Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neues Werkzeug für die Systembiologie - Hypergraphen ahmen komplexe biologische Prozesse nach

26.06.2009
Am Institut für Bioinformatik und Systembiologie des Helmholtz Zentrums München entwickelt eine Arbeitsgruppe unter Leitung von Prof. Fabian Theis mathematische Modelle, die komplizierte Signalübertragungen auf Zellebene nachahmen.

Zusammen mit Magdeburger Wissenschaftlern zeigte Theis, welche bedeutsame Rolle dabei Hypergraphen als Werkzeug auch in der Systembiologie einnehmen.

Langfristiges Ziel ist es, damit die molekularen Ursachen komplexer Erkrankungen zu erforschen und neue Therapieansätze zu entwickeln.

Leben ist mehr als die Summe seiner Teile und Bio-Netzwerke wie Zellen, Organe oder Lebewesen zeichnen sich durch eine Vielzahl interagierender Komponenten aus. Um die komplexen Systeme besser verstehen zu können, entwickelte sich eine moderne Wissenschaft: Die Computational Biology beschreibt Lebensprozesse mathematisch exakt. Unter Leitung von Dr. Dr. Fabian Theis entwickelt eine Arbeitsgruppe am Helmholtz Zentrum München mathematische Modelle, die auf biologischem Wissen und experimentellen Daten beruhen. Das Interesse der Wissenschaftler gilt unter anderem den erst in jüngster Zeit entdeckten microRNAs, sehr kurzen RNA-Molekülen, die nicht in Proteine übersetzt werden, sondern andere Gene regulieren.

Ein Gebilde aus Knoten mitsamt Kanten dazwischen heißt Graph. Die Knoten stehen für Proteine, Stoffwechselprodukte, Gene oder andere Substanzen, die Kanten für Beziehungen zwischen diesen Stoffen - beispielsweise "enthält", "verbindet sich mit" oder "katalysiert". Graphen zählen zu den wichtigsten Rüstzeugen der Wissenschaftler. Ein einfaches Beispiel: Beim Sauerstofftransport wird Sauerstoff an den roten Blutfarbstoff angelagert. Das Hämoglobin geht in das Oxyhämoglobin über. Ersetzt man Hämoglobin und Oxyhämoglobin durch jeweils einen Punkt, einen so genannten Knoten, und die Verbindung zwischen den beiden Molekülen durch eine Linie ("Kante"), so erhält man einen Graphen.

Die Kanten eines einfachen Graphen dürfen höchstens zwei Knoten miteinander oder einen Knoten mit sich selbst verbinden. Das reicht nicht aus, um die komplizierten Vorgänge des Lebens genau zu modellieren. Mit Hypergraphen, in denen eine Kante beliebig viele Knoten verbinden darf, gelingt dies weitaus besser.

"Hypergraphen werden in anderen Gebieten wie der Mathematik, Physik oder in den Sozialwissenschaftern oft benutzt", erklärt Fabian Theis. "Sie sollten aber auch in der Biologie stärker zum Einsatz kommen, denn sie eröffnen uns großartige Möglichkeiten, wirklichkeitsnahe Modelle zu entwickeln."

Dies verdeutlicht Theis an zahlreichen Beispielen. Wichtige Daten über die Genomaktivität erhalten Wissenschaftler, indem sie miteinander interagierende Gruppen von Proteinen identifizieren. Um Komponenten von Multiproteinkomplexen zu identifizieren, wird seit Jahren die so genannte Tandem-Affinitäts-Reinigung (Tandem Affinity Purification, TAP) verwendet. TAP-Daten können in einem Hypergraphen dargestellt werden, in dem eine Kante die verschiedenen miteinander verbundenen Proteine eines Komplexes darstellt. Gibt man TAP-Ergebnisse hingegen in einem gewöhnlichen Graphen wieder, so kann man zwar erkennen, welche beiden Proteine miteinander eine Bindung eingegangen sind. Es ist jedoch nicht mehr möglich, die Komplexbildungen zu rekonstruieren. Wichtige Informationen sind verloren gegangen.

Inzwischen stehen relativ große Hypergraphen zur Verfügung, die Genregulationen oder Wechselwirkungen zwischen Proteinen darstellen. Forscher fügen mittlerweile auch statistische Informationen in einen Hypergraphen ein. Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig. Ein Beispiel sind Hypergraphen, welche statistische Informationen über Gendefekte und damit in Zusammenhang stehende Krankheiten enthalten. Auf diese Weise kann man rasch erfahren, wie häufig eine genetisch bedingte Erkrankung auftritt - eine Information von hohem Interesse.

Mittlerweile gelingt es mit Hypergraphen außerordentlich gut, biologische Prozesse zu modellieren. Dies ist unter anderem für die Diagnose, Prävention und Therapie von Erkrankungen von Bedeutung. Die Anwendungsmöglichkeiten der Hypergraphen sind aber noch längst nicht ausgeschöpft. Es ist daher zu erwarten, dass sie in naher Zukunft erheblich an Bedeutung gewinnen werden.

Weitere Informationen

Originalpublikation
Steffen Klamt, Utz-Uwe Haus, Fabian Theis, Hypergraphs and Cellular Networks, PLoS Comput Biol 5(5) 2009 (e1000385. doi:10.1371/journal.pcbi.1000385)

Das Institut für Bioinformatik und Systembiologie (IBIS) des Helmholtz Zentrums München (Direktor: Prof. Dr. Werner Mewes) beschäftigt sich mit der systematischen Funktions- und Strukturanalyse von Proteinen mit Schwerpunkten in der Charakterisierung von Modellgenomen wie Hefe, Arabidopsis thaliana und Maus. Zentrales Ziel ist es, Methoden zu entwickeln, um molekularbiologische Daten zu interpretieren und Informationen, die sich nicht unmittelbar durch die Anwendung von Algorithmen aus der Sequenz berechnen lassen, vorherzusagen.

Das Helmholtz Zentrum München ist das deutsche Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt. Als führendes Zentrum mit der Ausrichtung auf Environmental Health erforscht es chronische und komplexe Krankheiten, die aus dem Zusammenwirken von Umweltfaktoren und individueller genetischer Disposition entstehen. Das Helmholtz Zentrum München beschäftigt rund 1680 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter. Der Hauptsitz des Zentrums liegt in Neuherberg im Norden Münchens auf einem 50 Hektar großen Forschungscampus. Das Helmholtz Zentrum München gehört der größten deutschen Wissenschaftsorganisation, der Helmholtz-Gemeinschaft an, in der sich 15 naturwissenschaftlichtechnische und medizinisch-biologische Forschungszentren mit insgesamt 26500 Beschäftigten zusammengeschlossen haben.

Sven Winkler, Leiter der Abteilung Kommunikation, Helmholtz Zentrum München - Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt (GmbH), Ingolstädter Landstraße 1 85764 Neuherberg. Tel.: ++49 (0)89-3187-3946, Fax: ++49 (0)89-3187-3324, E-Mail: presse@helmholtz-muenchen.de

Michael van den Heuvel | idw
Weitere Informationen:
http://www.helmholtz-muenchen.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Aufräumen? Nicht ohne Helfer
19.10.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

nachricht Einzelne Rezeptoren auf der Arbeit
19.10.2017 | Julius-Maximilians-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: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Im Focus: Neutron star merger directly observed for the first time

University of Maryland researchers contribute to historic detection of gravitational waves and light created by event

On August 17, 2017, at 12:41:04 UTC, scientists made the first direct observation of a merger between two neutron stars--the dense, collapsed cores that remain...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Aufräumen? Nicht ohne Helfer

19.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Neue Biotinte für den Druck gewebeähnlicher Strukturen

19.10.2017 | Materialwissenschaften

Forscher studieren molekulare Konversion auf einer Zeitskala von wenigen Femtosekunden

19.10.2017 | Physik Astronomie