | Physik Astronomie

Countdown für Kilogramm, Kelvin und Co.

18.05.2018 | Physik Astronomie

Wie Immunzellen Bakterien mit Säure töten

18.05.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics