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Ohne Labor und Pipette

Biologie aus dem Computer
Quelle: Thomas Roese

Quelle: Thomas Roese

Sie arbeiten täglich mit tausenden von Daten. Ihr Handwerkszeug sind Algorithmen, statistische Analysen oder mathematische Modelle. Bioinformatiker geben Aufschluss über jene Fragen, die Molekularbiologen oder Biochemiker nicht allein durch experimentelle Arbeiten beantworten können. Die Entschlüsselung von Erbgut oder die Vorhersage von Proteinfaltungen und –strukturen sind ohne die Bioinformatik heute kaum denkbar. Denn die Unmengen an Daten, die gerade in der Molekularbiologie generiert werden, wollen verwaltet, analysiert und visualisiert werden.

22 810 Zeilen und zwölf Spalten hat die Excel-Datei, die die Grundlage für Dhivyaa Rajasundarams Forschung bildet. Jede einzelne Zeile steht für eines der 22 810 Gene einer kleinen, unscheinbaren Pflanze mit weißen Blüten – der Acker-Schmalwand. Arabidopsis thaliana – so der wissenschaftliche Name der Acker-Schmalwand – ist keine schöne Pflanze. Doch für die genetische Forschung ist das Gewächs von enormer Bedeutung. Es gilt als der Modellorganismus schlechthin. Denn die Acker-Schmalwand hat ein kleines Genom, ist leicht kultivierbar und benötigt von der Keimung bis zur Reifung des Samens nur acht Wochen. Seit dem Jahr 2000 ist das komplette Genom der Pflanze entschlüsselt.

Auch für Bioinformatiker wie Dhivyaa Rajasundaram ist die Acker-Schmalwand ein lohnendes Forschungsobjekt. Die aus Indien stammende Forscherin, die seit 2012 am Institut für Biochemie und Biologie an ihrer Doktorarbeit schreibt, interessiert sich für das Wurzelgewebe der Pflanze. Genauer gesagt, für die Genaktivitäten in den Zellwänden des Wurzelgewebes. Sie analysiert, wann welche Gene in den sechs verschiedenen Wurzelgewebstypen von Arabidopsis thaliana an- oder ausgeschaltet werden. Pflanzen kultivieren, Gewebsschnitte anfertigen, DNA-Extraktion und -Sequenzierung – all diese Arbeitsschritte muss die Wissenschaftlerin dabei nicht selbst übernehmen. „Ich bin kein Freund von Laborarbeiten“, gesteht die Forscherin lachend. Ihr Arbeitsmittel ist der Computer, ihre Welt ist die Analyse von Daten und das Erkennen der Muster, die ihnen zugrunde liegen. 

Diese Daten werden ihr von anderen Forschern zur Verfügung gestellt. Denn Dhivjaa Rajasundaram ist eine von insgesamt 13 jungen Wissenschaftlern, die im EU-Projekt WallTraC (The Plant Cell Wall Training Consortium) die pflanzliche Zellwand untersuchen. Neun führende europäische Forschungsteams sind an diesem Projekt, das vom French National Institute for Agricultural Research (INRA) koordiniert wird, beteiligt. Mit den sogenannten „Marie-Curie-Forscher-Erstausbildungsnetzwerken“ (ITN), zu denen WallTRaC gehört, finanziert die EU Maßnahmen, die jungen Forschern den Einstieg in die Wissenschaft ebnen. Neben den Universitäten von Kopenhagen, Leeds, Lissabon, Newcastle, dem INRA und dem Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam-Golm (MPI) sind mit Bayer CropScience und CP Kelco auch Partner aus der Industrie an WallTraC beteiligt. Joachim Selbig, Professor für Bioinformatik an der Universität Potsdam und Arbeitsgruppenleiter am MPI, betreut Rajasundarams Forschungsarbeit. „Ein wesentlicher Aspekt aller Marie-Curie-ITNs ist der Praxisbezug“, erklärt Selbig. Die Beteiligten haben stets nicht nur die Forschung, sondern auch deren Anwendung im Blick. Im aktuellen Projekt sollen etwa neue molekulare Methoden und Werkzeuge entwickelt werden, mit denen Struktur und Komponenten der pflanzlichen Zellwand leichter analysiert werden können – im Fokus steht dabei, wie die Ergebnisse letztlich von der Industrie verwendet werden können.

„Pflanzenzellwände haben derzeit eine enorme Bedeutung in der Forschung, da ihre Eigenschaften für die Biokraftstoffproduktion oder auch die Textilindustrie wichtig sind“, erläutert Dhivjaa Rajasundaram. Einer der 13 jungen WallTraC-Wissenschaftler beschäftigt sich etwa damit, welche Zellwandkomponenten der Baumwollfasern deren Färbung beeinflussen. Andere untersuchen verschiedene Pektine aus Pflanzen, um herauszufinden, welches Pektin unter welchen Extraktionsbedingungen die besten Eigenschaften für die Nahrungsmittelindustrie hat.

Dhivjaa Rajasundarams Aufgabe im Forschungsnetzwerk besteht darin, einen Teil der umfangreichen Datenmengen, die die anderen Teilnehmer in ihren Experimenten generieren, zu analysieren. Ein Teil dieser Datenmenge ist die Excel-Datei mit den 22 810 Zeilen. Für jede Zeile, die für ein Arabidopsis-Gen steht, existieren zwölf Werte in der Tabelle. Jeweils zwei dieser Werte für eines der insgesamt sechs Wurzelgewebetypen. Die Daten stammen aus DNA-Analysen, die zuvor am MPI durchgeführt wurden. Aus den knapp 300 000 Werten extrahiert Rajasundaram mit statistischen Methoden jene Daten, die über die Genaktivitäten der einzelnen Wurzelgewebstypen Aufschluss geben. In jeder einzelnen Wurzelzelle ¬ von der Wurzelspitze bis zum Zentralzylinder – ist der komplette Arabidopsis-Bausatz mit seinen knapp 23 000 Genen vorhanden. Doch nur ein Bruchteil dieser Gene ist aktiv. Die Information, die diese Gene codieren, wird von Enzymen abgelesen und in Proteine übersetzt. „In den Wurzelzellen sind von den rund 23 000 Genen etwa 1000 aktiv“, erklärt Rajasundaram. In der Datentabelle verraten sich diese Gene durch erhöhte Werte.

Um zu erkennen, welche dieser 1000 aktiven Gene für den Aufbau und Prozesse in der Zellwand entscheidend sind, müssen die Forscher noch einen Schritt weitergehen. „Unser Ziel ist es, Gruppen von Genen zu identifizieren, die ein bestimmtes Aktivitätsmuster zeigen“, macht Joachim Selbig deutlich. Anhand dieser Muster bestimmen die Forscher jene Gene, die an der Biosynthese der Zellwand beteiligt sind. Dabei können sie zwischen jenen Genen unterscheiden, die lediglich ausgelesen, deren Informationen aber nicht in Proteine umgesetzt werden und anderen Genen, deren Codes tatsächlich in Proteinprodukte münden. „Die Bedeutung dieses Zwischenschritts wird seit etwa fünf Jahren intensiv erforscht“, beschreibt Joachim Selbig.

Die ersten Ergebnisse, die Dhivyaa Rajasundaram dem Datenberg entlocken konnte, zeigen: das Genom von Arabidopsis thaliana enthält knapp 900 Gene, die am Auf- und Abbau der Zellwand, an Transportprozessen oder der Synthese von Zellwandkomponenten beteiligt sind. Etwa 200 Gene sind zwar aktiv, die dazugehörigen Proteine werden jedoch kaum produziert. Für weitere 200 Gene gilt das Umgekehrte: ihre Informationen werden überproportional häufig in Proteine umgesetzt. Warum das Genom der Acker-Schmalwand diese Muster zeigt, kann jedoch auch die Bioinformatik nicht erklären. Dazu sind weitere Untersuchungen notwendig – im Labor.

Die Wissenschaftler

Dhivyaa Rajasundaram studierte Biotechnologie an der Tamil Nadul Agricultural University in Coimbatore (Indien) und Quantitative Genetics an der Cornell University in New York (USA). Seit 2012 arbeitet sie an ihrer Doktorarbeit am Institut für Biochemie und Biologie der Universität Potsdam. Im EU-Projekt WallTraC analysiert sie Genaktivitäten in pflanzlichen Wurzelgeweben.

Kontakt

Universität Potsdam 
Institut für Biochemie und Biologie 
Karl-Liebknechtstraße 24-25
14476 Potsdam-Golm

E-Mail: rajasund@uni-potsdam.nomorespam.de 

Prof. Dr. Joachim Selbig studierte Physik in Leipzig und promovierte in Informatik in Berlin. Seit 2004 leitet er die Arbeitsgruppe Bioinformatik an der Universität Potsdam und erforscht unter anderem den Zusammenhang zwischen Erbinformation und Erscheinungsbild und die Kopplung zwischen Regulation und Stoffwechsel.

Kontakt

Universität Potsdam 
Institut für Biochemie und Biologie 
Karl-Liebknechtstraße 24-25
14476 Potsdam-Golm

E-Mail: jselbig@uni-potsdam.nomorespam.de 

Das Projekt

The Plant Cellwall Training Consortium (WallTraC) wird als Marie-Curie-Maßnahme von der Europäischen Union gefördert. Die Entwicklung neuer molekularer Methoden und Werkzeuge zur Analyse pflanzlicher Zellwände ist das Ziel des Projekts.

Beteiligt: AG Bioinformatik, Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie, Universitäten von Kopenhagen, Leeds, Lissabon, Newcastle, INRA, Bayer CropScience (Belgien), CP Kelco (Dänemark)

Laufzeit: 2011-2016

Text: Heike Kampe, Online gestellt: Agnes Bressa