Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Schneller, genauer, empfindlicher: Neue Methode verbessert Sequenzanalysen entscheidend

29.12.2011
Blitzschnell und dabei hoch empfindlich: Mit HHblits steht der Proteinforschung ein neues Werkzeug zur Verfügung, das die Analyse von Proteineigenschaften deutlich verbessern kann.

LMU-Bioinformatiker um Dr. Johannes Söding vom Genzentrum der LMU entwickelten das neue Verfahren, mit dem verwandte Proteine durch die Ähnlichkeit ihrer Sequenzen - also der Abfolge ihrer Aminosäuren - schneller und genauer aufgespürt werden können als bisher - bei bis zu doppelter Empfindlichkeit. Aus den Eigenschaften bekannter Proteine oder Proteinuntereinheiten kann dann auf die Eigenschaften verwandter Proteine rückgeschlossen werden - einschließlich der Vorhersage ihrer Funktion und Struktur. „Diese Vorhersagen ermöglichen in allen Bereichen der auf molekularem Niveau forschenden Lebenswissenschaften oft ein gezielteres experimentelles Vorgehen“, sagt Söding, der auch dem Exzellenzcluster „Center for Integrated Protein Science Munich“ (CIPSM) angehört. (Nature Methods, 25.12.2011)

Proteine sind an allen Lebensvorgängen in der Zelle entscheidend beteiligt. Welche konkrete Aufgabe ein Protein übernimmt, beruht zum einen auf seiner Sequenz, also der Abfolge der 20 Aminosäuren, aus denen es aufgebaut ist. Zum anderen spielt die dreidimensionale Struktur, in die Proteine gefaltet sind, eine wichtige Rolle. Um die Funktion eines Proteins vorherzusagen, wird die Abfolge seiner Bausteine - der Aminosäuren - mit derjenigen anderer Proteine mit bereits bekannter Funktion und Struktur verglichen. Die Vergleichssequenzen sind in Datenbanken gespeichert, in denen auch Eigenschaften und Funktionen bereits bekannter Proteine hinterlegt sind. „Solche Sequenzanalysen sind ein fundamentales Werkzeug der Bioinformatik“, erklärt Söding.

Spezielle Suchprogramme bewerten die Ähnlichkeit der Sequenzen, indem diese so untereinander angeordnet werden, dass sich möglichst ähnliche Aminosäuren in der gleichen Spalte dieses sogenannten Sequenz-Alignments befinden. „Fast noch wichtiger als die Suche nach paarweise Sequenzähnlichkeiten ist die Erstellung sogenannter multipler Sequenz-Alignments, das heißt es werden ähnliche Sequenzen vieler verwandter Proteine gesucht und zu einem großen Alignment zusammengebaut“, sagt Söding. Da die Struktur und Funktionen von Proteinen meist konserviert sind – das bedeutet sie bleiben erhalten, auch wenn sich die Sequenz im Lauf der Evolution durch Mutationen ändert – sind multiple Sequenz-Alignments heutzutage die wichtigste Grundlage für die die Vorhersage ihrer Struktur und molekularen Funktionen.

Seit fast 15 Jahren ist PSI-BLAST das meistverwendete Programm zur Suche von Proteinsequenzen, da es hohe Geschwindigkeit mit großer Empfindlichkeit und Genauigkeit verbindet. Nun ist es Södings Team gelungen, mit HHblits eine Methode zu entwickeln, die PSI-BLAST in allen Bereichen deutlich übertrifft. Dies erreichten die Wissenschaftler zum einen, indem sie sowohl die zu analysierenden Sequenzen als auch die Vergleichssequenzen in den zu durchsuchenden Datenbanken in sogenannte Hidden-Markov-Modelle (HMM) umwandeln.

HMMs sind statistische Modelle der Aminosäuresequenzen, die auch die im Sequenzalignment ablesbaren Wahrscheinlichkeiten von Mutationen berücksichtigen – so wird die Suche empfindlicher und genauer. Zum anderen gelang es den Bioinformatikern, die zu durchsuchende Datenmenge durch einen Vorfilter zu reduzieren, ohne dabei merklich an Empfindlichkeit einzubüßen. Der Trick: Ähnliche Datenbanksequenzen werden zunächst zu multiplen Sequenz-Alignments zusammengefasst. Deren Spalten werden jeweils durch einen von 219 „Buchstaben“ beschrieben, wobei ähnliche Spalten durch die gleichen Buchstaben repräsentiert werden. Dadurch kann jedes Alignment durch eine Sequenz aus diesen 219 Buchstaben angenähert werden, und der langsame paarweise Vergleich von Sequenz-Alignments lässt sich durch den viel schnelleren Vergleich dieser Sequenzen ersetzen, was die Suche um den Faktor 2500 beschleunigt. „Insgesamt ermöglicht HHblits, häufiger und genauer als bisher die Funktion und Struktur unbekannter Proteine vorherzusagen“, betont Söding, der die Methode nun noch weiter verbessern möchte, unter anderem durch die Einbeziehung von Strukturinformationen. (göd)

Publikation:
„HHblits: Lightning-fast iterative protein sequence searching by HMM-HMM alignment”;
M. Remmert, A. Biegert, A. Hauser, J. Söding;
Nature Methods, 25. 12.2011;
doi: 10.1038/NMETH.1818
Ansprechpartner:
Dr. Johannes Söding
Genzentrum München und Department of Biochemistry
Tel.: 089 / 2180 - 76742
Fax: 089 / 2180 - 76999
E-Mail: soeding@genzentrum.lmu.de

Luise Dirscherl | Ludwig-Maximilians-Universität M
Weitere Informationen:
http://www.soeding.genzentrum.lmu.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Optische Kontrolle von Herzfrequenz oder Insulinsekretion durch lichtschaltbaren Wirkstoff
17.07.2018 | Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

nachricht Künstliche neuronale Netze helfen, das Gehirn zu kartieren
17.07.2018 | Max-Planck-Institut für Neurobiologie

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: Diamant – ein unverzichtbarer Werkstoff der Fusionstechnologie

Forscher am KIT entwickeln Fenstereinheiten mit Diamantscheiben für Fusionsreaktoren – Neue Scheibe mit Rekorddurchmesser von 180 Millimetern

Klimafreundliche und fast unbegrenzte Energie aus dem Fusionskraftwerk – für dieses Ziel kooperieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit. Bislang...

Im Focus: Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung

Quantenphysiker/innen der ÖAW entwickelten eine neuartige Methode für den Nachweis von hochdimensional verschränkten Quantensystemen. Diese ermöglicht mehr Effizienz, Sicherheit und eine weitaus geringere Fehleranfälligkeit gegenüber bisher gängigen Mess-Methoden, wie die Forscher/innen nun im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten.

Die Vision einer vollständig abhörsicheren Übertragung von Information rückt dank der Verschränkung von Quantenteilchen immer mehr in Reichweite. Wird eine...

Im Focus: Was passiert, wenn wir das Atomgitter eines Magneten plötzlich aufheizen?

„Wir haben jetzt ein klares Bild davon, wie das heiße Atomgitter und die kalten magnetischen Spins eines ferrimagnetischen Nichtleiters miteinander ins Gleichgewicht gelangen“, sagt Ilie Radu, Wissenschaftler am Max-Born-Institut in Berlin. Das internationale Forscherteam fand heraus, dass eine Energieübertragung sehr schnell stattfindet und zu einem neuartigen Zustand der Materie führt, in dem die Spins zwar heiß sind, aber noch nicht ihr gesamtes magnetisches Moment verringert haben. Dieser „Spinüberdruck“ wird durch wesentlich langsamere Prozesse abgebaut, die eine Abgabe von Drehimpuls an das Gitter ermöglichen. Die Forschungsergebnisse sind jetzt in "Science Advances" erschienen.

Magnete faszinieren die Menschheit bereits seit mehreren tausend Jahren und sind im Zeitalter der digitalen Datenspeicherung von großer praktischer Bedeutung....

Im Focus: Erste Beweise für Quelle extragalaktischer Teilchen

Zum ersten Mal ist es gelungen, die kosmische Herkunft höchstenergetischer Neutrinos zu bestimmen. Eine Forschungsgruppe um IceCube-Wissenschaftlerin Elisa Resconi, Sprecherin des Sonderforschungsbereichs SFB1258 an der Technischen Universität München (TUM), liefert ein wichtiges Indiz in der Beweiskette, dass die vom Neutrino-Teleskop IceCube am Südpol detektierten Teilchen mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer Galaxie in vier Milliarden Lichtjahren Entfernung stammen.

Um andere Ursprünge mit Gewissheit auszuschließen, untersuchte das Team um die Neutrino-Physikerin Elisa Resconi von der TU München und den Astronom und...

Im Focus: First evidence on the source of extragalactic particles

For the first time ever, scientists have determined the cosmic origin of highest-energy neutrinos. A research group led by IceCube scientist Elisa Resconi, spokesperson of the Collaborative Research Center SFB1258 at the Technical University of Munich (TUM), provides an important piece of evidence that the particles detected by the IceCube neutrino telescope at the South Pole originate from a galaxy four billion light-years away from Earth.

To rule out other origins with certainty, the team led by neutrino physicist Elisa Resconi from the Technical University of Munich and multi-wavelength...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Wie geht es unserer Ostsee? Ein aktueller Zustandsbericht

17.07.2018 | Veranstaltungen

Interdisziplinäre Konferenz: Diabetesforscher und Bioingenieure diskutieren Forschungskonzepte

13.07.2018 | Veranstaltungen

Conference on Laser Polishing – LaP: Feintuning für Oberflächen

12.07.2018 | Veranstaltungen

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

Optische Kontrolle von Herzfrequenz oder Insulinsekretion durch lichtschaltbaren Wirkstoff

17.07.2018 | Biowissenschaften Chemie

Umweltressourcen nachhaltig nutzen

17.07.2018 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Textilien 4.0: Smarte Kleidung und Wearables als Innovation

17.07.2018 | Innovative Produkte

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