Supercomputer erobern die Evolutionsbiologie – Neue Heimat für Acoelomorpha

Bisher scheiterte die Berechnung von Stammbäumen aus Erbgutsequenzen an der dafür notwendigen Rechenleistung. Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) haben nun Programme entwickelt, die Supercomputer in die Lage versetzen, diese Berechnungen durchzuführen. Nun können sie einen ersten großen Erfolg vorweisen.

Seit die Analyse von Erbgut durch moderne biochemische Methoden kostengünstig möglich ist, träumen Forscher davon, über den Vergleich von Erbgutsequenzen die evolutionäre Entwicklung von Tierarten rekonstruieren zu können. Bereits bessere Laborcomputer können Genanalysen durchführen. Doch für die Analyse ganzer Stammbäume ist ihre Rechenleistung zu gering. Im Rahmen einer internationalen Forschungskooperation entwickelte eine Gruppe um Bioinformatiker Dr. Alexandros Stamatakis bestehende Software-Werkzeuge so weiter, dass die notwendigen Berechnungen nun auf Höchstleistungsrechnern durchgeführt werden können.

„Mit den in den Laboren verfügbaren Rechnern ist es nicht möglich, Stammbäume aus größeren Erbgutsequenzen zu berechnen, aber für Supercomputer waren die Rechenprogramme der Evolutionsbiologen nicht geeignet,“ erläutert Michael Ott, Doktorand im Team von Stamatakis. Höchstleistungsrechner wie der des Garchinger Leibniz-Rechenzentrums schöpfen ihre Rechenleistung aus einer Vielzahl parallel arbeitender Prozessoren. Stamatakis und sein Team erweiterten daher ein Analyseprogramm so, dass es die Rechenaufgaben nun auf viele Prozessoren verteilen und die Ergebnisse wieder zusammenfügen kann. Die TUM-Wissenschaftler haben damit ein Programm geschaffen, das Evolutionsbiologen auf der ganzen Welt frei zur Verfügung steht, um ihre Forschung voran zu treiben.

Als ersten Testkandidaten wählten Kollegen an der Brown University in Providence (USA) einen nur zwei Millimeter großen Wurm mit dem Namen Acoelomorpha aus. Seine evolutionären Wurzeln waren für die Wissenschaft bisher ein Rätsel. Am Ende der umfangreichen Analyse konnten die Forscher dem Wurm jedoch eine Heimat im Stammbaum der Tiere zuweisen – an der ersten Verzweigung innerhalb der Gruppe der Bilateria. „Acoelomorpha ist von uns so weit entfernt wie ein Tier der Bilateria es nur sein kann, aber es ist bilateral. Das konnten wir nun beweisen,“ sagt Professor Casey Dunn, Evolutionsbiologe der Brown University.

Zur Entwicklung ihres Programms nutzten Stamatakis und sein Team den Garchinger Höchstleistungsrechner. Die endgültige Rechnung für Acoelomorpha wurde auf einem BlueGene Rechner in den USA durchgeführt. Mit 2,25 Millionen Prozessorstunden war dies die aufwändigste je durchgeführte Stammbaumanalyse. Nun arbeiten die Wissenschaftler an noch umfangreicheren Berechnungen und der weiteren Optimierung der Software, so dass das große Ziel – Stammbaumanalysen mit vielen Organismen unter Verwendung kompletter Genome – immer näher rückt. Die Anwendung der Software ist dabei nicht auf den Stammbaum der Bilateria beschränkt, das Prinzip ist für alle Lebewesen anwendbar.

Auf deutscher Seite wurde das Projekt vom KONWIHR und von der DFG unterstützt. Die Rechnungen wurden im San Diego Supercomputing Center durchgeführt.

Originalpublikation:

Assessing the root of bilaterian animals with scalable phylogenomic methods
Proceedings of the Royal Society B, Online, 16. September 2009
DOI: 10.1098/rspb.2009.0896
Kontakt:
Dr. Alexandros Stamatakis
Lehrstuhl für Bioinformatik (I 12)
Technische Universität München
Boltzmannstr. 3, 85748 Garching
Tel: +49 89 28919434, Fax: +49 89 28919414
E-Mail: stamatak@cs.tum.edu